教室光分布對視覺績效及視覺感受的影響

翁梓馨，保文宇，林燕丹 ，魏敏晨

(1.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；3.香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程系，香港特別行政區(qū) 999077)

引言

教室是學(xué)生學(xué)習(xí)的集中場所，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和績效通常與合理優(yōu)質(zhì)的教室照明環(huán)境是分不開的。當(dāng)在照明質(zhì)量較高的環(huán)境中學(xué)習(xí)時，學(xué)生們的視覺感受更好，學(xué)習(xí)效率也會相應(yīng)地提高[1-8]。除了照度、色溫等光參數(shù)，不同照明方式引起的光分布變化也是教室照明研究中需要考慮的指標(biāo)。Shin等[1]在直接照明與間接照明方式的對比實驗中發(fā)現(xiàn)，直接照明與間接照明相結(jié)合的方式更能提高人們的視覺感受。Hsieh[2]發(fā)現(xiàn)間接照明可以更好地緩解人們的負(fù)面情緒。本文旨在研究教室直接照明與間接照明的光環(huán)境對學(xué)生的學(xué)習(xí)績效和情緒的影響，研究的結(jié)果可作為教室間接照明設(shè)計的參考。

1 實驗設(shè)計

1.1 光環(huán)境條件

實驗所用的模擬教室的尺寸為7 m×5 m×2.77 m，并安裝有帶反光燈罩的吊燈，如圖1所示。吊燈安裝于頂棚下37 cm處并平行于頂棚，保持燈距離桌面1.6 m。每個吊燈的背面安裝有3個LED面板燈以產(chǎn)生向上出光的間接照明。每個燈管的電路中連接一個電流表，用以監(jiān)控并記錄通過燈管電流，并可以通過控制電流大小來控制燈管的亮度。本次實驗的保持向下出光的直接照明光源的色溫與亮度不變，僅改變向上出光的LED面板燈的色溫與亮度，使得直接照明光源在桌面產(chǎn)生的照度為300 lx，而間接照明光源在桌面產(chǎn)生的照度分別為150 lx和300 lx。同時，直接照明光源的色溫保持5 000 K，而間接照明光源色溫分別為3 500 K、5 000 K和6 500 K。實驗具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 實驗教室環(huán)境及燈具設(shè)置Fig.1 Experiment classroom and luminaire settings

編號直接照明色溫/K直接照明照度/lx間接照明色溫/K間接照明照度/lx15 000300—025 0003003 50015035 0003003 50030045 0003005 00015055 0003005 00030065 0003006 50015075 0003006 500300

1.2 被試人員

本次實驗成功招募到13名大學(xué)生作為志愿者參加實驗，被試者的年齡為19～24歲。其中 6位男性，7位女性，平均年齡為21歲。所有受試者經(jīng)佩戴眼鏡后具備正常的視力水平(1.0以上)，無色盲色弱和其他眼部病史，被試人員自愿參與實驗，具有一定的文化素養(yǎng)和完成實驗的知識背景。

1.3 實驗方法

本次實驗采用安菲莫夫校字任務(wù)、短時記憶任務(wù)和明視覺持久度測定法對被試的視覺績效進(jìn)行考察。安菲莫夫字母表由8個字母(A、B、C、E、H、K、N、X)組成，每個字母出現(xiàn)頻率為150次，每個字母隨機(jī)出現(xiàn)，表格編成30行，每行40個字母，共有1 200個字母組成。在主試者發(fā)出“開始”口令發(fā)后，被試者立刻由左向右一行行檢索表格，看到預(yù)先指定的字母，則用斜杠劃掉。本次實驗中要求被試者劃去橫排中緊靠在H后面的B。實驗結(jié)束時，要求被試者在閱讀到的字母后面做上標(biāo)記，閱讀時間為2 min。主試者負(fù)責(zé)統(tǒng)計閱字速度、以及錯誤率。短時記憶任務(wù)采用詞匯記憶量測試來測定不同照明環(huán)境下人的短時記憶能力。實驗中使用20個受試者認(rèn)識且概念上無關(guān)聯(lián)、部首不同且筆畫數(shù)相似的漢字。這些漢字以每2 s 1個的速度，連續(xù)用幻燈片在受試者面前播放，放映結(jié)束后要求受試者立即在一分鐘內(nèi)默寫出所記的單詞。主試者需記錄默寫正確的字?jǐn)?shù)和默對率(r)，其中r=n1/n2(n1為默寫正確的字?jǐn)?shù)，n2為顯示的總字?jǐn)?shù))。明視覺持久度測定任務(wù)需要被試主試立方體方塊圖，如圖2所示。當(dāng)人的神經(jīng)系統(tǒng)有不適性反饋時，人的大腦感到疲憊，注意力集中程度下降，視力、對比感度等視覺功能退化，清晰分辨細(xì)小對象的能力減弱。在眼睛注視細(xì)小對象的過程中，走神、神游的時間增加，而能明視的時間減少。被試在注視過程中，當(dāng)在看到方塊為倒“品”字時，立即按停表暫停計時，再看到成正品時，又立即開啟秒表，如此反復(fù)進(jìn)行直到2 min結(jié)束。在此任務(wù)中以明視持久度作為考核指標(biāo)，如下：

(1)

式中η為明視持久度，t1為明視視覺時間(單位為s)，t2為注視總時間(單位為s)。

圖2 明視覺持久度測試圖案Fig.2 Testing pattern for visual perception persistence task

實驗同時通過主觀問卷，調(diào)查被試者對于所在光環(huán)境的主觀心理感受。評價內(nèi)容包括舒適—不舒適、警戒—疲勞、喜歡—不喜歡、冷—暖、無趣—充滿活力和緊張—放松六個評價指標(biāo)，評定分為6個等級，被試者根據(jù)自己的視知覺感受對光環(huán)境進(jìn)行打分，1～6程度從左往右依次加深，如舒適—不舒適詞語對中，1表示十分舒適，2表示舒適，3表示較為舒適，4表示有些不舒適，5表示不舒適，6表示十分不舒適。

1.4 實驗步驟

每次有4～6個被試者同時在教室中進(jìn)行試驗。同一個光照條件下被試者所坐位置的照度和色溫基本相同。每一個觀察者進(jìn)入時，照明實驗室初始照明條件使用5 000 K色溫的中性白光。正式實驗開始之前，主試者將練習(xí)材料發(fā)放到被試手中，以便他們了解和熟悉規(guī)則，從而減少第一次實驗因不熟悉而產(chǎn)生的誤差。同時主試者進(jìn)行具體的實驗流程和內(nèi)容的講解。實驗內(nèi)容包括四個部分：完成安菲莫夫字母表；記憶并默寫詞語；觀看圖案進(jìn)行明視持久度測定；完成主觀評價問卷。

每個實驗開始之前，被試者會被給予15～20 min的時間進(jìn)行充分的休息和眼部放松，同時完成練習(xí)材料。實驗的七種光照條件按照隨機(jī)序列依次顯示。

2 實驗結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

本次實驗中有一名被試只完成了主觀評價實驗，其余12名被試遍歷了所有照明條件并完成了視覺任務(wù)實驗和主觀評價實驗。實驗中，將只有直接照明的條件1作為實驗的參考組，與其余6組附加間接照明的光環(huán)境條件進(jìn)行對比，研究在其他照明條件的績效結(jié)果與主觀評價的差異量。由于被試之間的視覺績效任務(wù)成績受個體差異影響較大，因此首先對每名被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行z-score數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。在此之后，本次實驗利用2(間接照明照度：150 lx，300 lx)×3(間接照明色溫：3 500 K，5 000 K，6 500 K)的多因素方差分析，對色溫和照度兩種參數(shù)的主效應(yīng)和交互效應(yīng)進(jìn)行分析。主觀問卷結(jié)果由于方差不齊，對主觀問卷結(jié)果進(jìn)行非參數(shù)檢驗，比較其在不同照明條件的主觀感受差異。

2.2 績效作業(yè)結(jié)果

實驗的第一個績效作業(yè)為安菲莫夫字母任務(wù)，綜合考慮閱讀速度以及閱讀正確率進(jìn)行評判。對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行方差齊性檢驗，檢驗結(jié)果p=0.315>0.05，認(rèn)為數(shù)據(jù)樣本方差齊性，可以進(jìn)行方差分析。方差分析的結(jié)果顯示，照度(E)、色溫(CCT)的主效應(yīng)以及二者的交互效應(yīng)均達(dá)到了顯著性的水平(FE=21.809,p=0.000；FCCT=41.867，p=0.000；FE·CCT=4.796，p=0.011),說明間接照明的照度、色溫都會對安菲莫夫任務(wù)的績效結(jié)果顯著性影響，且這些影響具有交互性。在直接照明情況下，安菲莫夫任務(wù)績效均值±標(biāo)準(zhǔn)差為-1.19±0.34。在補(bǔ)充了150 lx和300 lx的間接照明條件后，績效均值分別為0.25±0.85和0.80±0.68，均與對照組形成顯著差異(p<0.001)，且兩組之間也存在顯著差異(p<0.001)。間接照明的照度越高，使得績效結(jié)果越好。間接照明光源色溫改變時，績效均值分別1.00±0.64(色溫=3 500 K)、-0.23±0.65(色溫=5 000 K)和0.80±0.54(色溫=6 500 K)，均與對照組形成顯著差異(p<0.001)，且3 500 K與5 000 K存在顯著差異(p<0.001)，5 000 K與6 500 K存在顯著差異(p<0.001)。5 000 K色溫下的績效結(jié)果顯著低于3 500 K和6 500 K下的績效結(jié)果，但都比無間接照明時的基礎(chǔ)績效結(jié)果有顯著提升。

默寫任務(wù)中主要考慮被試的默寫正確率。對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行方差齊性檢驗，檢驗結(jié)果p=0.064>0.05，認(rèn)為數(shù)據(jù)樣本方差齊性，可以進(jìn)行方差分析。方差分析的結(jié)果顯示，照度、色溫的主效應(yīng)，以及二者的交互效應(yīng)均達(dá)到了顯著性的水平(FE=8.703,p=0.004；FCCT=8.030，p=0.001；FE·CCT=9.635，p=0.000),說明間接照明的照度、色溫都會對默寫任務(wù)的績效結(jié)果有顯著性影響，且這些影響具有交互性。在直接照明情況下，默寫任務(wù)績效均值±標(biāo)準(zhǔn)差為-0.93±0.78。在補(bǔ)充了150 lx和300 lx的間接照明條件后，績效均值分別為-0.08±0.87，0.49±1.10，均與對照組形成顯著差異(p<0.05)，且兩組之間也存在顯著差異(p<0.05)。間接照明的照度越高，使得績效結(jié)果越好。間接照明光源色溫改變時，績效均值分別-0.02±0.63(色溫=3 500 K)、-0.11±0.93(色溫=5 000 K)和0.75±1.23(色溫=6 500 K)，均與對照組形成顯著差異(p<0.05)，且3 500 K與6 500 K存在顯著差異(p<0.05)，5 000 K與6 500 K存在顯著差異(p<0.001)。5 000 K色溫下的績效結(jié)果顯著低于3 500 K和6 500 K下的績效結(jié)果，但都比無間接照明時的基礎(chǔ)績效結(jié)果有顯著提升。

在明視覺持久度測定法中，根據(jù)看到正“品”字的時間比例進(jìn)行績效評價。對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行方差齊性檢驗，檢驗結(jié)果p=0.268>0.05，認(rèn)為數(shù)據(jù)樣本方差齊性，可以進(jìn)行方差分析。方差分析的結(jié)果顯示，照度、色溫的主效應(yīng)，以及二者的交互效應(yīng)均達(dá)到了顯著性的水平(FE=6.940,p=0.010；FCCT=23.964，p=0.000；FE·CCT=6.705，p=0.002),說明間接照明的照度、色溫都會對明視覺持久度的績效結(jié)果顯著性影響，且這些影響具有交互性。在直接照明情況下，明視覺持久度績效均值±標(biāo)準(zhǔn)差為0.44±0.05。在補(bǔ)充了150 lx和300 lx的間接照明條件后，績效均值分別為0.56±0.07，0.60±0.12，均與對照組形成顯著差異(p<0.001)，且兩組之間也存在顯著差異(p<0.05)。間接照明的照度越高，使得績效結(jié)果越好。間接照明光源色溫改變時，績效均值分別0.52±0.64(色溫=3 500 K)、0.56±0.09(色溫=5 000 K)和0.66±0.09(色溫=6 500 K)，均與對照組形成顯著差異(p<0.05)，且3 500 K與6 500 K存在顯著差異(p<0.001)，5 000 K與6 500 K存在顯著差異(p<0.001)。6 000 K色溫下的績效結(jié)果顯著高于3 500 K和5 000 K下的績效結(jié)果，并且三種色溫條件下的績效結(jié)果都比無間接照明時的基礎(chǔ)績效結(jié)果有顯著提升。

*——p<0.05,**——p<0.001圖3 不同間接照明條件下的視覺績效結(jié)果Fig.3 Visual performance result changes under different indirect lighting conditions

2.3 主觀問卷結(jié)果

主觀問卷包括有6個問題，對問卷結(jié)果進(jìn)行非參數(shù)檢驗，結(jié)果顯示舒適—不舒適、警戒—疲勞、喜歡—不喜歡這三個指標(biāo)在不同的照明條件下不存在顯著性差異(p>0.05)，對不同照明環(huán)境的舒適感受、疲勞感受和喜愛程度不存在顯著性差異。而在不同照明條件下，對冷—暖、無趣—充滿活力和緊張—放松的主觀評價存在顯著差異，如圖4所示。對冷—暖這一指標(biāo)在不同的照明條件下存在顯著性差異(p=0.000)，與圖中橫線所代表的直接照明條件相比，在補(bǔ)充了3 500 K間接照明后讓人產(chǎn)生暖的感覺，而補(bǔ)充了6 500 K間接照明后主觀評價更傾向于冷，在間接照明的照度提升后，這一差異進(jìn)一步擴(kuò)大。對無趣—充滿活力這一指標(biāo)在不同的照明條件下存在顯著性差異(p=0.010)，在補(bǔ)充了間接照明后讓整體空間更加充滿活力，不同色溫、照度的間接照明均能起到提升活力感受的作用。對緊張—放松這一指標(biāo)在不同的照明條件下存在顯著性差異(p=0.000)，在補(bǔ)充了3 500 K間接照明后讓人產(chǎn)生放松的感覺，而補(bǔ)充了6 500 K間接照明后主觀評價更傾向于緊張。同樣地，在間接照明的照度提升后，這一差異得到進(jìn)一步的擴(kuò)大。

圖4 主觀評價結(jié)果Fig.4 Subjective evaluation results

2.4 結(jié)果分析

本次實驗以直接照明光環(huán)境條件為基本對照，比較在補(bǔ)充不同間接照明條件后的視覺任務(wù)績效與主觀感受變化情況。根據(jù)安菲莫夫任務(wù)、默寫任務(wù)和明視覺持久度任務(wù)三種不同視覺績效的結(jié)果顯示，在補(bǔ)充了150 lx和300 lx間接照明后，視覺績效結(jié)果分別得到顯著性提升，并且300 lx間接照明條件下的視覺績效成果也顯著高于150 lx間接照明條件。從間接照明的色溫進(jìn)行考慮，6 500 K色溫的間接照明條件下的績效提升成果要顯著優(yōu)于在3 500 K或5 000 K色溫的間接照明條件。同時，兩者存在交互效應(yīng)，間接照明的照度和色溫這兩個因素都會對視覺任務(wù)績效產(chǎn)生影響。在主觀感受方面，在舒適—不舒適、警戒—疲勞、喜歡—不喜歡三個指標(biāo)不存在顯著性差異，而對冷—暖、無趣—充滿活力和緊張—放松這三個指標(biāo)的評價結(jié)果存在顯著性差異。與5 000 K色溫的直接照明環(huán)境相比，補(bǔ)充的不同色溫間接照明光也會顯著影響冷暖感受，低色溫光會營造偏暖的環(huán)境，而高色溫光照則讓主觀感受偏冷。直接照明與間接照明相結(jié)合的照明方式使得整體教室環(huán)境更加充滿活力。而低色溫的間接照明會使人放松，高色溫的間接照明則會使人更加緊張。本次實驗結(jié)論可以總結(jié)為：①在直接照明保持300 lx照度時，間接光提供的照度越高，視覺任務(wù)的績效越高；②在直接照明保持5 000 K色溫時，補(bǔ)充高色溫的間接照明，會使視覺任務(wù)的績效顯著提高；③補(bǔ)充間接照明會改變對當(dāng)前教室環(huán)境的主觀感受，使整體環(huán)境更加充滿活力，而主觀冷暖感受和緊張放松的感受則隨間接照明色溫的變化而變化。

3 討論

直接照明和間接照明等照明方式會顯著影響到教室的光分布，從而影響到在教室環(huán)境中的主觀感受和視覺績效結(jié)果。在Shin等[1]的研究中，共同使用直接照明與間接照明的光環(huán)境，與只使用直接照明的光環(huán)境相比，受試者感覺更加愉悅。曾堃和郝洛西[4]在醫(yī)院照明中也對間接照明比例對情緒的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)間接照明的比重與病患滿意度成正相關(guān)。與本次實驗中照度越高的間接照明獲得的更加充滿活力評價的實驗結(jié)論是一致的。但本次實驗中在對照明環(huán)境的舒適性、喜愛程度和疲勞程度的評價中不存在顯著性差異，這可能與實驗中設(shè)置的間接照明的比例并未超過直接照明比例有關(guān)。同時，實驗還發(fā)現(xiàn)直接照明與間接照明相結(jié)合的照明方式不僅會帶來主觀視覺感受上的變化，也會對視覺績效產(chǎn)生顯著影響。間接照明所提供的照度越高，整體光環(huán)境的照度更高，視覺績效更好。間接照明照度的提高可能改善了視覺任務(wù)的可視性，這與Veitch等[3]的實驗結(jié)果是一致的。同時，本實驗也增加對不同間接照明色溫的考核，在保持直接照明光源照度與色溫不變的情況下，補(bǔ)充不同色溫的間接照明，發(fā)現(xiàn)高色溫間接照明可以更好地提升教室視覺工作績效。

現(xiàn)有教室照明多利用直接照明方式進(jìn)行照明，本實驗在直接照明的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了間接照明，實驗結(jié)果表明了可以通過補(bǔ)充間接照明的方式來提升教室視覺任務(wù)績效，也為教室光環(huán)境的改造提供了一種思路，即在不改變現(xiàn)有教室燈具的基礎(chǔ)上，可以補(bǔ)充間接照明光源，從而提高教室的照度水平，優(yōu)化教室視覺作業(yè)環(huán)境。

致謝：感謝上海市教委體衛(wèi)藝科處和上海教育技術(shù)裝備部對課題組實驗的支持，感謝浙江凱耀照明股份有限公司對實驗室的支持。