基于青少年視覺發育的多媒體教室光環境研究動態

梁樹英，楊春宇，張青文

(1.重慶大學 博士后流動站，重慶 400045；2.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045；3.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045)

引言

我國學生視力不良檢出率繼續上升，并出現低齡化傾向，預計2020年我國學生視力不良總數為1.524億，至2030年約為1.804億[1]。學生視力不良問題引起了國家各部門的高度重視，2018年8月30日，教育部、國家衛生健康委員會等8部門聯合印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，提出到2030年我國6歲兒童近視率控制在3%、小學生近視率下降到38%以下、初中生近視率下降到60%以下、高中階段學生近視率下降到70%以下的目標[2]。近視是我國學生最常見的眼病，其不僅會給青少年的學習和生活造成諸多不便，隨著近視度數的進一步加深，還可能帶來更多更嚴重的眼部并發癥，例如高度近視性視網膜脫離、黃斑裂孔、鞏膜葡萄腫等，并最終可能致盲[3]。

近視的發病原因主要有遺傳和環境因素。在環境因素中，光照環境是不可忽視的重要因素。近年來，隨著多媒體設備和軟件的發展，教育信息化的大力推動，多媒體教室得到越來越普遍的運用。2010年，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》第19章中專門論述了要加快教育信息化進程。2016年2月，教育部辦公廳在《2016年教育信息化工作要點》(教技廳[2016]1號)中指出，其“核心目標”是基本實現全國中小學都擁有多媒體教學條件，學校普通教室全部配備多媒體教學設備的城鎮和農村中小學比例分別達到80%和50%[4]。2016年6月，教育部在《教育信息化“十三五”規劃》中提到，全國多媒體教室普及率達到了80%[5]。研究表明[6]城市學校的學生平均每天在校時間長達7～8 h，有的農村學校甚至超過了10 h。因此，多媒體教室已經成為學生學習和進行各種活動的主要場所，其光環境質量的好壞直接影響學生的眼部健康。

圖2 年齡與近視發病率的關系曲線Fig.2 Relationship between age and myopia rate

本文通過分析青少年的視覺發育特征，整理國內外相關研究和前沿動態，梳理和總結出多媒體教室光環境與學生眼部健康之間的研究重點和難點問題。

1 青少年視覺發育特征

青少年眼球發育和視覺發育具有其自身的特點，是一個遠視屈光逐漸下降的過程，也就是說眼球有一個“正視化”的趨勢。剛出生的嬰兒，視力很差，僅有光感，眼球直徑比成人短，屬于生理性遠視眼(不包括少數先天性近視眼)；0～6歲的兒童，遠視眼(生理性遠視眼)比例仍較大， 3～6歲兒童眼軸平均長度為(21.79±0.68) mm；7～15歲的少兒，隨著年齡的增長，眼球逐漸增大，眼軸也逐漸增長，遠視的情況相應減輕，逐漸由遠視變為正視，眼軸平均長度為(22.75±0.87) mm[7]，同時近視明顯增多，是新發近視的高發期；16～25歲的青少年，主要表現不是新發近視的增加，而是近視度數的不斷升高，20歲以后視力逐漸趨于穩定?？傮w而言，青少年近視多發生在中小學階段(圖1)，最突出的變化發生在10～14歲，20歲以后屈光變化很小(圖2)。

圖1 中國部分地區青少年近視患病率Fig.1 Myopia rate of adolescents in some regions of China

在人眼正視化過程中，眼球各結構隨年齡發生精細改變，其中與屈光狀態有關的三個主要因素是角膜曲率、晶體調節力和玻璃體腔長度[8]。新生兒眼軸長度為17.20 mm，玻璃體腔長度為12.58 mm，晶狀體厚度為2.98 mm，前房深度為2.62 mm[9]；出生1個月的嬰兒眼軸長度為19.82 mm，玻璃體腔長度為13.01 mm，晶狀體厚度為3.90 mm，前房深度為2.84 mm，均有所增加[10]；出生后3～9個月眼球迅速增長，眼軸長度在6個月內增加了1.2 mm，玻璃體腔長度和前房深度增加，與年齡增長呈正相關，晶狀體厚度變小，與年齡增長呈負相關[11]；6～18歲的青少年在未形成近視前，晶狀體最初是厚的、凸的，并且玻璃體腔是短的，隨著年齡的增加，近視組較非近視組晶狀體變得更薄、更平，玻璃體腔更深，這些變化為前房深度年為0.012 mm，晶狀體厚度年為-0.005 mm，玻璃體腔年為0.084 mm[12]。

青少年在不同年齡段各種視功能形成和發育成熟的過程中，視覺系統有相當大的可塑性，環境因素對視覺的刺激可以調整和改變視皮質的突觸結構，進而影響神經元之間的信號傳導[13]。因此，多媒體教室的光環境對青少年的眼部健康至關重要。

2 國內外相關研究動態

多名學者對多媒體教室的光環境進行了調查研究，結果表明多媒體教室的光環境不容樂觀。李振霞等[14]對天津某高校多媒體教室的光環境進行了實測調查，討論了多媒體教室光環境設計中大屏幕、環境亮度、桌面照度三者之間應遵循的關系，指出環境亮度是決定投影屏幕清晰度的主要原因。艾倫等[15]研究了投影機的實際光通量、教室的實際光照度、學生視力下降的趨勢等問題，結果表明多媒體教室室內光照度的不足是引起師生視力下降的重要因素。張澤等[16]分別在白天和晚上對大學多媒體教室進行了測量，其室內照度均未達到規范要求。毛萬紅等[17]對高校多媒體教室光環境進行了測試，結果表明其視覺滿意度較低。近年來，作者對重慶大學A、B校區及虎溪校區教學樓多媒體教室進行了隨機抽樣測量和主觀問卷調查，測試過程中分別設計黑色、灰色(50%)和白色三種圖片，通過投影設備投影于幕布上，在不同工況條件下(①開啟全部燈具和全部窗簾，②關閉第1排燈具和靠黑板窗戶窗簾，③關閉第1排、第2排燈具和教室前部窗戶窗簾，④關閉全部燈具和全部窗簾)測試投影幕布、黑板、講臺和課桌面的亮度和照度，并投影PPT課件，評價其在不同工況下的清晰度，結果顯示：不同工況條件下測試結果差異很大，投影幕布亮度范圍為166～0.17 cd/m2，照度范圍為411～0.72 lx，黑板亮度范圍為8～0.03 cd/m2，照度范圍為511～0.7 lx，講臺照度范圍為315～1.06 lx，課桌面照度范圍為352～0.41 lx；同一工況條件下，不同灰度圖片的投影效果也有較大差異，白色圖片時投影幕布的亮度和照度最大，灰色圖片次之(約為白色圖片的29%～22%)，黑色圖片時的亮度和照度最低(約為白色圖片的8%～0.2%)，當關閉全部燈具和全部窗簾時圖片灰度導致的差異最為明顯；工況①至工況④，PPT課件投影的主觀清晰度評價由低到高，當開啟全部燈具和全部窗簾時，黑板、講臺和課桌面的照度為511，315 lx和352 lx，滿足國家相關標準和規范(500，300 lx和300 lx)，但投影儀的清晰度很低，學生長時間觀看易產生視覺疲勞，當關閉第1排燈具和靠黑板窗戶窗簾時，黑板、講臺和第一排課桌面的照度分別為150，126 lx和108 lx，已大大低于國家相關標準和規范，進行閱讀和書寫活動變得困難。在測試中，作者還發現不同多媒體教室投影幕布的亮度和照度也不盡相同，一方面是因為投影儀的型號功率和投影模式不同，另一方面是因為投影儀的光衰，采用相同型號功率和投影模式投影儀的多媒體教室，使用時間較長的投影幕布亮度和照度偏低，而采用高功率投影儀的多媒體教室，投影幕布較為刺眼，不利于視覺健康。

多媒體教室的光環境主要受天然光、人工照明和多媒體視頻光源的影響。多媒體教室的視頻系統主要有投影顯示系統、背投影電視、大屏幕平板電視、交互式電子白板等，目前使用較為普遍的是投影儀、投影幕布和信號源設備組成的投影顯示系統，其對教室光環境提出了新的更高的要求。目前，多媒體教室還基本按照普通教室的光環境進行設計，這導致了現實使用中的一系列問題。投影儀的功率是一定的，為了保證投影幕布的清晰度，提高投影幕布與環境的對比度，達到較好的投影效果，往往需要降低教室的環境亮度(拉上遮光窗簾、關閉教室部分或全部燈具等)，如此一來，必然導致投影幕布較亮，而黑板、講臺和課桌面的照度過低(特別是教室前部靠近幕布處的課桌面照度過低，無法滿足正常的閱讀和書寫需求)。學生在投影幕布、黑板、講臺和課桌面四者之間頻繁變動注視對象和注視方向，導致明暗視覺器官頻繁調節(錐狀細胞和桿體細胞不斷適應明暗環境)，眼部肌肉過度緊張，長期在這樣的光環境下學習，會引起眼脹痛、眼部充血、視物模糊、眼干澀及眼皮沉重等視疲勞，進而引發近視，這也是導致我國學生視力不良發生率居高不下的原因之一。

人眼視網膜的視錐細胞和視桿細胞對環境明暗的響應靈敏度不同，正常情況下人眼從暗環境到亮環境的適應時間較快，約為1 min，而從亮環境到暗環境的適應時間較慢，約為30 min(圖3)。人眼雖有適應性的特點，但當視野內明暗急劇變化時，眼睛卻不能很好的適應，從而引起視覺疲勞和視力下降。1931年，Blanchard用閾限法證明，在極端黑暗轉入極亮的情況下，桿狀細胞的感受性下降了100萬倍。根據所含視色素對不同波長的相對吸收特性，視錐細胞又分為紅錐、綠錐和藍錐，Schuber EF[18]的研究表明視桿細胞和紅錐、綠錐、藍錐三種視錐細胞的峰值吸收波長分別為498，564，533 nm和437 nm。同濟大學郝洛西課題組[19]對上海市中小學視力健康與光照環境進行了實驗研究，結果顯示色溫、照度和環境對比度對視覺疲勞程度有直接影響。荷蘭埃因霍溫技術大學TU/e的研究表明人眼垂直面的照度水平與疲勞有相當大的關系，垂直面的高照度值可減緩疲勞[20]。Winterbottm等[21]的研究表明教室閃爍頻率的熒光燈照明和交互式電子白板會使學生感到不適，引發頭痛，降低認知能力，甚至損害視力。

圖3 人眼的明暗適應過程Fig.3 The process of light and dark adaptation of human eyes

國內許多學者還對光生物效應(非視覺感光細胞)進行了研究，并應用于教室照明中。重慶大學嚴永紅課題組[22-25]對視覺功效、識別率差異及熒光燈、LED 色溫對學習效率、視/腦疲勞的綜合影響等進行了研究。重慶大學黃海靜等[26]研究了光生物效應下光源色溫及照度水平差異對學生視覺功效、心理/生理健康和學習效率的影響。重慶大學楊春宇等[27,28]從光譜、光照強度、時間和周期等方面對大學生季節性抑郁情緒和光照治療進行了研究。楊彪等[6]研究了中小學教室光環境綜合評價指標體系。游杰等[29]探討了多媒體教室光環境評價模型，建立了光源、桌面照明質量、黑板照明質量和投影性能等18項指標，但對于自然光、講臺、投影幕布亮度與環境亮度比值、圍合材料反射增量等均未涉及。目前，針對多媒體教室光環境深入系統的研究還未見報道。

3 總結和展望

視覺發育離不開正常的光信號刺激，青少年正處于眼部快速發育和養成正確用眼習慣的重要階段，科學合理的多媒體教室光環境對于預防近視發生和延緩近視發展具有重要意義。目前，多媒體教室光環境還缺乏深入系統的研究和科學指導。多媒體教室的視覺識別對象主要包括投影幕布、黑板、講臺和課桌面，四者的視覺物理條件存在一定的差異。其中課桌面為水平面，黑板和幕布為垂直面，講臺(兼多媒體操控臺)既有水平面也有垂直面(水平照度要求教師看清講義和便于操控多媒體設備，垂直照度要求學生能看清教師的面部表情和肢體語言)，幕布上的文字、圖片是通過投影設備成像，本身具有一定的自身亮度，物理條件更為復雜。如何在同一室內空間中創造出盡量滿足投影幕布、黑板、講臺和課桌面四者的光環境，有益于青少年的眼部健康，正是多媒體教室光環境研究的重點和難點，而這需要從全新的視角進行深入研究和探討。