多媒體教室黑板對師生視覺及投影效果的影響

高新全，陳曉東，張京津，鄧志卿

(北華航天工業學 信息技術中心，河北 廊坊 065000)

在多媒體教學中，為了提高教學效果，需要黑板的板書與之配合。由于傳統的黑色黑板與投影屏幕在亮度上形成強烈反差，這種反差對教師和學生的視覺產生一定的影響；而且黑板的照明光源對投影屏幕圖像的對比度、照度均勻性等也造成不同程度的影響。為了消除或減少傳統黑板這些弊病，需要一種白色“黑板”。本文根據光度學、人眼適應特性，投影屏幕結構等相關知識及相關標準，利用照度儀等設備對屏幕和黑板的光強等參數進行測試，通過分析、對比，找出較適合多媒體教室使用的黑板。

1 兩類黑板對師生視覺影響的區別

1.1 黑色黑板亮度計算

多媒體教室黑板照度規定在400～500 lx以上[1]，當黑板照明光源發出的光照射到黑板上，一部分被黑板吸收，一部分被黑板發射出去。假定黑板反射光是均勻的(均勻度要求在0.7以上)，反射光的強弱可由光度學[2]的光出射度求出，即

M=ρE

(1)

式中：M為黑版面光出射度(lm/m2);ρ為黑板反射率，ρ<1，一般取5%；E為黑版面的照度，取500 lx。

黑板一般是由磨砂玻璃制成，具有漫反射特性，根據余弦輻射體光出射度和亮度之間關系M=πL，有

(2)

式中：L為黑板反射亮度(cd/m2)。

將E=500 lx,ρ=0.05代入(2)式得到L≈8 cd/m2。

1.2 白色黑板亮度計算

書寫白板，在亮度上有明顯提高，并且用水筆，沒有粉塵；亞光磨砂玻璃白板,利用納米霧化技術使玻璃表面形成均勻微晶結構，亮度高并且可以使用水筆；電子白板，它可以代替投影屏幕，并能將寫在白板上的內容儲存到計算機里，但它需要短焦投影機，電子白板也較貴，一般學校都有上百個多媒體教室，很難普及；交互式電子白板將計算機屏幕與電子白板融合在一起，成為人與計算機雙向交互的平臺，但成本高很難普及。以上這些白色“黑板”，在性能和價格上各有千秋，在亮度上也很難逐個計算。為對比黑色黑板與白色“黑板”在亮度上的差別，參考文獻[3]中“白色”黑板的亮度計算，對上述這類白色“黑板”的亮度給以定性計算。

假定白色“黑板”照度E=500 lx，ρ=0.75，則由式(2)計算得L=119 cd/m2。兩類黑板亮度比為15，即在相同照度下，白色“黑板”的亮度是黑色黑板亮度的15倍。

1.3 兩類黑板對師生視覺影響的比較

由于傳統的黑色黑板與投影屏幕緊挨著，投影屏幕是白色，最低亮度一般不低于110 cd/m2[4](本文測試投影屏幕為305 cm(120英寸)，故最低亮度取110 cd/m2)，黑色黑板是黑色的，當照度在500 lx時，亮度一般在8 cd/m2左右，與屏幕形成強烈反差。當人眼的視線由較亮的投影屏幕轉向較暗的黑板時，需要有個暗適應時間(由于人眼的桿狀細胞轉入工作狀態較慢，在明、暗反差很大環境下一般需要30 min)，當人眼視線由黑板轉向投影屏幕時，由于人眼的錐形細胞轉入工作較快[5](一般需要半分鐘左右)，見圖1。由于人眼具有暗適應和明適應特性，致使瞳孔一會兒收縮一會兒放大。這種頻繁的適應各種不同亮度，會造成視覺疲勞和視覺跳動，長時間將影響教師和學生視力。

圖1 明暗適應特性

當白色“黑板”與投影屏幕緊挨著時，在同樣的照度(500 lx)下，白色“黑板”的亮度約為119 cd/m2，與投影屏幕規定的最小亮度110 cd/m2相近，基本上沒有亮度反差，對人的視覺造成的影響很小。

1.4 投影屏幕上的亮度、黑板上的亮度與人眼舒適性之間關系

根據人眼視覺舒適性和性能需求，直接相鄰作業面亮度比應在3∶1范圍內[6]，因此投影屏幕最低亮度在110 cd/m2左右時，相鄰作業面(黑板)亮度應在36 cd/m2左右。黑色黑板照明光源的照度在500 lx時亮度為8 cd/m2左右，遠遠低于人眼舒適度要求。如采用白色“黑板”，當照度約150 lx時，亮度在36 cd/m2左右，即可達到人眼視覺舒適性要求。還可達到節能效果。

通過以上兩類黑板亮度與屏幕亮度比較可知，白色“黑板”在亮度反差方面較適合多媒體教室教學。

2 兩類黑板對投影屏幕圖像清晰度的影響

由于兩類黑板對照明光源的照度需求不同，照明光源產生的干擾光對投影屏幕的對比度和照度均勻性影響也不同。

2.1 兩類黑板照明光源對投影屏幕對比度的影響

2.1.1 實測黑色黑板照度平均值

為了模擬兩類黑板在標準照度下對投影屏幕的影響，采用兩種照明光源照射同一個黑板。一種光源是在標準黑板照明燈罩下安裝一根36 W熒光燈(飛利浦 TL-D36W/54-756光通量為2 500 lm)，此燈的黑板照度平均值為114 lx，此照度值與多媒體教室黑板最低照度400～500 lx相差較遠。根據光的獨立傳播定律，各路光相遇處的光強是簡單相加，總是增強的[7]。因此，為了提高照度，在相同的燈罩里安裝3根36 W熒光燈(見圖2)作為另一種光源，此燈的黑板照度平均值為324 lx。多媒體教室黑板照度應按上課實際環境下測算，原因在于學生區照明光和投影機投射光對黑板照度都會產生疊加效果。實際上課狀態，黑板上的照度包括學生區照明光源照度、黑板照明光源照度和投影機光束對黑板的影響照度(黑板與屏幕緊挨著)。上課狀態下1根熒光燈管照度為139 lx，3根熒光燈管照度為342 lx。

圖2 標準黑板照明燈罩安裝3根熒光燈照片

有關資料介紹，一根功率為40 W熒光燈下黑板照度理論值可達到500 lx，本文實測照度較小原因之一是照明光源不在黑板中間，而是偏一側，見圖3。

圖3 黑板、黑板照明燈、投影屏幕位置圖

按照劉琳等[8]介紹的黑板測試點原則，本文選7個測試點，見圖4。各測試點的照度記分別為E1，E2，…，E7，平均值記為E，測得的測試點照度值及平均值見表1。

燈水平距黑板0.75 m,燈到黑板上邊沿垂直距離為0.5 m,L=1.9 m(黑板實長3.6 m，投影狀態下，黑板實際使用邊長為L，兩條實線為中心線) 照度儀型號HCJYET HT-8318,黑板高1.2 m。

圖4 黑板照度測試點分布示意圖

表1 兩種照明光源在黑板上各測試點的照度及平均照度值 lx

注：A為1根熒光燈照明光源，B為3根熒光燈照明光源。

2.1.2 兩類黑板與兩種黑板照明光源之間的關系

黑色黑板照明光源標準照度為400～500 lx，本文以3個熒光燈(實測黑板照度342 lx)模擬黑色黑板的測量。白色“黑板”照明光源的照度為150 lx時，對應白色“黑板”亮度為36 cd/m2，可以達到人眼相鄰作業面上人眼視覺舒適性要求的亮度(36 cd/m2)，本文以1個熒光燈(實測照度139 lx、亮度33 cd/m2)模擬白色“黑板”的測量。

2.1.3 兩類黑板照明光源對投影屏幕對比度的影響

數字投影機對比度為“同一圖像畫面中亮區與暗區平均照度的比率”[9],根據數字投影機對比度計算公式[9]

(3)

按數字投影機測量方法[9]，依據黑板照明光源對投影屏幕實際影響情況，對比度應取局部亮區和局部暗區平均值，本文將整個屏幕按垂直方向分4等分，即A、B、C、D區域(見圖5)，測試點編號見表2，各點的照度記為E1，E2，…，E16。測得的各點的照度值見表2。被測投影機型號 明基MP670，燈泡使用時間1 500 h以上。兩種光源、兩種環境下不同區域的對比度值見表3。

圖5 對比度示意圖

表2 兩種環境下兩種照明光源在投影屏幕上各亮區和暗區測試點實測照度值 lx

表3 兩種環境下兩種照明光源在投影屏幕上不同區域的對比度及相對變化率 lx

由表3可知，在上課環境下，在A區，白色“黑板”(單燈下)比黑色黑板(3燈下)對比度提高43%、B區提高23%、C區提高17%、D區為23%(由于墻面反射光使兩者對比度都下降，但傳統黑板照明光源的照度比白色“黑板”照明光源照度大，墻面的反射光也隨之增大，對比度下降得較多，使兩者對比度差值增大)。黑板光源對對比度的影響隨離光源距離增大而減弱。黑板照明光源照度對屏幕圖像的對比度影響，隨“黑板”照度增加而對比度下降，白色“黑板”照明光源對屏幕對比度的影響要小于黑色黑板照明光源對屏幕對比度的影響。只開黑板照明燈環境下的結果與之類似。

2.2 兩類黑板照明光源對投影屏幕照度均勻性的影響

投影屏幕上照度均勻性是指投影機輸出最大光輻射功率時，屏幕上P1—P13各點照度值(E1—E13)與P1—P9各點的照度平均Ea的最大偏差[10]。

投影屏幕上照度均勻性直接影響投影圖像清晰度，當照度均勻性太低時，使屏幕上明、暗差別太大，導致明的區域亮度過高、圖像刺眼，暗的區域亮度過低、分不清圖像細節。通過調整投影機亮度或改變環境光都只能顧此失彼，也無法均衡。

按投影機測量方法，依據黑板照明光源對投影屏幕實際影響情況，屏幕照度均勻性應取屏幕4個角照度最小值與局部照度平均值之比。本文將整個屏幕按垂直方向分3等分，即A、B、C區域(見圖6)，由表4中數值和公式(5)、(6)計算得到的兩種光源、兩種環境下不同區域的照度均勻性值見表5。

圖6 照度均勻性測試點示意圖

照度均勻性N計算公式[10]

N1=[1-(Eh-Ea)÷Ea]×100%

(5)

N2=[1-(Ea-Ee)÷Ea]×100%

(6)

式中，Eh和Ee分別為屏幕E1—E13中的最大照度和最小照度，Ea為E1—E9的平均照度。計算時，取由上兩式計算的最小值。

表4 上課環境下兩種照明光源在投影屏幕上各測試點實測照度值 lx

表5 上課環境下不同區域兩種照明光源 %

由表5中可知，在A區，當“黑板”照度為342 lx時(黑色黑板)，均勻性為56%，當“黑板”照度為139 lx時(白色“黑板”)，均勻性為68%，前者比后者均勻性降低12%。B區降低9%，C區降低7%。由此可知，屏幕照度均勻性隨黑板照度增加而降低，屏幕亮區與暗區反差增大。即白色“黑板”的照明光源對屏幕照度均勻性影響要小于黑色黑板照明光源對屏幕照度均勻性的影響。

2.3 粉筆灰對投影屏幕反光率的影響

多媒體教室投影屏幕一般都是玻璃珠屏幕。玻璃珠屏幕的構成是在幕基上涂一層透明膠水，然后將成圓率高、折射率為1.5左右的白色玻璃微珠布撒在幕基上，并深入到膠水厚度適當深度[11]。由于屏幕與黑板緊挨著，特別是屏幕在黑板左側時，教師習慣用右手寫字，粉筆灰塵很容易落在屏幕上，影響玻璃微珠透光率和折射率，使投影屏幕上的圖像亮度降低和清晰度下降。如果采用白色“黑板”，可以重復使用水筆，可以消除粉筆灰對投影屏幕反光率和師生健康的影響。交互式白板將計算機屏幕與電子白板融合在一起，交互白板終將代替黑板成為課堂教學的主流技術，成為未來教室設計施工的標準常規，極大地推動學校教育信息化進程[12]。

3 結論

本文以光度學等理論為基礎，以相應法規為依據，通過實測、分析、對比，得出在標準照度下，白色“黑板”亮度是黑色黑板亮度的15倍，白色“黑板”基本上可以消除由黑板與屏幕亮度反差對人眼視覺所造成的影響；在人眼舒適性范圍內，白色“黑板”比黑色黑板在屏幕局部對比度可以提高40%、屏幕局部照度均勻性提高12%以上(以305 cm(120英寸)投影屏幕為例)，在屏幕反光率及照明光源節能效果等方面也有顯著提高。多媒體教室用白色“黑板”代替黑色黑板，無論在投影圖像清晰度上還是在減少對師生視覺方面的影響都將有明顯改善。此結論為新建或改建多媒體教室黑板的選擇提供參考。

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