教室光環境對學生情緒的影響研究

李 偉, 嚴永紅

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

引言

教室作為學生長時間學習的場所，其光環境質量會對學生生理健康產生直接影響[1-3]。據國家衛生健康委員會調查統計，2018年全國兒童青少年總體近視率為53.6%，近視防控形勢嚴峻[4]，與青少年視力健康密切相關的教室光環境質量引起了業界的廣泛關注，控制近視率成為教室光環境改造的直接動因。

健康的光環境不僅關系學生的生理發育，并且對學生的心理[5]與情緒調節有一定影響，進而影響學生的表現[6]和學習成績[7]。目前，關于教室的天然光[8，9]以及人工光的照度[10，11]、照度均勻度[12]、色溫[13]等對心理情緒作用的研究已取得一定的成果，本文將對光照與情緒調節相關性的研究進行綜述，并對國內外健康教室光環境的研究趨勢與動態進行梳理。

1 情緒的產生

James[14]于1884年提出“情緒是什么？”James-Lange理論認為情緒是由自主神經系統作用產生，即某一刺激引起生理反應，而生理反應進一步導致情緒體驗的產生，情緒是身體反應的有意識體驗[15]；Cannon-Budd理論認為，中樞神經系統的丘腦控制情緒誘發，通過傳遞刺激同時激活生理與情緒反應[16]；認知理論認為生理刺激經過認知、評估和環境作用才能產生情緒[17]。MOORS[18]在相關綜述文章中用“情緒發作”來表示從接受刺激到情緒造成的后果的全部過程，包括認知、感覺、動機、軀體、運動等多成分復雜過程。在生理醫學領域，情緒的產生機制則與下丘腦[19]、內分泌[20]等生理因素有關，但關于情緒和情感的產生與表現的基本本質和神經過程仍然存在爭議[21]。

2 光照對情緒的影響

光信號通過視網膜上的第三類感光細胞(ipRGCs)傳輸至丘腦周圍的丘腦周圍核(PHb)，進而調節情緒變化[22]。20世紀80年代，Lewy等[23]發現天然光的照射時長可能會影響抑郁程度，采用模擬日光的人工光源可用于光療。目前，光療法已成為臨床醫學領域治療季節性情感障礙(SAD)的方案之一，也被用作長期心理疾病的治愈手段。Figueiro等[24]在對阿爾茨海默病及相關癡呆(以下簡稱“ADRD”)患者進行為期11周臨床治療的研究中發現，實驗設定的光照能夠顯著減輕ADRD患者的抑郁癥狀，提高睡眠效率。Partonen等[25]在芬蘭冬季進行實驗中發現，在接受連續4周、一周5日、一日1h的高強度的日照后，上班族的工作熱情明顯提升。Keis等[26]發現不同的人工光照條件對學生的愉悅感的刺激程度有所不同。

國際照明委員會(CIE)在20世紀90年代后期開始關注光環境與情緒之間的關系[27]。近年來，國內學者也在展開室內光環境與情緒相關性的研究。郝洛西等[28]基于人因健康對醫療建筑、養老建筑領域展開健康照明研究，探索適宜老齡人積極情緒的照度與色溫的合理組合。嚴永紅等在工廠[29]、教室[30]等不同場景中研究動態照明對被試者的情緒影響。關楊[31]基于情緒評價的回歸分析對不同光環境下的生物效應照度與情緒指數的相關性展開研究。莊乙瀟與林燕丹[32]闡述了光對部分情緒障礙疾病的治療原理，并對情緒障礙疾病治療中光療的研究現狀進行了分析。

研究表明，室內光環境除了影響人的視力健康、生理節律、睡眠、警惕性等方面，還與情緒波動存在一定的相關性。因此，教室光環境對學生的心理與情緒的作用，應引起廣泛關注和深入研究，并被考慮逐步運用于建筑物理環境設計中去。

3 光照與情緒的實驗研究

3.1 天然光

在建筑光學與生物醫學領域，健康照明還包括天然光對被試作用與影響的研究。早期研究已表明，擁有天然光的教室更受學生的青睞[33]，有助于提升學生記憶力[34]和學習積極性[35]，且基于對室內熱工環境最小影響的情況下，最大化北向教室的日光量可提高學生的感知能力[36]。Arns等[37]發現日照強度與ADHD(注意力缺陷/多動障礙)患病率之間存在顯著相關性，高照度對ADHD的有效預防作用可能是由于早晨強烈的天然光抵消相位延遲的影響，以防止夜間睡眠延遲和減少睡眠時間。Hayashi[38]在對一名患自閉癥的15歲青少年的進行一年的跟蹤報告中發現，其睡眠障礙從1月至6月逐漸減少，在7月和8月消失，行為問題(如哭泣)從1月至6月逐漸減少，這種變化與日光量增加存在一定相關性。

1)天然光對情緒的調節。天然光是比人工照明更有效的晝夜節律調節器[39]。Leslie等[8]在探究建筑采光的設計目標時，發現晝夜節律刺激(CS，即褪黑素抑制)可使晝夜節律同步并因此促進睡眠、機敏性和次日學生情緒狀態，而提供足夠的天然光能促進晝夜節律刺激。Gbyl等[40]收集了1年內的情感障礙癥患者的住院情況，其中一項統計表明，對于住院的抑郁癥患者來說，住在東南朝向病房的患者的康復速度明顯比住在西北朝向病房的患者的快得多，兩者的平均恢復時間為29.2(±26.8)和58.8(±42.0)天，這種現象與室內日光量呈現一定相關性，與西北朝向的病房相比，東南朝向的病房接受到的太陽直射光更多，室內顯得更加明亮，因此造成了恢復時間的差異，這項結果支持了天然光作為抑郁癥改善因素的相關研究。

Acosta等[41]提出人的情緒調節不僅需要天然光刺激，還要求一定的持續照射時長。在無法接收日光持續照射的大部分下午時間中，受試者更易出現身體疲倦、情緒低落等狀態[42]，而午餐后持續半小時的1 000～4 000 lx天然光照射可減少身體疲倦感以調節被試的消極情緒[43]。Borisui等[43]為避免窗外景物對被試情緒的干擾，在實驗組(天然光條件)中使用半透明百葉遮擋下部窗戶，被試在視平面垂直照度1 000～2 000 lx的日光條件下，情緒較對照組(人工光條件)更為積極，并且情緒改善與下午4點的色溫升高有關，故推測情緒改善在日光利用率較高的時間出現。在電燈未發明之前，日光一直是人類調節晝夜節律的唯一光源。而在現代社會中，人們將大部分時間都花在室內，人工照明模糊了晝夜之間的區別，造成晝夜節律的紊亂，缺乏日光，人體健康可能會受到損害。

2)天然光利用現狀。實際上，進入室內的天然光并非越多越好，過量天然光導致的室內天然光分布不均也會引發學生的抱怨[44]。Bluyssen等[45]在荷蘭對21所學校的54間教室進行室內環境質量(IEQ)測量，并對1 311名小學生(8～12歲，平均10歲)展開問卷調查，結果發現，42%的學生因日光直射或桌面、黑板反射造成的眩光而受到干擾，不舒適眩光嚴重影響學生的上課情緒和學習表現。Axarli和Meresi[46]的一項相關研究調查了希臘三個不同城鎮的20個教室的物理環境和學生的主觀報告，為了阻擋照射書桌或黑板的太陽直射光，學生會將窗簾關閉，打開電光源。嚴永紅等[47]在對重慶某小學6間教室(南北各3間)進行光環境調研的過程中發現，晴天南向教室側窗的室內天然光照度變化非常大(圖1)，且分布很不均勻(圖2)，靠窗處存在強烈的眩光，對學生的干擾很大，因此學生普遍使用不透光窗簾進行遮擋，但這會造成較低的天然光利用率。

圖1 晴天教室照度變化Fig.1 Classroom illuminance changes on a sunny day

圖2 南向教室沿進深方向照度變化Fig.2 The illuminance changes of the south classroom along the depth

3)有效利用天然光。一些研究[48，49]提出可在南向教室設置自動反射百葉的構造裝置，當太陽直射窗口時，反射百葉啟動，并將日光反射至室內遠窗處壁面，避免日光直射近窗處的桌面造成眩光，且百葉角度隨著太陽移動而變化；當窗口無日光直射時，百葉合起使漫射光進入室內，雖然這種裝置會減少室內的天然光量，但能夠通過改善室內的天然光分布來提高天然光利用率、避免眩光以及減少人工照明的需求。Meresi[50]在對希臘南向教室的進一步研究中表明，將百葉反光鏡放置于離室內地面2 m處，寬度為0.8 m±0.2 m，傾斜角度為10°～20°(室外一側較高)，反射系數高達90%，其在晴天改善天然光分布和防眩光效果均表現出最佳。

早在1967年，Keyes[51]就將室內遮陽卷簾材料分為九種類型，對其進行光反射率的分析與評估。卷簾由于顏色和圖案會形成不同程度的陰影與編制結構，導致不同程度的光透射、反射率，從而保證采光并控制眩光。Chan等[52]則進一步提出針對不同場景使用不同特性卷簾的建議，由于房間的大小、朝向與玻璃特性存在差異，使用不同的開口率和透光率的卷簾，能夠有效避免窗口產生直射眩光并提高天然光利用率。

美國新澤西州東布倫瑞克(East Brunswick)中央小學的側窗采用將LCP(laser cut panels，即激光切割面板)作為中間膜的夾層玻璃[53]。LCP通常以30°入射角為臨界值折射太陽高度角較大(正午、夏季)的陽光，透過角度較小(如清晨、傍晚和冬季)的陽光，很大一部分強光經折射向上偏轉，從而減少眩光以調整室內天然光分布，增加遠窗處的壁面照度。LCP還可用作遮陽系統中的百葉窗，當啟動百葉窗時，它們充當遮陽設備并阻擋強烈的直射陽光。此外，對天然光和人工光源集成系統的需求已被廣泛接受[54，55]。這些設計既能避免眩光，提高室內天然光分布均勻度，使教室充分利用天然光以節約照明能耗，又能調節晝夜生理節律，改善學生與天然光完全隔絕的亞健康狀態和沉悶壓抑的負面情緒。

總之，天然光的利用應從窗洞口設計、遮陽形式、反光與導光裝置等多方面進行考慮，新建教學樓的采光應該兼顧三者的合理設計；在教室天然光改造中，合理設計移動遮陽形式與反光裝置來提高天然光利用率更能滿足經濟性與可行性的考慮。因此，如何有效避免眩光而充分利用天然光進行生理節律與學生情緒調節，是教室健康光環境研究亟待解決的問題之一。

3.2 人工光

人工光是增加室內照度的主要措施，尤其是在冬季教室采光嚴重不足、北向教室的天然光照度不達標的情況下，需要采用人工光補充照明。目前世界上的教室普遍采用熒光燈與LED作為教室人工照明的主要光源，近年來人工光環境對學生情緒影響的研究也取得一定的成果。

1)劣質照明的危害。教室的熒光燈會發出肉眼不可察覺的頻閃，50～100 Hz的頻閃會損傷認知能力[56]、視覺性能[57]、健康[58]與舒適度[59]，此外，熒光燈頻閃可能會加重學齡兒童的多動癥[60]和自閉癥兒童的重復性行為[61]；Winterbottom等[62]在對英國11所中學和6個地方教育機構的90個教室進行調研時發現，教室的大部分燈具是以裸燈的形式安裝，形成強烈的光源眩光，眩光會對青少年造成較高的敏感性[63]、煩躁[64]等不適現象，值得注意的是，其中88%的教室平均照度超過了照明設計標準建議值，且84%的教室由于平均照度過高，其視覺舒適度降低。

2)提高照明質量，促進情緒調節。使用相同的熒光燈，但使用高頻控制電路驅動，將閃爍頻率增加到32 kHz，可以減少頭痛[59]。Schreiber[65]表示降低空間亮度對比，孩子們變得更加放松并會對課堂活動產生興趣。Shapiro[66]等指出，在間接漫射全光譜熒光燈下，兒童的不良適應行為變得越來越少。Keis等[26]采用對照試驗發現高中生在清晨的時候暴露于室內4 000 K的直接照明與14 000 K的間接照明(向上照天花板)的白光中，能夠獲得更愉悅的心情。Shin等[67]通過研究也發現，直接/間接照明比直接照明提供了更多的愉悅感和涼爽感。另外，使用臺燈、可控光和不同顏色的光能對改善情緒起到一定作用[44]。Winterbottom等[62]表示在日光量較少的遠窗處桌面需要充足的人工照明，但對于日光充足的近窗處區域，多余的人工照明只會增加非必要的照度，建議降低近窗處的燈具亮度甚至關閉人工照明。

Cajochen等[68]對比測試了全光譜LED與普通LED照明對人體的影響作用，結果表明全光譜LED對健康被試者的情緒、視覺舒適度、白天警覺性和睡眠質量具有積極的作用，被試者在接受全光譜照明的早晨和晚上感到更快樂。全光譜LED的光譜在450 nm處沒有峰值，在440 nm以下，在460～520 nm之間以及在620 nm以上具有較高的光譜輻照度(spectral irradiance)，因此它可能與日光更加匹配(圖3)。圖4對比了兩種LED照明對五種不同類型的視網膜感光器傳遞的刺激量。Vitasek等[69]同樣提出一種模仿夏季從日出到日落的晴天的室內人工光源，并通過LightTools模擬和實驗測試證明，模擬夏季日光以改善人的情緒是可行的。

圖3 全光譜LED與普通LED的光譜(圖片來源：文獻[68])Fig.3 Spectrum of full spectrum LED and normal LED[68]

圖4 視網膜感光器接受的刺激(圖片來源：文獻[68])Fig.4 Stimuli delivered to retinal photoreceptor[68]

4 適應情緒調節的情景照明

學生長期處于固定不變的人工光環境中，易產生學習疲憊、精神渙散等表現，消極情緒增加，學習狀態下降[46]。Castilla等[70]在另一項研究中指出，目前各國高等學校都在積極采用新的教學方法和技術，隨著課桌布置或教學活動的變化，相應的光環境也應隨之變化，更多精細化和人性化的照明設計將融入到這一類教育空間中去，滿足不同的使用需求。

在教室非上課期間給予適時適量的彩光照明，能夠積極調動學生的情緒，提升課堂表現[71]。Kombeiz等[72]研究發現通過燈光將白墻照成彩色與彩色墻面能給人以相同的感受。Barkmann等[73]基于行為模式預設了7種不同色溫與照度組合的照明模式，光色統一使用冷光，結果顯示學生和教師對多變的照明模式給予了積極評價，并在課堂上發現具有一定情緒改善作用。Wessolowski等[74]為了探究不同照明模式對學生煩躁情緒、攻擊性和親社會行為的影響，對德國漢堡的110名不同年齡和學校類型的學生以及11位老師進行調查，結果顯示照明的多樣性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。Gabel等[75]發現模擬自然日出的情景照明(色溫1 090～2 750 K，垂直照度0～250 lx)會使人產生更好的主觀情緒和幸福感。

以上研究表明情景照明可以在優化教室光環境和調節學生情緒方面發揮一定的作用，但需進一步研究進行顯著性的驗證。情景照明強調運用非常規照明方式來增加室內空間的藝術氛圍，根據環境與需求的變化而作出色溫、光色、照度、照明模式的改變。因此在教室課間、班會等活動中可以考慮使用情景照明活躍教室氣氛，提升學習表現，調節學生情緒。

5 討論與總結

在教室中保證良好的光環境質量是一項復雜的研究，由于學生課業緊張，而光照對學生情緒的影響需要進行較長時間、穩定的跟蹤研究，并除去非教學時間段的其他光環境對學生情緒的干擾。如何在不影響教學進度的情況下展開這一研究，并獲得可信的結論，是研究者需要面對的問題。此外，晝間的教室光環境大部分時間由天然光與人工光混合構成，其光分布、強度、光譜組成等隨時間、季節而改變，也給研究帶來了更大的挑戰。

天然光比人工光更有利于晝夜節律與情緒調節，但由于眩光的干擾，實際上天然光的有效利用率并不高。如何通過較低的投入，實現天然光更有效的利用，提升光環境品質，是提高天然光利用的最大挑戰。此外，大量田野調查證明提高人工照明質量也有利于調動學生積極情緒，嚴永紅團隊正在進行的研究表明，適應課堂內容與活動的多樣性的教室情景照明也會對情緒調節起到一定作用[76]。總之，光照對于情緒的影響作用逐漸被人們認知，促進積極情緒、保證心理健康將成為未來教室健康光環境的重要研究方向之一，有待進一步深入的研究。