改善學生亞健康的教室環境動態照明研究進展

關 楊，嚴永紅

(1.四川美術學院， 重慶 401331; 2. 重慶大學建筑城規學院，重慶 400045； 3.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

引言

亞健康是指機體由于各系統的生理功能和代謝過程低下導致人體出現介于健康與疾病之間的臨界狀態[1]。目前亞健康人口呈逐年上升且低齡化發展趨勢，影響著青少年的身心健康[2, 3]。倪晶和萬瓊[4]的調查研究發現，92.5%的亞健康學生身體狀況隨年齡增長持續惡化。長時間處于亞健康狀態，會導致人體免疫功能嚴重下降，容易誘發腫瘤、心腦血管、胃腸、心理等各種疾病。預防和消除亞健康已成為當前公共衛生事業的重要課題[3]。

調查研究表明，影響青少年亞健康的因素較多，如：學習時間過長、作息不規律、學習競爭等[2, 3]。而生理節律紊亂與焦慮、抑郁等成為青少年亞健康的典型表現。恰當的室內光照對調節人體晝夜節律與情緒障礙具有積極作用[5]。亞健康具有既可回歸健康又可發展為疾病的特點[2]。重視改善亞健康的照明研究，對促進青少年的身心健康具有重要的意義。

1 光環境對亞健康的改善作用

光環境對亞健康的改善體現在生理節律調節與心理壓力緩解兩個方面。首先，光環境對節律調節具有客觀的生理機制。2002年，Berson等[6]發現哺乳動物視網膜上存在第三類感光細胞(ipRGC),它能將光照信號通過非視覺通路傳遞至調節激素分泌的松果體。在人類漫長的進化中，晝間明亮、夜晚黑暗的環境“信號”通過ipRGC傳遞給松果體，促進晝間活力激素(皮質醇)與夜間睡眠激素(褪黑素)的分泌，保證了健康的晝夜作息節律[5]。維持健康節律應在晝間享有充足的光照刺激并避免夜晚的強光干擾。據調查，室內光照強度比室外減少了40～200倍，對座位遠離窗戶的學生來說，存在因光照不足帶來的節律紊亂風險[7]。但室內光照并非越高越好，不恰當時段(如黃昏或午夜)的強光刺激可能擾亂褪黑素分泌進而破壞健康節律[8]。研究發現相同光刺激在一天中的不同時段將產生優劣不同的生理反應，故人體所需最佳光照并非一成不變[9]。Begemann等[10]通過為期一年的研究發現人對光照的需求存在清晨、正午及黃昏效應，并受天氣類型、季節等因素的影響，由此提出了動態照明研究的必要性。

其次，光照能顯著影響人的情緒。研究發現，遠離赤道地區的居民，各種應激激素和睡眠激素的分泌存在季節性差異。相對來說，明亮季節(夏季)中激素的分泌在清晨增多[11]。反之秋冬季節，人體可的松的分泌明顯下降，引發季節性困倦，容易出現精神壓抑等心理障礙[11]。光照能影響與情緒高度相關的激素分泌，進而影響人的情緒與精神狀態[12]。合理的照度、光色及動態模式可對人的情緒改善起到積極作用。大量實驗研究指出明亮的光照條件對于緩解雙向情感障礙及季節性憂郁癥(SAD)患者的抑郁情緒具有顯著作用[13, 14]。Plitnick等[15]的研究表明藍光、紅光照均能改善人的短時情緒(momentary mood)。文獻[16]中對比了彩色、動態光照與靜態白光下的學生情緒差異，結果表明相對于傳統白光，光色、光強多變的情景照明對情緒的改善更為顯著。

綜上所述，合理設置的光環境能有效改善人體的生理與心理健康。國內外科研人員就此展開了大量研究，以下將梳理相關研究成果，并結合教室光環境的創新設計，展望研究動向。

2 研究進展

我國各年齡段學生的近視率較高，2014 年全國學生體質健康調研與監測結果顯示，小學生、初中生、高中生、大學生視力不良率分別為45.71 %、74.36%、83.28%、86.36%[17]。因此與視力健康密切相關的教室照明備受關注。我國針對教室照明的研究主要包括兩個方面：一是對教室采光、照明現狀的實地調查[18, 19]，通過實測分析，提出教室光環境存在的問題與不足；二是基于非視覺效應分析教室光照與學生生理、心理反應的實驗研究，如毛鵬等[20]通過對比高、中、低三檔照度下學生的學習與情緒反應，發現教室照度能影響學生的主觀感受與認知能力。柴穎斌等[21]測試了不同年齡人群的心率及其變化率隨光譜、光強的變化規律，結果表明低照度彩光也可引發青年人的生物效應。

重慶大學健康照明研究團隊自2008年起對教室照明進行了較為系統的研究。嚴永紅等[22-25]分別在照明實驗室、標準教室、醫學實驗室中完成了全人工光條件下光譜、光強影響大學生生理、心理指標的系列實驗，包括不同光譜光強下的視覺功效實驗，學習效率-疲勞實驗、腦電波實驗等，多項指標的綜合評價發現，色溫對生理節律的影響顯著，多個實驗均表明4 000 K左右的中間色溫組合500～750 lx的高照度下，人體的工作表現與舒適度評價最好。嚴永紅等[26]、高帥[27]分別運用現代心理物理法及自主調光等實驗手段進一步驗證了上述結論。此外嚴永紅[28]、張明睿[29]發現，學生在進入某光環境后短時間內(如5～10 min)與較長時間適應后(如2～3 h后)對光照的最佳需求并不相同，由此提出應針對不同工作群體的作息規律、作業內容展開動態照明研究。

通常富含短波光譜的高照度光環境能更大程度的刺激人體的生物效應，如提高警覺度、腦波節律及工作效率等。但人們在工作與休息時段對照明的需求并不相同，一味高強度光刺激也不利于休息與放松。基于非視覺效應的動態照明研究成為近年來研究的熱點。目前國際上提出的工作時段動態照明大致可分為兩種類型：一是Moeller等[30]提出的室內照明追隨天光變化的規律，即早晚照度低、中午照度高，以下稱為模式Ⅰ，如圖1所示；二是Van Bommel[5]提出的室內照明在清晨、午后易困倦的時段給予高照度的冷白光刺激，以喚醒活力，之后再逐漸降低，以下稱為模式Ⅱ，如圖2所示。

圖1 模擬自然光照的動態照明模式(圖片來源：文獻[30])Fig.1 Dynamic lighting mode that simulating natural light[30]

圖2 清晨、午后照度升高的動態照明模式(圖片來源：文獻[5])Fig.2 Dynamic lighting mode that illumination rises in the morning and after noon[5]

關楊[31]對教室動態照明的研究發現，基于學習效率提升與基于情緒改善的最佳動態照明曲線并不相同。其中動態模式Ⅱ即清晨、午后增強的照明更有利于提升學習效率，強光刺激喚醒人的大腦興奮度、提升工作效率，之后光強逐漸降低，避免長時間興奮加重疲勞。而動態模式Ⅰ即模擬自然光早晚照度較低、中午照度升高的變化規律，則更有利于改善人的情緒。具體應用時需根據場所特性加以綜合考慮。該結論與國外的相關研究結論一致，如Patania等[32]、de Kort等[33]發現，在強調工作績效的場所，如辦公室、教室等，相對于靜態光照，模式Ⅱ的動態照明更受歡迎。而針對易發生情緒焦躁的人群，模式Ⅰ的動態照明更佳，如Canazei[34]測試了清晨逐漸升高的動態照明對早班女工的生理、心理影響,發現該動態照明對女工睡眠不足的焦躁情緒能起到鎮靜作用，并改善睡眠與抑郁情緒。目前此類研究在動態模式轉折點的對應時刻、最佳光強、光色等指標上并不完全一致，可能與人群類別、實驗場地、工作內容差異有關。

3 結合行為模式的動態照明研究

近年來，動態照明研究不僅局限在探討光強、光色多變的動態曲線，隨著對行為模式與多元設計研究的深入，人們開始關注多場景照明的精細化設計。Barkmann等[35]根據學校學習內容的特點，設計了7種光照類型，包括“標準光照”(300 lx，4 000 K)、“集中照射黑板”(黑板照明加強，課桌照明減弱)、“只照射黑板”、“集中注意力的光照”(高照度高色溫1 060 lx，5 800 K)、“激發活力的光照”(比常規光照稍強，675 lx)、“放松的光照”(比常規光照色溫偏低，3 500 K)、“更加放松的光照”(照度、色溫均降低，325 lx，3 500 K)，研究表明學生在“集中注意力的光照”方案下(高照度高色溫1 060 lx，5 800 K)，學習錯誤率更少閱讀速度更快。學生和老師均表示動態多變的光照方案(variable light)結合教學活動能達到更好的教學效果。Wessolowski等[36]將上述7種照明情景應用于小學教室，發現照明的多樣性(variable lighting)能有效緩解學生的煩躁情緒，減少其攻擊性并改善社交行為。

隨著網絡、多媒體技術等在教學方式的應用，不少研究側重從人的行為模式入手，探討在信息化時代學習行為變化帶來的光照策略的變化。Castilla等[37]研究了大學生在不同的學習行為模式下對多種光照條件的情感反應，通過對29間教室、854名學生的現場調查與問卷分析，將學生的行為模式歸納整理為三個維度，包括書寫-閱讀(writing-reading)、回應-討論(reflecting-discussing)以及集中注意力(paying attention)，同時分析了學生對多種光環境的情感回應(affective responses)，包括清晰-高效(clear-efficient)、均勻的(uniform)、愉悅-多彩(cheerful-colourful)、溫暖舒適(warmcosy)、令人驚喜(surprising-amazing) 以及強烈-明亮(intense-brilliant)等。此類研究改變了人們對教室照明、辦公照明等功能性照明刻板單一的印象，在不同的行為模式下，例如課堂討論、課間休息等時段，可考慮加入更加形式豐富、色彩多樣的情景照明。

飛利浦公司于2007年在商業照明領域中提出情景照明的概念[38]，即通過燈光技術性與藝術性的完美結合，營造豐富多變的商業空間形象。情景照明強調以光的元素(如光強、光色、光照分布等)變化來渲染空間氛圍，增加場景的藝術感染力，讓觀察者或使用者產生審美體驗，進而激發積極情緒并影響行為反應。如飛利浦的商業情景照明設計能夠瞬間在消費者眼前產生“ 換妝” 效果[38]，以期同購物者的心情、 情感與精神狀態產生互動，在滿足消費者求新、求變心理需求的同時，帶來令人驚喜的商業場景與購物體驗，進而促進消費。Schielke等[39]研究了4種室內設計風格搭配4種照明方式(普通照明、垂直照明、重點照明及圖案投影)共16種照明情景對店鋪氛圍的影響，以期找到最能體現品牌價值并刺激消費的照明模式。

情景照明在商業、酒店、餐廳等場所的應用較多[38-40]，近年來功能性照明開始嘗試應用多場景及彩色光。如Barkmann等[35]設計了7種教室照明場景，基于行為細化采用了多元的照明方式，但在光色上仍較保守，僅采用了色溫可變的傳統白光。Kombeiz和Steidle[41]將彩色燈光應用于教室、辦公等功能性照明場所，對比了常規照明組合紅、藍、白光LED提供的洗墻環境照明對大學生的影響。其研究結果表明接受測試的146名大學生在紅色、藍色環境光下的學習動機與創造力均比白光條件下的表現更佳，因此提出未來應考慮將彩光照明(colored lighting)應用到需要激發創造力與新思想的場所。光照與色彩緊密相關[42]，2015年Elliot[43]指出在色彩研究中應考慮光照的作用，重點關注彩色光照(coloured light)如何營造氛圍從而激起人的情感。Kombeiz和Steidele[41]的研究發現通過燈光將白墻照成彩色與墻體本身的彩色能給人以相同的感受。這為照明應用室內環境色彩的研究成果提供了重要支撐。國內外對色彩心理的研究結論具有較大的文化差異，因此開展結合我國文化與審美特性的色彩研究十分重要。

4 結束語

針對晝夜節律紊亂與心理壓力過大等亞健康典型癥狀，動態、多變的光照干預可發揮有效的改善作用。在傳統的照度、色溫可變的動態照明基礎上，結合行為模式分析，我們探討了具有氛圍營造作用的情景照明，及其對光強、光色、圖案、光照分布的多樣性應用。目前，針對教室照明動態參數的研究以及情景照明的應用還處在起步階段。更加深入地研究教室環境動態照明對于改善青少年亞健康狀態、保障青少年健康成長具有重要的意義。