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1、1具备功能与空间可调的人性化教室灯光系统设计2具备功能与空间可调的人性化教室灯光系统设计摘要：本文通过对教室内的灯光设计进行深入研究，设计出一整套教室灯光系统，与此同时，提高教师黑板板书良好的可见率和利用率，保证教室内灯光的亮度为人眼最适亮度，从而，将教室灯光照明系统设计为幻灯片放映清晰度与黑板板书可见度完美统一的整体，在此基础上应用环保节能设备，降低教室的能耗与成本。关键词：配合幻灯片 桌灯设计 黑板灯设计 后排灯设计 教室设计 节能当前大多数高校对教室都进行了多媒体改造，尤其大学校园的教室电教系统比较发达，教室内基本可以实现幻灯片系统放映功能，并且多数也安装了红外线感应节能灯，总体来说其硬
2、件设施功能已非常强大，然而往往由于这些硬件设施没有合理整合或科学设计造成了设备间功能相互干扰，使教学设施质量与效率大大降低。现阶段教室内灯光系统主要存在以下问题：首先，教室的前排灯光开启时，对幻灯片放映效果有很大影响，如若将前排灯光关闭可使幻灯片放映清晰，然而却使黑板无法使用，而且这样的亮度不能使前排同学和老师进行正常笔记和板书，对视力有很大影响。其次，教室内的幻灯片放置区域并不是同学们接受的最好区域，幻灯片放映设备往往和教室内已有设备上有所冲突，造成资源浪费。最后，当前的节能灯具设备运用仍然存在很多问题，有待解决。本项目的研究目的就是设计一套能使幻灯片放映达到最佳效果；同时保证教室良好照明，
3、确保放映过程中对黑板的使用率，提高课堂效率，保护同学视力的教室灯光设计系统方案。一、 配合幻灯片放映前排桌灯设计当前问题：现在的大学课堂上多数运用幻灯片（PPT）放映设备来讲课，然而幻灯片放映时只有外界灯光比较暗，才能使幻灯片的影像更加清晰，实际中处在教室前排核心位置的幻灯片播放会使前排的光线较暗，导致老师无法在运用幻灯片3的同时正常板书，前排的同学也不能在适宜的光线下读书做笔记。解决方案：为解决这一问题，笔者经过研究将前排的灯光分区管理，保证幻灯片附近的光线较暗，而黑板和前排书桌出有足够的光线，所以我们设计增加教室前排桌灯系统。前排桌灯采取小巧化设计方法，并将其安置在教室前排书桌的前方，运用
4、节能冷光源，并使照射角度控制在书桌面板范围内，光线不能大范围扩散以保证幻灯片放映外界的暗度，同时保证同学们的视力要求。此外，设计中还加入了灯光亮度调节系统以适应不同的天气情况所造成的外界光线亮度变化，在不必使用时可以关闭，具有节能的功效。光线原理图：图一如图一，其中需要求出桌面长度 BD 与设计的一些参数的关系。图中，红色曲线 AF 是设计出来的反射抛物面镜，其边界线 AO 长度为 m，BO 为 n。角度分别为 b 与 a，桌面前沿 AB 高 h，光轴与桌面夹角为 c，边界反射光线 OF与 OF 夹角为 d。原理图实现公式设计：做出辅助线 AT 平行于 BD 交 OC 于 T，OE 平行于 B
5、D 交 FD 于 E，AS 平行于 OC 交 BD 于 S.现在我们来推导需要的公式：三角形 ABS 中， chABSotct平行四边形 SCTA 中， （三角形cbmbOCsin/sin/AOT 中应用正弦定理）平行四边形 CDEO 中， dcdFEDi/i/4（三角形 EOF 中应用正弦定理）又有 acd)(综上，有 cdnbmchCDSB si/siot桌灯设计图： 图二（1）相应设计说明：图二（1）中，桌面上面红色物体为桌灯的外壳，绿色为光线反射面，黄色为透明玻璃，光线即通过黄色玻璃照到桌面上。桌子的侧面是亮度调节开关。下面的另外一种设计方式（如图二（2） ） ，即把灯罩设计为倒 L
6、型，这样同5学可以把水杯或文具袋放在上面的平板处，而且由于灯罩一定的高度，同学也必须坐的笔直才能够看到黑板，设计更加人性化。图二（2）二、 配合幻灯片放映黑板灯设计现存问题：幻灯片放映时教室前部黑板处光线很暗，教师不能适时使用黑板进行板书，造成授课模式僵硬而不够灵活。然而黑板处灯光与幻灯片放映处联系紧密，光线很容易互相干扰从而影响了播放效果。解决方案：我们将黑板处的灯光设计进行了严格的光线区域控制，经过计算将光源源于黑板和幻灯片位置整体协调考虑，并对黑板灯的照射角度进行了严格限定，设计出了相应的黑板灯系统，保证光线柔和且防耀光，使幻灯片与黑板都可以同时有效使用。此系统除了包括保证照射黑板的限制
7、光照区域和角度的灯具，还包括在教师不使用幻灯片时将幕布升起的圆桶状灯保证黑板其它区域的适宜光照。6黑板灯原理图：图三黑板灯设计图：7图四相应设计说明：在图四中，其中蓝色物体代表黑板，绿色物体代表屏幕。标示 1 的物体代表黑板灯，2 为圆筒灯（教师不使用 PPT 时可将其打开照亮幕布后面的区域）由于平时老师用放映机时关掉前排灯，造成黑板亮度不够。所以我们专门为黑板的余下区域设计配合银幕使用时的灯光，此灯光也不会影响到银幕。这样，同学们上课时对于银幕上的内容和老师的板书就能兼得了。附：黑板灯的相关参数（1） 照度黑板的照度在一般照明与局部并用时为 300-1500 lx；在一般照明时，黑板面的照度
8、为100 lx 以上，最好能在 200 lx 以上。（2） 眩光 黑板照明为了避免眩光，应做到黑板照明不能通过黑板反射到学生的眼睛；黑板照明的光源不能直接照到学生的眼睛；不能使教师感到黑板灯刺眼。（3） 均匀度使黑板均匀度提高的方法是照亮最暗的地方即黑板的最下方，照射角按计算为 550。照射角 550 的最大光强值要照在黑板的最下端。（4） 合适的安装位置如图三，该图以教室为参考物，预设最前排同学的位置、教师的眼睛位置，求出感觉不到眩光的各种边界线。再加上提高均匀度的直线，希望黑板灯设置位置的求解结果即为图中最粗的直线。三、结合教室面积不同的前排灯光整体设计方案8应用上文的创新灯光系统设计，下
9、文将通过不同的面积将教室分类，在不同的教室情况中综合运用黑板灯的系统设计，桌灯的前排灯光配合，与后排灯的设计，最终形成整体的设计，使不同的教室达到最好的灯光配合幻灯片放映效果。31 大型教室对于大教室我们建议将幻灯片播放安置于教室前排左右两侧，中间放置黑板，这样可以使幻灯片与黑板可以同时有效使用，通过灯光的系统设计可以达到理想的课程效果。设计图如下：图五相关设计说明：在图五中，蓝色物体代表黑板，两个绿色物体代表屏幕，学生课桌上面的红色物体代表桌灯，有两个放映机，我们假设大教室中一排共有 2+8+2=12 个学生。其中后排灯光设计成一倾斜角度可以照到第四排往后的同学，而前三排9的同学即用我们设计
10、的桌灯。32 中型教室对于中型教室我们建议将幻灯片放置在黑板的正中央，留出黑板两侧加以使用，相应的灯光也要跟上，只是由于黑板与幻灯片距离太近，防止光线的干扰更加困难。如果与叙可以考虑使用可移动式黑板，是黑板与幻灯片有了可错位的灵活安置。 （如图）设计图：图六设计说明：如图六中，蓝色物体代表黑板，绿色物体代表屏幕，假设一排有 3+4+3=10个同学。由于平时老师用放映机时关掉前排灯，造成黑板亮度不够的缺点。所以我们专门为黑板的余下区域设计配合银幕使用时的灯光，此灯光也不会影响到银幕。这样，同学们上课时对于银幕上的内容和老师的板书就能兼得了，而后排灯的设计和大教室相同。33 小型教室小型教室建议将
11、幻灯片至于教室的前排黑板的一侧与黑板重叠，使用黑板一半，这种设计同样可以解决和上文相类似的问题。设计图：10图七设计说明：图七中，蓝色物体代表黑板，绿色物体代表屏幕，假设一排有 2+4+2=8 个同学。由于小教室空间较少，黑板也相应的较小一些。采用中等教室的设计方式是不合适的，所以我们可以让银幕和剩余的黑板各占一方，由于教室较小，所以同学基本上都能看到板书和银幕。后排灯的设计也和大教室相同。四、教室后排灯光设计教室后排的灯光由于其干扰性较小，现阶段的教室系统也多考虑了防耀光和节能感应设计，然而我们主要考虑后排灯与前排灯的配合情况，从后排何处开始安装灯具，灯具的排布等等问题教室整体灯光系统排布图
12、：11图八设计说明：见图八，对于后排灯光（图中标示 1 的物体） ，我们让日光灯管有一定的倾斜角度，这样，从第四排同学开始算起，一直到最后一排同学，最后面的灯光可以按照教室现在的情况不设计为倾斜而是接近于竖直的，以保证光源的充分利用。此设计可以使第四排（离幻灯片播放器最近）的棚顶后排灯向后照射的角度，并控制了灯光的照射角度，使后排灯光线不能干扰前排的幻灯片放映的亮度要求，使幻灯片放映达到更好的效果。五、教室灯光系统设计的健康、节能与环保考虑灯光系统设计对视力的保护说明：通过前文的系统设计可以使教师与同学都可以在适宜的光照亮度下进行学习工作，黑板灯的角度与亮度设计使教学区域达到适宜人眼的亮度要求
13、，桌灯的设计本身在灯具的选用上考虑人眼的适宜亮度，此外还人性化的设计了亮度自主调节系统可以使同学在不同的外部环境下达到最适宜自己的亮度，此设计还可以节约电能。 教室的灯光设计方案要充分考虑到节约能源，首先我们要选用节能灯具，在桌灯的设计时我们选择节能型极佳的冷光源芯片灯，既可以保证桌灯的正常亮度，又可以提高安全性。 附：芯片灯的相关介绍。LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。 （1） 体积小 LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 （2）耗电量低 12LED 耗电非常低，一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V。
14、工作电流是 0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电不超过 0.1W。 （3）使用寿命长 在恰当的电流和电压下，LED 的使用寿命可达 10 万小时 （4）高亮度、低热量 （5）环保 LED 是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时 LED 也可以回收再利用。 坚固耐用 。LED 是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的。led 灯主要价格在单灯上面，最便宜的有 0.08 元一个。好的有 400RMB/W 的单灯。在后排灯的设计时我们运用感应机制，主要采用声控与红外控制相结合的方式，将后排的教室进行分
15、区控制，保证在学生学习时灯具工作，在人员离开时灯具自动关闭，以达到节能的目的。在教室的灯光设计时我们尽量采用人工调节机制，在桌灯的设计中我们加入了亮度调节开关，既可以节约电能也可以依据不同的外部亮度情况调节亮度，达到人眼适宜的程度。六、总结与思考通过前文对教室内配合幻灯片放映灯光设计的研究，作者设计出了桌灯、黑板灯、后排灯从而达到了全面配合幻灯片放映的灯光要求，并充分考虑到人眼的健康要求。在此基础上作者将以上的设计分别应用于现实中的大中小三种教室型号，使创新设计形成完整的系统，提高教师的整体灯光效果。通过对教室灯光系统的研究引起了我们对教室整个智能电教系统的思考，相信通过设备与设计的不断创新，
16、电子化教学系统的相互适应性会有进一步的提高。参考资料：1照明学会（日）.照明手册 336 页（S）.科学出版社， 2005 年 7 月第一版2陈玉胜、杨丽华.教师照明质量对学生视力影响研究（J ）.医疗保健器具，2007.8133高志宏、李锋博.现代照明系统节能探讨(J) .中国照明电器，2007.74周志刚（编译）.国外最新照明电器产品(J) .中国照明电器，2007.75赵牧恒.室内照明设计的目的与目标(J) .室内设计与装修，2006.5The classrooms whole light system designing to harmony with PPTFan Shuaibang Gong PengfeiAbstract: This paper has shown innovative designs for classrooms whole light sys
