高校校園綠地不同視覺空間恢復性效應研究

李承康，艾嘉蓓，陳凌靜，鄭涵青，黃啟堂

（福建農林大學園林學院，福建 福州350002）

在當前教育興國的時代背景下，校園空間逐漸成為城市中十分重要的公共空間。與中小學不同之處在于，高校作為全日制的高等教育場所，在該環境下師生們與校園環境接觸的時間更長且更加頻繁。對于高等學校來說，校園承擔了師生及學者們的生活、學習、工作和研究需要，為其提供健全的物質條件，從而也使校園環境的休閑游憩作用得到彰顯。

我們將某些能夠幫助人們從精神壓力及消極的身心狀態中恢復過來的環境，稱為“恢復性環境”[1]，因此，在高校校園綠地范圍內，具有這種特征的環境則稱為“高校校園綠地恢復性環境”。人們與校園綠地之間的互動差異將使得個體的恢復方向和恢復程度產生變化，這種變化與身心消耗狀態發生平衡后，會反映在其心理健康、生理健康和社會健康的層面。優良的恢復性環境能促使人們得到心理恢復和生態保健的效果，同時促使進行適當的體力運動和社交活動，反之則起阻礙恢復的作用，甚至致人逃離該環境。

國內外學者對校園綠地空間的恢復性效應進行了不同研究。日本學者松岡發現，日本的高中生在閑暇時間從窗戶上欣賞喬木和灌木與建筑一起搭配的環境或者寬闊的草坪，他們將有更好的學習成績以及更高的畢業率，更多的想做實事，更多的上大學計劃及更少的犯罪行為[2]。Hipp 提出對于疲勞的學生來說，特別是當他們認為校園具有恢復性潛力時，豐富的周邊自然環境可能會啟動并維持對日常運作至關重要的恢復性體驗[3]。Scholl 等人認為，校園環境的營建可以增加學生有意、偶然或間接參與和活動的機會[4]。而國內有較多學者以人的行為學特征作為切入點開展研究，并試圖從環境心理學的角度出發開展研究。吳磊通過分析高校校園景觀主體使用人群的心理需求及校園活動的行為規律，討論如何將環境心理學運用在高校校園花架設計中[5]；李司淼從大學生行為模式的參與性角度，通過研究大學生行為模式和景觀需求來設計使用組滿意的校園景觀[6]。在環境恢復性的方向上，劉暢等人發現校園綠地的訪問行為對大學生的心理恢復有顯著促進作用，且訪問動機對他們的訪問行為影響較大[7]；尤達等人將大學生的樣本特征與校園綠地的環境恢復性進行聯系分析，研究得出，學生的年級、專業、月消費水平、使用綠地的頻次、單次時長及使用目的都對環境感知有顯著影響[8]。

從目前國內外的研究現狀可以看出，我國對于高校校園綠地環境恢復性的研究還處于理論搭建和初步規劃的基本階段，對環境空間的物理要素與恢復性之間的關系研究較少，且對文脈延續和人文關懷方面的重視不夠。因此，從生理實驗角度入手，對校園綠地的恢復性效應進行實證分析十分重要。本研究主要是對不同空間類型的環境進行恢復性效應研究，通過對校園綠地進行空間分類、照片取樣以及播映設計，提取實驗室中環境體驗者的腦電波信號進行恢復性感知分析。從不同空間類型的層面上展開研究，以期在進行校園健康效益提升時能夠從更加宏觀的角度進行營造。

1 研究內容與實驗方法

1.1 研究地點與空間樣本

1.1.1 研究地點選擇

本研究以福建農林大學金山校區 （東經119o14′，北緯26o05′）為研究區，南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫19.6 ℃，最高氣溫42.3 ℃，最低氣溫-2.5 ℃，年平均降雨量達1343 mm，無霜期達326 d，氣候屬冬短夏長，溫暖濕潤，適宜各類生物的生長和繁衍。校園內總占地面積達234 hm2（包括山體和水域），實地建設面積約60 hm2，總規劃建筑面積達76.6 hm2，實際建成面積達69.7 hm2。校園內有超過一半的土地為植被豐富的山林，占地面積約52 hm2，同時還承載了開闊宜人的水域空間，面積約15 hm2，以及秩序井然的田間實驗基地和園地，面積約15 hm2，總綠地面積約占校園的50%。校園內有觀音湖、中華名特優植物園、濕地生態園、時令花卉園、森林蘭苑等多個生態景區，其中觀音湖規占地面積達7.1 hm2，濕地生態園占地面積約2 hm2，中華名特優植物園占地約6.4 hm2，時令花卉園占地約0.4 hm2，森林蘭苑占地約0.5 hm2。

1.1.2 空間樣本選取

在福建農林大學金山校區的進行綠色空間的踩點記錄，根據空間類型的分類進行地點篩選，并于光線條件較好的天氣進行現場拍照，選取正光面橫向取景，視線高度保持在1.70 m。為避免過多環境因素對各空間類型的被試體驗造成影響，故在選取樣本空間時盡量選擇空間視覺主體面積占畫面50%以上，且畫面中建筑體量較小、環境內容較為單純的照片。參考Wang 等人對于綠地的空間分類方式[9]，將高校校園綠地視覺類型分為濱水空間（P）、草坪空間（Q）、林下空間（R）、廣場空間（S）、道路空間（T）共5 類，每類選取兩張風景近似的照片，避免被試在重復觀看同一張圖片時引發視覺審美疲勞（圖1）。

1.2 實驗儀器與實驗方法

1.2.1 實驗儀器

該實驗選擇在福建農林大學下安實驗樓的錄音室進行，環境隔音效果良好。套間面積約25 m2，里間為被試體驗區，外間為實驗監控區。里間內設投影儀、投影幕布、人體工學座椅，全部源自福建農林大學教學設備，其中幕布尺寸為1.86 m×1.40 m，距實驗者2.5 m，距地面0.8 m；外間設有信息采集電腦及通訊設備。實驗室內恒溫24 ℃，相對濕度50%。研究中主要采用的實驗儀器為北京津發科技研發的ErgoLAB 人機環境測試云平臺，數據的取得方法包括刺激輸出、信號收集及信號監測3 部分（圖2）。

圖1 5 類樣本空間圖片Figure 1 Five sample space pictures

圖2 ErgoLAB 操作界面示意圖及可穿戴腦電同步測量模塊Figure 2 A diagram of the ErgoLAB interface

1.2.2 實驗方法

本次實驗采取的是圖像評估的方法，這是因為圖像評估的方法能夠對環境因素進行控制，而非對當前當地的環境進行評估，特別是在環境難以控制變量進行獲取時，圖像評估是獲得不熟悉景觀體驗的最可行方式[10]，目前該方法已廣泛應用于景觀規劃和環境領域[11-13]。高校校園綠地最主要的使用人群是在校大學生，因此在志愿者的選擇上首先考慮學生志愿者，其中男性23 人，女性22 人。操作流程如圖3，實驗播映中出現景觀圖片時需要被試進行場景想象及空間體驗，出現空屏時被試可以進行神經放松，出現文字提示時，主試通過話筒與被試進行互動。在壓力問答環節，采用倒敘數字記憶的方法[14]，即主試者以勻速讀出隨機的2 位數字組，且要求被試者輕聲倒背，背誦正確則增加一位數字重復上述操作，若背誦錯誤則換一組數字。5 類空間圖片組隨機播放，每組播映時長240 s，整個實驗過程持續約25 min。

在線采樣率為256 HZ，首先將數據格式轉換為.set，然后對數據質量進行檢查，并剔除6 名極端被試者，剩余39 名被試者。接著進行電極定位及濾波，其中帶通為0.1-60 HZ，陷波為49-51 HZ。對濾波后的數據進行數據分段（2 s 一段），在插值壞導，剔除偽跡后重參考為全腦平均參考[15]。對不同條件下的每個試次進行短時傅里葉變換，分析頻段為Alpha（8-14 HZ），Beta（14-30 HZ），Gamma（30-49 HZ），窗函數選擇hanning 窗，步長0.125 s，時間分辨率為1 ms，頻率分辨率為1 Hz，最終求得power（uV2），設信號x（t）∈L2(R)，窗函數為h（τ）對，* 表示復共軛，τ和f 表示時間和頻率，解析公式如下[16]：

圖3 實驗流程示意（筆者自繪）Figure 3 Schematic diagram of the experiment

2 結果與分析

參與本次實驗的45 名被試者中，有6 名被試者由于數據質量較差而被剔除，因而對剩余的39組有效數據進行分析。實驗中所測量電極有Fpz、Fz、F3/4、P3/4、01/2 共8 個電極位，其中Fpz 為接地點。對每張圖片相應的數據點進行不同波段的功率譜分析，同時對單個電極和電極平均進行統計。

2.1 各階段時頻圖分析

每一組空間類型欣賞過程中都會經歷基線測量、純欣賞、壓力刺激時、壓力刺激后共四個記錄過程，按每個記錄過程對各圖片對應的腦電波進行時頻變換，且選擇全部電極平均電位作為功率譜（單位uV2），從而可知不同條件下人腦的活躍波段及活躍程度。

將被試者在欣賞5 類不同空間類型產生的腦電波進行疊加平均，得出被試者在實驗過程各階段全部電極平均后的頻譜圖和頻帶能量（圖4），即欣賞一組完整圖片時，被試者大腦0.1 Hz～60 Hz 全腦EEG 功率譜。觀察可知，腦電波的主要活躍波段為α2（10 Hz～13 Hz）及β1（13 Hz～20 Hz）。由于被試者在進行試驗時處于身體佩戴儀器的狀態，即使周圍環境封閉且無噪音影響，其仍然無法達到閉目放松時的腦波水平，即仍有β 節律伴隨。而整個實驗除了壓力刺激過程中，被試者會有定向注意和小幅度的輕聲言語動作外，并無其他肢體行為，因此γ 節律表現不明顯。

根據各頻帶的能量峰值可以看出，基線測量到純欣賞的過程中，腦波能量峰值降低，活躍程度降低，根據試后對被試的采訪可以得出此結論，這是由于被試在觀看空屏時思維緊張，會不自主地對即將播映的圖片進行猜測，而轉到風景圖片時情緒瞬間放松，雖然屏幕的視覺會引起大腦反應，但欣賞風景圖片時思維放松，由猜測轉為觀賞，因而活躍程度下降。從純欣賞到壓力刺激再到刺激后這個變化過程中，大腦節律的活躍程度先升后降，這是由于主試在施加壓力時，被試大腦不斷思考且持續消耗定向注意水平，這使得大腦皮層的電位值不斷增加，而當刺激結束后視線中出現風景圖片時，大腦則逐漸恢復定向注意水平，使得腦波能量值恢復平穩。根據此圖可知，被試者在實驗過程中的腦波變化基本規律，為后續分析奠定基礎。

2.2 各空間功率譜變化趨勢分析

如圖5，將5 種空間類型下，被試者在各階段的平均腦電波能量變化進行比較分析，發現其變化趨勢皆呈現先降后升再降的蛇形折線，且α 節律變化幅度最大，占腦電波變化的主導地位，而γ 節律起伏微弱可忽略不計。根據這種變化趨勢可以看出在整個實驗過程中，由空屏轉為組內第1 張圖片時，被試腦電波的波幅呈現不同程度的下降，此時的功率譜變化即代表被試者在純欣賞風景圖片時的腦電波情況；當受到壓力刺激時，被試者的腦電波呈明顯上升，這個階段的變化值即代表被試者所受壓力程度；當壓力刺激結束，被試者開始欣賞組內第2 張圖片時，腦電波呈整體下降的趨勢，此時的變化即代表被試離開壓力刺激后的大腦恢復程度。因此可以看出，在這5 種不同空間類型中，被試者純欣賞風景和壓力刺激結束后，都獲得了一定程度的情緒緩解。

圖4 各實驗階段時頻圖（筆者自繪）Figure 4 Time-frequency graph for each experimental phase

2.3 各空間壓力恢復效應分析

根據腦電波變化的敏感性特點，要分析這5 種不同空間類型對人體的恢復性支持作用，主要從兩方面對實驗中的腦電波變化特征進行分析：一是對純欣賞不同空間類型圖片時的腦電波狀態進行比較；二是在壓力刺激后，不同空間類型圖片對人腦壓力狀態的恢復效應比較。

2.3.1 基線測定-純欣賞

將被試者在觀看空白屏幕時的腦電波作為基線腦電波，用壓力刺激前欣賞圖片時的腦電波與之相減，得到被試者在純欣賞景觀圖片時的腦電波變化值，對每個電極及平均電極進行單因素5 水平的重復測量方差分析，得到表1 至表3。

表1 純欣賞時α 波功率譜Table 1 Alpha wave power spectrum when pure appreciation

表2 純欣賞時β 波功率譜Table 2 Beta wave power spectrum when pure appreciation

圖5 各空間類型壓力恢復時功率譜變化比較（筆者自繪）Figure 5 Compare power spectrum changes for different space types during pressure recovery

表3 純欣賞時γ 波功率譜Figure 3 Gamma wave power spectrum when pure appreciation

從表1-表3 可以看出，壓力刺激前減去基線水平的腦電波值為負值，即純欣賞時腦電波α、β、γ 3 個節律的功率譜都下降，且下降幅度呈：α>β>γ。純欣賞時，電極F3、F4、P3、01 及02 的α 波、β 波功率譜變化情況與不同空間類型呈顯著相關（p<0.05），而γ波與不同空間類型之間的變化關系并不顯著，由此可以看出，純欣賞時被試者會由于視線中空間類型的不同而出現不同的情緒感知。被試者在純欣賞的過程中情緒呈現整體平緩且放松的狀態，其中α 節律下降程度最高，說明此時被試者的腦波主要由α節律主導，在此過程中，其視線被投影幕布上的風景圖片所吸引，一方面引發了被試者的定向注意，另一方面又因風景圖片所具有的審美特征而獲得緩釋定向注意緊張感的作用。

將3 種節律下各空間類型圖片的電極平均值變化進行比較（圖6），可以看出被試者在欣賞不同空間時，其腦電波功率譜的下降程度為（以α 波為例，單位為uV2）：草坪空間（0.99）＞林下空間（0.74）＞濱水空間（0.60）＞道路空間（0.35）＞廣場空間（0.31）。由此可知被試者在觀看草坪空間時所獲得的情緒變化程度最大，這種變化體現為α 波下降，被試者對風景圖片的關注度上升，β 波下降，被試者的精神緊張程度降低。而廣場空間和道路空間的功率譜變化程度最小，說明這兩類空間并未引起被試者的較大反應，當被試者在純欣賞這兩類空間時的情緒起伏較小，未能引發被試者更大的興趣和觀景體驗。

綜合來看，由于被試者和樣本空間之間具有一定的熟悉程度，因此可以平衡因環境熟悉度而帶來的恢復性差異。這5 類樣本空間中都無大體量建構筑物及行人等明顯的干擾元素，視覺主體識別度高且面積皆占空間總體的1/2 及以上，其中濱水、草坪及林下空間在自然元素視域面積和綠視率上，比廣場及道路空間明顯更高。而校園綠地中，廣場和道路等大面積的硬質鋪裝最為常見，在這兩類空間的使用過程中往往會忽略對其景觀的欣賞，因此對于使用功能強的校園綠地來說，其自然元素和綠視率的占比更影響使用者的恢復性感知。

圖6 各空間類型純欣賞時功率譜變化比較（筆者自繪）Figure 6 Compare the power spectrum changes of different space types in pure appreciation

2.3.2 壓力刺激時-壓力刺激后

壓力刺激后，被試者會欣賞同一類空間的風景照片來進行情緒的放松，將此時的腦電波與壓力刺激時的腦電波進行比較，發現在情緒放松這個階段中被試腦電波呈下降趨勢。同樣對每個電極及平均電極其進行單因素5 水平的重復測量方差分析，得到表4 至表6。

表4 壓力恢復時α 波功率譜變化Table 4 Changes in alpha-wave power spectrum duringpressure recovery

表5 壓力恢復時β 波功率譜變化Table 5 Changes in beta-wave power spectrum during pressure recovery

表6 壓力恢復時γ 波功率譜變化Table 6 Changes in gamma-wave power spectrum during pressure recovery

從表4-表6 中可以看出，在壓力恢復階段，被試者的腦電波功率譜差值基本呈現為負值，即下降的狀態。這說明被試者在經歷了壓力刺激，情緒狀態得到了恢復，但對這5 類空間進行方差分析時發現，不同空間對被試腦電波能量值下降程度的影響并不顯著（p＞0.05），因此不能通過其下降程度的對比來認定各空間在的恢復性效應。分析認為，被試者在受到壓力刺激時，由于個體在生理、心理、社會特征及抗壓能力等各方面均存在差異，在壓力恢復水平上會受到其個體特征的影響，而此次實驗中被試的人數和特征不足以忽略這種差異，并且在壓力刺激停止后，被試者本身就能夠得到一定的壓力緩解，因此無法判斷到底是由于不同環境空間使得被試者獲得壓力恢復，還是個體離開壓力刺激后得到的恢復。

針對這個問題進一步對空間類型的恢復性效應進行兩兩比較，比較結果顯示濱水空間與廣場空間的恢復性效應存在差異（p=0.172），其中濱水空間下腦電波功率譜下降1.39uV2，廣場空間下下降0.51uV2。其他空間對比均不顯著（p＞0.05）（圖7），說明被試者在欣賞濱水空間和廣場空間時，確實由于空間環境的變化而引發了不同程度的恢復性效應，且濱水空間更能夠幫助被試者獲得情緒放松的體驗，因而推斷出在校園綠地中，水體和植被等自然元素相互組合的情況下，比完全綠色植被或與步道搭配的綠色植被更具有恢復性效應，這也與其他學者在城市綠地相關研究中得出的結論相一致。因此對于校園綠地中較開闊的硬質鋪裝環境，增加綠視率和自然元素面積和適當與水體搭配，更能夠緩解使用者在壓力狀態下的身心壓力。

圖7 各空間類型壓力恢復時功率譜變化比較Figure 7 Compare power spectrum changes for different space types during pressure

3 結論與討論

3.1 結論

根據研究者對校園綠地不同視覺類型的環境調查取樣，以及利用腦電波技術對個體在空樣本中的恢復性感知測定，可以得出以下實驗結論：

（1）在高校校園綠地中，當使用者處于安靜平和的狀態下對綠地環境進行欣賞和接觸時，其大腦的α節律和β 節律會處于腦電波的主導位置并會有所下降，其對綠地環境本身的內容會產生一定的關注，這種關注能夠幫助其減輕在使用定向注意時的消耗。

（2）當使用者出現了一定的負面情緒或精神壓力時，通過與校園綠地的視覺接觸能獲得一定的舒壓效果，尤其在欣賞寬闊的草坪和濱水綠地時，環境中豐富的自然元素能夠帶給使用者良好的恢復作用，而接觸較為封閉的林下空間時效果次之。

（3）校園內最常見且使用頻率最高的硬質廣場和道路也能給使用者帶來一定的壓力舒緩作用，但這種支持效果較弱，需在此類空間中搭配一定綠量的植被或水體，方能提高使用者與環境互動時的情緒恢復效應。

3.2 討論

本研究在對空間類型進行選取時，由于所在城市的氣候環境特點以及植物配置特征具有一定的地域性差異，可能缺少普適性。并且缺少對樣本內更加細致的環境要素進行比較分析，例如水域占比、硬質鋪裝占比、行人影響等元素與恢復性感知之間的關系，因此這些影響因素在今后的研究中可進行梳理分類，更加全面地展開討論，以期更加準確地針對不同空間類型的高校校園綠地進行環境改造和恢復性提升，使師生更好享受校園環境帶來的身心體驗。