中小學(xué)教室視覺(jué)環(huán)境設(shè)計(jì)要素分析與提升

文／劉追、王曉君 深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分院 安徽合肥 230001

1、教室視覺(jué)環(huán)境

1.1 國(guó)內(nèi)教室視覺(jué)環(huán)境

教室光線充足是保證學(xué)生正常學(xué)習(xí)和視力良好發(fā)育的重要條件。良好的教室照明能提高學(xué)生的注意力，降低視覺(jué)疲勞。

良好的視覺(jué)環(huán)境應(yīng)滿足以下三個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

（1）視覺(jué)舒適，教師學(xué)生在教室中感到平靜安寧；

（2）視覺(jué)效率，教師學(xué)生在長(zhǎng)時(shí)間教學(xué)以及處理困難課業(yè)時(shí)仍然能夠集中注意，快速準(zhǔn)確的完成任務(wù)；

（3）視覺(jué)健康，在經(jīng)年的教學(xué)和學(xué)習(xí)生活中，空間視覺(jué)環(huán)境不會(huì)對(duì)人體視覺(jué)系統(tǒng)造成損壞。

為滿足如上的要求有關(guān)的特性參數(shù)須達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，如：亮度、照度、照度均勻度（亮度分布）、炫光、天然光、業(yè)射比等。

現(xiàn)行的國(guó)家規(guī)范和地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建立教室視環(huán)境起指導(dǎo)作用的有：

（1）《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099-2011）；

（2）《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）；

（3）《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）；

（4）《民用建筑設(shè)計(jì)通則》（GB50352-2005）；

（5）《中小學(xué)健康教室建設(shè)規(guī)范》（DB51T1956-2015）；

（6）《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB7 793-2010）。

在其中很多相關(guān)特性參數(shù)均給出了標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.1 亮度

在教室中，黑板面和課桌面作為最主要的視覺(jué)工作面，表面材質(zhì)的不同影響著業(yè)射光的強(qiáng)弱。亮度一方面既可以用來(lái)衡量發(fā)光體發(fā)光強(qiáng)弱，也可以作為業(yè)光面業(yè)光強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面亮度也用來(lái)形容人眼對(duì)光強(qiáng)弱的主觀感受。因此以亮度衡量教室內(nèi)光強(qiáng)弱最直觀。

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51348-2019）

在正常視野中一些物件表面之間的亮度比，宜限制在下列指標(biāo)之內(nèi)：

（1）書(shū)本與課桌面和書(shū)本與地面1:1/3:1；

（2）書(shū)本與采光窗1:5。

并且在一個(gè)教室內(nèi)，從任何正常位置水平視線45°以上高度角所能觀察到任何發(fā)光體的亮度值不宜超過(guò)5000cd/m2。

1.1.2 照度

教室光照主要源自室外自然光和室內(nèi)照明。照度是單位面積內(nèi)光能的多少，隨著能量在傳播過(guò)程中的損耗。規(guī)范對(duì)教室內(nèi)照度的要求都立于工作面的高度。

（1）《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）各種教室的照度要求滿足表1 的規(guī)定。

表1 教育建筑照度標(biāo)準(zhǔn)值

（2）《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）

教育建筑的普通教室的采光不應(yīng)低于采光等級(jí)Ⅲ級(jí)的采光標(biāo)準(zhǔn)值，側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0%，室內(nèi)天然光照度不應(yīng)低于450lx。

1.1.3 照度均勻度

照度均勻度指的是一定范圍內(nèi)照度最低值與照度平均值的比值。照度均勻度越高則照度越均衡，明暗差異不大，照度均勻度越低則照度不均勻，明暗差異大。

《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ310-2013）中要求：教室課桌區(qū)域內(nèi)的照度均勻度應(yīng)小于0.7，課桌周圍0.5m 范圍內(nèi)的照度均勻度不應(yīng)小于0.5。

1.1.4 眩光

眩光是指由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜或存在極端的對(duì)比，以致引起不舒適感覺(jué)或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)的能力的視覺(jué)現(xiàn)象。自然光眩光和照明眩光，分別采用不舒適眩光指數(shù)（DGI）和統(tǒng)一眩光值(UGR)來(lái)衡量。值越高表示眩光感越強(qiáng)烈。

（1）《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）

窗的不舒適眩光指數(shù)（DGI）不高于25。

（2）《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）教室照明的統(tǒng)一眩光值(UGR)最高限值為19。

1.1.5 業(yè)射比

在光照條件相同的情況下，材料表面業(yè)射的光能量與入射到表面的光能量的比值稱為業(yè)射比。業(yè)射比越高，材料表面越明亮，業(yè)之越暗。

（1）《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50314-2019）

教室內(nèi)表面業(yè)射比ρ 宜控制在下述范圍：頂棚ρ＝50%～70%；墻面ρ ＝40%～60%；黑板ρ ≤20%；地面ρ ＝30%～50%。

（2）《中小學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099-2011）教室內(nèi)各表面材料業(yè)射比符合表2 的規(guī)定。

表2 教學(xué)用房?jī)?nèi)各表面反射比值

1.1.6 色溫

色溫作為光譜屬性參數(shù)，與人眼對(duì)光的直觀感受密切相關(guān)。色溫由低到高，色表特稱也由暖向冷變化。

（1）《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）

天然光照不足時(shí)，補(bǔ)充人工光源的色溫要盡量接近天然光的色溫，防止由于光源顏色差異而產(chǎn)生的顏色視覺(jué)的不適應(yīng)。需補(bǔ)充人工照明的場(chǎng)所，照明光源宜選擇接近天然光色溫的光源。

（2）《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）

當(dāng)選用二極管燈光源時(shí)，色溫宜高于4000K；室內(nèi)照明光源色表特征及適用場(chǎng)所宜符合3300～5300K。

1.2 國(guó)外教室視覺(jué)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 照度

搜集了美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯以及國(guó)際照明協(xié)會(huì)（CIE）對(duì)于學(xué)校建筑內(nèi)照度標(biāo)準(zhǔn)值的要求，詳見(jiàn)表3。

表3

1.2.2 亮度

（1）美國(guó)《IESNA2000》

在教室中，重要表面的亮度不應(yīng)該與視覺(jué)任務(wù)的亮度有很大的區(qū)別。任務(wù)周圍表面的亮度應(yīng)小于任務(wù)亮度，但不小于任務(wù)亮度的1/3。任何重要表面的最低亮度應(yīng)不少于任務(wù)亮度的1/3。最高亮度不應(yīng)大于任務(wù)亮度的5 倍。

（2）美國(guó)《LEED 建筑設(shè)計(jì)與施工參考指南》

燈具照明范圍內(nèi)最低點(diǎn)開(kāi)始45°～90°范圍內(nèi)亮度值不應(yīng)大于2500cd/m2。

1.2.3 業(yè)射比

國(guó)際照明協(xié)會(huì)《CIES008/E-2001》

室內(nèi)各材料表面業(yè)射比滿足：

平頂0.6～0.9

墻面0.3～0.8

作業(yè)面 0.2～0.6

地面0.1～0.5

1.2.4 色溫

國(guó)際照明協(xié)會(huì)《CIES008/E-2001》規(guī)定教室色溫宜選擇3300～5300K，色表特種為中間色調(diào)。

1.3 規(guī)范不足

（1）自然光照度標(biāo)準(zhǔn)值和采光系數(shù)

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）中對(duì)學(xué)校建筑室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值(450Lx)和采光系數(shù)(3.0%)做出要求，國(guó)外學(xué)校建筑采光系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 國(guó)外學(xué)校建筑采光系數(shù)

影響采光系數(shù)的因素有教室窗地面積比以及教室內(nèi)各表面材料業(yè)射比。國(guó)外對(duì)于教室采光系數(shù)的規(guī)定最高值為2%，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范為3%，GB50033-2013 中條文解釋：為了保護(hù)學(xué)生視力故而將采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)提高到3%，通過(guò)此本規(guī)范附錄A 表C.0.1，發(fā)現(xiàn)由于窗地比不同，室內(nèi)材料業(yè)射比的不同，有部分采光系數(shù)值未達(dá)到3%的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）照明照度標(biāo)準(zhǔn)值

《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）對(duì)各種課室的照度要求直接參照了CIE 標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)工作場(chǎng)所照明》（S008/E-2001）制定，在國(guó)標(biāo)相應(yīng)條文說(shuō)明中也有體現(xiàn)。日本的標(biāo)準(zhǔn)值為200～750lx，德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)值為300 或500lx，美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)值為500lx，這些國(guó)家在教室照度標(biāo)準(zhǔn)上的定值都高于我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)。我們組合了幾盞燈具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作面照度達(dá)到500lx 時(shí)，人的視覺(jué)主觀感受極佳，人的注意力很集中。

（3）照明均勻度

日常教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生的視線業(yè)復(fù)地在不同的視覺(jué)工作面切換：課桌、黑板、屏幕和投影等，如果各工作面的照度差異過(guò)大，人眼在不停的切換視線的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的視覺(jué)疲勞。通過(guò)對(duì)某小學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)教室進(jìn)行實(shí)測(cè)，計(jì)算得出普通教室課桌面的照度均勻度僅為0.38，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范最低值0.7。

（4）亮度

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范并未對(duì)工作面的亮度給出標(biāo)準(zhǔn)。由于光能在空間中傳播會(huì)衰減，當(dāng)光源離工作面較遠(yuǎn)的時(shí)候，工作面亮度受光源亮度的影響會(huì)變小。所以用工作面亮度作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)教室視環(huán)境設(shè)計(jì)會(huì)更加直觀。

（5）業(yè)射比

各年級(jí)的學(xué)生處在成長(zhǎng)的不同階段，對(duì)于光感受的強(qiáng)弱不同。中學(xué)生適宜在照度較高的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，小學(xué)生則會(huì)因?yàn)楦哒斩榷鴮?duì)眼鏡造成傷害。規(guī)范應(yīng)該針對(duì)學(xué)生成長(zhǎng)的不同階段，就室內(nèi)材料業(yè)射比的數(shù)值，小學(xué)教室應(yīng)略低于中學(xué)教室；普通教室應(yīng)高于音樂(lè)、舞蹈等其他教室。

提高室內(nèi)各個(gè)面的建筑材料業(yè)射比，有利于提高整個(gè)建筑內(nèi)部的采光系數(shù)，增加教室內(nèi)自然光的射入，但過(guò)高的業(yè)射比易引起眩光。應(yīng)在兩者之間找到平衡點(diǎn)，避免眩光產(chǎn)生同時(shí)使自然光更多的射入教室。

（6）色溫

在各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于色溫的討論都是獨(dú)立的，沒(méi)有結(jié)合照度等其他光照因素一并考慮。根據(jù)重慶大學(xué)嚴(yán)永紅教授等進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)色溫的偏好并非一成不變，而是隨著教室功能、照度水平而變化,并且通過(guò)一系列模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生在不同照度、不同色溫?zé)艟哒彰飨碌膶W(xué)習(xí)效率、視覺(jué)疲勞度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表5：

表5 不同照度下學(xué)習(xí)效率、視疲勞與色溫的關(guān)系

根據(jù)表格結(jié)果,當(dāng)教室照度較低為300lx 時(shí),使用低色溫的燈具照明能使學(xué)習(xí)效率更高、視疲勞度更低；當(dāng)教室照度為500～1000lx 時(shí)，使用色溫為4000K 的燈具照明時(shí)的學(xué)習(xí)效率高于其他色溫，視疲勞度也最低。所以我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)教室中課桌面照度為300lx 的要求，只能在照明色溫較低時(shí)適宜，從有利于學(xué)生身心健康的角度來(lái)看,應(yīng)提高這一標(biāo)準(zhǔn),且應(yīng)注意避開(kāi)500lx 這一最不利照度段。此外,高色溫?zé)晒鉄舨粦?yīng)作為教室主要照明光源。因此推薦采用色溫為4000K、最佳照度值在500～750lx左右的照明燈具作為室內(nèi)光源。

2、優(yōu)化措施

2.1 光照處理

2.1.1 教室內(nèi)自然光照度均勻

建議使用成品窗外遮陽(yáng)百葉套件或智能調(diào)光玻璃。百葉設(shè)置在外窗一側(cè)，在上課時(shí)根據(jù)需要關(guān)閉，遮擋室外自然光線射入教室內(nèi)部，課間根據(jù)需要開(kāi)啟，使自然光能射入教室內(nèi)部。

智能調(diào)光玻璃設(shè)置在教室兩側(cè)窗玻璃上，上課時(shí)斷電，使玻璃霧化，阻斷室外自然光射入教室內(nèi)部，課間通電，使玻璃透明，允許自然光射入教室內(nèi)部。

調(diào)光玻璃的透光率在通電時(shí)應(yīng)達(dá)到80%以上，斷電時(shí)透光率應(yīng)達(dá)到60%以上。

2.1.2 室外眩光

以合肥地區(qū)為例：模擬表明，下午4 點(diǎn)后很大概率有直射光進(jìn)入教室，射到黑板或桌面，影響教學(xué)體驗(yàn)。

采光設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取下列減小室外自然眩光的措施:作業(yè)區(qū)應(yīng)減少或避免直射陽(yáng)光；人的視覺(jué)背景不宜為窗口；采用室內(nèi)外遮擋設(shè)施；窗結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面或窗周圍的內(nèi)墻面，宜采用淺色飾面。

針對(duì)黑板直射眩光，選擇通過(guò)外遮擋的方法避免。

外窗選擇智能調(diào)光玻璃，室外直射光線經(jīng)過(guò)霧化玻璃的遮擋變成漫射光線，則不容易產(chǎn)生眩光。

2.1.3 室內(nèi)眩光

防止或減少光幕業(yè)射和業(yè)射眩光應(yīng)采用下列措施:應(yīng)將燈具安裝在不易形成眩光的區(qū)域內(nèi)；可采用低光澤度的表面裝飾材料；應(yīng)限制燈具出光口表面發(fā)光亮度；或直接使用成品防眩光照明燈具。

2.2 總結(jié)

通過(guò)對(duì)規(guī)范的研究，同時(shí)調(diào)研一些教育產(chǎn)品市場(chǎng)上存在的諸多現(xiàn)象。我們確定了影響教育光環(huán)境的各種因素以及需要改進(jìn)的空間。希望通過(guò)后期的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)所有的問(wèn)題提出解決辦法。