嚴(yán)永紅,關(guān) 楊,劉想德,劉 煒

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院,重慶400045;2.重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院 ,重慶400065)

近年來,研究光對人的心理、生理效應(yīng)已成為照明研究重要的領(lǐng)域之一[1-2]。CIE于2004年、2006年2次召開以“照明與健康”為題的學(xué)術(shù)會議,對這一問題進(jìn)行專題研討。CIE第158號文件中指出,由于Cirtopic[3](眼睛的非視覺效應(yīng))[4]的作用,光譜差異可影響人體的晝夜節(jié)律、體溫、機(jī)敏程度,并直接影響工作效率及人體健康[5]。Phillips公司繪出了典型人體體溫、褪黑素、皮質(zhì)醇及人體活躍性的24 h周期節(jié)律曲線[5],得出辦公室光環(huán)境下時間、人體生理節(jié)律與光源色溫的對應(yīng)關(guān)系。日本學(xué)者片山就司等人對醫(yī)院照明進(jìn)行了研究,得出了醫(yī)院光環(huán)境下人體晝夜節(jié)律照明曲線[6]。同濟(jì)大學(xué)林丹丹、郝洛西對學(xué)生在不同照度、色溫?zé)晒鉄舡h(huán)境下的視疲勞程度、主觀評價、工作績效進(jìn)行了對比研究[7]。復(fù)旦大學(xué)姚其等人對比計算了不同光譜光源在Cirtopic視覺條件下的有效光效[8-9]。

總體來看,目前國外對Cirtopic效應(yīng)的研究和應(yīng)用主要集中在醫(yī)院和辦公室照明上,而在中國,更為突出的問題是教室照明。資料表明,目前中國青少年近視率居全球第二[10],特別是大學(xué)生的視力不良檢出率竟高達(dá)82.68%[11],其原因與不良的教室照明有很大關(guān)系。不同色溫光源的光譜、光強(qiáng)度差異[12]除直接影響學(xué)生的視力健康外,還會影響他們的生理節(jié)律(興奮或疲勞)。因此,對教室照明進(jìn)行深入的研究并加以改進(jìn)是非常必要的。

目前教室人工光環(huán)境對比研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)論大多傾向于認(rèn)為高照度、高色溫光源更為適宜[13]。但這一結(jié)論或以學(xué)生主觀評價[7]、或以理論計算為依據(jù)[8],缺乏更深入的實(shí)驗(yàn)研究支撐。

為了解何種色溫的教室光源更有利于學(xué)生的生理健康,選定色溫2 700 K、4 000 K、6 500 K,Ra為85的T5熒光燈(亮度均可實(shí)現(xiàn)0～100%可調(diào))作為研究對象,對其進(jìn)行學(xué)習(xí)效率、視疲勞、腦疲勞影響研究。

1 不同色溫環(huán)境下學(xué)生學(xué)習(xí)效率及視疲勞實(shí)驗(yàn)

通過對重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院110名在校大學(xué)生進(jìn)行了3種典型教室照明光源色溫喜好問卷調(diào)查,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對色溫的偏好并非一成不變,而是隨教室功能、照度水平而變化(見圖1)[13]。因此,僅以學(xué)生主觀評價作為教室照明色溫選擇的依據(jù)顯然并不可靠。評價一種光源是否是好的教室照明光源,除考慮學(xué)生的主觀評價外,還必須考慮學(xué)生長時間處在特定光譜環(huán)境下,大量刺激所帶來的疲勞累積對學(xué)生生理健康的影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及時間

實(shí)驗(yàn)教室為重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院自習(xí)教室(見圖2(a)),對應(yīng)教室座位排列方式,在頂棚上平行于課桌安裝3列索恩教室專用可調(diào)光燈具(實(shí)驗(yàn)前已使用DIALUX軟件進(jìn)行過燈具布置方式優(yōu)化方案對比[13]);每列燈具分別內(nèi)裝色溫2 700 K、4 000 K、6 500 K,Ra為85的OSRAM T5熒光燈光源(見圖2(b)、(c))。

圖1 3種典型教室中,學(xué)生對光源色溫的喜好調(diào)查

所有實(shí)驗(yàn)均在每晚19:00-22:30進(jìn)行,這一時間段的選擇有利于完全排除天然光的影響,且可保證各受試人每次實(shí)驗(yàn)均處在相近的生理節(jié)律周期中,以確保其測試數(shù)據(jù)的相對連續(xù)性和可比性。

圖2 實(shí)驗(yàn)教室平面圖、燈具布置圖及剖面圖

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

選擇一年級、二年級本科生各8名,男女各半,年齡在18～21歲間,身體健康,雙眼矯正視力在5.0以上。將受試人分為2組,每組8人,男女各半,進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)前均已排除了身體、心理異常的受試人樣本。實(shí)驗(yàn)前對每位受試人進(jìn)行訓(xùn)練,讓其熟悉實(shí)驗(yàn)的步驟與方法。

1.3 測試方法

1)學(xué)習(xí)效率:采用劑量作業(yè)測定法進(jìn)行測試,使用安菲莫夫表進(jìn)行綜合評定,以腦力工作能力指數(shù)(IMC)來反映學(xué)習(xí)效率。計算式:

閱字速度(個/min)=閱字?jǐn)?shù)/2

錯誤率(%)=[(錯字?jǐn)?shù)+漏字?jǐn)?shù))/閱字?jǐn)?shù)]×100%

腦力工作能力指數(shù)(IMC)=(閱字?jǐn)?shù)/2)×[應(yīng)刪數(shù)-錯刪數(shù)]/應(yīng)刪數(shù)]

2)視疲勞:在預(yù)實(shí)驗(yàn)中對比了明視持久度法、眨眼次數(shù)法及眼動儀測量法等3種視疲勞測定方法,綜合考慮本實(shí)驗(yàn)精度、時間要求及受試人對測試方法掌握的程度,最終采用學(xué)生易掌握的近點(diǎn)測定法[14]來測試視疲勞。計算公式:

視疲勞(%)=|作業(yè)后近點(diǎn)距離-作業(yè)前近點(diǎn)距離|/作業(yè)前近點(diǎn)距離

測試時讓學(xué)生在某特定光環(huán)境下自習(xí)來充分適應(yīng)該光環(huán)境,學(xué)習(xí)材料為學(xué)生自帶的基礎(chǔ)學(xué)科作業(yè),如高數(shù)、英語等,以便更真實(shí)地模擬常規(guī)教室學(xué)習(xí)狀況。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

1)光環(huán)境場景模式設(shè)計

根據(jù)《建筑照明設(shè)計規(guī)范》(GB 50034-2004),目前教室課桌面照度標(biāo)準(zhǔn)為300lx,Ra≥80[15],而根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn),舒適的教室照度值普遍在500lx以上。隨著生活水準(zhǔn)的提高和對學(xué)生視力健康的日漸重視,有專家甚至建議將照度標(biāo)準(zhǔn)提高到 750～1000lx;此外,根據(jù)《建筑照明設(shè)計規(guī)范》教室照明應(yīng)采用色溫范圍在3300～5300K內(nèi)的光源[15]。而根據(jù)調(diào)查,目前大部分高校教室照明采用色溫為6500 K左右的光源。因此,為尋找教室最適宜照度和色溫,實(shí)驗(yàn)光環(huán)境模式設(shè)計如下:

在2700K、4000K和6500K 3種光源色溫環(huán)境下分別進(jìn)行測試,桌面平均照度設(shè)定為1000lx、750lx、500lx和300lx 4檔,照度均勻度≥0.7。實(shí)驗(yàn)順序?yàn)?1000lx、750 lx、500lx和300 lx。當(dāng)一組受試人完成全部測試后,換另一組受試人,進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)。

2)實(shí)驗(yàn)步驟:實(shí)驗(yàn)?zāi)M教室教學(xué)模式,每個光環(huán)境場景測試約1h,分作業(yè)前測試、自習(xí)、作業(yè)后測試3個部分。步驟如下:受試人進(jìn)入某特定照明環(huán)境適應(yīng)5 min后,用安菲莫夫劑量作業(yè)表測試學(xué)習(xí)效率并測試初始近點(diǎn)距離;讓受試人在該光環(huán)境下自習(xí)45min;再一次測試學(xué)習(xí)效率和近點(diǎn)距離,通過與作業(yè)前的近點(diǎn)距離比較來反映經(jīng)45min學(xué)習(xí)后的疲勞程度。

此后,讓受試人去教室外充分休息10～15min,測試人員更換光環(huán)境場景(調(diào)整照度值或色溫),用同樣方法進(jìn)行下一輪測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同照度下學(xué)習(xí)效率、視疲勞與色溫關(guān)系

圖3為2組受試人(共16人)交叉實(shí)驗(yàn)后經(jīng)算術(shù)平均得出的照度/色溫與學(xué)習(xí)效率、視疲勞關(guān)系圖。

表1是根據(jù)圖3分析得出的不同照度段受試人平均學(xué)習(xí)效率及視疲勞與色溫關(guān)系排序,以“＞”表示“優(yōu)于”。

表1 不同照度下學(xué)習(xí)效率、視疲勞與色溫關(guān)系

根據(jù)排序,300lx時,2700 K效率最高、視疲勞最低;500～1000 lx時,4000 K不僅效率最高,且視疲勞最低。

總體來看,在各照度段,4000 K的綜合表現(xiàn)最為突出。

2.2 不同色溫下各照度段學(xué)習(xí)效率、視疲勞對比

在2700K熒光燈環(huán)境下,學(xué)習(xí)效率曲線呈馬鞍形,視疲勞曲線較為緩和。各照度段呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn):單從學(xué)習(xí)效率來看,300lx最佳,但其視疲勞相對較重,1000lx視疲勞最輕,但其學(xué)習(xí)效率明顯低于300lx。因此,尚不能斷言哪個照度值最佳,但750lx和500lx較差。

圖3 不同色溫下照度與學(xué)習(xí)效率、視疲勞關(guān)系曲線

在4000K熒光燈環(huán)境下,學(xué)習(xí)效率及視疲勞曲線變化最為劇烈,表明隨著照度值的提高,學(xué)習(xí)效率及視疲勞都得到了明顯的改善。但曲線在500lx時出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn),盡管此時視疲勞并不顯著,但其學(xué)習(xí)效率明顯低于其他照度段。因此當(dāng)使用4000 K熒光燈光源時,應(yīng)避開這一照度值。1000lx為最佳照度值。

在6500 K熒光燈環(huán)境下,學(xué)習(xí)效率及視疲勞曲線比較平緩,表明提高照度標(biāo)準(zhǔn)并不能顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及明顯減輕視疲勞。比較而言,300lx效率最高,但視疲勞顯著。

2.3 腦疲勞程度對比分析

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象:在某些特定光環(huán)境下,受試人普遍反映在經(jīng)過45 min學(xué)習(xí)后,頭腦反而更清醒了,而在另一些光環(huán)境下則正好相反。為了解其中原因,除進(jìn)行學(xué)習(xí)效率和視疲勞測試外,還增加了對學(xué)習(xí)效率變化率η的測試,即將受試人在各光環(huán)境狀態(tài)下自習(xí)前后的學(xué)習(xí)效率之差除以自習(xí)前的學(xué)習(xí)效率,得到η值(見圖4)。η為正值表明經(jīng)45 min自習(xí)后比自習(xí)前學(xué)習(xí)效率提高了,說明在該光環(huán)境下學(xué)習(xí)能讓人興奮和清醒,并保持良好的腦力工作狀態(tài);η為負(fù)值則表明在該光環(huán)境下學(xué)習(xí)后出現(xiàn)腦疲勞,導(dǎo)致效率下降。負(fù)值的絕對值越大表明腦疲勞越嚴(yán)重。該文以η值來粗略地反映腦疲勞程度。

圖4 學(xué)習(xí)效率變化率曲線

從圖中可以看出,2 700 K色溫下η值曲線呈馬鞍形變化,且除300lx外,其余照度段η值均為負(fù)值。表明在該色溫下學(xué)習(xí),學(xué)生易出現(xiàn)腦疲勞;特別是在750lx時,腦疲勞最為嚴(yán)重。但此色溫在低照度300 lx時η值表現(xiàn)為正值,表明當(dāng)使用2 700 K色溫光源時,平均照度較低時反而有利于提高興奮度、減輕腦疲勞。

6500K色溫下曲線平緩,η值全部為負(fù)值,表明在該色溫下學(xué)習(xí),學(xué)生更易出現(xiàn)腦疲勞。但從圖4可看出,曲線隨照度升高呈絕對值減小的趨勢,因此,可推定該色溫下高照度環(huán)境略優(yōu)于中、低照度環(huán)境,相對而言,750lx略好。

與其他2種色溫相比,4000K色溫表現(xiàn)出眾。除500lx外,其余η值全為正值。表明在45min內(nèi),除500lx時腦疲勞較顯著外,其余各照度值下受試人均能保持良好的興奮度。其中,750 lx時興奮度最好。

值得一提的是,η值最高點(diǎn)與前文中學(xué)習(xí)效率最高點(diǎn)或視疲勞最低點(diǎn)并不完全一致。如4000K組的1000lx,從圖上看,與其他照度段相比,該段學(xué)習(xí)效率最高、視疲勞最輕,但圖中顯示其腦疲勞并不是η值最高點(diǎn),η值最高點(diǎn)出現(xiàn)在750lx段。

此外,通過對比圖3、圖4發(fā)現(xiàn),即使視疲勞與腦疲勞這2個反映受試人疲勞狀況的指標(biāo)也不完全一致。以2700K熒光燈組750lx段為例,盡管在此照度段視疲勞較輕,與4000K組同照度段的數(shù)值相近,但其腦疲勞卻是4000K組的近一倍,其結(jié)果是導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下,與4000K組相差21.3%。

由于學(xué)生在教室某一特定光環(huán)境下所進(jìn)行的視覺工作時間較長,有一個長時間刺激累計的問題。因此,對其光環(huán)境的評價不能簡單地以單一指標(biāo)來進(jìn)行衡量,在該實(shí)驗(yàn)中,以學(xué)習(xí)效率、視疲勞、腦疲勞3個指標(biāo)來對其作出綜合評價更為合理。

3 結(jié)論

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,表明在對各特定光環(huán)境進(jìn)行評定時,僅考慮學(xué)習(xí)效率或視疲勞是不夠的。由于Cirtopic作用,特定人工光譜/光強(qiáng)度對學(xué)生生理節(jié)律的影響還以腦疲勞的形式出現(xiàn)。因此,應(yīng)綜合考慮這3個指標(biāo)的影響。

1)在教室照明光源選擇中,應(yīng)以4 000 K左右中等色溫的熒光燈作為主要光源。而目前大學(xué)教室普遍使用的高色溫(6 500 K)熒光燈光源,可加重學(xué)生的腦疲勞和視疲勞,降低學(xué)習(xí)效率,不應(yīng)作為教室主光源。

2)不同色溫的熒光燈光源,其最佳照度值并不相同。2 700 K熒光燈光源,300 lx為最佳照度建議值;4 000 K熒光燈光源,750 lx為最佳照度建議值;6 500 K熒光燈光源,無最佳照度建議值。

3)不同色溫的熒光燈光源,其最不利照度值也不相同。2 700 K熒光燈光源,750 lx的照度應(yīng)盡量避免;4 000 K熒光燈光源,500 lx的照度應(yīng)盡量避免;6 500 K熒光燈光源,500 lx、1 000 lx的照度應(yīng)盡量避免。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,《建筑照明設(shè)計規(guī)范》(GB 50034-2004)中所規(guī)定的教室課桌面照度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為300 lx,僅在低色溫情況下是合適的。而當(dāng)使用中等色溫?zé)晒鉄艄庠磿r,從有利于學(xué)生身心健康的角度來看,應(yīng)提高這一標(biāo)準(zhǔn),且應(yīng)注意避開500 lx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。

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