多媒體教室光環(huán)境與投影清晰度淺析
——以貴州大學(xué)智慧教室為例

石亞鵬，唐洪剛

（貴州大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，貴陽(yáng) 550000）

近年來(lái)，運(yùn)用多媒體進(jìn)行課程教學(xué)成為主流教學(xué)方式，每堂課都會(huì)用到多媒體設(shè)備，但由于硬件基礎(chǔ)設(shè)施落后，現(xiàn)有多媒體教室一部分由普通教室改裝而成，在光照強(qiáng)度大的時(shí)候，投影屏幕的清晰度低，影響教學(xué)質(zhì)量［1］。

通過(guò)對(duì)貴州大學(xué)西校區(qū)多媒體教室進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、測(cè)繪記錄、數(shù)據(jù)分析，綜合得出現(xiàn)有多媒體教室存在的問(wèn)題：1）投影屏幕附近開(kāi)窗，當(dāng)光線強(qiáng)時(shí)容易產(chǎn)生眩光；2）開(kāi)燈形式為縱向控制，當(dāng)室外光線弱時(shí)，只能通過(guò)犧牲平均照度來(lái)?yè)Q取投影屏幕清晰度。

1 測(cè)量對(duì)象界定

多媒體教室的硬件配置和教學(xué)功能多種多樣，測(cè)量研究的多媒體教室配置了大視頻展臺(tái)、屏幕投影儀（必備）、多媒體計(jì)算機(jī)等設(shè)備，通過(guò)教室上方懸掛的投影儀設(shè)備將教師事先準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)、圖形、聲音、文字、圖像等教學(xué)信息投影到幕布上展示給學(xué)生［2］。

在信息高度發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，普通教室與多媒體教室有本質(zhì)區(qū)別，多媒體教學(xué)為師生帶來(lái)了沉浸式、交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境，教師通過(guò)多媒體教室中的投影屏幕，實(shí)時(shí)傳送操作界面給每一個(gè)學(xué)生觀看［3］，且多媒體教室增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)形式，多媒體的信息符號(hào)有圖像、音頻等形式［4］，整個(gè)教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)，提高了教學(xué)效率，因此，多媒體教室與普通教室的光環(huán)境設(shè)計(jì)多有不同，多媒體教室的光環(huán)境既要滿(mǎn)足桌面閱讀、書(shū)寫(xiě)等傳統(tǒng)的使用要求，又要保證投影大屏幕的清晰度，其要求有以下幾點(diǎn)：

1）桌面。提供適當(dāng)?shù)乃秸斩龋瑵M(mǎn)足傳統(tǒng)的桌面閱讀、書(shū)寫(xiě)要求。

2）投影大屏幕。要求文字內(nèi)容、色彩能清晰辨別。平均照度、照度均勻度與屏幕投影的清晰度相關(guān)聯(lián)，當(dāng)多媒體教室的投影設(shè)備打開(kāi)使用時(shí)，必須注意控制環(huán)境的平均照度和照度均勻度，可通過(guò)教室開(kāi)關(guān)燈和窗簾開(kāi)啟關(guān)閉等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。

3）天然光照度。選取貴陽(yáng)秋季學(xué)期最頻繁的陰天天氣，且測(cè)量時(shí)間選取建筑與城市規(guī)劃學(xué)院上課時(shí)間段，分為下午和晚上。

2 光環(huán)境實(shí)測(cè)調(diào)查

2.1 測(cè)量?jī)?nèi)容

1）實(shí)測(cè)多媒體教室內(nèi)各工作面的天然采光系數(shù)；

2）投影屏幕在不同環(huán)境亮度下的清晰度主觀評(píng)價(jià)；

3）教室內(nèi)工作平面的照度評(píng)價(jià)；

4）天然采光的實(shí)際利用情況。

2.2 測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器

1）采用萊卡DISTO D110型激光測(cè)距儀測(cè)量教室面積和開(kāi)窗面積，計(jì)算窗地比。

2）采用建通科技JTG01型手持照度計(jì)測(cè)量教室各測(cè)點(diǎn)的天然光照度及不同工況條件下的光照度，測(cè)點(diǎn)間距約為1～2 m，測(cè)量高度為教室桌面，并測(cè)量同時(shí)刻室外全陰天時(shí)無(wú)遮擋水平面的照度，計(jì)算所測(cè)各點(diǎn)的室內(nèi)平均照度和照度均勻度［6］。

3）記錄投影屏幕的具體尺寸、懸掛投影儀到投影屏幕的距離。

4）屏幕投影清晰度評(píng)價(jià)。打開(kāi)多媒體計(jì)算機(jī)和投影儀，采用主觀分級(jí)評(píng)價(jià)方式，評(píng)價(jià)其在各種環(huán)境亮度下的清晰度，問(wèn)卷將主觀評(píng)價(jià)分為不清晰、較清晰、清晰3個(gè)級(jí)別。

2.3 實(shí)測(cè)調(diào)查

實(shí)測(cè)地點(diǎn)為貴州大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，測(cè)量的教室選取多媒體教室，測(cè)量時(shí)間為2021年10月17日13：00和19：00，天氣為陰天。

2.3.1 實(shí)測(cè)教室工作面及窗戶(hù)布置

該多媒體教室面積約63.12 m2，30個(gè)座位，為小型普通多媒體教室（見(jiàn)圖1），教室單側(cè)采光，窗戶(hù)朝向正南，開(kāi)窗面積為14.43 m2，開(kāi)窗形式為推拉窗，窗戶(hù)材料為普通玻璃單層鋁合金。教室內(nèi)設(shè)有臺(tái)式計(jì)算機(jī)、投影儀、投影用的白色幕布（尺寸為3.6 m×2.24 m）、普通中小學(xué)生課桌椅，缺少板書(shū)所用的黑板，但考慮大多數(shù)課程黑板使用率低，基本可以代表普通多媒體教室的一般情況。

圖1 教室尺寸（mm）

2.3.2 光環(huán)境實(shí)測(cè)方案

測(cè)試一方面希望掌握多媒體教室天然光環(huán)境的實(shí)況，另一方面也對(duì)不同環(huán)境照度下屏幕的清晰度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在確定教室尺寸的情況下，根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB／T 5700—2008）和《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50099—2011）要求，第一排課桌的前沿到黑板的距離≥2.2 m，最后一排課桌后沿至后墻或固定家具的凈距≥1.1 m，距離左右墻面、管道的凈距≥0.15 m［7］，確定有效光照度測(cè)量區(qū)域?yàn)? 680 mm×7 600 mm（見(jiàn)圖2），根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB／T 5700—2008）要求，測(cè)量網(wǎng)格需均勻分布且完全覆蓋被測(cè)區(qū)域，測(cè)量網(wǎng)格推薦為2 m×2 m的方形網(wǎng)格。在盡量接近推薦值又滿(mǎn)足規(guī)范的前提下，將被測(cè)區(qū)域劃分為3×4個(gè)矩形網(wǎng)格，矩形的尺寸為1 560 mm×1 900 mm，選用中心布點(diǎn)法在每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，布點(diǎn)分布與燈具分布如圖3、圖4所示。

圖2 有效測(cè)量區(qū)域（mm）

圖3 測(cè)點(diǎn)分布圖（mm）

圖4 燈具分布圖

根據(jù)教室日常使用的時(shí)間，測(cè)量考慮了自然光照條件及各種燈光照明條件，記錄不同照明條件下的光照度（見(jiàn)表1、表2），由此計(jì)算教室的平均照度和照度均勻度，同時(shí)對(duì)投影屏幕清晰度和室內(nèi)照明效果進(jìn)行判斷分析。

表1 光照條件方案與照明效果

3 測(cè)量數(shù)據(jù)及問(wèn)題分析

經(jīng)過(guò)調(diào)查和測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該多媒體教室的光環(huán)境難以同時(shí)滿(mǎn)足教室內(nèi)多種工作面的使用要求，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1）當(dāng)自然采光時(shí)，桌面等工作面天然光照度水平較高，基本能滿(mǎn)足視覺(jué)使用要求，但教室進(jìn)深較大，導(dǎo)致遠(yuǎn)離開(kāi)窗一側(cè)的桌面照度普遍較低，照度均勻度小，屏幕清晰度差。將1號(hào)窗簾關(guān)閉時(shí)，屏幕清晰度有所改善，但教室平均照度及桌面照度降低。

2）當(dāng)照明方式為自然采光和人工采光結(jié)合時(shí)，教室平均照度提高，照度均勻度顯著上升，但屏幕清晰度下降明顯，幕布反光現(xiàn)象嚴(yán)重。

3）投影大屏幕清晰度評(píng)價(jià)。多媒體教室投影大屏幕尺寸為3.6 m×2.24 m，屏幕到投影儀的距離約3 m，地面到投影儀的距離約2.7 m。測(cè)試發(fā)現(xiàn)屏幕清晰度與光照均勻度無(wú)直接聯(lián)系，而與平均照度關(guān)系緊密。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)平均照度接近150 lx時(shí)屏幕清晰度較差，低于100 lx時(shí)則可獲得令人滿(mǎn)意的清晰度（圖5、圖6），由此可以推斷出屏幕環(huán)境亮度越低越有利于屏幕的清晰度。但教室前部與屏幕鄰近的桌面、講臺(tái)、黑板的照度隨屏幕環(huán)境照度的降低而明顯降低，閱讀、書(shū)寫(xiě)活動(dòng)變得困難。屏幕的環(huán)境亮度低時(shí)，屏幕與桌面亮度差過(guò)大，前排的學(xué)生觀看屏幕時(shí)會(huì)感到刺眼，閱讀、書(shū)寫(xiě)又因照度不足而感到吃力，不利于用眼衛(wèi)生。

圖6 照度均勻度對(duì)投影清晰度的影響

4）教室的燈光控制模塊較簡(jiǎn)單，一個(gè)開(kāi)關(guān)控制3個(gè)日光燈，導(dǎo)致不同的燈光開(kāi)啟方式對(duì)室內(nèi)平均照度和光照均勻度影響較大，測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，B列燈組的d號(hào)日光燈對(duì)投影屏幕清晰度的影響最大，通過(guò)遮光板將d號(hào)燈遮住后再次進(jìn)行光照度測(cè)試（見(jiàn)表3、表4），屏幕清晰度得到了顯著提升，而室內(nèi)平均照度略微下降。

表3 遮光后的光照條件方案與照明效果

表4 遮光后教室光照度測(cè)量記錄

4 優(yōu)化方案

為改善多媒體教室內(nèi)部光環(huán)境，提高其采光質(zhì)量，促進(jìn)這類(lèi)房間光照條件的規(guī)范性和合理性，針對(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)的采光問(wèn)題，提出幾方面建議。

1）進(jìn)一步優(yōu)化室內(nèi)工作面布置，將投影屏幕放在室內(nèi)照度最低點(diǎn)，以此提高屏幕與周邊光環(huán)境的亮度對(duì)比度，從而達(dá)到屏幕的清晰度要求，同時(shí)保證桌面達(dá)到照度要求，滿(mǎn)足學(xué)生日常閱讀書(shū)寫(xiě)的需要。

2）對(duì)燈具布置與控制方式的改善，在豎向控制的基礎(chǔ)上，加一組橫向控制開(kāi)關(guān)，或單個(gè)燈具的控制開(kāi)關(guān)，以控制對(duì)屏幕清晰度影響最大的燈具，同時(shí)還能滿(mǎn)足桌面照度需求。

3）對(duì)自然光的采光口進(jìn)行優(yōu)化，例如，減少屏幕左側(cè)外墻開(kāi)窗，或減弱其透光性，盡量減少自然光對(duì)屏幕清晰度的影響，同時(shí)不影響桌面的自然采光。

4）合理運(yùn)用室內(nèi)窗簾等遮光物，針對(duì)不同光照條件開(kāi)啟或關(guān)閉窗簾。

5）合理選擇多媒體投影設(shè)備，減少設(shè)備自身對(duì)屏幕清晰度的影響，例如，可采用較為先進(jìn)的LED自發(fā)光屏幕。

6）科學(xué)確定屏幕的環(huán)境亮度，使桌面照度條件與屏幕清晰度都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

7）改變光源形式，如，將條形日光燈置換為小型圓形光源可有效避免眩光的產(chǎn)生。