視覺類教育裝備效能指標的探討

胡又農趙錦紅

1 首都師范大學教育技術系 北京 100048 2 北京師范大學信息科學學院 北京 100875

視覺類教育裝備效能指標的探討

胡又農1趙錦紅2

1 首都師范大學教育技術系 北京 100048 2 北京師范大學信息科學學院 北京 100875

提出同時可展示文字數量和圖像展示質量這兩個視覺類教育裝備的效能指標，探討這兩個效能指標的含義，介紹這兩個效能指標的測量方法。

教育裝備；效能；文字；圖像

Author’s address

1 Capital Normal University, Bei j ing, China 100048

2 Bei jing Normal University, Bei j ing, China 100875

1 視覺類教育裝備效能指標研究的理論基礎

1.1 人類的5種感知能力及其在教育活動中的使用

眾所周知，人類通過視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺對外部世界進行感知，人類之間的交流也離不開這五種感知能力的支持。喪失任何一種感知能力，將給感知世界和人與人之間的交流帶來不便和困難。雖然人類的這5種感知能力已經相當的靈敏，但就整個物質世界來說，人類的感知能力是十分有限的，如人類的眼睛只能看到波長范圍很窄的“可見光”，人類的耳朵只能聽到20 Hz～20 kHz范圍內的聲波等。人類是否存在上述5種感知能力之外的第六種感知能力？到目前為止，科學尚未證實人類存在“超自然的第六感”，因此，筆者僅針對上述5種感知能力及其在教育活動中的使用進行討論。

目前，人們已經發明出很多精密的儀器來幫助自己感知更大范圍的物質世界，以彌補感覺器官能力的不足，如望遠鏡、顯微鏡、超聲檢測、紅外檢測、無線電檢測、X射線檢測等檢測儀器都能幫助人類擴大與增強感知范圍和能力。在本文中僅討論人類感知器官直接提供的感知能力，暫時不對上述儀器的作用進行討論。

1）光的感知能力——視覺。人類通過眼睛的視覺來感知光，可直接感知的光波長為380～780 nm，稱之為可見光。在教學活動中，文字、圖片、視頻、現實場景、肢體語言等都是用眼睛的視覺來感知的。利用人類的視覺感知能力進行教學，是當今教學活動中使用場合和使用頻度最多的一種教學手段。為了利用好人類的視覺進行教學，與之配合的教育裝備有黑板、投影、書、計算機屏幕、掛圖等。

2）聲的感知能力——聽覺。人類通過耳朵的聽覺來感知聲音，可直接感知的聲音頻率為20 Hz～20 kHz。在教學活動中，語言是使用得最多的一種聲音。音樂、自然界中的各種聲音（如動物的鳴叫、雷聲、水聲等）在教學活動中都會涉及到。利用人類的聽覺感知能力進行教學，是當今教學活動中使用場合和頻度次多的一種教學手段，僅次于利用視覺感知能力進行的教學活動。為了利用好人類的聽覺進行教學，與之配合的教育裝備有錄音及播放設備、樂器、發出特定聲音的物品和儀器等。

3）味覺、嗅覺、觸覺。人類用鼻子的嗅覺來感知氣味，用舌頭的味覺來感知味道，用手（皮膚）的觸覺來感覺物品的質地、震動、力等。較視覺和聽覺的使用，味覺、嗅覺、觸覺在教育活動中使用得相對較少，但在某些場合利用味覺、嗅覺、觸覺進行教學是必不可少的、不可替代的。例如：化學、生物、化妝品等課程中就要用到嗅覺；廚藝、食品等課程中必須用到味覺；醫學（切脈、按摩）、盲文、工藝品制作及鑒定等就要用到觸覺。為了利用好人類的味覺、嗅覺、觸覺進行教學，與之配合的多為一些實物類物品。當前，味覺信息、嗅覺信息、觸覺信息的數字化、存儲、再現仍然是科學技術的難題，相關設備尚屬研究階段，例如“氣味打印機”。

1.2 信息通信理論與教育裝備

1）教育的本質。關于教育的本質，許多專家學者都給出精辟闡述。

①《教育詞典》：“教育是一種培養人的社會現象，是人類傳遞文明的手段?！?/p>

②電子版《學生辭?！罚骸敖逃桥囵B人的一種社會活動，是傳授生產和社會生活經驗的辦法。”

③英國的亞當斯在《教育理論的演進》一書中寫到：“一般人確信，教育的實質就在于以這樣或那樣的方式來傳遞知識?！?/p>

④仇春霖認為：“教育的本質是文化的傳遞?！?/p>

⑤閻志民、雷克嘯在《對教育功能若干問題的探討》一文中說到：“教育的本質是傳遞知識和經驗的一種手段?！?/p>

⑥康岫巖認為：“教育的實質是將人類社會的物質文明、精神文明的成果，通過各種顯性或隱性的教育途徑，再經過學生的內化、積淀，使其成為學生人生發展中持久的稟賦。”

⑦南國農先生在他的《教育傳播學》中說到：“教育主要是傳遞前人的思想、經驗、知識與技能，這是一種有目的、有組織、有系統的傳播行為?！?/p>

從上面一系列論述中不難看出，教育的本質可以歸結為一句話，即：教育是對人類知識有目的的傳遞。只要是傳遞，就必須經過物理世界，就需要用到能夠幫助傳遞的物品——教育裝備，而教育裝備的效能將直接影響到傳遞效率和效果[1]。

2）基于信息通信理論研究教育裝備效能。教學媒體理論實踐的教科書中，在講述教學媒體傳播過程的理論基礎時，往往會引用通信理論中的研究成果。在研究教育裝備效能時，同樣要借鑒通信理論中的研究成果。信息通信理論中給出通信系統的模型[2]，簡稱模型1，其框圖如圖1所示。

圖1 通信系統模型框圖

上述的通信系統模型框圖是一種適用范圍較寬泛的單向鏈路的通信系統模型，針對教育活動及教育裝備來說，上述模型可做部分針對化的修改，得到教育活動中的通信模型，以下簡稱模型2。教育活動中的通信模型如圖2所示。

圖2 教育活動中的通信系統模型框圖

19 48年，美國數學家、信息論的創始人仙農在題為“通訊的數學理論”的論文中指出：“信息（informat ion）是用來消除隨機不定性的東西。”教學活動的主要目的之一是將信源中的信息傳遞給信宿。但是信息是不能直接傳遞的，正如美國著名數學家、控制論的創始人維納在《控制論》一書中指出：“信息就是信息，既非物質，也非能量?！币虼?，要傳遞信息必須借助于某種載體，消息（message）就是信息的載體。在物理世界里，傳遞消息是通過信號（signal）來實現的，即信號是運載消息的工具，常用的信號有光信號、聲信號和電信號等。

由模型2可知，因為接收方是人，因此接收信號必須符合人類感知器官的要求，超出感知器官能力的信號，人類是接收不到的，如超聲波、X射線等是人類無法直接感知的。此外，由于接收方處理信息是在大腦中進行的，因此從接收信號中提取信息的過程（速度及復雜性等）也不能超出接收方大腦的能力，否則即使把大量含有信息的接收信號傳給接收方，接收方也無法有效地從中提取出信息。

鑒于接收信號提出的要求，模型2中的其他幾個部分，如發射信號、教育裝備（信道）、干擾等，由此都有了相應的限制性要求。

在模型2中，發射信號和接收信號可以是兩種不同類型的信號，也可以是同類型的信號。例如：發射信號是人說的話（聲音），教育裝備僅做了音量的放大，則接收信號也是聲音，即發射信號和接收信號是同類型的信號——聲音信號。又如：發射信號是存儲器里的數字聲音文件（電磁信號），數字聲音文件經過計算機處理后，由揚聲器播放出聲音，這個聲音就是教育裝備根據發射信號產生出的接收信號，這便是發射信號和接收信號為兩種不同類型的情況。

在模型2中可以看出，教育裝備承擔著信號傳輸和信號轉換的任務，教育裝備的效能就是教育裝備完成信號傳輸和信號轉換任務的能力。研究教育裝備的效能，完全可以借鑒通信領域已有的理論和研究成果，基于信息通信理論研究教育裝備效能是完全可行的。

2 視覺類教育裝備效能指標

2.1 視覺類教育裝備

模型2中，如果感官為眼睛，則要求教育裝備輸出的信號（模型2中的接收信號）為可見光信號，這類教育裝備稱之為視覺類教育裝備。較常用的視覺類教育裝備有計算機顯示器、投影機、電腦白板、大屏幕觸摸屏、幻燈機、電影、電視、電子書、紙質書、掛圖、黑板、手機屏幕等。

2.2 從教育裝備的技術指標到教育裝備的效能指標

各種教育裝備都有其特定的技術指標，例如投影機的技術指標有亮度、對比度、分辨率等幾十項，而黑板的技術指標有材質、板面顏色、板面面積、板面光澤度、板面耐磨性、板面硬度、板面漆膜耐候性等。

可以看出，在教育裝備的技術指標集里面，有相當多的各種各樣的具體技術指標，它們的具體參數也很精確且具有可測量性，這些參數完全可以給出相應教育裝備定量的描述。雖然教育裝備的技術指標已經相當完整和精確，但是這些技術指標卻與教育活動中的需求有一定的差距，很難直接用于描述教育裝備的效能指標。例如：教師在使用投影機和幕布系統進行教學時，往往會問“后排的同學們能看清楚嗎”這樣的話，而不會去問“投影機的分辨率是多少”。又如：教師在大教室用擴音機上課時，往往會問“同學們能聽清楚嗎”這樣的話，而不會去問“擴音機的功率是多少？教室的聲強是多少”。

上述例子表明，在教育活動中，師生們關心的是教育裝備的效能指標，即“看清楚嗎”“聽清楚嗎”等與教育活動明顯相關的效能指標，而不是教育裝備自身的技術指標如“分辨率”“聲功率”等。雖然，教育裝備的技術指標必定會影響到教育裝備的效能指標，即“分辨率”差的投影機必定會造成“看不清楚”，但是在教育活動中師生們能直接體會到的是教育裝備的效能指標“看不清楚”，而不是技術指標“分辨率”差。

迄今為止，生產教育裝備和使用教育裝備時，看到幾乎都是大量的、令人眼花繚亂的技術指標，很少看到教育裝備的效能指標。這就造成了當今很多困惑問題的出現，例如：“教育裝備好用嗎？”“如何評價教育裝備？”“教育裝備的教學適應性如何？”“如何用好教育裝備？”等等。

為此，筆者認為，非常有必要將教育裝備的指標參數向教育需求再推進一步，即給出教育裝備自身性能指標的同時，進一步給出教育裝備的效能指標。一旦有了明確的教育裝備效能指標，那么教學活動中很多有關教育裝備的困惑問題將迎刃而解。例如，在做教學設計時，有關教育裝備使用方面的設計將變得更加精確和具有可操作性，而不是籠統性地談幾條原則。當然，把教育裝備的性能指標推進到教育裝備的效能指標并不是一蹴而就的事情，是一項需要逐步去完成的龐大且復雜的工作。

2.3 文字展示效能指標

展示文字是視覺類教育裝備最常用的功能之一，在黑板上書寫板書、用投影機放映PPT、用計算機瀏覽網頁等，無一不含有文字（包括符號）。用視覺類教育裝備展示文字最重要的是要讓接收者能夠舒適地看清楚文字；能夠迅速地識別文字；能夠方便地閱讀有相互關系的但在位置上有一定距離的上下文；能夠 在要求的時間內將需要的文字展示出來；等等。

通過上述分析發現，文字展示效能指標可以分為兩大類，一類是數量指標，一類是速度指標。數量指標的含義是接收者能夠舒適地看清楚文字和迅速地識別文字的前提下，展示裝備能同時展示出多少個文字；速度指標的含義是展示裝備能夠以多快的速度把規定數量的文字展示出來。本文僅對文字展示效能指標中的數量指標進行討論。

1）文字數量。在研討如何制作出一個好的PPT時，有人給出這樣一條經驗：“一頁不要超過10～12行，一行不超過10個字……”這條經驗里給出的120個字（10字/行×12行=120字），就是PPT文字展示效能指標中的數量指標。

這“120”的數字是如何得到的？任何情況下PPT都能做到120個字的展示能力嗎？PPT能突破120個字的展示能力嗎？等等問題都是值得研究和探討的。

課堂教學的經驗表明，當使用大課堂進行授課時，為了使后排的學生（接收者）能夠看清楚黑板上的文字，教師往往使用大尺寸的字來寫板書；如果在小教室里進行小班授課時，字的尺寸就沒有必要那么大。因此，同樣一塊黑板，在不同使用條件下，其可以同時展示出的文字數量是不同的。這就是說，教育裝備的技術指標（黑板的面積）僅僅與其自身有關，而教育裝備的效能指標不僅與其自身有關，還與使用環境有密切關系。

教育裝備的效能除了與其使用環境有密切關系外，還與接收者的情況有密切關系。例如在給視力比較好的年輕人授課時，板書中字的尺寸可以適當小一些；而給視力不太好的中老年人授課時，板書中字的尺寸就應該大一些。又如為年輕人設計的手機，其顯示屏上能顯示的文字數量就比較多；而為中老年人設計的手機，其特點是大字大按鍵，其關注的重點是如何能使中老年人看清楚，而不是在顯示屏上能顯示多少字。即同樣性能的黑板或手機顯示屏，如果使用者是視力比較好的年輕人時，其同時可展示出的文字數量比較多；如果使用者是視力不太好的中老年人時，其同時可展示出的文字數量就相對少一些。

綜上所述，要從教育裝備的性能指標直接推進到教育裝備的效能指標是不容易的。為了得到教育裝備的效能指標，不僅要明確教育裝備的性能指標，還必須明確教育裝備的工作任務、使用環境和使用者（接收者）的情況。

2）文字數量的測量。將視覺類教育裝備同時可展示出的文字的數量簡稱為文字數量。想測量出文字數量，可以采取兩類方法來測量，即主觀法和客觀法。

主觀法是讓多名觀察者按照已經規定好的評價標準對視覺類教育裝備展示的文字進行評價，然后對所有觀察者給出的評價結果進行加權平均，再根據文字尺寸和展示面積等參數，最終得到文字數量這個教育裝備效能指標的數值。視覺類教育裝備文字展示效能評價標準如表1所示。

表1 視覺類教育裝備文字展示效能評價標準

由于視覺展示類教育裝備所展示的文字最終的接收者是人，因此用主觀法來測量視覺類教育裝備的文字展示效能指標是最直接的方法，一般也被認為是最合理、最準確的方法。但是，主觀法不僅容易受到人和環境等因素的影響，還有測量耗時長、代價高、過程繁瑣等不足，因此在實際中不能得到很好的應用。

客觀法是將主觀法中的多名觀察者（人）替換成圖像采集及處理設備，用圖像采集及處理設備對視覺類教育裝備展示出的文字進行接收、處理及評價，進而得到文字數量這個效能指標的數值?？陀^法測量視覺類教育裝備文字展示效能的系統框圖如圖3所示。

2.4 圖像展示效能指標

圖像是指圖與像的有機結合，既反映物體的客觀存在，又體現人的心理因素。由于圖像所承載的信息比其他形式（文字、語言等）的信息更加直觀和豐富，因此圖像在教學活動中扮演著重要的角色。隨著計算機、投影機等現代化教育裝備的廣泛使用，圖像越來越深入到教育的各個方面。用視覺類教育裝備展示圖像最重要的是要讓接收者能夠舒適地感受到圖像的整體效果，感覺不到變形和失真；能夠不費力地觀察到圖像的細節；能夠在要求的時間內將需要的圖像展示出來（即要求動畫和視頻的流暢）；等等。

通過上述分析發現，圖像展示效能指標可以分為兩大類，一類是質量指標，一類是速度指標。質量指標的含義是在保證整體效果的前提下，展示裝備展示出圖像細節的能力；速度指標的含義是展示裝備能夠以多快的速度把規定數量的圖像展示出來。本文僅對圖像展示效能指標中的質量指標進行討論。

1）圖像質量。在講述如何制作出一個好的PPT時，教師會介紹這樣一條經驗：“能用圖就用圖，所有的人都會先挑圖看；PPT上別寫那么多字，沒人看，除非你打算照著念……”通常情況下，投影機+幕布系統都能很好地將PPT里的圖展示出來，師生們很少對展示出來的圖像質量提出異議，其原因是現在教學活動中使用的大多數圖像均為示意性質的（如本文中的幾幅示意框圖）。對于這類示意性圖像，接收者的觀察重點不是圖像的細節，因此即使這些圖像的細節有所缺失，也不妨礙接收者理解教學內容，即此類圖像細節的缺失對教學活動沒有太大的負面影響。但是在有些課程中，視覺類教育裝備所展示的圖像質量高低就能給教學活動帶來很大的影響。

例如，數碼相機在高感光度時拍的照片，其噪聲、銳度、色彩飽和度、畫面層次等都將變差[3]。在講述數碼相機“感光度與畫質關系”的課程時，教師往往展示出低感光度和高感光度的兩張照片，讓學生觀察這兩張照片的差異，以便學生能直觀地感受到“感光度與畫質關系”。但是，在用投影機+幕布系統進行照片展示時，很難甚至根本看不出這兩張照片的差異。為什么明明有差異的圖像，經過了投影機+幕布系統的展示后就看不出差異了呢？原因是投影機+幕布系統的圖像質量展示效能遠遠不能滿足展示數碼相機照片的要求。

2）圖像質量的測量。與視覺類教育裝備文字展示效能的測量方法類似，可以采取兩類方法來測量視覺類教育裝備的圖像質量展示效能，即主觀法和客觀法。

主觀法是讓多名觀察者按照已經規定好的評價標準對視覺類教育裝備展示的圖像質量進行評價，然后對所有觀察者給出的評價結果進行加權平均，最終得到圖像展示質量這個教育裝備效能指標的數值。視覺類教育裝備圖像質量展示效能評價標準可以參照國際無線電咨詢委員會（CCIR）制定的一系列標準，如CCIR500-1主觀評價標準（Methodology for the Subjective Assessment of the Qual ity of Television Pictures, recommendation ITU-R Rec. BT. 500-11），如表2所示。

表2 CCIR500-1主觀評價標準

由于視覺展示類教育裝備所展示的圖像最終的接收者是人，因此用主觀法來測量視覺類教育裝備的圖像展示效能指標是最直接的方法，一般也被認為是最合理、最準確的方法。但是，主觀法不僅容易受到人和環境等因素的影響，還有測量耗時長、代價高、過程繁瑣等不足，因此在實際中不能得到很好的應用。

圖4 基于“部分參考模型圖像質量評價方法”的教育裝備圖像展示效能測量系統框圖

客觀法是將主觀法中的多名觀察者（人）替換成圖像采集及處理設備，用圖像采集及處理設備對視覺類教育裝備展示出的圖像進行接收、處理及評價，進而得到圖像質量這個效能指標的數值?？陀^法測量視覺類教育裝備圖像展示效能的方法有很多，圖4所示為基于“部分參考模型圖像質量評價方法[4]”的視覺類教育裝備圖像展示效能測量系統框圖。

3 教育裝備效能指標的應用

3.1 根據教學需求選擇教育裝備

這里討論的不是如何根據教學需求選擇教學媒體的類型，而是討論如何選擇一種合適的教育裝備將教學需要的內容更好地展示出來。

某教室同時具有黑板和多媒體教學系統（計算機、投影機和幕布等組成的系統），假設該教室的多媒體教學系統可同時展示文字數量為120個字符（12行，每行10個字符），該教室的黑板可同時展示文字數量為400個字符（8行，每行50個字符）。假設授課時只展示文字和符號，不展示圖片和視頻等文字以外的內容，那么在教學時，該使用黑板呢，還是使用多媒體教學系統放PPT呢？

如果用為數不多的幾個字就可以把課講完（例如整節課所展示的文字僅僅為“第一講 緒論”這5個字），那么就大可不必為選用哪種教育裝備而操心了，因為無論是黑板板書還是PPT都可以輕松地將這5個字（教學任務）展示出來，其原理是黑板板書和PPT的文字展示效能（400個字符和120個字符）遠大于教學任務（5個字符）的需求。

如果授課時需要展示大量的文字和符號，那么就有必要認真考慮該使用哪種教育裝備了。例如在講授通信原理課程時，需要展示大量的公式，有些公式非常長（七八十個字符以上），有時還需將幾個這樣的大公式對比著看。要將這些長到被師生們形象地形容為從黑板這頭寫到那頭的公式展示出來，用PPT就不合適了，因為PPT的文字展示效能（120個字符）已經不能滿足展示這些大公式的需要了，如果強行使用PPT，則會出現完整的公式被分割展示、對比各個公式時需來回翻頁等影響教學的情況，此刻應選擇黑板板書進行教學。

3.2 根據教育裝備的現狀設計教學策略

有些場合是無法選擇教育裝備的，如在大禮堂做講演時，只能用PPT來展示文字和圖像，因為黑板在大禮堂里使用時，其展示效能非常低，以至于很多大禮堂不再設置黑板了。同樣是投影機+幕布系統，在大禮堂使用時，其同時可展示文字數量要少于其在普通教室里使用時的數量，例如有的大禮堂里的投影機+幕布系統，其同時可展示文字數量僅為50個字符（5行，每行10個字）。如何用好這50個字符的展示能力把教學工作搞好，就是教育裝備給教學設計提出的要求。

有了非常明確的教育裝備效能指標，因此教育裝備給教學設計提出的要求也是非常明確的。有了明確的要求和目標，教學設計才能有針對性和可操作性。設計教學策略不是本文討論的重點，這里就不占用文字贅述了。

3.3 提出對教育裝備的設計要求

教育裝備的發展是教育需求所拉動的，教育對教育裝備提出的最直接要求常常是教育裝備的效能指標，而非教育裝備的技術指標，因為教育裝備的效能是教育裝備完成教育任務的能力。如“看得再多些”“看得再清楚些”“聽得再清楚些”“用得再方便些”等，都是教育對教育裝備提出的效能要求。

在過去的投影機+幕布系統中，投影機的屏幕比例是4:3，使用這樣的系統做文字展示時往往感到每行可展示的文字數量比較少，不少師生都希望屏幕能再寬一些，能多展示些內容。近期出現的屏幕比例為16:9的投影機，其每行可展示的文字數就多于屏幕比例為4:3的投影機。因此，在新建多媒體教室時，不少用戶傾向用屏幕比例為16:9的投影機。

在前文2.4的1）中曾談到用普通投影機+幕布系統進行“感光度與畫質關系”教學時遇到了一個困難，即投影機+幕布系統無法表現出高感光度和低感光度時拍攝照片的差異。為此，師生們希望有一種能表現出此類照片差異的展示設備。在沒有新裝備之前，師生們解決上述難題的方法是放棄投影機改用計算機屏幕，雖然計算機屏幕能夠表現出此類照片的差異，但是面積較小、個人化的計算機屏幕在解決上述問題后又帶來新的其他問題。近期出現的大屏幕液晶書寫屏由于具備了面積大和顯示質量高的特點，因此在一些要求展示高質量圖像的教學中得到青睞。

[1]胡又農，等.教育裝備學導論[M].北京:北京大學出版社,2011.

[2]Haykin S. Communication Systems[M].4th ed.北京:電子工業出版社,2003.

[3]神龍攝影.數碼單反攝影入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[4]高新波,路文.視覺信息質量評價方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011.

Discussion on Per formance Indicators of Visual Kind Educat ional Equipment//

Hu Younong1, Zhao Jinhong2

This paper presents the per formance indicators that can show the amount of text and image display quality of the visual kind of educational equipment to explore the meaning of these two per formance indicators, these two methods of measurement of per formance indicators.

educational equipment; per formance indicators; text; images

G40-057

A

1671-489X(2012)18-0003-05

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.18.003

作者：胡又農，碩士，副教授，研究方向為教育、教育技術、教育裝備；趙錦紅，高級工程師，研究方向為電子、通信、教育裝備。