显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告第二部分主观评价

显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）国家数字音视频及多媒体产品质量监督检验中心2017年2月显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。一、前言《国家中长期教育改革和发展规划纲要》（2010-2020年）指出“加快教育信息基础设施建设”、“到2020年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化。”电子白板、投影、平板显示等显示、交互系统作为教育信息化体系的重要组成部分，被越来越多应用到教学中，但也带来视觉疲劳、近视加重、用眼健康等健康安全问题。我国有4亿多近视患者，青少年已成“重灾区”，小学生中近视率在40%以上，中学生达70%（教育部调查数据），如何在教学中发挥新型显示交互系统的优越性，同时兼顾视觉健康风险的控制，在现阶段重要性和紧迫性日益凸显。显示面积过大会由于视觉跟随运动增加而产生肌肉过度疲劳；显示面积过小会造成看不见、看不清，这些都将加剧视疲劳、视力下降及其他衍生的视觉健康风险。本研究报告直面老师、家长、学生三方群体十分关注的问题：在固定教室环境条件下，书写或阅读要求多大显示面积是合适的？固定的显示面积设备可在多大教室使用？在研究报告第一部分工作基础上（注：第一部分以客观测试为主，模拟学生在教室上课状态，涵盖蓝光能量、闪烁、工作噪声、亮度衰减、对比度、视角、能效指数等指标），我们结合实际教学环境条件，开展了特定样本的主观评价试验并进行了数据分析，详见研究报告正文部分。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。二、INFOCOMM标准INFOCOMM组织2015年12月发布标准InfoCommV202.01:2016DS1“DisplayImageSizefor2DContentinAudiovisualSystems”（DISCAS），以理论分析和推导方式得出如下主要观点：1、给出ADM（AnalyticalDecisionMaking，分析程度的判断）和BDM（BasicDecisionMaking，基本程度的判断）定义；2、ADM以可清晰辨识1像素精度为基准，图像高度与最远观看距离关系为：IH=（×）（其中IH表示图像高度，IR表示图像垂直分辨率，FV表示最远观看距离，3438为ADM的视觉因子）；3、BDM以可清晰辨识17.25像素精度为基准，图像高度与最远观看距离关系为：IH=×%（其中IH表示图像高度，FV表示最远观看距离，%EH表示基本观看单元占整体图像画面的比例-“通俗对应PPT中的字号大小”，200为BDM的视觉因子）；BDM观看条件下，不同基本观看单元大小（%EH）VS最远观看距离、图像高度关系如下图，红色字体已将%EH转换为对应的字号。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。我国中文教学书写阅读习惯有其自身特点，相对DISCAS而言：1、英文是以字母为单元的表音文字，书写字母像素数不高，单词结构相对简单；中文是以笔画结构为基础的表意文字，象形文字笔画较多，结构种类多样；2、英文上下文的相关性较低，阅读与书写的难易程度相近；中文上下文相关性较强，阅读可通过文字轮廓和上下文研判，较之文字观看距离可以更远。与ADM、BDM相比，中文内容显示有“书写观看距离”和“阅读观看距离”之分。书写观看距离即能在观看距离位置，清晰辨认清楚文字书写笔画；阅读观看距离即能在观看距离位置，清晰阅读文字及语句。本研究中后续研究也以“书写观看距离”和“阅读观看距离”作为试验研究参数。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。三、试验过程试验分为调研和实施两个阶段。第一阶段覆盖我国典型教学教室环境的调查研究，了解我国普通教室面积、桌椅排布等信息；第二阶段选定实际教室环境，进行特定样本的主观评价试验。1、以走访方式实地进行了五所中小学校的调研，以调查问卷方式进行了十五所中小学校的函调。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。根据调研数据：我国中小学教室面积在30平方米-63平方米之间，教室面积以正方形（square）和长方形（deep）为主，未见宽形（wide）教室，教室长宽从5米×6米-9米×7米不等，桌椅排布从5排6列到9排9列不等。2、教学采用投影互动和平板显示互动两种方式为主，投影互动显示面积大于70寸，多数达到80寸以上；平板显示互动显示面积离散性较大，从40寸到65寸均有覆盖。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。3、按以下流程进行试验实施。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。四、观看距离与字号的数学计算在一定观看距离条件下，能否清晰辨认PPT中汉字，主要与两方面因素有关，一是字号大小，二是汉字辨认所需像素数。PPT中特定字号大小与其所占页面高度的比例是固定的，换算关系为：%H=Z×.×.=Z×0.001837（其中%H表示字号所占页面高度的比例；Z表示字号大小，单位pt；0.35为1pt字号高度，单位mm；19.05为PPT中4：3比例时默认页面高度）。PPT内容以20pt字号显示时，其比例为3.67%。像素数的多少决定了汉字辨认的难易。正常阅读需要至少12×12像素精度，而临摹书写需要至少24×24像素精度。下图为不同像素数的汉字呈现，其中“厥”12画，“藏”17画，“籞”20画。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。对常用汉字笔画数分布进行统计，综合考虑后选定笔画数为20的汉字，作为书写观看距离测试时的考察汉字。汉字笔画数与数量的关系如下图所示。阅读观看距离测试时使用PPT中常用字号的偏小号，即16号、20号两种，行间距选择1.5倍行间距。不同字号的呈现效果见下图。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。人眼视力为5.0时，视角分辨率为1′，观看时能清晰辨认一个汉字所需的像素数为C，那么该汉字所需的观看视角为C′。最远观看距离与文字高度的关系为：L=×%××（其中L表示最远观看距离；IH表示PPT的页面高度值；%H表示字号所占页面高度的比例；C表示C像素汉字所需的观看视角）。Ø阅读观看距离测试时，汉字像素精度取12，L=IH×%H×286.5=IH×Z×0.526。（Z表示字号大小，单位pt）Ø书写观看距离测试时，汉字像素精度取24，L=IH×%H×143.2=IH×Z×0.263。（Z表示字号大小，单位pt）例：PPT采用20号字号、人眼视力5.0时，PPT页面比例为4：3，阅读观看的最远距离为显示屏幕高度的10.4倍，书写观看为5.3倍。注：PPT的页面高度值IH也是显示屏幕高度。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。五、数据分析对21组受试者样本进行书写观看距离和阅读观看距离测试，分投影互动（80英寸，分辨率1280×800）和平板显示互动（65英寸，分辨率1920×1080）两类设备，数据统计分析表格如下。注：深红色表示20号字，浅绿色表示16号字。其中横轴表示受试者样本，纵轴表示最远观看距离（L）与显示屏幕高度（IH）之比，单位：倍。以最远观看距离与屏幕的高度比为衡量体系：1、PPT显示20号字时，阅读观看的最远距离为显示屏幕高度的9.0倍，书写观看为3.7倍；2、PPT显示16号字时，阅读观看的最远距离为显示屏幕高度的6.6倍，书写观看为3.1倍。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。六、观点结论书写观看是针对汉字笔画的细节辨识，在教学过程中新知识和内容的学习均与此场景相似，例如生字、数学公式、生物物种结构、地理地标等，可认为是“会形学习”。阅读观看则是针对文字语句的信息获取和含义理解，在教学过程中的有一定基础的知识和内容的再学习均与此场景相似，例如中文阅读、数学读题、英语阅读理解等，可认为是“会意学习”。1、PPT常用最小字号为16号-20号，在进行“会形学习”时，最远观看距离（L）不宜超过显示屏幕高度（IH）的3.5倍，IH=.。2、在进行“会意学习”时，最远观看距离（L）不宜超过显示屏幕高度（IH）的7.5倍，IH=.。显示系统在教育领域中的健康安全与系统性能分析研究报告（第二部分：主观评价）2017年本研究受到国家重点研发计划“战略性先进电子材料重点专项”（2016年度）中“新型显示视觉健康研究”项目，课题一“直观式和投影式显示器件性能与视觉健康关联性机理研究”支持，项目编号：2016YFB0401201。注：横轴为教室长度即最远观看距离（L），纵轴为显示屏幕高度（IH）。图中红色区域表示会形学习和会意学习均观看困难；黄色区域表示会形学习观看困难，会意学习可接受；绿色区域表示两者均可接受。序号教室长度显示屏幕高度会意学习会形学习130.90.423.51.00.5341.10.