不同光色教室照明環境下的視覺功效研究

黃海靜，陳 綱

(重慶大學建筑城規學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶400045)

0 引言

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

神經生理功能和心理狀態影響學生學習的效率，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，眼睛的調節強度也更高。如果照明環境不當，視知覺活動時人體的瞳孔和血壓、脈搏、心率等生理指數就會發生不適性變化，產生視覺疲勞，并引起腦力工作能力下降，導致視覺作業績效的降低(如作業錯誤率增加、完成速度減慢、質量降低等)。

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

1 實驗設計

實驗教室利用現有的重慶大學建筑城規學院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生的學習環境貼近一致，保證學生實驗時因環境熟悉而心態放松，生理指標反應更為真實。

以《建筑照明設計標準》規定的教室照明300 lx照度標準值為依據，通過計算確定教室照明數量及布局，教室內垂直黑板布置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《標準》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，以此構成三種照度相同、光源色溫不同的教室照明環境(見圖1)。

表1 三種色溫熒光燈的基本參數

圖1 視覺功效實驗的教室照明環境布置圖

實驗對象選擇在校大學生(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到1.0，且無眼部疾病和其他病理因素，以保證實驗正常、數據可靠。實驗時根據教室大小、燈具排列合理布置座位，將學生分成兩組進行，每次12人/組同時測試。

3種視覺作業材料各準備四套，采用“黑營隨機碼生成器”編輯軟件隨機生成，難易程度一致。視覺作業材料用A4紙統一打印，一套作為作業樣本，另三套配合學生在3組不同光源色溫的照明環境下作業時使用，以避免因內容重復帶來的熟悉程度不同，而造成作業完成速度和錯誤率不準確的人為干擾因素。

1.1 視覺作業績效實驗

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

參考“學習疲勞測定方法”，采用視覺作業績效的測定方法。具體如下:在規定的時間(2 min)內進行劑量視覺作業的校核任務，對被試者完成的視覺作業錯誤率(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(IMC)進行統計、分析，判斷大腦皮層的功能狀態和視覺功效。校對的平均速度和平均錯誤率反應了被試者完成視覺作業的精確度及效率。腦力工作能力指數(IMC)是腦力工作能力的評價指標，腦力工作能力是大腦皮質高級神經活動的反映，它直接影響著學習效率。

根據心理學研究方法，劑量作業測定可采用校字法、校數字法、校圖形法和心算法等，本次視覺作業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功能特性的常用心理學方法，由大量字母隨機組成，測試時要求被試者在規定時間內從表中劃去指定的字母。第二種是“數字辨識——數字校對表”，數字校對表由左右兩隊數字組成，要求被試者從表中找出不同的項并標出不同的數字。第三種是“圖形辨識——郎道爾環核對表”，郎道爾環(“C”環)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隨機組成，要求被試者從表中劃去與目標環開口方向相同的項。

通過對學生完成視覺作業的速度、錯誤率和腦力工作指數的統計，取其平均值進行比較，分析研究不同光色的光源照明對學習效率的影響。

1.2 生理指標測試實驗

人體處于不同環境、不同活動狀態時，血壓、脈搏、心率、呼吸、內分泌量等各項生理指數均會發生相應的變化。影響血壓、脈搏、心率等生理指數波動的因素很多，主要包括季節性波動(如寒冷環境會使血壓暫時升高);生理節律波動(如褪黑激素分泌導致休息、睡眠時血壓降低);應激性波動(如情緒激動、精神緊張、機體處于應激狀態時引起心跳加快，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，在不同照明環境下的視知覺活動也會反應出不同的生理效應。通過比較在不同色溫光源下的視覺活動時，人體血壓、脈搏、心率等生理指數的變化，能統計分析出照明環境對視知覺生理的影響和作用。

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

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

2 視覺功效研究

2.1 光源光色與學習效率研究

實驗數據的統計分析采用Excel軟件完成。其中，校對錯誤率=(錯漏個數/閱字個數)×100%;校對速度=閱字個數/2 min;腦力工作能力指數(IMC)=(閱字數/2)×［(應刪數-錯刪數)/應刪數］。

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

表2 三種色溫熒光燈下視覺作業績效結果

在三種色溫熒光燈下，學生完成視覺作業的校對錯誤率、校對速度和腦力工作能力指數(IMC)的比較如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 三種色溫熒光燈下校對平均錯誤率比較

圖3 三種色溫熒光燈下校對平均速度比較

圖4 三種色溫熒光燈下腦力工作能力指數比較

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，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(IMC)最低。在色溫6 500 K的熒光燈照明條件下，視覺作業的平均錯誤率都最低，視覺作業的平均校對速度最快，且視覺作業的腦力工作能力指數(IMC)最高。色溫4 000 K熒光燈時三項視覺作業統計結果都居中，且與色溫6 500 K熒光燈時的數值接近。

因此，從視覺作業錯誤率、校對速度和腦力工作能力指數(IMC)的角度分析，在目前《標準》規定的300 lx照度下，大學生在中、高色溫(4 000 K，6 500 K)的熒光燈照明條件下的學習效率更高。

2.2 光源光色與生理反應研究

生理指數變化率=(作業前后的生理指數變化差值/作業前的生理指數)×100%，根據被試者完成視覺作業前后的血壓、脈搏的生理指數實驗數據統計，對所有實驗數據求平均值，得到在三種色溫熒光燈下，視覺作業前后生理指數變化平均值及變化率如表3、圖5所示。

表3 三種色溫熒光燈下視覺作業前后生理指數變化

圖5 三種色溫光源下生理指數平均變化率比較

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前后，血壓、脈搏的生理指數平均變化率都最大;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，這與人在緊張應急狀態下的正常生理反應機制是一致的。因此，從本實驗中生理指數變化的角度分析，照度為300 lx時學生在中間色溫(4 000 K)熒光燈照明條件下學習最放松。

這一結論與Inoue關于光源色溫對人體中樞神經系統生理功能影響的結論吻合。Inoue研究發現在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，易產生視疲勞。

此外，對于在不同色溫光源下，較長時間學習時的生理變化也有相關研究。臺灣的王為等人以臺灣成功大學的學生為實驗對象，通過在不同光源色溫(2 700 K，4 000 K和6 500 K熒光燈)下，學生在30 min時間內持續學習時的人體經絡生理反應的研究發現，6 500 K熒光燈照明對人體心經、脾經等經絡的影響最大，并且持續時間最長(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，這與本文關于視覺作業前后生理指數變化的實驗結果一致。

2.3 光源光色與心理感受研究

關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計結果見圖6。

圖6 對三種光色的喜好選擇人數比率

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，從學生主觀心理感受來看，學生更偏好中間色溫(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;有的甚至認為，色溫6 500 K光源的教室照明環境，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時，“有太亮，眼發干，想閉上眼睛”的感覺。同時，部分被試者認為白熾燈色光(2 700 K)跟家里學習環境很像，讓人放松;但部分被試者認為白熾燈色光太昏黃，想睡覺。

而多數被試者認為冷白色光(4 000 K)最合適，感覺比較舒服，適宜學習。這一結論與前面在光學實驗室完成的“識別時間與光源光色及亮度變化關系”的實驗結果吻合，被試學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也認為室內照明，色溫4 000 K的光源對人體最為舒適。

3 小結

在真實教室照明環境下對學生視知覺心理感受、生理反應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效應作用。

在不同色溫光源下的視覺作業績效實驗結果顯示，當教室照度為《標準》規定的300 lx時，學生在中、高色溫(4 000 K，6 500 K)熒光燈照明下的視覺作業錯誤率低，校對速度快，腦力工作能力指數(IMC)高，學習效率高。同時，比較不同色溫光源下的視覺作業前后，人體血壓、脈搏、心率等生理指數的變化，可以看到，在中間色溫(4 000 K)熒光燈照明下血壓、脈搏的生理指數平均變化率最低，說明學習容易、輕松。對參與測試的學生詢問光源光色喜好，統計發現選擇冷白色光(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、生理反應和視覺功效與光生物效應作用相關。綜合上述學習效率(視覺功效)、生理反應和主觀感受三方面的統計分析可以認為，在確定大學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生身心健康，提高視覺功效和學習效率具有重要影響。

［1］郝曉鳴，黃水群等.某高校近視學生腦力工作能力特征分析［J］.中國學校衛生，2008，29(10)

［2］葉廣俊.兒童少年衛生學(第4版)［M］.北京:人民衛生出版社，2001

［3］GB50034-2004建筑照明設計標準［S］.北京:中國建筑工業出版社.2004，5:9～10，17

［4］李小寒，尚少梅主編.基礎護理學——全國高等學校教材(第4版)［M］.北京:人民衛生出版社，2006

［5］KOBAYASH I H，SATO M.Physiological responses to illuminance and color temperature of lighting［J］.Ann Physiology Anthropology，1992，11(1)

［6］Ejima H，YasukouchiA.The Effects of Color Temperature of Lighting Sources on Relationship between Postural Way and Arousal Level during VTD Task ［J］.J App l Human Sci，1998，17(2):85

［7］王為，江哲銘等.應用良導絡量測評估色溫度對人體生理反應之影響［J］.建筑學報，2006，9(57):161～180

［8］石路.照明光源色溫對人體中樞神經生理功能的影響［J］.人類工效學，2006，6，12(2):59 ～61

［9］黃海靜.大學教室照明中的光生物效應研究［D］.重慶:重慶大學博士論文，2010:2～5，51～60

［10］Kelly J R，Barsade S G.Mood and Emotions in Small-Groups and Work Teams［J］.Organizational Behaviorand Human Decision Processes，2001，86(1):99 ～130