秋冬季節(jié)不同LED照明環(huán)境下的學(xué)習(xí)效率變化

楊春宇，汪統(tǒng)岳，向奕妍，胡 皓

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

秋冬季節(jié)不同LED照明環(huán)境下的學(xué)習(xí)效率變化

楊春宇1,2，汪統(tǒng)岳1,2，向奕妍1,2，胡 皓1,2

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

秋冬季節(jié)日照缺乏，導(dǎo)致學(xué)生情緒低落、學(xué)習(xí)效率下降，通過人工照明可以有所緩解。在實(shí)驗(yàn)室模擬教室照明，選取三種典型色溫(4 000 K、5 000 K、6 500 K)和六種照度(500 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、2 500 lx、3 000 lx)組成18種光環(huán)境，分析被試在不同光環(huán)境下的學(xué)習(xí)效率和疲勞程度及其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：色溫對(duì)綜合腦力工作指數(shù)的變化率影響最大，其次是照明時(shí)間，然后是照度；5 000 K色溫下，IMC指數(shù)的提升效果最明顯；IMC指數(shù)的變化率隨照度和時(shí)間的提高都先增加后減少，在2 000 lx和1.5h附近達(dá)到峰值；最佳的色溫和照度組合為5 000 K和2 000 lx，最佳的照度和時(shí)間組合為2 000 lx和1.5h；色溫越高，負(fù)面情緒越多；2 000 lx以內(nèi)照度越高，作業(yè)效率越高，超過2 000 lx以后，作業(yè)效率降低；光照時(shí)間越長(zhǎng)，疲勞越嚴(yán)重。

LED；教室照明；學(xué)習(xí)效率；色溫；照度

引言

日照與人體健康密切相關(guān)，光照的缺乏會(huì)影響人的心理和生理健康，如季節(jié)性情緒障礙(SAD)和學(xué)習(xí)效率低下等問題[1]。秋冬季節(jié)變化，許多學(xué)生不能適應(yīng)日照減少，而影響情緒和學(xué)習(xí)效率，且大學(xué)生是容易受到季節(jié)性情緒波動(dòng)影響的群體[2]。如何利用人工照明環(huán)境來緩解抑郁情緒、提高工作效率成為研究的焦點(diǎn)[3]。研究表明5 000 K左右的光環(huán)境下被試辨色能力最強(qiáng)[4]；女性被試在6 500 K時(shí)辨別力最好，男性被試在5 500 K時(shí)最好[5]；色溫和照度對(duì)學(xué)生作業(yè)的準(zhǔn)確率有直接影響，照度值大于500 lx的光環(huán)境下學(xué)生的視覺作業(yè)效率較高[6]；高色溫條件下學(xué)生的視覺任務(wù)工作效率都高于低色溫，但學(xué)生在低色溫下具有更高的喜好性[7]；有學(xué)者利用人眼瞳孔大小和識(shí)別時(shí)間建立了光生物效應(yīng)下教室照明的回歸模型，發(fā)現(xiàn)4 000 K熒光燈下瞳孔變化率和生理指數(shù)變化率小，視覺作業(yè)最舒適[8]；中間色溫?zé)晒鉄粼谇‘?dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)可對(duì)學(xué)生產(chǎn)生良性刺激,對(duì)大腦起到“喚醒”或“放松”的作用,達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率、緩解疲勞的效果，而高、低色溫?zé)晒鉄舻淖饔脛t相反[9]；教室光環(huán)境的選擇，應(yīng)考慮學(xué)習(xí)的長(zhǎng)期性、高負(fù)荷等特點(diǎn)和“時(shí)間累積”效應(yīng)的綜合影響[10]；LED的發(fā)光原理和光譜特征與傳統(tǒng)光源不同，適用于室內(nèi)照明的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善[11]，其色溫、照度和時(shí)間累積對(duì)教室照明舒適度和學(xué)習(xí)效率的影響仍待研究。故選取不同色溫的LED燈具，營(yíng)造不同的照度條件，比較被試者在不同光環(huán)境下的學(xué)習(xí)效率及其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過實(shí)驗(yàn)室模擬教室照明環(huán)境，讓志愿者在不同色溫和照度條件下的光環(huán)境中學(xué)習(xí)一段時(shí)間后，通過劑量作業(yè)法，采用安菲莫夫字母識(shí)別表、數(shù)字校對(duì)表和朗道爾環(huán)核對(duì)表，測(cè)定其綜合腦力工作能力指數(shù)(IMC)來評(píng)價(jià)視覺功效[12]，使用卡羅林斯卡警覺度分類表[13](KSS)和鄧迪壓力狀態(tài)量表[14](DSSQ)來評(píng)判志愿者的主觀心理感受，綜合評(píng)價(jià)不同色溫和照度的光環(huán)境及光照時(shí)間對(duì)學(xué)習(xí)效率的影響，為下一步的生理、生化指標(biāo)的定量分析奠定基礎(chǔ)。通過人工照明的方式來彌補(bǔ)天然光,打破了人對(duì)所處光氣候區(qū)的適應(yīng)性，可能造成生理和生化指標(biāo)的變化，有待深入研究[15]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選用全析因?qū)嶒?yàn)方法，將3種色溫、6種照度和6種光照時(shí)間交叉組合，形成108個(gè)實(shí)驗(yàn)組。除了研究三個(gè)自變量因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響外，還要分析因素間的交互作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，通過方差分析、單獨(dú)效應(yīng)分析、交互效應(yīng)和極差分析，篩選出最佳的照明環(huán)境組合。我國(guó)教室照明的工作面照度標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx，推薦采用中間色溫(3 300 K～5 300 K)[16]；目前大多采用6 000 K以上色溫的冷白光，這與長(zhǎng)期的使用偏好和追求高光效有關(guān)；國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)要求更高，日本照明學(xué)會(huì)規(guī)定照度標(biāo)準(zhǔn)值為500 lx，色溫宜在4 000 K以上；CIE標(biāo)準(zhǔn)要求色溫不低于4 000 K，部分空間要求達(dá)到6 500 K；故將實(shí)驗(yàn)燈具色溫限定在4 000～6 500 K，選取4 000 K、5 000 K和6 500 K三種色溫。為滿足秋冬季節(jié)補(bǔ)充光照的心理需求，選取500 lx為最低照度值。視覺功效在一定范圍內(nèi)隨著照度的升高而提高，照度達(dá)到某臨界點(diǎn)后，人眼靈敏度反而下降，實(shí)驗(yàn)?zāi)M教室照明環(huán)境，照度不宜過高，故限定在3 000 lx以內(nèi)，等距選取了500、1 000、1 500、2 000、2 500 lx和3 000 lx六種照度水平。通過學(xué)生的行為模式問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，63.6%的學(xué)生連續(xù)自習(xí)不會(huì)超過3個(gè)小時(shí)，所以每天的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為3 h，每隔半小時(shí)觀察志愿者的狀態(tài)變化。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2016年冬季，隨機(jī)對(duì)200名大學(xué)生志愿者進(jìn)行了季節(jié)行為模式問卷調(diào)查，初步選出由于季節(jié)變化導(dǎo)致情緒不佳、學(xué)習(xí)效率低下的學(xué)生，再用安菲莫夫量表進(jìn)行簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)效率測(cè)試，篩選出36名志愿者，男女各半。連續(xù)三天進(jìn)行生理信號(hào)檢驗(yàn)，觀察結(jié)果是否穩(wěn)定，由于女性生理周期導(dǎo)致生理指標(biāo)突變，故予以剔除，最終篩選出10名男性志愿者。分為兩組，交叉進(jìn)行照明實(shí)驗(yàn)，每組測(cè)試后休息一天。實(shí)驗(yàn)在綠色與健康照明實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，燈具選用同種型號(hào)的LED燈管，單只功率16 W，色溫分為4 000 K、5 000 K和 6 500 K三種。實(shí)驗(yàn)室采用黑色防火幕布分成單獨(dú)的隔間，每個(gè)隔間對(duì)應(yīng)一種照明環(huán)境，互不影響。志愿者每天14點(diǎn)開始實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行第一次劑量作業(yè)和疲勞主觀測(cè)試，完成后進(jìn)入對(duì)應(yīng)隔間，開始自習(xí)，之后每半小時(shí)再進(jìn)行一次測(cè)試，17點(diǎn)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間可以閱讀和書寫，不允許使用手機(jī)、電腦等帶有輻射的設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 分析方法

志愿者的IMC指數(shù)由安菲莫夫字母識(shí)別表、數(shù)字校對(duì)表和朗道爾環(huán)核對(duì)表測(cè)量得到，分別計(jì)算出每種量表的IMC指數(shù)，見公式(1)，取其平均值作為該志愿者的IMC指數(shù)結(jié)果，再求出志愿者光照前后的IMC指數(shù)變化率，見公式(2)。KSS量表得分根據(jù)志愿者的選項(xiàng)得分直接匯總得出，DSSQ量表分為任務(wù)參與度得分、負(fù)面情緒得分和干擾得分三部分(見表1)。

式中η為IMC指數(shù)，η1、η2分別為光照前、后IMC指數(shù)，ε為IMC指數(shù)變化率，t為任務(wù)時(shí)間，N1、N2、N3分別為閱字個(gè)數(shù)、應(yīng)刪字?jǐn)?shù)、錯(cuò)刪字?jǐn)?shù)。

表1 KSS量表、DSSQ量表的作用及分值含義

根據(jù)志愿者算出的IMC指數(shù)變化率、KSS量表得分和DSSQ量表得分，利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、單獨(dú)效應(yīng)分析、交互效應(yīng)分析和極差分析，判斷色溫、照度和照明時(shí)間這些因素的顯著性及對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響力，篩選最優(yōu)的照明環(huán)境。

2.2 數(shù)據(jù)討論

2.2.1 IMC指數(shù)變化率分析

對(duì)算出的IMC指數(shù)變化率各組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)后，再進(jìn)行單因變量多因素方差分析。除色溫與照明時(shí)間的交互作用外(p>0.05)，色溫、照度、照明時(shí)間、色溫與照度的交互作用和照度與照明時(shí)間的交互作用對(duì)IMC指數(shù)變化率均有顯著性影響(p<0.05)。

分別對(duì)影響IMC指數(shù)變化率的三個(gè)因素進(jìn)行單獨(dú)效應(yīng)分析，繪制出IMC指數(shù)變化率隨色溫、照度和照明時(shí)間的變化趨勢(shì)圖(見圖1～圖3)。總體而言，色溫和照度對(duì)IMC指數(shù)均有提升作用，照明時(shí)間除3 h外，2.5 h以內(nèi)都是積極作用；三個(gè)因素對(duì)IMC指數(shù)變化率的影響力都是先增大再減少，色溫在5 000 K附近、照度在2 000 lx附近、照明時(shí)間在1.5 h附近時(shí)，IMC指數(shù)變化率達(dá)到峰值；6 500 K的色溫和3 000 lx的照度條件下，IMC指數(shù)的提高效果并不明顯，照明時(shí)間超過2.5 h后，IMC指數(shù)反而下降，視疲勞嚴(yán)重，在實(shí)際照明運(yùn)用中應(yīng)避免。

圖1 IMC指數(shù)變化率隨色溫的變化趨勢(shì)圖Fig.1 Curve：the variation tendency of IMC index varying with color temperature

圖2 IMC指數(shù)變化率隨照度的變化趨勢(shì)圖Fig.2 Curve：the variation tendency of IMC index varying with illumination

圖3 IMC指數(shù)變化率隨照明時(shí)間的變化趨勢(shì)圖Fig.3 Curve：the variation tendency of IMC index varying with lighting time

實(shí)驗(yàn)測(cè)出的IMC指數(shù)變化最佳的燈組為5 000 K色溫和1 500 lx照度的環(huán)境，照明1.5 h的時(shí)候IMC指數(shù)變化率最高；這跟單因素分析的結(jié)論有所出入，因?yàn)樯珳嘏c照度和照明時(shí)間還存在著交互作用，主要是色溫與照度的交互作用和照度與照明時(shí)間的交互作用對(duì)IMC指數(shù)變化率有顯著性影響。對(duì)比不同色溫和照度條件下，剔除照明時(shí)間因素的影響后IMC指數(shù)變化率的估算邊際均值(見表2)，5 000 K色溫和2 000 lx照度條件下，IMC指數(shù)的提升效果最好，其次是4 000 K色溫和2 000 lx照度的燈組；5 000 K色溫的燈組，除1 000 lx照度外，對(duì)IMC指數(shù)的提高最顯著，而6 500 K色溫與各照度的燈組始終最差；3 000 lx照度與各色溫的組合對(duì)IMC指數(shù)的提高也不明顯，應(yīng)予避免。對(duì)比不同照度和照明時(shí)間下，剔除色溫因素的影響后IMC指數(shù)變化率的估算邊際均值(見表3)，2 000 lx照度條件下照明1.5 h，IMC指數(shù)最佳；整體而言，2 000 lx照度的效果最好，3 000 lx最差；1 h以內(nèi)，1 500 lx的效果最佳；3 000 lx高照度條件下，IMC指數(shù)上升最快，但1 h以后迅速下降；2 000 lx和2 500 lx照度條件下，IMC指數(shù)在1.5 h處達(dá)到峰值，而500 lx、1 000 lx和1 500 lx時(shí)，仍為1 h，故照明時(shí)間不宜超過1.5 h。

表2 IMC指數(shù)變化率隨色溫和照度的交互作用變化

極差是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中變異量數(shù)的最大值與最小值的差值，表示各因素對(duì)結(jié)果的影響力大小，可以判斷主次因素。通過對(duì)IMC指數(shù)變化率隨各因素及其交互作用的極差值分析(見圖4)，色溫的極差值最大，對(duì)IMC指數(shù)變化率的影響最大，其次是照明時(shí)間，然后是照度，照度與時(shí)間的交互作用的影響最小。

表3 IMC指數(shù)變化率隨照度和照明時(shí)間的交互作用變化

圖4 IMC指數(shù)變化率隨各因素及其交互作用的極差值變化Fig.4 Curve：the variation tendency of IMC index varying with the extreme value of each factor and its interaction

2.2.2 KSS量表、DSSQ量表得分變化分析

比較三種色溫條件下的量表得分，志愿者的KSS得分和DSSQ負(fù)面情緒得分變化趨勢(shì)相似，色溫越高，分值都越高，疲勞越嚴(yán)重，負(fù)面情緒越多；DSSQ任務(wù)參與度得分和干擾得分發(fā)布特征相似，4 000 K時(shí)作業(yè)效率最高，5 000 K時(shí)感覺注意力最集中(見圖5)；比較六種照度條件下的量表得分，KSS得分隨照度的增加沒有明顯的變化趨勢(shì)，2 500 lx和3 000 lx照度下的得分較高，疲勞嚴(yán)重，500 lx和2 000 lx照度下得分較低；2 000 lx照度以內(nèi)，照度越高，DSSQ任務(wù)參與度得分越高，作業(yè)效率越高；照度超過2 000 lx后，作業(yè)效率反而下降；DSSQ負(fù)面情緒得分和干擾得分的分布相似，隨著照度的提高而增加，說明照度越大，負(fù)面情緒越多，注意力越容易分散(見圖6)；KSS和DSSQ量表的得分隨著照明時(shí)間的變化規(guī)律較一致，照明時(shí)間越長(zhǎng)，DSSQ任務(wù)參與度得分越低，作業(yè)效率越低；KSS量表得分、DSSQ負(fù)面情緒得分和干擾得分都隨著照度的升高而提高，志愿者的自我警覺性變低、疲勞加重、負(fù)面情緒增多、注意力更加分散(見圖7)。

圖6 KSS和DSSQ量表得分隨照度的變化柱形圖Fig.6 Histogram：the score of KSS and DSSQ test chart varying with illumination

圖7 KSS和DSSQ量表得分隨照明時(shí)間的變化柱形圖Fig.7 Histogram：the score of KSS and DSSQ test chart varying with lighting time

3 結(jié)論

1)色溫、照度、照明時(shí)間、色溫與照度的交互作用和照度與照明時(shí)間的交互作用對(duì)IMC指數(shù)變化率均有顯著性影響，其中色溫的影響最大，其次是照明時(shí)間，然后是照度；5 000 K色溫條件下，IMC指數(shù)的提升效果最明顯，其次是4 000 K；IMC指數(shù)的變化率隨著照度和時(shí)間的提高都是先增加后減少，在2 000 lx和1.5 h附近達(dá)到峰值，學(xué)習(xí)效率最高；最佳的色溫和照度組合為5 000 K和2 000 lx，最佳的照度和照明時(shí)間組合為2 000 lx和1.5 h；6 500 K的色溫和3 000 lx的照度條件下，IMC指數(shù)的提高不明顯，照明時(shí)間超過2.5 h后，IMC指數(shù)反而下降，學(xué)習(xí)效率降低，在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)該避免。

2)KSS量表測(cè)評(píng)表明，色溫越高、照明時(shí)間越長(zhǎng)，疲勞越嚴(yán)重；2 500 lx以上的照度時(shí)，疲勞比較嚴(yán)重；DSSQ量表結(jié)果表明，色溫越高，負(fù)面情緒越多；2 000 lx以內(nèi)照度越高，作業(yè)效率越高，超過2 000 lx以后，作業(yè)效率降低，負(fù)面情緒增多，注意力更容易分散；照明時(shí)間越長(zhǎng)，效率越低，注意力越分散；DSSQ任務(wù)參與度最佳的燈組為4 000 K色溫和2 000 lx的條件下照明0.5 h；DSSQ負(fù)面情緒最少、注意力最集中的燈組都是5 000 K色溫和500 lx的條件下照明0.5 h。

3)通過劑量作業(yè)法測(cè)定綜合腦力工作能力指數(shù)來評(píng)價(jià)視覺功效，結(jié)合KSS疲勞自評(píng)量表和DSSQ壓力狀態(tài)量表來評(píng)判志愿者的主觀心理感受，還需要從生理、生化指標(biāo)等角度進(jìn)行深入的分析，綜合評(píng)價(jià)不同色溫和照度的光環(huán)境下學(xué)習(xí)效率隨時(shí)間的變化。

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ChangesofStudyEfficiencyinDifferentLEDLightingEnvironmentinAutumnandWinter

YANG Chunyu1,2，WANG Tongyue1,2，XIANG Yiyan1,2，HU Hao1,2
(1.FacultyofArchitectureandUrbanPlanning，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；2.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaoftheMinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China)

The lack of sunshine in autumn and winter can cause students to be depressed and learn less efficiently，which can be alleviated by artificial lighting.To simulate classroom lighting in the laboratory，three typical color temperatures(4 000 K，5 000 K，6 500 K) and six illuminations(500 lx，1 000 lx，1 500 lx，2 000 lx，2 500 lx，3 000 lx) are selected to form 18 different light environments.Then the learning efficiency and fatigue degree of the subjects under different light environment were analyzed.The results showed that color temperature had the greatest influence on the change rate of the comprehensive mental work index，followed by lighting time，then the illumination.Under the color temperature of 5 000 K，the IMC index has the most obvious effect and its changing rate increases with the increase of illumination and time，and peaks near 2 000 lx and 1.5 h.The best combination of color temperature and illumination is 5 000 K and 2 000 lx，the best combination of illumination and lighting time is 2 000 lx and 1.5 h；The higher the color temperature，the more negative emotions；Within 2 000 lx，the higher the illuminance，the higher the operating efficiency.Above 2 000 lx the working efficiency is lower.The longer the lighting time，the more severe the fatigue.

LED；classroom lighting；study efficiency；color temperature；illumination

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于光氣候分區(qū)的高校室內(nèi)照明與大學(xué)生抑郁情緒的光生物效應(yīng)研究”(項(xiàng)目編號(hào)51478060)

楊春宇，Email：ycull@163.com

TU113

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.011

2017國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)中期會(huì)議在韓國(guó)濟(jì)州舉行

2017年10月20-28日，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)中期會(huì)議在韓國(guó)濟(jì)州如期舉行。10月21日，CIE董事局會(huì)議首先舉行。CIE BA(董事局)的成員和各技術(shù)分部主任及中央局的有關(guān)人員參加大會(huì)，我國(guó)就任CIE副主席的崔一平教授出席了會(huì)議。

10月23-25日，會(huì)議舉行以“Smarter Lighting for Better Life”為主題的學(xué)術(shù)研討會(huì)，來自全球30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的約400名代表參加了各種會(huì)議的交流，其中正式注冊(cè)代表344人。大會(huì)征得論文171篇，大會(huì)報(bào)告交流61篇，包括5篇特邀報(bào)告，其余110篇為張貼論文(其中有49篇在會(huì)上做了5分鐘的簡(jiǎn)介)。根據(jù)討論議題的不同，大會(huì)還設(shè)置了7場(chǎng)專題研討會(huì)。我國(guó)有60名代表與會(huì)。

我國(guó)專家提供的論文有42篇，其中有12篇作為大會(huì)報(bào)告(包括臺(tái)灣地區(qū)2篇)，其余為張貼論文。會(huì)上，各國(guó)代表分別就LED與固態(tài)照明涉及的各方面進(jìn)行了認(rèn)真的探討。包括顏色質(zhì)量、光度和輻射度設(shè)備的測(cè)量方法、眩光的評(píng)價(jià)與測(cè)量、道路照明、健康照明、智能照明技術(shù)、室內(nèi)外照明環(huán)境設(shè)計(jì)等。可以看出，國(guó)外同行對(duì)LED應(yīng)用的研究工作做得很細(xì)致、很深入，從而找出改善LED照明質(zhì)量的技術(shù)和方法，更加有利于LED推廣應(yīng)用。

10月26日開始至28日，CIE各技術(shù)分部和相關(guān)技術(shù)委員會(huì)(TC)會(huì)議相繼舉行。三天的時(shí)間內(nèi)在六個(gè)分會(huì)場(chǎng)先后舉行了45場(chǎng)分部會(huì)議和技術(shù)委員會(huì)會(huì)議，分別對(duì)各自領(lǐng)域的技術(shù)問題進(jìn)行更為深入的研討，學(xué)會(huì)委派到各分部的中國(guó)代表分別參加了1,2,4和6分部的相關(guān)會(huì)議。