何偉 HE Wei 楊春宇 YANG Chunyu 梁樹英 LIANG Shuying

一、引言

教育信息化（informatization of education）是將互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、腦神經(jīng)科學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)與教育領(lǐng)域深度融合，使教育管理、教學(xué)和科研的發(fā)展適應(yīng)信息化社會的新要求。自20 世紀90 年代以來，世界各國紛紛開展“未來學(xué)?！焙汀拔磥斫淌摇毖芯縖1]，2019 年日本發(fā)布了《學(xué)校教育信息化推進法》，通過法律來促進和保障學(xué)校教育信息化相關(guān)措施的落實。近年來我國陸續(xù)出臺了一系列教育信息化改革的政策法規(guī)（表1），推進數(shù)字化教學(xué)和智慧校園的發(fā)展。在新的技術(shù)浪潮下，教育信息化已成為發(fā)展趨勢，其核心內(nèi)容是教學(xué)信息化，通過信息技術(shù)的合理運用改變傳統(tǒng)教學(xué)方式。信息化多媒體教室基于互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化媒介快速、方便地獲取信息資源，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)和傳播，其優(yōu)勢在2020 年新冠肺炎疫情期間全國開展的在線教學(xué)中得到充分體現(xiàn)。

信息化教學(xué)方式很大程度上改變了教室空間的物理環(huán)境，尤其是光環(huán)境與傳統(tǒng)普通教室有很大區(qū)別。中小學(xué)生在校大部分時間是在教室課堂度過的，教室空間光環(huán)境與學(xué)生視力健康有密切關(guān)系，不適宜的教室視覺環(huán)境是誘發(fā)學(xué)生視力不良及引起近視度數(shù)加深的主要因素。[2][3][4]2018 年教育部發(fā)布的報告顯示，青少年學(xué)生視力不良問題持續(xù)突出，高中生近視率達83.3%，并且呈逐年上升態(tài)勢。由于青少年眼球屈光發(fā)育特征的影響，10～14 歲是近視的高發(fā)期，中小學(xué)階段發(fā)生率最高（圖1）。青少年視力健康問題與身心健康密切相關(guān)，重度近視甚至可能帶來不可逆轉(zhuǎn)的視力損傷和失明風(fēng)險，已經(jīng)成為重大的公共衛(wèi)生問題，受到社會各界的廣泛關(guān)注。[5][6]習(xí)近平總書記多次對青少年學(xué)生的視力健康作出重要指示，要求全面加強中小學(xué)衛(wèi)生與健康相關(guān)工作，2018 年教育部、國家衛(wèi)健委等八個部委聯(lián)合發(fā)布了《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，明確要求建筑、眼科醫(yī)院和教育單位展開積極合作，將“改善學(xué)校視覺環(huán)境”作為青少年近視防控重要內(nèi)容。

我國教育信息化建設(shè)的部分政策法規(guī) 表1

通過調(diào)控建筑空間環(huán)境滿足舒適要求是建筑設(shè)計的重要策略[7]，建筑空間環(huán)境質(zhì)量是評價環(huán)境健康與否的重要條件，在新的教學(xué)方式下，光環(huán)境是其中最主要的因素。[8][9]中小學(xué)是青少年近視率增長最快的階段，在適應(yīng)現(xiàn)代信息化教學(xué)方式下如何保護學(xué)生視力健康已成為現(xiàn)階段中小學(xué)校所關(guān)注的核心問題，創(chuàng)造適宜的信息化教室空間視覺環(huán)境，適應(yīng)“科技—建筑—人”之間相互協(xié)調(diào)關(guān)系是新時期建筑設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)（圖2）。目前中小學(xué)校信息化多媒體教室在新的教學(xué)方式下對學(xué)生視力健康影響的研究還比較缺乏，信息化教室空間仍參照傳統(tǒng)黑板教學(xué)的普通教室規(guī)范要求。通過對信息化多媒體教室的現(xiàn)場光譜分布測量實驗，研究信息化教學(xué)方式下教室空間光分布對學(xué)生視力健康的影響，為適應(yīng)現(xiàn)代信息化教學(xué)和學(xué)生視力健康需求提出中小學(xué)校教室空間平面尺度設(shè)計依據(jù)和優(yōu)化措施，有利于建立信息化教室空間設(shè)計和實施的科學(xué)依據(jù)，為信息化教室設(shè)計標準提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、研究方法

1.信息化教室空間光環(huán)境

教學(xué)信息化驅(qū)動下中小學(xué)校班級教室普遍采用數(shù)字化智能顯示屏（比如教學(xué)一體機、觸控式電子黑板等）進行教學(xué)，以重慶市某中學(xué)為例，該校為全國現(xiàn)代教育技術(shù)實驗學(xué)校，其數(shù)字化校園建設(shè)和信息化多媒體教學(xué)設(shè)施在全國中小學(xué)校具有一定代表性。教室設(shè)置有智能觸控電子屏幕、滑動式無塵書寫白板、智能巡課攝像頭、安防攝像頭、電子班牌、電子時鐘、廣播音響等設(shè)備（圖3）。中小學(xué)校在教室組織形式上主要采用編班式教學(xué)[10]，空間布局分為教學(xué)區(qū)、學(xué)習(xí)區(qū)和活動儲藏區(qū)，學(xué)習(xí)區(qū)按照行、列的空間序列整齊布置，兩人一組的課桌椅排布是最受學(xué)生歡迎的布局形式，現(xiàn)行《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》（GB50099—2011）對教室平面布置規(guī)定，最前排課桌前沿與黑板的水平距離不宜小于2.2m，最后排課桌后沿與教室后部空間固定家具或墻壁的距離不小于1.1m。[11]

電子屏幕的教學(xué)方式下，信息化教室光環(huán)境與傳統(tǒng)普通教室有很大區(qū)別，傳統(tǒng)普通教室視覺環(huán)境品質(zhì)主要取決于人工照明和天然采光情況，影響學(xué)生視覺功效和視覺環(huán)境感受的因素包括照度、亮度、眩光、顏色、亮度對比以及識別對象的特征等照明條件，國家相關(guān)規(guī)范和標準對這些指標有相應(yīng)要求。[12]首先，信息化多媒體教室除了人工照明和天然光以外，電子顯示屏是自主式發(fā)光，發(fā)出的光線直接入射到學(xué)生眼睛（圖4）。其次，在使用電子顯示屏教學(xué)時學(xué)生長時間注視屏幕，青少年視神經(jīng)發(fā)育不完全成熟的情況下，長時間的視看可能造成學(xué)生視力安全和視力健康問題。

圖2：適應(yīng)信息化教學(xué)的教室空間設(shè)計策略

圖3：中小學(xué)校信息化教室

圖4：信息化教室光環(huán)境與學(xué)生視線

圖6：視覺目標和背景測點布置

圖5：教室空間光分布測點布置

圖7：測量設(shè)備，SRC-2光譜彩色亮度計

2.現(xiàn)場測量

通過現(xiàn)場實測研究信息化多媒體教室不同座位處的亮度分布，在標準中學(xué)班級教室按照課桌排布方式，分別在第1 排到第7 排（縱坐標軸1—7）、第A 列到第D列（橫坐標軸A—D）不同座位處測量目標亮度和背景亮度（圖5）。目標亮度和背景亮度的測量點位根據(jù)《照明測量方法》（GB/T 5700—2008），采用中心布點法選取測量面區(qū)域4 個代表性的點位進行測量 （圖6）。以觀察者標準坐姿時眼睛高度為準，亮度計放置的高度為距離地面1.2m，在圖5 中教室空間不同座位處的測點位置通過測量設(shè)備模擬人眼對目標亮度和背景亮度進行測量。測量設(shè)備使用校準后的便攜式SRC-2 光譜彩色亮度計（圖7），SRC-2 光譜彩色亮度計可實現(xiàn)380～780nm全波長范圍測量，亮度顯示值的偏差范圍為不大于4%，滿足實驗精度要求。測量過程中，將SRC-2 光譜彩色亮度計與一臺便攜式筆記本電腦連接，采用EXCEL 軟件記錄測量數(shù)據(jù)，測量結(jié)果按照《照明測量方法》（GB/T 5700—2008）取平均值。本次實驗在使用電子屏幕教學(xué)的典型工況下（開啟教室燈具，黑板燈關(guān)閉，開啟窗簾的全陰天天然光）進行了測量。電子顯示屏教學(xué)課件采用常用的白底黑字（宋體，20 號）Power Point 課件模版。為了了解電子顯示屏的藍光輻射強度，采用校準后的CS-2000 分光輻射亮度計對電子顯示屏的發(fā)射光譜進行了測量。

三、實驗結(jié)果及分析

電子黑板發(fā)光的光譜功率分布測量結(jié)果如圖8 所示，其發(fā)光光譜與6500 K LED 光源相似，峰值波長為448nm。這些短波長藍光很容易被人眼視網(wǎng)膜細胞吸收，中小學(xué)學(xué)生視神經(jīng)發(fā)育還不完全成熟，過量藍光輻射可能造成視網(wǎng)膜損 傷[13][14][15]。根據(jù)電子黑板發(fā)光的光譜，其藍光輻射強度可按照IEC 62471—2006推薦的藍光加權(quán)輻亮度公式（公式1）計算。[16][17]計算結(jié)果顯示，在典型工況下最前排位置處接收到的藍光加權(quán)輻亮度LB為0.3694W·sr-1·m-2，遠低于視網(wǎng)膜藍光曝輻限值100W·sr-1·m-2。

式中Lλ是波長光譜輻亮度，單位 W·sr-1·m-2·nm-1；B（λ）是藍光危害加權(quán)函數(shù)，可通過查詢IEC 62471—2006第4.3.3 條表2 獲得；Δλ 是光譜的波長帶寬，單位nm。

圖8：電子顯示屏光譜功率分布

圖9：信息化教室空間視亮度分布

圖10：學(xué)習(xí)區(qū)視亮度變化

教室空間不同座位位置的視覺目標亮度和背景亮度結(jié)果見表2，視亮度是將亮度感覺量化的一種方法，是教室空間學(xué)生視覺舒適度的客觀評價標準，在明亮的光照環(huán)境下，視亮度評價方法比光亮度更加符合學(xué)生客觀實際視看情況和視覺感 受[18]。影響學(xué)生視亮度的主要因素包括目標亮度、背景亮度和視角大小，視亮度可以通過公式計算。[19][20]

式中B 為視亮度；Lt為目標亮度；Lb為背景亮度；Ct（θ）、S0（θ）、S1（θ）均是視角θ 的函數(shù)；κ 是指數(shù)系數(shù)，κ=0.31。

通過公式（2）計算出信息化教學(xué)方式下教室空間不同座位處學(xué)生的視亮度分布，運用Matlab 軟件進行模擬得到信息化教學(xué)時教室空間的視亮度分布圖（圖9）。結(jié)果表明電子黑板的自發(fā)光特性和課桌排布方式對信息化教室空間不同位置學(xué)生的視覺亮度有顯著影響，學(xué)生對視覺目標的視亮度與視看距離密切相關(guān)。教室空間自前到后視亮度呈逐漸減小分布，學(xué)習(xí)區(qū)最前排位置視亮度值大，后排位置視亮度值小，視亮度在橫向位置呈廣口“U”形分布，中間正對屏幕位置視亮度值比兩側(cè)位置更高。同時視看距離對視覺目標亮度和背景亮度的比值有顯著影響，學(xué)習(xí)區(qū)亮度對比值隨著與屏幕的距離增大相應(yīng)變小，前排位置感受的亮度對比值比后排位置明顯更高（圖10、圖11）。視覺目標與環(huán)境背景的亮度差形成亮度對比值，在一定程度內(nèi)，亮度對比值過大或頻繁變化會對視覺和心理產(chǎn)生不舒適影響。根據(jù)之前亮度對比值和眼電的研究結(jié)果顯示，對比值越大，單位時間內(nèi)人眼眨眼次數(shù)越多，視覺疲勞程度越大（圖12）。[21][22]信息化教學(xué)方式下，目前教室空間平面尺度的布置方式不能適應(yīng)學(xué)生視力健康的需求。

圖11：學(xué)習(xí)區(qū)視亮度對比值

圖12：眨眼次數(shù)與亮度對比值關(guān)系

四、信息化教室空間尺度

1.光空間分布

影響視覺舒適性的主要因素是教室空間亮度分布，與視覺距離有關(guān)。學(xué)生與屏幕距離越小，感受到的視覺亮度越大。根據(jù)室內(nèi)空間照明調(diào)查顯示，通常人們感到舒適的視亮度值不超過120[19]，視覺目標的亮度過高會造成眼睛的不適感和疲勞感，會有眼睛酸痛干澀等現(xiàn)象，長時間觀看下可能造成近視或加深近視度數(shù)。根據(jù)現(xiàn)行《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》，最前排課桌前沿與黑板的水平距離為2.2m，按照現(xiàn)行課桌椅布置方法，學(xué)習(xí)區(qū)最前排的學(xué)生位置處的視覺亮度超過了視覺舒適的限值。另一方面，人眼視野中的視覺目標亮度與背景亮度的對比值大小對人眼視覺疲勞存在顯著影響，亮度對比值過大時會形成不舒適眩光，引起視覺疲勞和降低視覺功 效。[23]學(xué)生視覺距離對視野中電子黑板LED 屏幕亮度和環(huán)境背景亮度的對比值存在顯著影響，從教室前部到后部空間，隨著視覺距離增大，視野中亮度對比度逐漸減小。視疲勞實驗研究結(jié)果顯示由于亮度對比度的差異，學(xué)習(xí)區(qū)最前排中間位置比最后排位置眨眼次數(shù)更多，增大學(xué)生視覺疲勞程度。在信息化教學(xué)方式下，視覺距離對學(xué)生視覺功效和視力健康有重要影響。

教室空間不同座位位置的亮度和視亮度值 表2

2.視覺距離

在素質(zhì)教育和我國教育資源的現(xiàn)實背景下，學(xué)習(xí)區(qū)課桌采用陣列式布局仍是當前中小學(xué)班級教室主體空間的主要形式。[24][25]前排位置的學(xué)生能近距離和教師進行互動，有助于提高學(xué)習(xí)效率，在電子屏幕教學(xué)方式下，前排位置的視覺距離長時間觀看可能會損害學(xué)生視力健康，導(dǎo)致近視的發(fā)生或引起視力下降?！妒覂?nèi)LED 顯示屏光舒適度評價要求》規(guī)定LED 顯示屏的視距可以根據(jù)像素中心距計算，計算公式為

式中 DMVD是室內(nèi)LED 顯示屏的最小視距；DOVD是室內(nèi)LED 顯示屏的最佳視距；P 為LED 顯示屏的像素中心距。

國際無線電咨詢委員會（CCIR）推薦室內(nèi)LED 顯示屏幕的最佳視距以屏幕高度的3～5 倍為宜，根據(jù)目前中小學(xué)常用的電子LED 屏幕尺寸其適宜的視距約為3～7m?！吨行W(xué)校設(shè)計規(guī)范》對于合班教室使用的數(shù)字化智能屏幕，規(guī)定最前排課桌前沿與顯示屏距離不小于顯示屏對角線尺寸的4～5 倍，按照標準普通教室常用85 寸顯示屏的尺寸，最前排與顯示屏的距離約為不小于8～10m，顯然不能適用于中小學(xué)校普通班級教室。現(xiàn)場光分布測量實驗結(jié)果顯示教室空間平面尺度對視疲勞有重要影響，根據(jù)本次研究實驗數(shù)據(jù)和信息化教室空間視亮度平面分布圖分析顯示，在距離電子黑板屏幕3.1m 處，電子黑板正對的中間位置的視亮度為120（圖13），這是人們視覺舒適的視亮度最高限值（臨界值）。與電子黑板屏幕距離小于3.1 m 的區(qū)域內(nèi)視亮度和對比值較高，是視覺不舒適區(qū)域，會顯著增加視覺疲勞和降低視覺功效，增加近視風(fēng)險，降低學(xué)習(xí)效率和影響學(xué)生視力健康。這與目前CCIR 推薦的LED 顯示屏視距基本一致?；谝曈X健康的中小學(xué)校信息化多媒體教室平面尺度合理優(yōu)化，學(xué)生與電子黑板屏幕的水平距離不小于3.1m，按照標準課桌0.4m寬度，學(xué)習(xí)區(qū)最前排課桌前沿與電子黑板的水平距離應(yīng)不小于2.7m（圖13）。

教室空間平面尺度對學(xué)生視覺健康有顯著影響，現(xiàn)行規(guī)范要求最前排課桌前沿與黑板的水平距離為2.2m，在信息化教學(xué)方式下會增加前排學(xué)生視覺疲勞程度和近視患病風(fēng)險，基于教室空間內(nèi)最前排課桌前沿與顯示屏的水平距離至少保持2.7m，按照現(xiàn)行的教室平面尺寸學(xué)習(xí)區(qū)可布置6行課桌椅，最后排課桌后沿與顯示屏的水平距離為7.6m，教室后部可提供充足的存儲和活動空間，可容納48 名學(xué)生（圖14）。教育部明確提出中小學(xué)要清除“大班額”教學(xué)，中小學(xué)班級教室小班化教學(xué)是教育發(fā)達國家及地區(qū)的趨勢，國外發(fā)達國家公立中學(xué)班級人數(shù)規(guī)模通常低于30 人。[26]信息化教室最前排課桌前沿與顯示屏的水平距離設(shè)置為2.7m，既可以確保學(xué)生在適宜的視距范圍內(nèi)，同時基本滿足了現(xiàn)行規(guī)范對班級規(guī)模和人均面積的要求。

圖13：信息化多媒體教室適宜視覺距離

圖14：適應(yīng)信息化教學(xué)的空間平面尺度

五、結(jié)論

信息化時代的到來為教育信息化提供了廣闊的發(fā)展空間和平臺，基于信息技術(shù)的智慧教育是未來的發(fā)展趨勢，信息化教學(xué)方式改變了教室空間的物理環(huán)境，對青少年學(xué)生的視力健康和視覺功效有顯著影響。在信息化多媒體教室教學(xué)中，現(xiàn)行規(guī)范要求的平面尺度不能滿足學(xué)生視覺舒適感和視力健康要求，視覺距離不合適的情況下可能增加學(xué)生視覺疲勞程度，增加近視患病風(fēng)險。通過現(xiàn)場試驗研究合理優(yōu)化信息化教學(xué)方式下教室空間平面尺度設(shè)計措施，創(chuàng)造適宜的中小學(xué)校教室空間視覺環(huán)境對于青少年近視防控意義重大，能夠為適應(yīng)信息化教學(xué)方式和改善學(xué)生視覺環(huán)境的教室平面尺度優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。