教室熒光燈色溫對學生學習效率和生理節律的影響

嚴永紅,關 楊,劉想德,劉 煒

(1.重慶大學建筑城規學院,重慶400045;2.重慶郵電大學自動化學院 ,重慶400065)

近年來,研究光對人的心理、生理效應已成為照明研究重要的領域之一[1-2]。CIE于2004年、2006年2次召開以“照明與健康”為題的學術會議,對這一問題進行專題研討。CIE第158號文件中指出,由于Cirtopic[3](眼睛的非視覺效應)[4]的作用,光譜差異可影響人體的晝夜節律、體溫、機敏程度,并直接影響工作效率及人體健康[5]。Phillips公司繪出了典型人體體溫、褪黑素、皮質醇及人體活躍性的24 h周期節律曲線[5],得出辦公室光環境下時間、人體生理節律與光源色溫的對應關系。日本學者片山就司等人對醫院照明進行了研究,得出了醫院光環境下人體晝夜節律照明曲線[6]。同濟大學林丹丹、郝洛西對學生在不同照度、色溫熒光燈環境下的視疲勞程度、主觀評價、工作績效進行了對比研究[7]。復旦大學姚其等人對比計算了不同光譜光源在Cirtopic視覺條件下的有效光效[8-9]。

總體來看,目前國外對Cirtopic效應的研究和應用主要集中在醫院和辦公室照明上,而在中國,更為突出的問題是教室照明。資料表明,目前中國青少年近視率居全球第二[10],特別是大學生的視力不良檢出率竟高達82.68%[11],其原因與不良的教室照明有很大關系。不同色溫光源的光譜、光強度差異[12]除直接影響學生的視力健康外,還會影響他們的生理節律(興奮或疲勞)。因此,對教室照明進行深入的研究并加以改進是非常必要的。

目前教室人工光環境對比研究的實驗結論大多傾向于認為高照度、高色溫光源更為適宜[13]。但這一結論或以學生主觀評價[7]、或以理論計算為依據[8],缺乏更深入的實驗研究支撐。

為了解何種色溫的教室光源更有利于學生的生理健康,選定色溫2 700 K、4 000 K、6 500 K,Ra為85的T5熒光燈(亮度均可實現0～100%可調)作為研究對象,對其進行學習效率、視疲勞、腦疲勞影響研究。

1 不同色溫環境下學生學習效率及視疲勞實驗

通過對重慶大學建筑城規學院110名在校大學生進行了3種典型教室照明光源色溫喜好問卷調查,發現學生對色溫的偏好并非一成不變,而是隨教室功能、照度水平而變化(見圖1)[13]。因此,僅以學生主觀評價作為教室照明色溫選擇的依據顯然并不可靠。評價一種光源是否是好的教室照明光源,除考慮學生的主觀評價外,還必須考慮學生長時間處在特定光譜環境下,大量刺激所帶來的疲勞累積對學生生理健康的影響。

1.1 實驗地點及時間

實驗教室為重慶大學建筑城規學院自習教室(見圖2(a)),對應教室座位排列方式,在頂棚上平行于課桌安裝3列索恩教室專用可調光燈具(實驗前已使用DIALUX軟件進行過燈具布置方式優化方案對比[13]);每列燈具分別內裝色溫2 700 K、4 000 K、6 500 K,Ra為85的OSRAM T5熒光燈光源(見圖2(b)、(c))。

圖1 3種典型教室中,學生對光源色溫的喜好調查

所有實驗均在每晚19:00-22:30進行,這一時間段的選擇有利于完全排除天然光的影響,且可保證各受試人每次實驗均處在相近的生理節律周期中,以確保其測試數據的相對連續性和可比性。

圖2 實驗教室平面圖、燈具布置圖及剖面圖

1.2 實驗對象

選擇一年級、二年級本科生各8名,男女各半,年齡在18～21歲間,身體健康,雙眼矯正視力在5.0以上。將受試人分為2組,每組8人,男女各半,進行交叉實驗。每次實驗前均已排除了身體、心理異常的受試人樣本。實驗前對每位受試人進行訓練,讓其熟悉實驗的步驟與方法。

1.3 測試方法

1)學習效率:采用劑量作業測定法進行測試,使用安菲莫夫表進行綜合評定,以腦力工作能力指數(IMC)來反映學習效率。計算式:

閱字速度(個/min)=閱字數/2

錯誤率(%)=[(錯字數+漏字數)/閱字數]×100%

腦力工作能力指數(IMC)=(閱字數/2)×[應刪數-錯刪數]/應刪數]

2)視疲勞:在預實驗中對比了明視持久度法、眨眼次數法及眼動儀測量法等3種視疲勞測定方法,綜合考慮本實驗精度、時間要求及受試人對測試方法掌握的程度,最終采用學生易掌握的近點測定法[14]來測試視疲勞。計算公式:

視疲勞(%)=|作業后近點距離-作業前近點距離|/作業前近點距離

測試時讓學生在某特定光環境下自習來充分適應該光環境,學習材料為學生自帶的基礎學科作業,如高數、英語等,以便更真實地模擬常規教室學習狀況。

1.4 實驗方案

1)光環境場景模式設計

根據《建筑照明設計規范》(GB 50034-2004),目前教室課桌面照度標準為300lx,Ra≥80[15],而根據相關實驗,舒適的教室照度值普遍在500lx以上。隨著生活水準的提高和對學生視力健康的日漸重視,有專家甚至建議將照度標準提高到 750～1000lx;此外,根據《建筑照明設計規范》教室照明應采用色溫范圍在3300～5300K內的光源[15]。而根據調查,目前大部分高校教室照明采用色溫為6500 K左右的光源。因此,為尋找教室最適宜照度和色溫,實驗光環境模式設計如下:

在2700K、4000K和6500K 3種光源色溫環境下分別進行測試,桌面平均照度設定為1000lx、750lx、500lx和300lx 4檔,照度均勻度≥0.7。實驗順序為:1000lx、750 lx、500lx和300 lx。當一組受試人完成全部測試后,換另一組受試人,進行交叉實驗。

2)實驗步驟:實驗模擬教室教學模式,每個光環境場景測試約1h,分作業前測試、自習、作業后測試3個部分。步驟如下:受試人進入某特定照明環境適應5 min后,用安菲莫夫劑量作業表測試學習效率并測試初始近點距離;讓受試人在該光環境下自習45min;再一次測試學習效率和近點距離,通過與作業前的近點距離比較來反映經45min學習后的疲勞程度。

此后,讓受試人去教室外充分休息10～15min,測試人員更換光環境場景(調整照度值或色溫),用同樣方法進行下一輪測試。

2 實驗結果與分析

2.1 不同照度下學習效率、視疲勞與色溫關系

圖3為2組受試人(共16人)交叉實驗后經算術平均得出的照度/色溫與學習效率、視疲勞關系圖。

表1是根據圖3分析得出的不同照度段受試人平均學習效率及視疲勞與色溫關系排序,以“＞”表示“優于”。

表1 不同照度下學習效率、視疲勞與色溫關系

根據排序,300lx時,2700 K效率最高、視疲勞最低;500～1000 lx時,4000 K不僅效率最高,且視疲勞最低。

總體來看,在各照度段,4000 K的綜合表現最為突出。

2.2 不同色溫下各照度段學習效率、視疲勞對比

在2700K熒光燈環境下,學習效率曲線呈馬鞍形,視疲勞曲線較為緩和。各照度段呈現出不同的特點:單從學習效率來看,300lx最佳,但其視疲勞相對較重,1000lx視疲勞最輕,但其學習效率明顯低于300lx。因此,尚不能斷言哪個照度值最佳,但750lx和500lx較差。

圖3 不同色溫下照度與學習效率、視疲勞關系曲線

在4000K熒光燈環境下,學習效率及視疲勞曲線變化最為劇烈,表明隨著照度值的提高,學習效率及視疲勞都得到了明顯的改善。但曲線在500lx時出現了明顯的拐點,盡管此時視疲勞并不顯著,但其學習效率明顯低于其他照度段。因此當使用4000 K熒光燈光源時,應避開這一照度值。1000lx為最佳照度值。

在6500 K熒光燈環境下,學習效率及視疲勞曲線比較平緩,表明提高照度標準并不能顯著提高學生的學習效率及明顯減輕視疲勞。比較而言,300lx效率最高,但視疲勞顯著。

2.3 腦疲勞程度對比分析

在實驗中發現一個現象:在某些特定光環境下,受試人普遍反映在經過45 min學習后,頭腦反而更清醒了,而在另一些光環境下則正好相反。為了解其中原因,除進行學習效率和視疲勞測試外,還增加了對學習效率變化率η的測試,即將受試人在各光環境狀態下自習前后的學習效率之差除以自習前的學習效率,得到η值(見圖4)。η為正值表明經45 min自習后比自習前學習效率提高了,說明在該光環境下學習能讓人興奮和清醒,并保持良好的腦力工作狀態;η為負值則表明在該光環境下學習后出現腦疲勞,導致效率下降。負值的絕對值越大表明腦疲勞越嚴重。該文以η值來粗略地反映腦疲勞程度。

圖4 學習效率變化率曲線

從圖中可以看出,2 700 K色溫下η值曲線呈馬鞍形變化,且除300lx外,其余照度段η值均為負值。表明在該色溫下學習,學生易出現腦疲勞;特別是在750lx時,腦疲勞最為嚴重。但此色溫在低照度300 lx時η值表現為正值,表明當使用2 700 K色溫光源時,平均照度較低時反而有利于提高興奮度、減輕腦疲勞。

6500K色溫下曲線平緩,η值全部為負值,表明在該色溫下學習,學生更易出現腦疲勞。但從圖4可看出,曲線隨照度升高呈絕對值減小的趨勢,因此,可推定該色溫下高照度環境略優于中、低照度環境,相對而言,750lx略好。

與其他2種色溫相比,4000K色溫表現出眾。除500lx外,其余η值全為正值。表明在45min內,除500lx時腦疲勞較顯著外,其余各照度值下受試人均能保持良好的興奮度。其中,750 lx時興奮度最好。

值得一提的是,η值最高點與前文中學習效率最高點或視疲勞最低點并不完全一致。如4000K組的1000lx,從圖上看,與其他照度段相比,該段學習效率最高、視疲勞最輕,但圖中顯示其腦疲勞并不是η值最高點,η值最高點出現在750lx段。

此外,通過對比圖3、圖4發現,即使視疲勞與腦疲勞這2個反映受試人疲勞狀況的指標也不完全一致。以2700K熒光燈組750lx段為例,盡管在此照度段視疲勞較輕,與4000K組同照度段的數值相近,但其腦疲勞卻是4000K組的近一倍,其結果是導致學習效率低下,與4000K組相差21.3%。

由于學生在教室某一特定光環境下所進行的視覺工作時間較長,有一個長時間刺激累計的問題。因此,對其光環境的評價不能簡單地以單一指標來進行衡量,在該實驗中,以學習效率、視疲勞、腦疲勞3個指標來對其作出綜合評價更為合理。

3 結論

通過對實驗數據的分析,表明在對各特定光環境進行評定時,僅考慮學習效率或視疲勞是不夠的。由于Cirtopic作用,特定人工光譜/光強度對學生生理節律的影響還以腦疲勞的形式出現。因此,應綜合考慮這3個指標的影響。

1)在教室照明光源選擇中,應以4 000 K左右中等色溫的熒光燈作為主要光源。而目前大學教室普遍使用的高色溫(6 500 K)熒光燈光源,可加重學生的腦疲勞和視疲勞,降低學習效率,不應作為教室主光源。

2)不同色溫的熒光燈光源,其最佳照度值并不相同。2 700 K熒光燈光源,300 lx為最佳照度建議值;4 000 K熒光燈光源,750 lx為最佳照度建議值;6 500 K熒光燈光源,無最佳照度建議值。

3)不同色溫的熒光燈光源,其最不利照度值也不相同。2 700 K熒光燈光源,750 lx的照度應盡量避免;4 000 K熒光燈光源,500 lx的照度應盡量避免;6 500 K熒光燈光源,500 lx、1 000 lx的照度應盡量避免。

根據實驗結果,《建筑照明設計規范》(GB 50034-2004)中所規定的教室課桌面照度標準應為300 lx,僅在低色溫情況下是合適的。而當使用中等色溫熒光燈光源時,從有利于學生身心健康的角度來看,應提高這一標準,且應注意避開500 lx這一最不利照度段。此外,高色溫熒光燈不應作為教室主要照明光源。

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