Обоснование оптимальных параметров яркости экрана интерактивной панели для снижения риска общего и зрительного утомления школьников

Цифровая трансформация современного образования способствует активному внедрению электронных устройств в учебный процесс, начиная с младших классов. Традиционные меловые доски повсеместно заменяют на цифровые модели. Последнее поколение электронных досок – интерактивная панель (ИП), представляющая собой самостоятельное устройство: сенсорный дисплей, который работает на собственном программном обеспечении.

Использование интерактивных панелей на уроках в современной школе становится рутинной практикой. Учитывая, что панель – это электронное средство коллективного использования (для целого классного коллектива), все большее число школьников встречается с ней в процессе обучения.

Применение ИП предполагает наличие неоспоримых преимуществ в визуализации информации перед традиционными средствами обучения. Наряду с этим в современных научных исследованиях показано влияние использования электронных технологий на формирование нарушений зрения, функционирование нервной, сердечно-сосудистой систем и т.д. [1–13].

Айзятова Марина Викторовна – младший научный сотрудник лаборатории комплексных проблем гигиены детей и подростков (e-mail: ; тел.: 8 (495) 917-10-60; ORCID: .

Александрова Ирина Эрнстовна – доктор медицинских наук, заведующий лабораторией комплексных проблем гигиены детей и подростков (е-mail: ; тел.: 8 (495) 917-10-60; ORCID: .

Лашнева Ирина Павловна – кандидат медицинских наук, лаборант-исследователь лаборатории комплексных проблем гигиены детей и подростков (e-mail: ; тел.: 8 (495) 917-48-31; ORCID: .

Курганский Александр Михайлович – кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник лаборатории комплексных проблем гигиенической оценки и экспертизы (e-mail: ; тел.: 8 (495) 917-48-31; ORCID: .

Возрастает напряженность учебного процесса [14]. Электронные средства обучения способствуют повышению зрительной концентрации, существенно увеличивая длительность работы органа зрения. В ряде научных публикаций, касающихся эргономики в связи с электронными устройствами, в основном акцентируется внимание на гигиене зрительной работы [15–18]. В ранее проведенных исследованиях показано возникновение ряда жалоб на нарушение самочувствия; общее и зрительное утомление школьников и при использовании интерактивных панелей на уроке [19]. Кроме того, в литературе представлены данные, свидетельствующие о негативных изменениях параметров микроклимата в динамике уроков с применением ИП [20], неблагоприятной динамике умственной и зрительной работоспособности обучающихся при нерегламентированном использовании ИП на уроке [21]. По мере накопления опыта применения этих электронных средств в учебном процессе проведение исследований по изучению их влияния на организм школьника остается актуальным.

Среди приоритетных направлений изучения стоит вопрос оптимальных визуальных характеристик экрана ИП. Важными параметрами являются яркость экрана и пульсация яркости экрана панели, которая оказывает не менее негативное влияние на самочувствие и здоровье обучающегося, чем пульсация общей освещенности рабочего места, по той причине, что школьник вынужден внимательно вглядываться и вчитываться в представляемую на панели информацию. Наличие пульсаций яркости, как правило, приводит к быстрой утомляемости органов зрения и отделов мозга, отвечающих за восприятие и анализ зрительной информации1. Существенно снизить коэффициент пульсации дисплея панели можно путем повышения яркости подсветки экрана. В свою очередь, слишком высокая яркость также оказывает неблагоприятное влияние на организм пользователя [22].

Поэтому одной из важных позиций в профилактике возникновения общего и зрительного утомления и риска переутомления школьников является использование ИП в оптимальном режиме яркости. Преимуществом интерактивной панели является корректируемый режим яркости экрана в зависимости от условий освещения. Яркость экрана ИП может самостоятельно настраивать и регулировать в течение урока, например, педагог.

О своевременности исследования свидетельствуют результаты научных работ, охватывающих проблемы влияния экрана цифровых средств, в том числе яркости экрана, на самочувствие, зрение и т.п. пользователей. Однако эти данные касаются преимущественно экрана монитора, т.е. условия работы значительно отличаются от таковых при применении ИП. Кроме того, все исследования проведены со взрослыми испытуемыми [23–28].

С учетом вышесказанного вопрос оптимальных визуальных характеристик экрана интерактивной панели при ее использовании на уроке, в частности параметров яркости, определяющих риски появления жалоб на нарушение самочувствия, является крайне актуальным.

Цель исследования – обоснование оптимального диапазона яркости экрана интерактивной панели при ее использовании на уроке для профилактики возникновения общего и зрительного утомления школьников.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• •    обосновать диапазоны яркости экрана ИП, потенциально обусловливающие различные эффекты влияния на самочувствие школьников;

• •    определить количество жалоб на нарушение самочувствия учащихся при работе с ИП в обоснованных диапазонах яркости;

• •    оценить риски возникновения жалоб школьников на общее и зрительное утомление в зависимости от различной яркости экрана интерактивной панели.

Материалы и методы. Были проведены замеры коэффициента пульсации от экрана и яркости экрана работающей ИП.

Измерения проведены в 30 школьных учебных кабинетах, оборудованных ИП марки Irbis. Измерения проводились согласно требованиям ГОСТ 33393-2015, ГОСТ 24940-2016, ГОСТ 26824-20182. Для исключения влияния естественного освещения на результаты измерений исследования проводились в вечернее время суток, окна были оборудованы плотными затеняющими устройствами (рулонными шторами). Контрольные точки измерения располагались равномерно на всей рабочей поверхности ИП. Измерения проводились одномоментно двумя приборами: прибор комбинированный «еЛайт», исполнение 2, 63221-16; прибор комбинированный, тип ТКА-ПКМ (09). Диапазон измерения приборов: освещенность – (10…200 000) лк; коэффициент пульсации – (1…100) %, яркости – (10…200000) кд/м2; погрешность приборов – 8 %.

Этапы проведения измерений:

• –    санитарно-гигиеническая оценка учебных помещений (в плане создания оптимального светового режима);

• –    измерение уровня искусственной освещенности от системы общего освещения, измерение фонового освещения от естественных источников (окна);

• –    замеры яркости и коэффициента пульсации от экрана ИП.

На каждой ИП замеры проведены в 13 контрольных точках при настроенных значениях яркости от 25 до 155 кд/м2 с шагом в 5 кд/м2. Всего было проведено 10 350 измерений яркости от экрана ИП и 10 350 измерений коэффициента пульсации от экрана ИП. Определены зависимости значений коэффициента пульсации от настроенной яркости экрана ИП, обоснованы диапазоны яркости экрана ИП.

Для оценки влияния применения ИП, работающей с различной яркостью экрана, на нарушение самочувствия детей изучили их жалобы.

Проведено медико-социологическое исследование 330 обучающихся четвертых классов двух городских общеобразовательных школ, функционирующих на основе типовых педагогических программ. Выбор указанной возрастной группы обусловлен тем, что ИП активно используются уже в младшей школе, учащиеся которой наиболее чувствительны к воздействию факторов риска. Использование интерактивных панелей на уроках осуществлялось максимально в соответствии с действующим санитарным законодательством. По завершении использования ИП выключалась или переводилась в «спящий» режим. Анкетирование проводилось в очном формате. Анкета включала вопросы, связанные: а) с выявлением факторов, обусловленных работой ИП, негативно влияющих на самочувствие респондентов; б) выявлением жалоб на возникновение общего и зрительного утомления обучающихся. Критериями включения испытуемых в исследование являлись следующие: обучение в четвертых классах образовательных организаций;

использование в учебном процессе ИП; наличие письменных информированных согласий от родителей на проведение исследований. Критерии исключения: выраженные нарушения зрения; несоответствие критериям включения.

Была проведена оценка количества жалоб школьников на общее и зрительное утомление, возникающее при работе ИП в разных (ранее обоснованных) диапазонах яркости экрана. Номинальные данные описывались с указанием абсолютных значений, процентных долей и границ 95%-ного доверительного интервала (ДИ), рассчитанного методом Уилсона с поправкой на непрерывность.

По принципам доказательной медицины установлены величины относительного риска – вероятности появления у школьников жалоб, связанных с общим и зрительным утомлением (исходов), в зависимости от параметров яркости экрана ИП (факторов риска)³. Различия между группами показателей оценивали путем расчета относительного риска с использованием четырехпольных таблиц сопряженности. После определения границ 95%-ного доверительного интервала (не включающего единицу) сравнивали значения относительного риска с единицей: выбирали значения более «1», считая, что фактор повышает частоту исходов. Рассчитали чувствительность и специфичность метода. Степень существенности вклада, вносимого фактором риска в увеличение частоты события, определили путем расчета этиологической составляющей ( EF ), выраженной в процентах. Для интерпретации величины относительного риска и этиологической составляющей, учитывая непрерывное и длительное воздействие обучения на организм школьника, использовали «Оценку степени причинно-следственной связи нарушений здоровья с работой»⁴.

Результаты и их обсуждение. Все учебные кабинеты, оборудованные ИП марки Irbis, были идентичны по площади (49,0–52,0 м²). В качестве источника общего искусственного освещения применялись потолочные светильники со светодиодными лампами. Санитарно-гигиеническая оценка учебных помещений выявила отсутствие перегоревших ламп, равномерность расположения светильников, отсутствие загрязнений на приборах освещения, равномерность освещения рабочей поверхности ИП, наличие затеняющих устройств на окнах.

Определили, что фоновое естественное освещение составляло менее 10 % от общего искусственного освещения. Коэффициент пульсации от системы общего искусственного освещения в обследованных помещениях, оборудованных светильниками со светодиодными лампами, был равен 2,1 ± 0,8 %.

Рис. Изменение коэффициента пульсации (%) от экрана ИП в зависимости от настроенной яркости экрана ИП (кд/м2)

Параметры яркости экрана экспериментальным путем были разделены на три диапазона.

Первый диапазон был получен с помощью серии замеров коэффициента пульсации от ИП в зависимости от увеличения яркости экрана ИП: постепенное повышение уровня яркости экрана панели сопровождалось скачкообразным изменением коэффициента пульсации (рисунок).

Согласно рисунку, при уровне яркости, равном 115 кд/м2, коэффициент пульсации достигал минимальных величин – приближался к 20 %, и далее при повышении яркости его величина практически не менялась. Кроме того, по отзывам педагогов, имеющих достаточный стаж и опыт работы с ИП, при настроенной яркости менее 115 кд/м2 наблюдалось нечеткое, бледное изображение. Это позволило говорить о диапазоне менее 115 кд/м2 как о «потенциально неоптимальном».

Согласно существующим в литературе данным, диапазон субъективной яркости, которую способен воспринимать глаз (яркостная адаптация – диапазон одновременно различимых субъективных уровней яркости), составляет около 10–15 кд/м2 [29, 30], т.е., диапазон от 115 кд/м2, расширенный на величину яркостной адаптации, можно гипотетически считать «потенциально оптимальным» – до 125–130 кд/м2. Вместе с тем, по отзывам педагогов, имеющих значительный стаж использования ИП, настроенная яркость ее экрана свыше 125 кд/м2 уже являлась «дискомфортной» для глаза, поэтому именно эту цифру и определили как верхнюю границу оптимального уровня яркости.

Таким образом, параметры яркости экрана были распределены на диапазоны: менее 115 кд/м2; 115–125 кд/м2 и более 125 кд/м2.

Для обоснования оптимального уровня яркости экрана ИП на уроке изучили жалобы обучающихся в процессе ее использования. Школьники были разделены на три группы (90, 100 и 140 школьников), в каждой из которых учебный процесс проходил с использованием ИП, работающей в одном из указанных выше диапазонов яркости. Группы были близки по возрастно-половому составу и условиям обучения.

Планировалось изучение жалоб учащихся после работы с панелью в заданном режиме яркости в течение одной учебной недели. Однако появление значительного количества жалоб у детей при работе ИП в настроенных режимах яркости менее 115 кд/м2 и более 125 кд/м2 в самом начале исследования обусловило раннее ее прекращение в этих диапазонах и проведение анкетирования.

Работа с ИП в диапазоне 115–125 кд/м2 продолжалась на уроках в динамике учебной недели, после чего также были проанализированы жалобы обучающихся. Полученные результаты представлены в табл. 1. Анализ выраженности жалоб школьников показал, что такие факторы риска, как нечеткое изображение, в подавляющем большинстве случаев характерны для низкой яркости; яркий свет от экрана и повышение температуры воздуха класса – соответственно для высокой яркости. Однако эти факторы, хотя и в значимо меньшей степени, но присутствуют и при работе ИП с яркостью экрана 115–125 кд/м2. Это свидетельствует о необходимости обоснования гигиенических требований к подаваемой на экран ИП информации (контрастность, четкость, цветность, шрифт и т.д.), а также постоянного контроля и оптимизации микроклимата в динамике уроков с применением ИП [20].

Жалобы на общее утомление и усталость глаз у респондентов, использующих ИП в «неоптимальных» диапазонах яркости, распределены примерно одинаково. Головная боль, боли в глазах, слезотечение значимо чаще отмечены у детей при яркости ИП более 125 кд/м2. При работе панели в диапазоне менее 115 кд/м2 школьники достоверно чаще жаловались на расплывчатость изображения и ощущения мельканий перед глазами.

В табл. 2 представлены значимые относительные риски возникновения тех или иных жалоб при работе ИП в режиме яркости менее 115 кд/м2 и более 125 кд/м2, по сравнениюс яркостью 115–125 кд/м2.

Полученные данные позволяют обосновать оптимальный для школьника диапазон яркости интерактивной панели на уроке. При яркости экрана ИП от 115 до 125 кд/м2 риск возникновения жалоб на нарушения самочувствия регистрируется значимо меньше.

Снижение жалоб на зрительное утомление при адекватной регулировке уровней яркости, использовании экранов с антибликовым покрытием, поддержании идеальной зрительной дистанции отмечалось и в работах по оценке влияния экрана монитора компьютера у взрослых пользователей [23–25]. Перспективным направлением исследований является оценка яркости экрана интерактивных панелей в школе в зависимости от расстояния просмотра и поля зрения, о чем свидетельствуют работы, проведенные на больших светодиодных дисплеях [25].

Таблица 1

Количество жалоб учащихся при работе с ИП в различных диапазонах яркости

Вопрос анкеты	Вариант ответа	Диапазон яркости экрана ИП
		менее 115 кд/м2			115–125 кд/м2			более 125 кд/м2
		абс.	%	ДИ	абс.	%	ДИ	абс.	%	ДИ
Факторы, по мнению школьников, негативно влияющие на их самочувствие	Яркий свет от ИП	–	–	–	28	28,0	20,14–37,49	138	98,6	93,91–99,69
	Мелкое нечеткое изображение на экране	90	100,0	95,1–100,8	17	17,0	10,89–25,55	2	1,4	0,31–6,09
	Повышение температуры воздуха в классе	22	24,4	16,70–34,20	15	15,0	9,31–23,28	80	57,1	47,31– 66,36
Жалобы обучающихся при работе с ИП	Общее утомление	89	98,9	93,99–99,81	5	5,0	2,15– 11,18	134	93,1	86,38–96,63
	Головная боль	2	2,22	0,60–7,71	2	2,0	0,55–7,0	26	18,6	12,19–27,34
	Боли в глазах	12	13,3	7,77–21,84	3	3,0	1,03–8,45	71	50,7	41,06–60,29
	Расплывчатость изображения	43	47,8	37,78–58,00	3	3,0	1,03–8,45	2	1,4	0,31–6,09
	Слезотечение	11	12,2	6,95–20,55	3	3,0	1,03–8,45	70	50,0	40,38–59,62
	Ощущение мельканий перед глазами	59	65,6	55,33–74,59	4	4,0	1,57–9,84	1	0,7	0,10–4,95
	Усталость глаз	68	75,6	65,80–83,30	5	1,0	0,18–5,45	124	88,6	80,89–93,45
Число школьников, работающих с ИП, в каждом из диапазонов, n		90			100			140

Таблица 2

Относительный риск возникновения жалоб школьников на общее и зрительное утомление при различной яркости подсветки экрана интерактивной панели

Жалоба	Яркость экрана ИП	Относительный риск	ДИ*	EF , %	Se	Sp
Общее утомление	Менее 115 кд/м2 ( по сравнению с яркостью 115–125 кд/м2 )	19,8	8,41–46,48	93,9	0,95	0,99
Усталость глаз		15,1	6,38–35,79	70,0	0,93	0,81
Расплывчатость изображения		15,9	5,12–49,56	44,8	0,94	0,67
Ощущение мелькания перед глазами		16,4	6,2–43,3	61,6	0,94	0,76
Мелкое нечеткое изображение		5,8	3,8–9,1	83,0	0,84	0,99
Слезотечение		4,07	1,17–14,14	9,2	0,79	0,55
Боли в глазах		4,44	1,29–15,95	10,3	0,80	0,55
Общее утомление	Более 125 кд/м2 ( по сравнению с яркостью 115–125 кд/м2 )	19,1	8,14–45,02	90,7	0,96	0,94
Головная боль		9,29	2,26–38,23	16,6	0,93	0,46
Усталость лаз		17,7	7,52–41,7	83,6	0,96	0,86
Слезотечение		16,6	5,40–51,43	47,0	0,96	0,58
Боли в глазах		16,91	5,48–52,14	47,7	0,96	0,58
Мешает яркий свет от доски		3,52	2,6–4,8	70,6	0,83	0,97
Повышение температуры воздуха в классе (становится «жарко»)		3,81	2,3–6,2	42,1	0,84	0,59

П р и м е ч а н и е : * – ДИ – доверительный интервал ( р < 0,05); EF – этиологическая составляющая; Se – чувствительность, Sp – специфичность.

Выводы. Таким образом, использование на уроке интерактивной панели с оптимальными визуальными параметрами экрана 115–125 кд/м² позволит снизить риски возникновения общего и зрительного утомления, уменьшить нагрузку на зрительный анализатор.

Активное развитие цифровых технологий обусловливает необходимость дальнейших исследований по обоснованию оптимальных визуальных ха- рактеристик экрана новых электронных средств обучения на основе оценки показателей функционального состояния организма ребенка.

Финансирование. Исследование не имело финансовой поддержки.