教室動態照明對高中生睡眠、警覺度及情緒的影響

王怡然，徐俊麗，劉明智子，李麗妹

(蘇州大學建筑學院，江蘇 蘇州 215123)

引言

高中生群體中處于“亞健康”狀態的人群數量不斷上升，具體體現在睡眠不足、精神困倦及情緒低落等方面[1]。有研究指出，健康-亞健康-疾病三者之間可以相互轉化[2]，對亞健康群體進行積極干預能夠有效改善其健康狀態。

高中生群體學業繁重，高度結構化的教育環境使其大部分日常活動均在室內開展。教室作為高中生學習與交往的主要空間載體，其室內物理環境與學生的健康、福祉緊密相關。其中，教室光環境對學生的生理及心理健康產生直接影響[3]。目前，國內教室光環境的相關研究多采用靜態照明模式，適當的光照干預對視覺功效[4-6]、學習績效[7，8]及情緒[9]等方面起到有效改善作用，但長期處于靜態照明環境可能會產生負面影響[10]。動態照明相較于靜態照明，對人體生理及心理健康的改善作用更為突出[11-15]。

動態照明指的是光照參數隨時間而變化，在特定時段給予光照干預，用以支持使用者的行為及活動的照明模式[16]。在動態照明場景的設置中，光照參數、光照干預時段及干預時長等因素均會對動態照明的效果產生影響[17]。Lewy等[18]給予抑郁病患者兩周清晨時段或傍晚時段的高光干預，結果發現，晨間光照干預對于情緒的改善作用明顯優于晚間光照干預。近期的研究也表明[19，20]，在早晨給予光照干預可以提升被試者的睡眠質量，改善警覺性、情緒、視覺舒適度等主觀感受，并對認知及表現產生積極作用。但既往研究對光照干預參數的設定不盡相同，評價指標也各有側重，動態照明對亞健康學生群體生理和心理健康方面的影響仍需進一步探索。

為此，本研究針對高中生亞健康狀態所帶來的不利影響，在真實教室環境開展光照對比實驗，以探索動態照明對學生的睡眠、警覺度及情緒等方面所產生的具體影響。

1 實驗研究

1.1 實驗地點及被試者

現場實驗在蘇州大學實驗學校高二年級的兩個教室內開展，實驗教室位于高中部三樓且相鄰，南北面開窗，南面為走廊(圖1)。實驗于2019年11月至2020年1月進行，冬季日照時間相對缺乏，以盡量減少自然光的影響。

圖1 實驗班級平面圖Fig.1 Floor plan of the experimental classes

選取兩班全體79名學生作為實驗被試，其中高二(1)班39人，高二(2)班40人。包括男性42名，女性37名，年齡在15.96～19.42歲之間。實驗地點為寄宿制學校，每個學習周由周日下午持續到次周的周六中午。被試學生日程作息由早晨6:30持續到晚間21:30，日間活動類型主要為晨讀、課程、晚自習等。學生在校期間除用餐、就寢及走班課程外，其余大部分時間均處于本班教室中。所有被試者視力水平正常或經矯正后正常，無色盲色弱及其他眼部疾病史，且未攝入影響神經系統的藥物。被試在實驗開始前簽署知情同意書。

實驗開始前，對高中生進行光環境主觀評價及生理、心理健康兩方面的問卷調查。針對教室光環境方面，多數學生反饋教室內白天需開啟人工照明，經統計，各教室開啟人工照明時長平均為 13.25 h。此外，依據主觀問卷結果顯示，37%的同學面臨白天精力難以集中的問題，77%的同學表示會有困倦、瞌睡的狀態。

1.2 實驗條件與流程

實驗開始之前，對教室原有燈具進行替換，燈具位置如圖2所示。實驗燈具由西頓照明(CDN Light)提供，滿足 4 000 K(實測色溫為4 272 K)和6 000 K(實測色溫為6 280 K)的實驗照明條件，顯色指數>90，峰值波長為456 nm，光譜分布如圖3所示。實驗燈具連接調光控制系統，可由手機APP進行照度、色溫及干預時間的設定。教室燈具開關時間與學生的日程安排一致，每日6:30開啟，晚間21:30關閉，由實驗人員統一控制。

圖2 燈具布置平面圖Fig.2 Luminaire distribution

圖3 相對光譜功率分布Fig.3 The relative spectral power distributions for the two intervention spectra

實驗共持續7周，分為三個階段。基線階段持續3周，兩班均處于300 lx，4 000 K的標準照明場景。經歷1周洗脫期后進入持續3周的干預階段，對兩班實施動態照明(圖4)。高二(1)班于6:30—18:30實行300 lx，4 000 K的標準照明，在18:30時，光照參數提升至500 lx，6 000 K，并持續至21:30學習日結束(稱為Low-High模式)。高二(2)班于6:30—9:30實施500 lx，6 000 K的高光照明干預，在9:30時降為300 lx，4 000 K的標準照明，并持續至21:30(稱為High-Low模式)。實驗期間，被試按照正常課程安排及作息，并在每個實驗階段選取5天收集生理及心理指標評測數據。

圖4 實驗條件Fig.4 Experimental lighting condition

1.3 實驗數據收集

1.3.1 物理環境參數測量

實驗全程對教室環境參數進行監測(表1)，使用的主要儀器為路格照度記錄儀(L99-LX)，可獲得室內實時照度數據；并以路格智能溫濕度記錄儀(L92-2)同時獲取溫、濕度數據。實驗過程中，每10s自動記錄溫濕度及照度數據。不同燈光場景的光譜、色溫及表面亮度等參數由Photo Research 670光譜儀獲取(PR670)。實驗前校準所有儀器。

表1 實驗測量儀器的量程和精度Table 1 Range and accuracy of experimental measuring instruments

1.3.2 生理和心理指標測量

被試生理和心理數據收集分為睡眠、警覺度及情緒三個部分。

睡眠數據方面，實驗期間被試佩戴華為3 Pro睡眠手環(HUAWEI 3 Pro)，記錄被試者的入睡時間、醒來時間、睡眠時長、深睡時長及夜醒次數。另采用主觀睡眠問卷，包含睡眠日志(Sleep log)[21]及匹茲堡睡眠質量問卷(Pittsburgh Sleep Quality Index,PSQI)[22]加以輔證。睡眠日志于每個問卷收集日的早晨6:30填寫，記錄被試者昨夜的入睡時間、醒來時間及入睡難易程度；其中，“入睡難易程度”以七級李克特式量表計分，分數越高，代表入睡越容易。匹茲堡睡眠質量問卷在基線及干預階段各填寫一次，用以評價被試在過去三周的睡眠質量情況，分數越高代表睡眠質量越差。

警覺度采用卡羅林斯卡困倦量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)[23]，分別于問卷收集日的6:30、9:30、15:30、21:30各收集一次。警覺度與精神疲勞相互影響[24]，故以兩者共同驗證被試者的警覺狀態。以“我感覺精力充沛”的李克特7點式的計分方式測量被試的精神疲勞[25]。分數越高代表精力越充沛，精神疲勞程度越低。

情緒評測使用積極和消極影響量表(Positive and Negative Affect Schedule,PANAS)[26]，量表分為積極和消極兩部分，分數越高即認為被試情緒越積極或越消極。此外，在干預前后各進行一次壓力感知量表(Perceived Stress Scale-10，PSS-10)[27],及主觀活力量表(Subjective Vitality Scale，SVS)[28]的測評，用以評估被試的壓力及活力變化。

2 實驗結果與分析

IBM SPSS Statistics 21 software用于分析實驗結果。根據被試在實驗中的配合情況，剔除無效數據和干擾數據，在此基礎上進行獨立樣本T檢驗，來比較被試者在不同實驗階段的生理和心理指標變化。

2.1 教室物理環境參數

在實驗期間，對教室的物理環境參數進行全程監測。

教室的溫度保持在15.11～17.48 ℃，濕度保持在49.25%～62.24%之間，以減小溫濕度對被試者生理狀態的影響。照度方面，在干預階段，Low-High模式在18:30—21:30期間的照度顯著提高(P<0.001)，由315.80±11.17 lx提升至503.13±11.63 lx；High-Low模式在6:30—9:30之間的照度也產生顯著變化(P<0.001)，由393.60±79.23 lx提高為576.85±81.25 lx(圖5)。其他時段的照度在干預前后無顯著性差異。由此可以證明，干預期間的照度水平達到預設。

圖5 照度分析結果(***P<0.001)Fig.5 Illumination analysis results

2.2 睡眠

將手環獲取的客觀睡眠數據與睡眠日志的主觀反饋進行對照，剔除異常數據后進行分析。數據統計結果如表2所示。

表2 客觀睡眠指標分析結果Table 2 Results of the analysis of objective sleep measures

由睡眠手環記錄客觀睡眠情況，分析結果表明：兩種動態照明模式干預下，被試者的醒來時間均得到了不同程度的顯著推遲(P=0.042，P=0.028)；其中，經過Low-High模式干預后，被試者的醒來時間推遲幅度更大[圖6(a)]。深睡時長方面，對于Low-High模式而言，被試者的深睡時長由干預前的127.45±32.38 min延長為130.02±36.71 min；High-Low模式干預后，由136.09±31.61 min延長至144.75±37.64 min。在燈光干預后，兩模式被試者的深睡時長出現邊緣顯著差異(P=0.051)，相較于Low-High模式，High-Low模式干預后，被試者的深睡時長顯著更長[圖6(b)]。其他客觀睡眠指標未發現顯著性差異。值得注意的是，被試者的夜醒次數在兩種動態照明模式干預后都呈現減少的趨勢，Low-High模式干預后，被試者的夜醒次數由干預前的0.36±0.57減少至0.30±0.60；High-Low模式被試者的夜醒次數則表現出更大幅度的減少趨勢，由0.25±0.51減少至0.16±0.42。

圖6 客觀睡眠指標分析結果(a*P<0.05；b* P=0.051)Fig.6 Results of the analysis of objective sleep measures

主觀睡眠數據由睡眠日志獲取(表3)，在問卷收集日的早晨6:30記錄被試的入睡難易程度。分析結果發現，Low-High模式干預后，被試者的入睡愈加困難；而High-Low模式干預后，被試者入睡更為容易。三周動態照明干預后，相較Low-High模式，High-Low模式被試者的入睡難易程度分數顯著更高，即代表入睡更為容易(P=0.020)[圖7(a)]。

表3 主觀睡眠指標分析結果Table 3 Results of the analysis of subjective sleep measures

干預前后對兩組被試進行PSQI問卷評測，分數越高代表睡眠質量越差。雖無顯著性差異，但從干預前后均值變化可以看出，兩種動態照明模式對被試者的睡眠質量產生不同影響。Low-High模式干預后，被試者的睡眠質量下降；而High-Low模式干預后，被試者的睡眠質量上升[圖7(b)]。此外，PSQI按分數劃分為不同區間，0～5 分即說明睡眠質量“很好”，超過5分則代表有睡眠障礙。基線階段，Low-High模式有48.65%的被試者表示睡眠質量 “很好”；而在干預后，此區間的被試數量降幅較大，降為35.29%[圖8(a)]。High-Low模式被試者在干預前后的睡眠質量較為穩定，并未發生明顯變化[圖8(b)]。

圖8 PSQI區間分析結果Fig.8 PSQI interval analysis results

已有研究表明，晚間高光可能會帶來睡眠時長縮短、入睡時間延遲及睡眠質量下降等負面影響[29，30]。而晨間高光則會對睡眠潛伏期的縮短及晝夜節律的提前等方面產生積極作用[31]。本實驗取得的結果與其類似，相較于Low-High模式，High-Low動態照明模式對被試者的睡眠產生積極影響，具體表現在深睡時長和入睡情況的顯著改善。但本實驗中，兩種模式干預后，醒來時間均被推遲。這和前人的研究結果不完全一致。造成此差異的原因可能是，被試者在實驗末期面臨著期末考試的壓力。Figueiro在其研究中曾指出，在不強制執行固定作息的情況下，照明干預對被試的晝夜節律及睡眠只能起到一定程度的影響作用[32]。

此外，在干預前后的組內對比中，深睡時長及入睡難易程度未產生顯著變化；但在干預后的組間對比中，發現了顯著差異。這一結果的原因可能是，一方面，實驗的干預時長及強度未達到發生顯著性變化的閾值。本實驗為保證被試者的正常學習和生活，采用了300 lx,4 000 K和500 lx,6 000 K的光照參數。在前人的研究中，多選擇高達17 000 K的高色溫光源,以及大于1 000 lx的高照度參數設定。另一方面，我們在兩班被試者中，各選取了10名被試者佩戴手環，客觀數據樣本量不足可能使得結果缺乏顯著性。

2.3 警覺度

兩種動態照明模式干預下，被試者警覺度的綜合分數均呈現下降趨勢，即警覺度得到明顯提升。Low-High燈光模式干預后，被試者綜合平均警覺度分數由4.31±1.94降為3.59±1.76(P<0.001)；High-Low模式干預后，由4.69±1.56降為4.11±1.71(P<0.001)。

對比兩種模式各自高光時段的即時警覺度變化可知(圖9)，Low-High模式干預下，被試者21:30的即時警覺度得到明顯改善(P=0.010)；High-Low模式下，被試者在9:30的即時警覺度同樣呈現改善趨勢(P<0.001)。由此可見，兩種模式的動態照明干預，均可提升被試者的即時警覺度，這與前人研究結果一致[33]。

從日間警覺度變化趨勢可以看出，對于Low-High模式而言，日間警覺度分數呈現上升趨勢，即說明被試者在一天內的警覺度逐漸降低，并于21：30達到一天中的最低值。但相比于基線，全天的警覺度均得到顯著性提升[圖9(a)]。前人研究表明，夜間高光可能對日間警覺度產生一定程度的負面影響[34，35]。我們推測，本實驗結果受期末壓力影響。對于High-Low模式而言，被試者在6:30—9:30警覺度逐漸提高，并于9:30達到峰值，隨后呈現下降趨勢。與基線相比，被試者在15:30及21:30的警覺度也得到顯著提升[圖9(b)]。與Mirjam等的研究結果類似，早晨高光的警覺效應會持續到晚間，即被試者在晚間的警覺度也會得到明顯提升[36]。

圖9 日間警覺度曲線分析結果(**P<0.01,*** P<0.001)Fig.9 Results of daytime alertness curve analysis

為進一步探究即時警覺度的變化，分別將干預后每一周的即時警覺度與基線進行對比(圖10)。結果發現，在干預后第一周，兩種動態照明模式就已顯著提升被試者的即時警覺度。對于High-Low模式而言，被試者在干預后的第二周(P=0.003)及第三周(P=0.008)，即時警覺度均得到顯著提升[圖10(b)]，進一步證明了High-Low模式的動態照明模式對警覺度的即時提升作用。

圖10 基線及干預后每一周的即時警覺度變化分析結果(**P<0.01)Fig.10 Results of analysis of change in acute alertness at baseline and each week after intervention

精神疲勞的分析數據表明(圖11)，Low-High模式被試者在干預前后，21：30時的精力并未發現顯著變化；而被試者在High-Low模式干預后，9:30時的精力得到顯著提升(P<0.001)。可以看出，High-Low模式的動態照明對被試的精力提升有著積極的作用。

圖11 精力充沛分析結果(*** P<0.001)Fig.11 Energetic analysis results

警覺度與疲勞有相似的變化趨勢，警覺度得到提升的同時，疲勞也會得到改善[37]。本實驗結果印證了此觀點。High-Low模式干預后，被試者的警覺度得到明顯改善，精力充沛變化亦然。即High-Low模式的動態照明干預對學生的警覺度及精力均起到積極改善作用。

2.4 情緒

在每個問卷收集日的下午15:30收集一次PANAS情緒問卷。由均值可以看出，Low-High模式的被試，在干預后消極情緒加劇，而High-Low模式干預下，被試者的消極情緒得到改善。干預后的組間對比表明，相較于High-Low模式，Low-High模式的動態照明對被試者的消極情緒產生了一定程度的負面影響(P=0.052)[圖12(a)]。

既往研究證明，動態照明可以緩解緊張和壓力狀態[38]；其中，晨間高光的動態照明模式能有效緩解焦慮及抑郁情緒，并有效減少心理壓力[39]。由本實驗結果可知，與Low-High動態照明模式相比，High-Low模式的動態照明模式對消極情緒的改善顯示出一定的有利性。

此外，對被試者的壓力情況進行監測，PSS-10的結果表明：干預后，Low-High模式被試者的壓力上升，High-Low模式被試者的壓力評分下降，雖未達到顯著狀態，但從均值可以看出，High-Low模式的動態照明對被試者的壓力改善產生更有利的趨勢[圖12(b)]。兩種動態照明模式對被試者的積極情緒(PANAS)及活力(SVS)并未產生顯著性影響。

圖12 情緒分析結果(*P=0.052)Fig.12 Mood analysis results

3 結果

本研究以真實教室環境為研究場地，針對高二兩個班級的學生分別采取High-Low和Low-High的動態照明干預，對比生理及心理指標數據。結果表明：1)睡眠方面：High-Low模式相較于Low-High模式，被試者的深睡時間及入睡難易程度均明顯改善；2)警覺度方面：兩種模式的動態照明均提升了被試者的即時警覺度。此外，High-Low模式的動態照明對被試的精力狀態也有積極影響；3)情緒方面：相比之下，High-Low模式干預后，被試者的消極情緒顯著更低。在未來的研究中，將增大樣本數量，增加光環境參數閾值，進一步開展相關研究，為教室動態照明的發展提供參考。