教室光環境研究綜述

高 帥

(重慶大學建筑城規學院，重慶 400030)

1 引言

據人民網報道，我國近視眼人數已近4億，居世界第一，近視發生率已經達到世界平均水平的1.5倍，青少年近視發生率更是高達60%至70%。近視人數連年攀升，已經成為影響我國人民健康的重要問題［2］，尤其是大學生的視力不良率高達84.72%［1］。多個地方大學生視力不良率高達九成以上。

對于我國學生視力不良檢出率仍高居不下的狀況，我國高校學者也對學校教室光環境研究展開了廣泛研究，為修訂國家標準、改進教室光環境提供了數據參考［2］［3］［4］。研究包括不同年齡段、不同特點教室的使用調查、眩光分析、天然光與人工光結合以及光生物效應下學生心理、生理節律的變化等研究方向。

2 教室光環境指標要求

2.1 照明數量指標要求

照明數量指標要求主要是對參考平面或作業面上影響視覺工作所需維持平均照度值作出了要求。我國現行《建筑照明設計標準 (GB50034—2004)》根據學校建筑使用功能，將學校建筑照明分為教室照明、實驗室照明、美術教室照明、多媒體教室照明以及教室黑板照明五類。其中教室的參考面 (課桌面)照度標準值要求為300lx。我國照明設計標準照度平均值遠低于國際標準，例如，日本工業標準(JISZ9100—1979)規定平均照度為200—750lx、北美照明學會 (IESNA)2000規定平均照度為500lx，CIE標準為300—500lx等 (表1)。

2.2 照明質量指標要求

學校的采光和照明設計，不僅要滿足光的數量夠，還要要求優質的照明質量，使師生有一個減少視覺疲勞和舒適愉快的光環境。照明質量指標主要有照度均勻度、亮度對比度、相關色溫、眩光、顯色指數等。

①照度均勻度

我國國家標準《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB7793—87)規定，教室課桌面照度均勻度不應小于0.7，黑板照度均勻度不應低于0.7。CIE標準建議的數值是0.8。

②亮度對比度

③相關色溫

我國《建筑照明設計標準 (GB50034—2004)》中對室內照明光源按色溫的高低分為暖白色 (＜3300K)、中間色 (3300—5300K)、冷白色 (＞5300K)，其中教室照明宜采用中間色溫光源。

④眩光

眩光是教室光環境質量評價重要指標之一。常用的眩光計算方法有英國BBS的BGI指數法、天然光眩光指數DGI、CIE眩光指數CGI，CIE于1995年規定使用統一眩光值 (UGR)作為不舒適眩光的評價指標，我國《建筑照明設計標準 (GB50034—2004)》規定對教室UGR不宜大于19。

⑤顯色指數

我國《建筑照明設計標準 (GB50034—2004)》規定教室照明宜選用顯色指數要求不小于80的光源。

⑥頻閃效應

(5)地表氧化鐵帽標志：礦體經風化后，呈黃褐色，具蜂窩狀構造，可見有大量的褐鐵礦斑點(鐵帽)，是找礦的直接標志。

教室頻閃效應是由于電光源光通量的波動對學生產生的危害效應，短期在心理上將吸引和影響學生的注意力，使人產生不舒服的感覺;長期會引發視覺疲勞、眼花、偏頭痛，甚至會損傷青少年的視力。因此在教室需要增設穩壓設備保證照明的穩定性要求，提高教室照明質量。

3 國內外教室光環境研究

Heschong等人［5］通過對美國三個不同氣候地區的學校教室采光研究發現，教室不同的采光率對2－5年級學生的算術、閱讀成績影響顯著，指出對于那些采光不良的教室可以通過增加窗戶和天窗等措施改善光環境以影響學生的行為和表現，進而提高他們的學習成績。Tanner［6］在基于照明對人體生理節律、健康、成長和功效的影響等成果上重申學校物理環境會影響學生學習效率這一觀點，并使用回歸模型分析確定教室物理環境設計與學生表現之間的關系。劍橋大學Winterbottom、Wilkins等人［7］對英國90個教室中進行調查，發現80%的教室照明采用的人眼察覺不到每秒100Hz閃爍頻率的熒光燈照明，并研究發現教室中該閃爍頻率的熒光燈照明和交互式電子白板 (IWBs)會使學生感到不適，引發頭痛，降低認知能力，甚至損害視覺。GovénT，LaikeT等人［8］通過實驗研究發現，小學生在500lx照度的光環境下其閱讀速度，作文和算術方面的成績均好于300lx標準照度照明環境。

復旦大學的陳壬賢等人［9］對福建省9所中小學18間教室進行采光和照明情況調查。調查發現，89%的學校教室仍舊在使用光效較低的T9，T10，T12系列的熒光燈;教室課桌面、黑板照度低是突出問題，其中課桌面照度最高值為204.9lx，黑板照度最高值為208.2lx;從燈具數量來看，教室的燈具數目差別較大;且有44%的教室采用無反射罩的裸燈管;值得一提的是所調研的教室的功率密度值基本符合我國《建筑照明設計標準 (GB50034—2004)》要求，但是照度卻遠遠達不到標準，從中可以發現照明設計和產品質量存在嚴重問題。

江蘇大學的劉琳等人［10］對教室的照度抽樣結果進行分析，在避免黑板燈對教師及學生產生眩光的前提下，從照度值、照度均勻度等方面對教室光環境進行綜合評價，并把多目標優化理論運用于照明設計中，提出優化改進的光源布置，并對優化后的光源布置進行分析驗證。

復旦大學的楊彪、馬磊等人［11］根據相關標準，運用模糊綜合評價法確定了以照明質量、光源性能和天然采光三個方面為準則的教室光環境綜合評價指標體系，并利用Delphi法和改進的層次分析法確定了各指標的相對權重，從而建立了中小學教室光環境的模糊綜合評價模型。

同濟大學郝洛西、林丹丹課題組［12］對上海市中小學視力健康與光照環境進行了有關實驗研究，結果顯示色溫和照度水平對學生在實驗過程中的作業正確率有直接影響。在滿足現行規定標準照度值300lx的光環境下，5000K和6500K的高色溫可以延緩學生的視覺疲勞，提高學習效率;在照度值大于500lx的光環境下學生的視覺作業效率較高，且視覺感受較好。

天津大學的李振霞，沈天行［13］調查了若干多媒體教室，對投影大屏幕清晰度進行了主觀評價，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。

在國家自然科學基金項目《基于光生物效應的教室健康照明研究》的資助下，重慶大學嚴永紅課題組［14～19］通過對學生視覺心理評價、視覺功效、效率—疲勞、生理實驗等實驗分析，研究證明了在全人工光條件下，熒光燈光譜、光強度差異與學生視覺心理、視疲勞、腦波節律及學習效率等諸多因素存在密切的相關性，并建立了光譜/光強度—心理物理量—生理節律—學習效率綜合模型。

3.1 心理評價測試

荷蘭學者A.A.Kruithof研究表明，人們長期生存的環境決定了人對光源的舒適感接近自然光對人產生的生理效果，并于1941年［20］繪制了人體舒適程度和照度、色溫的相關性的Kruithof曲線圖 (圖1)，由圖1可知，低色溫低照度、高色溫高照度、中等照度中等色溫的光環境舒適感較高。

圖1 kruithof照明舒適度曲線［20］Fig.1 Kruithof lighting comfort curve

《基于光生物效應的教室健康照明研究》課題中，嚴永紅、關楊等人［21］采用平行組實驗的方法通過不同色溫熒光燈下的最佳照度、最佳照度下的色溫偏好及光環境因子重要性排序等心理評價測試，研究結果表明，教室照明的時間積累對學生的心理感受產生較大影響，750lx照度下中間色溫的光環境適合學生長時間學習，且各項主觀評價均較好，高色溫次之、低色溫最差;照明分項特點來看，2700K存在“色彩表現”的缺陷，6500K具有“清醒程度”高的明顯優勢，4000K整體優勢明顯。

3.2 視覺功效

視覺功效是指在一定的光環境下人借助視覺器官完成視覺作業的效率和能力，以完成視覺作業的速度和精確度來定量評價。在該研究領域，20世紀90年代我國學者龐蘊凡［22］通過對20名視力正常的成年人進行實驗研究，統計繪制出識別率為50%和95%條件下的視覺功效曲線 (圖2)。

圖2 中國成年人視覺功效曲線［22］Fig.2 Visual function of China＇s adult

國外也有一些學者一直致力于視功效研究，蘇聯視覺理論學者B.B.Meшkoq、美國學者H.R.Blackwll和Siedentopf等人實驗采用了暗背景亮目標，浦山久夫和伊藤兩人采用了亮背景暗目標。但這些學者的研究多半是為制定相關標準提供嚴謹的數據參考，研究耗時長且重點在于尋找人體視覺特性的普遍規律，而缺少對不同光環境下視功效差異的對比。

因此，重慶大學嚴永紅、關楊等人［14，15］通過白熾燈—熒光燈視功效對比實驗、熒光燈—熒光燈視功效對比實驗繪制出“不同視標條件下，不同背景光源識別率曲線圖”(圖3)結果表明，當使用低色溫光源 (白熾燈，色溫2200K)作為視標照明光源時，低色溫的背景光源 (2700K)只有在極低亮度條件下識別率略高于中—高色溫光源;但隨著亮度的提升，中—高色溫光源的識別率明顯優于低色溫光源。在三種光源中，中等色溫光源在各亮度區段及不同視標條件下的識別率表現最為穩定;而在“2'視標條件下，不同色溫T5熒光燈光色配比識別率曲線”(圖4)結果表明，背景光源與視標光源光色有一定反差時的識別率較高，相同時識別率則較低，色溫4000K的熒光燈的表現最佳，6500K表現最差。

圖3 不同視標條件下，不同背景光源識別率曲線圖［14］Fig.3 Recognition rate of light source

圖4 2'視標條件下，不同色溫T5熒光燈光色配比識別率曲線［15］Fig.4 Recognition rate of light and color matching

3.3 效率—疲勞

學習疲勞是導致學習效率下降、學生厭學的重要原因之一。光生物效應的發現及研究表明，良好的教室光環境對提高學習效率，減少疲勞程度以及保護學生心理、生理健康均具有重要意義。不良的光環境可以影響人們的心理系統發生變化而致使學習效率下降，如情緒、性格、困倦壓力等原因引起的學習效率下降。如果長時間在這種環境下學習工作，可以引起眼脹痛、眼部充血、視物模糊、眼干澀及眼皮沉重等視疲勞。由于視疲勞不僅僅是眼睛本身的疲勞，而且是眼睛、視神經與相關的腦部區域的綜合性疲勞，因而視疲勞也不僅局限于表現在眼部，甚至引起腦疲勞，更為嚴重的可以引起不同程度的神經官能癥。

嚴永紅、關楊等人［16，17，19］對教室照明光源、照度與學生工作績效、視/腦疲勞的關聯性進行研究，了解何種光環境更有利于學生學習效率并減緩視疲勞，并建立效率—疲勞模型。學生的效率—疲勞測試表明，在教室照明光源的選擇中，應以4000K左右的中等色溫熒光燈為主要光源，6500K色溫，不適合作為教室照明，其不應作為教室照明的主光源。不同色溫的熒光燈光源，其最不利的照度值也不相同，2700K色溫下，750lx的照度應盡量避免;4000K色溫下，500lx需注意避免，而6500K色溫熒光燈下，500lx、1000lx的照度應盡量避免。 (表2)。

表2 不同光譜光源下其最佳照度值［21］Table 2 The best illuminance with various spectrum

3.4 生理節律

日本千葉大學LuSHI等人［23］研究測試3種不同色溫的熒光燈光源光環境下被試在運動狀態下的α波指數。結果表明，3000K下腦波活性、興奮性相對最低，但對放松和運動后體力恢復有利;7000K下腦波活性最高，疲倦感最強，疲勞消除最慢;5000K下最有活力，舒適度最高，是最適宜運動的光環境。

Shimomura等人［24］進一步研究了光源色溫對人在腦力工作時覺醒水平的作用。他們研究報道:在3000K色溫下，人體腦電圖上的alpha指數較其他高色溫光源下高，但是在主觀評價方面被試的嗜睡現象在低色溫時比高色溫下顯著，然而對工作的緊張性、集中注意和覺醒水平在高色溫時比在低色溫下為高。

Inoue［25］對不同光源色溫下人體腦力活動和臨界閃爍融合頻率的研究，表明在高色溫6700K光環境下人的眨眼頻率明顯增加，易產生視疲勞，長時間作業會使腦力活動效率下降，同時被試報告:在高色溫照明光環境下作業“有眼睛發干，想閉上眼睛”的感覺。Marikawa指出:與3000K、5000K色溫相比，在7500K高色溫光源作用下，被試作業后視/腦疲勞恢復速度相對較慢，因此在高色溫光源下休息是不適宜的，建議在長時間和繁重的腦力勞動后，在較低的色溫光源下休息為好，這有利于促使人腦疲勞的恢復［79］。

嚴永紅、宴寧等［18］通過測試3種色溫、3種照度不同組合的9種光環境下學生腦電圖α波、β波指數的變化，觀察光照對人體生理節律的影響。結果表明，不同光環境下腦波指數變化率存在顯著差異性;興奮度及敏感性隨光源色溫、照度值增加，大體呈正相關性;學習效率隨光源色溫、照度值增加而降低，呈負相關性。

4 小結

光生物效應下教室光環境研究是一個綜合了光學、醫學、心理學、視覺功效、照明設計等多個學科的交叉領域。目前，我國教室照明規范與國際指標具有一定的差距，教室光環境研究為照明設計在心理、生理效應方面提供了最佳的照明參數參考，并且與處于成長發育階段的學生群體的身心健康發展密不可分，具有極為廣泛的研究意義。隨著教室光環境研究的不斷深入，對于高效新光源的開發、科學節能照明方案的探求具有重要價值。

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