梁樹英 楊 易 王文軒 傅三超 白玉柱 LIANG Shuying, YANG Yi, WANG Wenxuan, FU Sanchao, BAI Yuzhu

0 引言

教室是學(xué)生進行學(xué)習(xí)活動的重要場所，其大部分學(xué)習(xí)時間是在教室里度過的，教室光環(huán)境質(zhì)量的好壞不僅直接影響學(xué)生的視力健康，還對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、心理健康產(chǎn)生重要影響[1]。根據(jù)《建筑照明設(shè)計標準》GB50034的要求，教室課桌面的照度標準值為300 lx，美術(shù)教室桌面的照度標準值為500 lx。相對于傳統(tǒng)教室，設(shè)計類教室學(xué)生的座位更為固定、學(xué)習(xí)時間更長、學(xué)習(xí)行為模式更多樣，它是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)空間，也是每個設(shè)計專業(yè)學(xué)子的第二個家[2]。從本課題組前期的問卷調(diào)查中分析可知，學(xué)生在設(shè)計類教室中需開展方案匯報、交流討論、圖紙繪制、圖紙拷貝、模型制作與拍攝等專業(yè)活動。這意味著在設(shè)計類教室中，學(xué)生需進行近距離、長時間、高強度的視覺作業(yè)活動，視覺任務(wù)復(fù)雜且負荷大，面臨著更嚴重的視疲勞風(fēng)險[3]。但是，目前設(shè)計類教室還基本按照普通教室的光環(huán)境進行設(shè)計。同時，本課題組調(diào)查發(fā)現(xiàn)設(shè)計類專業(yè)學(xué)生對目前設(shè)計類教室的照度水平滿意度較低，說明普通教室300 lx的照度水平無法滿足其視覺要求。因此，對于設(shè)計類教室而言，確定其適宜的照度水平還需要進行更深入的研究。

研究表明，良好的照度水平不僅可以提高學(xué)生的舒適度，降低視疲勞，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而間接提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[4]。那紅宇等[5]通過大山正曾的實驗研究，總結(jié)提出照度對學(xué)習(xí)效率、視力有著重要的影響。保拉·里恰爾迪（Paola Ricciardi）[6]指出平均測量照度值與感知視覺舒適度密切相關(guān)。瓦萊里婭·德·朱利（Valeria De Giuli）等[7]通過調(diào)研威尼斯28間教室照明環(huán)境，并對614名學(xué)生進行心理影響評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)桌面照度不足是影響學(xué)生舒適度的重要因素。戈文·湯米（Govén Tommy）等[8]研究表明小學(xué)生的閱讀速度，寫作和算術(shù)水平在照度500 lx的照明環(huán)境下，均優(yōu)于標準照度300 lx的學(xué)習(xí)環(huán)境。何偉等[9]對室內(nèi)LED光照藍光進行測量分析，結(jié)果表明照度為3 000 lx時，LED藍光危害程度遠小于室內(nèi)天然采光，且較高照度有益于改善人們的室內(nèi)活動。楊春宇等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在適宜的照度范圍內(nèi)（不超過1 500 lx），隨著照度值的提高，學(xué)生腦疲勞程度在逐漸降低。毛鵬等[11]對10名受試者進行主觀感受調(diào)查以及認知能力測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低照度環(huán)境下，受試者的學(xué)習(xí)效率降低，消極情緒增加。既往研究大多基于傳統(tǒng)教室的照明需求來分析不同光環(huán)境對學(xué)生視覺舒適度和學(xué)習(xí)效率的影響，對行為模式多樣的設(shè)計類教室的光環(huán)境研究還需進一步探索。

為研究設(shè)計類教室適宜的照度水平，本研究在真實的設(shè)計類教室中安裝LED燈具，并在不同照度水平條件下進行視覺作業(yè)實驗，通過客觀生理指數(shù)測量、主觀心理感受問卷調(diào)查、視覺作業(yè)測試和面部表情視頻采集，分析不同照度水平條件下被試的生理指數(shù)變化率、主觀舒適度評價、作業(yè)績效和面部情緒，探討設(shè)計類教室不同照度水平與舒適度、學(xué)習(xí)效率之間的關(guān)系，為設(shè)計類教室的光環(huán)境研究提供參考和依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗設(shè)置

實驗在重慶大學(xué)B區(qū)第二綜合樓17樓建筑學(xué)專業(yè)設(shè)計教室進行。該教室長 11.74 m，寬10.4 m，高3.6 m，單側(cè)采光,裝有中央空調(diào)。教室內(nèi)采用18盞402-54W 4 000 K LED教育燈盤和2盞 4024MX-48W 4 000 K LED教育（消毒）燈盤，垂直黑板布置成4排5列，黑板上方布置3盞 5 000 K LED黑板燈，布置情況如圖1所示。教室內(nèi)各表面的反射比分別為：桌面反射比為0.52，黑板反射比為0.11，瓷磚反射比為0.50，墻面反射比為 0.54，窗簾反射比為 0.32。教室照明實際測量計算結(jié)果為：課桌面照度均勻度0.69，學(xué)生視點眩光值為15.06 UGR，光源色溫4 000 K，全部滿足《建筑照明設(shè)計標準》GB50034的要求。

圖1 實驗教室內(nèi)燈具布置情況Fig.1 lighting arrangement in the experimental classroom

為保證實驗正常進行和數(shù)據(jù)可靠，要求被試者生理參數(shù)穩(wěn)定，實驗依從性高，無眼部疾病等病理因素，年齡分布均在18—22歲之間，被試身體狀態(tài)良好，睡眠充足，且情緒穩(wěn)定。實驗選取重慶大學(xué)建筑系學(xué)生共計20名作為被試，最終14名學(xué)生完成了實驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的完整性和考慮男女比例，選擇其中12名被試的數(shù)據(jù)進行分析，其中男女各6人。所有被試在實驗前均被明確告知實驗流程及相關(guān)注意事項。

實驗于2022年3月進行，為期20天，為避免室外天然光的不穩(wěn)定性[12]對實驗的影響，每天均在晚上7:00—9:00進行實驗。為了研究被試在不同照度水平下學(xué)習(xí)效率和心理主觀舒適度的差異，根據(jù)國家標準和實驗教室LED可調(diào)范圍，選取了5種照度等級進行實驗，分別為125 lx、300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx。在實驗過程中盡量保證教室內(nèi)光照條件均勻[11]。通過手機APP調(diào)節(jié)照度，并用XYI-III全數(shù)字照度計測量實時照度，以保證實驗照度穩(wěn)定。實驗中，利用中央空調(diào)將室溫控制在 22～26 ℃，并保持實驗教室安靜無噪聲。

1.2 實驗數(shù)據(jù)采集

1.2.1 主觀評價調(diào)查

主觀問卷由三部分組成：第一部分為被試的基本信息；第二部分為主觀舒適度評價，綜合考慮明亮感、疲勞感、顯色性、放松感和愉悅感這5個指標，并分為“-2～2”5個評分等級，即“不明亮～明亮”“疲勞～不疲勞”“失真～不失真”“不放松～放松”“不愉悅～愉悅”，得分越高，主觀舒適度越好，反之，主觀舒適度越差；第三部分為學(xué)習(xí)狀態(tài)自我評價，是被試對學(xué)習(xí)熱情和效率的主觀自我評價，采用七級李克特式量表計分[13]，分數(shù)越高，代表學(xué)習(xí)狀態(tài)越好。

1.2.2 生理指數(shù)測試

實驗前后的生理指標參數(shù)包括血壓、體溫和心率。使用手腕式自動血壓儀 PG-800A3測試心率和血壓變化，非接觸式體溫計測試體溫變化。以上生理指數(shù)測量儀器均測量簡單快速，讀數(shù)直觀。由于實驗主要考察同一被試在實驗前后的各項生理指數(shù)的變化情況，因而也可以排除儀器誤差[14]。

1.2.3 面部表情視頻采集

情緒是影響心理健康的重要原因之一[15]，研究表明合理的教室照明對調(diào)節(jié)學(xué)生情緒具有積極作用[16]。實驗中利用攝像頭采集被試全程的面部視頻數(shù)據(jù)，再使用面部表情分析系統(tǒng)（FaceReader）對面部表情視頻圖像進行心理狀態(tài)分析，捕捉被試的情緒變化。通過系統(tǒng)分析，可以從心理角度對不同照度水平下被試的情緒變化進行評估和對比。

1.2.4 作業(yè)績效提取

本實驗以心理學(xué)領(lǐng)域的研究成果為基礎(chǔ)，以效度、信度和難度為準則，選取了3項具有代表性且認可度高的測試項目，即指針表辨認測試、一般注意力測試和斯特普魯字色干擾測驗來進行學(xué)習(xí)效率測試。

首先是指針表辨認測試，試卷由8個方向一共160個箭頭組成，實驗過程中由實驗者指定任意2個方向的箭頭，被試將指定的2個箭頭勾選出來。其次是一般注意力測試，被試按照順序在100個打亂順序的數(shù)字中，找出15個連續(xù)數(shù)字。最后是斯特普魯字色干擾測驗，測試時要求被試盡快而準確說出文字的顏色。整個測試過程用時約15 min。

為避免被試對測試的熟練程度不同引起的結(jié)果偏差，要求被試全程參與本研究實驗，并在正式實驗前參與一次前期培訓(xùn)和操作練習(xí)，以保證充分掌握測試的流程和所有測試題型。每個測試項目用準確率（accuracy/AC）、反應(yīng)時間（reaction time/RT）和綜合績效（performance indicator/PI）來評價。

1.3 實驗流程設(shè)計

實驗開始前10 min 將LED 開啟以保持光環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)。調(diào)節(jié)LED到指定照度水平，被試先進行5 min的光環(huán)境適應(yīng)。在此期間，對被試的血壓、心率、體溫進行測量和記錄。適應(yīng)后發(fā)放視覺作業(yè)量表，開始進行認知能力答題測試，其中認知能力測試題每道題都需要工作人員獨立計時并記錄在冊。被試在完成視覺作業(yè)后，填寫該照明水平下的主觀評價問卷，再對其完成視覺作業(yè)后的血壓、心率、體溫進行測量和記錄。在實驗過程中，利用攝像頭采集被試在進行視覺作業(yè)時全程的面部數(shù)據(jù)。單次實驗的總時長約為20 min。完成該照度水平下的實驗后，隨機調(diào)節(jié)到另一照度水平，在被試閉眼休息10 min后[17]，工作人員會根據(jù)里奇奇·克萊爾（Rechichi Clair）等人提出視疲勞的10個主訴癥狀（眨眼、畏光、眼癢、視物模糊、復(fù)視、眼沉重、眼刺痛、流淚、惡心、頭痛）[18]，對被試的視疲勞狀態(tài)進行評估，保證被試已充分緩解視覺疲勞后，再進行下一個單次實驗，直到完成該被試的5個單次實驗。實驗照明場景如圖2所示，單次實驗流程如圖3所示。

圖2 實驗照明場景圖Fig.2 experimental lighting scene diagram

圖3 單次實驗路程設(shè)計圖Fig.3 design diagram of single experiment distance

2 實驗結(jié)果與分析

全部實驗完成后在整理的過程中手動剔除存在較大誤差的數(shù)據(jù)，然后對所有數(shù)據(jù)進行整合匯總[19]。12名被試分別在5種不同的實驗條件下進行實驗，共收集到有效數(shù)據(jù)60組。每組數(shù)據(jù)包含實驗過程中收集的3種生理指數(shù)變化數(shù)據(jù)2次，3種作業(yè)績效數(shù)據(jù)3組，面部表情數(shù)據(jù)一次和主觀問卷數(shù)據(jù)一次，采用Excel和SPSS軟件處理和分析統(tǒng)計以上實驗的數(shù)據(jù)。

2.1 生理指數(shù)變化分析

對被試完成視覺作業(yè)前后的血壓和心率的生理指數(shù)實驗數(shù)據(jù)求平均值，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%[20]，得到在5種照度水平下，視覺作業(yè)前后生理指數(shù)變化平均值及變化率如表1和圖4所示。

表1 五種照度LED燈下視覺作業(yè)前后生理指數(shù)變化Tab.1 changes of physiological index before and after visual operation under fivekinds of illumination LED lights

圖4 五種照度水平下生理指數(shù)平均變化率比較Fig.4 comparison of the average change rate of physiological index under five different illumination levels

從圖4可以看出，完成視覺作業(yè)前后，各照度水平對體溫?zé)o明顯影響，對血壓和心率影響較為明顯。在300 lx的照度水平下，血壓和心率的平均變化率最大；在1 000 lx照度水平下，血壓和心率的平均變化率較大；在125 lx和500 lx照度水平下，血壓和心率的平均變化率接近，但相對來說，在125 lx的照度水平下平均變化率較?。辉?50 lx照度水平下，血壓和心率的平均變化率最小。

此外，無論在哪種照度水平下，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[21]。變化率越小，說明被試在這種環(huán)境下越放松。因此，本實驗從生理指數(shù)變化率的角度分析，在設(shè)計類專業(yè)教室，學(xué)生在750 lx的照度水平下學(xué)習(xí)最放松。

2.2 作業(yè)績效測試分析

對被試完成斯特普魯字色干擾測驗、指針表辨認測試和一般注意力測試的準確率（AC）、反應(yīng)時間（RT）和綜合績效（PI）求平均值。其中綜合績效（PI）=準確率（AC）/反應(yīng)時間（RT），得到在五種照度水平下的測試績效平均值，計算結(jié)果如表2所示、差異比較如圖5-7所示。

表2 五種照度水平下作業(yè)績效結(jié)果Tab.2 performance results under five levels of illumination

圖5 五種照度水平下視覺作業(yè)準確率比較Fig.5 comparison of visual operation accuracy under five different illumination levels

從圖5、圖6和圖7可以看出，在實驗照度范圍內(nèi)，隨著照度升高，視覺作業(yè)準確率和綜合績效先升后降，產(chǎn)生反應(yīng)時間先降后升。在125 lx的照度水平下，視覺作業(yè)準確率和綜合績效最低，產(chǎn)生反應(yīng)時間最長。在750 lx的照度水平下，視覺作業(yè)準確率最高。在500 lx的照度水平下，產(chǎn)生反應(yīng)時間最短，綜合績效最高。說明在設(shè)計類專業(yè)教室光環(huán)境方面可以通過提高照度的方式來提高學(xué)習(xí)效率。但是該方式有一定限制，當(dāng)照度升高到750 lx時，視覺作業(yè)綜合績效會出現(xiàn)小幅度下降 ，反應(yīng)時間加長。當(dāng)照度升高到1 000 lx時，視覺作業(yè)準確率會出現(xiàn)一定程度的下降?？赡苁且驗楦哒斩葧稚⑷说淖⒁饬ΓM而影響學(xué)習(xí)效率。邊恭敏（Byoung-Kyong Min）等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)的注意力任務(wù)中，較高的光照會產(chǎn)生更長的反應(yīng)時間,會導(dǎo)致人的注意力受到影響。

圖6 五種照度水平下視覺作業(yè)反應(yīng)時間比較Fig.6 comparison of visual task response time under five different illumination levels

圖7 五種照度水平下視覺作業(yè)綜合績效比較Fig.7 comparison of performance indicator of visual homework under five different illumination levels

因此，從視覺作業(yè)的準確率、反應(yīng)時間和綜合績效分析，在一定照度范圍內(nèi)，提高照度水平有益于學(xué)習(xí)任務(wù)的效率提高。在設(shè)計類專業(yè)教室，學(xué)生在500 lx和750 lx的照度水平下學(xué)習(xí)效率更高。

2.3 面部表情評價分析

FaceReader（Noldus）是一款用于面部表情分析的專業(yè)軟件，軟件將面部復(fù)雜肌肉分為27個區(qū)域模塊，通過增加深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural network）的算法，可得出高興、悲傷、憤怒、驚訝、害怕、厭惡和中性這七種基本情緒判斷。除這些基本情緒判斷外，還能分析表情效價、喚醒度、頭部朝向以及面部動作單元活動等參數(shù)[23]。同時，還能分析被試的綜合心境（平靜/緊張，痛苦/愉悅）、次級情緒（尷尬、內(nèi)疚、嫉妒、驕傲、羞恥）和復(fù)合情緒（驚喜）等。FaceReader的工作流程分為三部分：面部定位、面部建模和面部分類。本次實驗對被試進行面部表情視頻采集后，通過FaceReader對視頻圖像自動分析被試面部表情的變化，根據(jù)內(nèi)置算法可自動求得被試在設(shè)計類專業(yè)教室內(nèi)不同照度水平下情緒的變化趨勢和情緒占比，其分析過程如圖8-9所示，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示。

表3 五種照度水平下情緒占比平均值Tab.3 average results of emotional proportion under five different illumination levels

圖8 面部表情分析情況Fig.8 analysis of facial expression

圖9 FaceReader工作流程圖Fig.9 FaceReader workflow flowchart

從表3可以看出，在1 000 lx的照度水平下，代表舒適的愉快情緒占比最大，其次是500 lx。當(dāng)照度低于500 lx，代表不舒適的厭惡情緒無明顯變化，當(dāng)照度升高到750 lx時，厭惡情緒占比下降到最低。說明在設(shè)計類專業(yè)教室，照度保持在較高水平有益于正面情緒[24]，改善學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。趙虎等[25]研究表明光照能影響與情緒高度相關(guān)的激素分泌，進而影響人的情緒與精神狀態(tài)，合理的照度可對人的情緒改善起到積極作用。

2.4 主觀感受評價分析

完成視覺作業(yè)之后對12名被試進行主觀感受問卷調(diào)查，第一部分是關(guān)于主觀舒適度評價，其統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。

圖10 主觀舒適度隨照度變化規(guī)律Fig.10 variation of subjective comfort with illumination

從圖10可以看出，在實驗照度范圍內(nèi)，隨著照度升高，主觀舒適度越來越好。說明對于主觀舒適度來說，高照度要優(yōu)于低照度。為識別影響上述主觀舒適度評價的具體因素和照度之間的關(guān)系，保證主觀數(shù)據(jù)的準確性，利用Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗方法分析照度與學(xué)生在設(shè)計類專業(yè)教室主觀舒適度之間的關(guān)系，如表4所示。

表4 照度對主觀感受的影響Tab.4 influence of illumination on subjective feeling

由表4可知，明亮感、疲勞感和愉悅感明顯受照度的影響（P＜0.05），其中明亮感和愉悅感與照度顯著相關(guān)（P＜0.001）。隨照度升高，明亮感呈遞增趨勢，愉悅感在750 lx的照度水平下有顯著提升。因此，從主觀感受來看，在設(shè)計類專業(yè)教室，學(xué)生更偏好在750 lx的照度水平下進行學(xué)習(xí)。

第二部分是對學(xué)習(xí)狀態(tài)的主觀評價，發(fā)現(xiàn)不同照度對學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)有顯著影響（P＜0.05），具體如表5所示。

表5 照度對學(xué)習(xí)狀態(tài)自我評價的影響Tab.5 influence of illumination on self-evaluation of learning state

隨照度升高，學(xué)習(xí)狀態(tài)先升后降。在125 lx的照度水平下，學(xué)習(xí)狀態(tài)最差。在750 lx的照度水平下，學(xué)習(xí)狀態(tài)最好。當(dāng)照度升高至1 000 lx時，學(xué)習(xí)狀態(tài)出現(xiàn)小幅度下降，但相對于125 lx和300 lx有所改善。說明在設(shè)計類專業(yè)教室，良好的光環(huán)境有益于學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的提高。

3 結(jié)論與展望

本研究基于設(shè)計類專業(yè)教室照明效果現(xiàn)狀，設(shè)計了五種不同LED照度水平的教室照明環(huán)境，對12名重慶大學(xué)建筑系學(xué)生進行主觀評價調(diào)查、生理指標測試、面部采集和作業(yè)績效測試實驗，得到設(shè)計類專業(yè)教室不同照度水平對學(xué)生舒適度和學(xué)習(xí)效率的影響作用。主要結(jié)論如下所示。

第一，比較不同照度水平下，完成視覺作業(yè)前后的人體血壓、心率等生理指數(shù)的變化，可以看到，在750 lx的照度水平下，血壓和心率的平均變化率最低，說明學(xué)習(xí)狀態(tài)最輕松。

第二，隨著照度升高，視覺作業(yè)準確率和綜合績效先升后降，產(chǎn)生反應(yīng)時間先降后升。在500 lx照度水平下，產(chǎn)生反應(yīng)時間最短，綜合績效最高。在750 lx的照度水平下，視覺作業(yè)準確率最高。說明設(shè)計類專業(yè)教室在一定照度范圍內(nèi)，可以通過提高照度的方式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，但不超過1 000 lx為宜。

第三，照度保持在較高水平，有益于改善學(xué)生情緒。在1 000 lx的照度水平下，愉快情緒占比最大，其次是500 lx。在750 lx的照度水平下，厭惡情緒占比最小。

第四，在主觀舒適度和學(xué)習(xí)狀態(tài)兩項評價中，隨照度的提高，學(xué)生的主觀舒適度越好，主要是明亮感和愉悅感受照度影響顯著；隨照度升高，學(xué)習(xí)狀態(tài)主觀評價先升后降，在750 lx的照度水平下最高，到1 000 lx逐漸下降。說明在設(shè)計類專業(yè)教室，學(xué)生更偏好于在較高照度下學(xué)習(xí)。

因此，在設(shè)計類專業(yè)教室的光環(huán)境營造中，需要在普通教室的照度水平上適當(dāng)提高，以750 lx的照度水平為宜，可以進一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和舒適度。相關(guān)研究表明，教室照明光源色溫為4 000 K時，學(xué)生狀態(tài)最為舒適[21]。本研究中，實驗采用4 000 K色溫的光源，實驗燈具按4×5排列均勻布置，內(nèi)置擋光格柵，提高了照度均勻度，減少了眩光對實驗的影響，避免了LED光線直射和燈光在桌面上形成陰影的問題。另外，本文僅從照度變化，對學(xué)生紙質(zhì)作業(yè)時的學(xué)習(xí)狀態(tài)和同向式布局的設(shè)計類專業(yè)教室進行了初步實驗，而設(shè)計類專業(yè)教室的空間布置和學(xué)生學(xué)習(xí)模式多樣，后續(xù)研究工作還需要從以下兩個方面深入展開：一是結(jié)合不同的行為模式改變設(shè)計類專業(yè)教室的空間布局，驗證照度對學(xué)生不同學(xué)習(xí)模式的學(xué)習(xí)效率和舒適度的影響；二是進一步研究光源的照射方向、色溫以及布置方式等對設(shè)計類專業(yè)教室學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和舒適度的影響。因此，有關(guān) LED 照明環(huán)境下設(shè)計類教室學(xué)習(xí)效率和舒適度的問題還有待進一步深入研究和探討。

圖表來源：

圖1、3-7、9-10：作者繪制

圖2、8：作者拍攝

表1-5：作者繪制