黃海靜，陳 綱

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045)

0 引言

視覺功效反應(yīng)人借助視覺器官完成視覺工作的能力和效率，以完成視覺作業(yè)的速度和精確度來評價視覺能力。照明環(huán)境好壞與人的視覺功效息息相關(guān)，而視覺功效是伴隨人的心理、生理等生物效應(yīng)指標(biāo)反應(yīng)的。

神經(jīng)生理功能和心理狀態(tài)影響學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，閱讀速度快、錯誤少，表明大腦皮層的興奮性高，注意力集中好，眼睛的調(diào)節(jié)強度也更高。如果照明環(huán)境不當(dāng)，視知覺活動時人體的瞳孔和血壓、脈搏、心率等生理指數(shù)就會發(fā)生不適性變化，產(chǎn)生視覺疲勞，并引起腦力工作能力下降，導(dǎo)致視覺作業(yè)績效的降低(如作業(yè)錯誤率增加、完成速度減慢、質(zhì)量降低等)。

學(xué)生在教室的課業(yè)學(xué)習(xí)主要是視知覺活動和高級神經(jīng)活動的過程，閱讀是教室里學(xué)生學(xué)習(xí)的主要方式之一。因此，通過對學(xué)生完成閱讀時的視覺作業(yè)績效測定和生理指數(shù)測試同步的方法，可以從視覺功效和光生物效應(yīng)角度綜合分析出教室照明環(huán)境對學(xué)生的影響。教室照明環(huán)境影響因素很多，筆者從光生物效應(yīng)的角度，設(shè)計了相同照度、不同光色的教室照明環(huán)境，通過實驗分析光源光色對視覺作業(yè)績效和生理指標(biāo)變化的影響，探討光源光色與視知覺功效之間的關(guān)系。

1 實驗設(shè)計

實驗教室利用現(xiàn)有的重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院2

樓一間小教室改造而成，目的是為了使實驗場景與日常學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境貼近一致，保證學(xué)生實驗時因環(huán)境熟悉而心態(tài)放松，生理指標(biāo)反應(yīng)更為真實。

以《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的教室照明300 lx照度標(biāo)準(zhǔn)值為依據(jù)，通過計算確定教室照明數(shù)量及布局，教室內(nèi)垂直黑板布置6根單管帶反射罩燈具，選用教室常用飛利浦36 W三基色T8熒光燈管(表1)。對改造后的教室照明實際測量計算結(jié)果為:課桌面平均照度300.22 lx，照度均勻度0.89，照明功率密度8.8 W/m2，全部滿足《標(biāo)準(zhǔn)》的要求。熒光燈共有6 500 K，4 000 K，2 700 K的3種色溫，3組熒光燈管依次更換布置，以此構(gòu)成三種照度相同、光源色溫不同的教室照明環(huán)境(見圖1)。

表1 三種色溫?zé)晒鉄舻幕緟?shù)

圖1 視覺功效實驗的教室照明環(huán)境布置圖

實驗對象選擇在校大學(xué)生(年齡18～23歲)共24名(男生16名，女生8名)，要求被視者正常視力或矯正視力達(dá)到1.0，且無眼部疾病和其他病理因素，以保證實驗正常、數(shù)據(jù)可靠。實驗時根據(jù)教室大小、燈具排列合理布置座位，將學(xué)生分成兩組進行，每次12人/組同時測試。

3種視覺作業(yè)材料各準(zhǔn)備四套，采用“黑營隨機碼生成器”編輯軟件隨機生成，難易程度一致。視覺作業(yè)材料用A4紙統(tǒng)一打印，一套作為作業(yè)樣本，另三套配合學(xué)生在3組不同光源色溫的照明環(huán)境下作業(yè)時使用，以避免因內(nèi)容重復(fù)帶來的熟悉程度不同，而造成作業(yè)完成速度和錯誤率不準(zhǔn)確的人為干擾因素。

1.1 視覺作業(yè)績效實驗

視覺作業(yè)績效實驗是從高級神經(jīng)功能和心理狀態(tài)的角度，通過不同色溫光源下的視覺作業(yè)績效結(jié)果的比較，研究教室照明中不同光色的光源照明對學(xué)生視覺功效的影響。

參考“學(xué)習(xí)疲勞測定方法”，采用視覺作業(yè)績效的測定方法。具體如下:在規(guī)定的時間(2 min)內(nèi)進行劑量視覺作業(yè)的校核任務(wù)，對被試者完成的視覺作業(yè)錯誤率(反映大腦皮層的抑制過程)、閱字速度(反映大腦皮層的興奮過程)和腦力工作指數(shù)(IMC)進行統(tǒng)計、分析，判斷大腦皮層的功能狀態(tài)和視覺功效。校對的平均速度和平均錯誤率反應(yīng)了被試者完成視覺作業(yè)的精確度及效率。腦力工作能力指數(shù)(IMC)是腦力工作能力的評價指標(biāo)，腦力工作能力是大腦皮質(zhì)高級神經(jīng)活動的反映，它直接影響著學(xué)習(xí)效率。

根據(jù)心理學(xué)研究方法，劑量作業(yè)測定可采用校字法、校數(shù)字法、校圖形法和心算法等，本次視覺作業(yè)測試選用具有代表性的三種圖文辨識材料。第一種是“字母辨識——安菲莫夫校字表”，安菲莫夫表是研究神經(jīng)功能特性的常用心理學(xué)方法，由大量字母隨機組成，測試時要求被試者在規(guī)定時間內(nèi)從表中劃去指定的字母。第二種是“數(shù)字辨識——數(shù)字校對表”，數(shù)字校對表由左右兩隊數(shù)字組成，要求被試者從表中找出不同的項并標(biāo)出不同的數(shù)字。第三種是“圖形辨識——郎道爾環(huán)核對表”，郎道爾環(huán)(“C”環(huán))是常用的視覺測試(如視力表)材料，由四種開口方向的郎道爾環(huán)隨機組成，要求被試者從表中劃去與目標(biāo)環(huán)開口方向相同的項。

通過對學(xué)生完成視覺作業(yè)的速度、錯誤率和腦力工作指數(shù)的統(tǒng)計，取其平均值進行比較，分析研究不同光色的光源照明對學(xué)習(xí)效率的影響。

1.2 生理指標(biāo)測試實驗

人體處于不同環(huán)境、不同活動狀態(tài)時，血壓、脈搏、心率、呼吸、內(nèi)分泌量等各項生理指數(shù)均會發(fā)生相應(yīng)的變化。影響血壓、脈搏、心率等生理指數(shù)波動的因素很多，主要包括季節(jié)性波動(如寒冷環(huán)境會使血壓暫時升高);生理節(jié)律波動(如褪黑激素分泌導(dǎo)致休息、睡眠時血壓降低);應(yīng)激性波動(如情緒激動、精神緊張、機體處于應(yīng)激狀態(tài)時引起心跳加快，收縮壓升高);運動性波動(即運動引起的呼吸、心率加快，血壓上升)。Kobayashi已研究證實，熒光燈色溫會影響舒張壓。因此，在不同照明環(huán)境下的視知覺活動也會反應(yīng)出不同的生理效應(yīng)。通過比較在不同色溫光源下的視覺活動時，人體血壓、脈搏、心率等生理指數(shù)的變化，能統(tǒng)計分析出照明環(huán)境對視知覺生理的影響和作用。

對視覺作業(yè)前后的生理指數(shù)測試采用血壓、脈搏測量法。日常家庭醫(yī)用的電子血壓計和脈搏計，儀器小巧，測量方法簡單，學(xué)生極易掌握;且讀數(shù)直觀，測量快速，能保證在視覺作業(yè)前后及時獲得生理指標(biāo)的讀數(shù)。此外，生理測試實驗比較的是同一被試者視覺作業(yè)前后的指標(biāo)變化，因而可以忽略家庭日用的電子血壓計、脈搏計測量不及醫(yī)院醫(yī)生專用儀器讀數(shù)準(zhǔn)確的問題。

生理測試實驗與視覺作業(yè)效績測定同步，分別在視覺作業(yè)開始前和完成后對被試的血壓、脈搏等生理指數(shù)進行檢測。通過對視覺作業(yè)前后所測生理指數(shù)變化值的測量統(tǒng)計，取其平均值進行比較，分析在不同光色的照明環(huán)境下視知覺的生理指標(biāo)變化狀況;同時在所有實驗完成后，采用詢問統(tǒng)計的方法對參與實驗的學(xué)生進行主觀心理感受調(diào)查，研究照明環(huán)境與視覺功效、生理反應(yīng)及心理舒適之間的關(guān)系。

2 視覺功效研究

2.1 光源光色與學(xué)習(xí)效率研究

實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用Excel軟件完成。其中，校對錯誤率=(錯漏個數(shù)/閱字個數(shù))×100%;校對速度=閱字個數(shù)/2 min;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)］。

對所有被試者完成的視覺作業(yè)校對錯誤率、校對速度和腦力工作能力指數(shù)(IMC)的數(shù)據(jù)取平均值，計算結(jié)果如表2。

表2 三種色溫?zé)晒鉄粝乱曈X作業(yè)績效結(jié)果

在三種色溫?zé)晒鉄粝?，學(xué)生完成視覺作業(yè)的校對錯誤率、校對速度和腦力工作能力指數(shù)(IMC)的比較如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 三種色溫?zé)晒鉄粝滦ζ骄e誤率比較

圖3 三種色溫?zé)晒鉄粝滦ζ骄俣缺容^

圖4 三種色溫?zé)晒鉄粝履X力工作能力指數(shù)比較

分析上述圖 2、圖 3、圖 4可以看出，在色溫2 700 K的熒光燈照明條件下，無論完成哪種視覺作業(yè)，平均校對錯誤率都最高，平均校對速度最慢，且腦力工作能力指數(shù)(IMC)最低。在色溫6 500 K的熒光燈照明條件下，視覺作業(yè)的平均錯誤率都最低，視覺作業(yè)的平均校對速度最快，且視覺作業(yè)的腦力工作能力指數(shù)(IMC)最高。色溫4 000 K熒光燈時三項視覺作業(yè)統(tǒng)計結(jié)果都居中，且與色溫6 500 K熒光燈時的數(shù)值接近。

因此，從視覺作業(yè)錯誤率、校對速度和腦力工作能力指數(shù)(IMC)的角度分析，在目前《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的300 lx照度下，大學(xué)生在中、高色溫(4 000 K，6 500 K)的熒光燈照明條件下的學(xué)習(xí)效率更高。

2.2 光源光色與生理反應(yīng)研究

生理指數(shù)變化率=(作業(yè)前后的生理指數(shù)變化差值/作業(yè)前的生理指數(shù))×100%，根據(jù)被試者完成視覺作業(yè)前后的血壓、脈搏的生理指數(shù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對所有實驗數(shù)據(jù)求平均值，得到在三種色溫?zé)晒鉄粝拢曈X作業(yè)前后生理指數(shù)變化平均值及變化率如表3、圖5所示。

表3 三種色溫?zé)晒鉄粝乱曈X作業(yè)前后生理指數(shù)變化

圖5 三種色溫光源下生理指數(shù)平均變化率比較

從圖5中可以看出，在色溫2 700 K的熒光燈照明條件下完成的視覺作業(yè)前后，血壓、脈搏的生理指數(shù)平均變化率都最大;在色溫4 000 K和6 500 K的熒光燈照明條件下，血壓、脈搏的生理指數(shù)平均變化率接近，但在4 000 K時變化率更小些。此外，無論在哪種色溫的光源照明條件下，收縮壓(高壓)的變化幅度都比舒張壓(低壓)的變化幅度大，這與人在緊張應(yīng)急狀態(tài)下的正常生理反應(yīng)機制是一致的。因此，從本實驗中生理指數(shù)變化的角度分析，照度為300 lx時學(xué)生在中間色溫(4 000 K)熒光燈照明條件下學(xué)習(xí)最放松。

這一結(jié)論與Inoue關(guān)于光源色溫對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理功能影響的結(jié)論吻合。Inoue研究發(fā)現(xiàn)在6 700 K光源下臨界閃爍融合頻率(CFF)比5 000 K時低，且眨眼次數(shù)增多，也就是說在高色溫時人眼對光刺激時間分辨的能力比在中間色溫時低，易產(chǎn)生視疲勞。

此外，對于在不同色溫光源下，較長時間學(xué)習(xí)時的生理變化也有相關(guān)研究。臺灣的王為等人以臺灣成功大學(xué)的學(xué)生為實驗對象，通過在不同光源色溫(2 700 K，4 000 K和6 500 K熒光燈)下，學(xué)生在30 min時間內(nèi)持續(xù)學(xué)習(xí)時的人體經(jīng)絡(luò)生理反應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，6 500 K熒光燈照明對人體心經(jīng)、脾經(jīng)等經(jīng)絡(luò)的影響最大，并且持續(xù)時間最長(開燈30 min后對人體仍有影響);其次是2 700 K光源，在開燈30 min后對人體影響消失;4 000 K光源影響時間最短，在開燈15 min后影響就快速消失。這就是說，高色溫光源(6 500 K熒光燈)照明對人體視覺疲勞和生理影響的恢復(fù)是不利的，而中間色溫光源(4 000 K熒光燈)照明時對人體生理影響較小，這與本文關(guān)于視覺作業(yè)前后生理指數(shù)變化的實驗結(jié)果一致。

2.3 光源光色與心理感受研究

關(guān)于光色的主觀心理評價，實驗之后對24名參與實驗的被試者詢問統(tǒng)計結(jié)果見圖6。

圖6 對三種光色的喜好選擇人數(shù)比率

可以看到，喜歡冷白色(光源色溫4 000 K)的最多，共15人，占62.5%;其次是白熾燈色(暖白色，光源色溫2 700 K)，共8人，占33.3%;最后是日光色(冷色，光源色溫6 500 K)，僅1人，占4.2%。也就說，從學(xué)生主觀心理感受來看，學(xué)生更偏好中間色溫(4 000 K)的光照，而最不喜歡高色溫(6 500 K)光源。

分析其原因是，多數(shù)被試者反映，日光色(6 500 K)光源輻射出的光與中午的太陽光差不多，感覺太亮、刺激和耀眼;有的甚至認(rèn)為，色溫6 500 K光源的教室照明環(huán)境，跟高考教室很像，讓人心理緊張。而Ejima·H等人在研究不同色溫光源對人體影響時也提到，被試者反映在高色溫光源下進行視覺作業(yè)時，“有太亮，眼發(fā)干，想閉上眼睛”的感覺。同時，部分被試者認(rèn)為白熾燈色光(2 700 K)跟家里學(xué)習(xí)環(huán)境很像，讓人放松;但部分被試者認(rèn)為白熾燈色光太昏黃，想睡覺。

而多數(shù)被試者認(rèn)為冷白色光(4 000 K)最合適，感覺比較舒服，適宜學(xué)習(xí)。這一結(jié)論與前面在光學(xué)實驗室完成的“識別時間與光源光色及亮度變化關(guān)系”的實驗結(jié)果吻合，被試學(xué)生在高亮度高色溫光源照明下，識別時間隨著背景亮度增高反而變慢。而Willoughby也認(rèn)為室內(nèi)照明，色溫4 000 K的光源對人體最為舒適。

3 小結(jié)

在真實教室照明環(huán)境下對學(xué)生視知覺心理感受、生理反應(yīng)和視覺功效的實驗分析、研究，進一步證實光源光色對人的視覺具有明顯的生物學(xué)效應(yīng)作用。

在不同色溫光源下的視覺作業(yè)績效實驗結(jié)果顯示，當(dāng)教室照度為《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的300 lx時，學(xué)生在中、高色溫(4 000 K，6 500 K)熒光燈照明下的視覺作業(yè)錯誤率低，校對速度快，腦力工作能力指數(shù)(IMC)高，學(xué)習(xí)效率高。同時，比較不同色溫光源下的視覺作業(yè)前后，人體血壓、脈搏、心率等生理指數(shù)的變化，可以看到，在中間色溫(4 000 K)熒光燈照明下血壓、脈搏的生理指數(shù)平均變化率最低，說明學(xué)習(xí)容易、輕松。對參與測試的學(xué)生詢問光源光色喜好，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)選擇冷白色光(色溫4 000 K)的最多，而喜歡日光色光(色溫6 500 K)的最少。

視知覺心理感受、生理反應(yīng)和視覺功效與光生物效應(yīng)作用相關(guān)。綜合上述學(xué)習(xí)效率(視覺功效)、生理反應(yīng)和主觀感受三方面的統(tǒng)計分析可以認(rèn)為，在確定大學(xué)教室照明的光源光色時，以選擇中間色溫(冷白色光，4 000 K左右)的熒光燈為宜。而目前一般教室采用的高色溫(日光色光，6 500 K左右)光源并不是最好的選擇。因此，適宜光色的教室照明對學(xué)生身心健康，提高視覺功效和學(xué)習(xí)效率具有重要影響。

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