改善學(xué)生亞健康的教室環(huán)境動(dòng)態(tài)照明研究進(jìn)展

關(guān) 楊，嚴(yán)永紅

(1.四川美術(shù)學(xué)院， 重慶 401331; 2. 重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045； 3.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)

引言

亞健康是指機(jī)體由于各系統(tǒng)的生理功能和代謝過程低下導(dǎo)致人體出現(xiàn)介于健康與疾病之間的臨界狀態(tài)[1]。目前亞健康人口呈逐年上升且低齡化發(fā)展趨勢，影響著青少年的身心健康[2, 3]。倪晶和萬瓊[4]的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，92.5%的亞健康學(xué)生身體狀況隨年齡增長持續(xù)惡化。長時(shí)間處于亞健康狀態(tài)，會導(dǎo)致人體免疫功能嚴(yán)重下降，容易誘發(fā)腫瘤、心腦血管、胃腸、心理等各種疾病。預(yù)防和消除亞健康已成為當(dāng)前公共衛(wèi)生事業(yè)的重要課題[3]。

調(diào)查研究表明，影響青少年亞健康的因素較多，如：學(xué)習(xí)時(shí)間過長、作息不規(guī)律、學(xué)習(xí)競爭等[2, 3]。而生理節(jié)律紊亂與焦慮、抑郁等成為青少年亞健康的典型表現(xiàn)。恰當(dāng)?shù)氖覂?nèi)光照對調(diào)節(jié)人體晝夜節(jié)律與情緒障礙具有積極作用[5]。亞健康具有既可回歸健康又可發(fā)展為疾病的特點(diǎn)[2]。重視改善亞健康的照明研究，對促進(jìn)青少年的身心健康具有重要的意義。

1 光環(huán)境對亞健康的改善作用

光環(huán)境對亞健康的改善體現(xiàn)在生理節(jié)律調(diào)節(jié)與心理壓力緩解兩個(gè)方面。首先，光環(huán)境對節(jié)律調(diào)節(jié)具有客觀的生理機(jī)制。2002年，Berson等[6]發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜上存在第三類感光細(xì)胞(ipRGC),它能將光照信號通過非視覺通路傳遞至調(diào)節(jié)激素分泌的松果體。在人類漫長的進(jìn)化中，晝間明亮、夜晚黑暗的環(huán)境“信號”通過ipRGC傳遞給松果體，促進(jìn)晝間活力激素(皮質(zhì)醇)與夜間睡眠激素(褪黑素)的分泌，保證了健康的晝夜作息節(jié)律[5]。維持健康節(jié)律應(yīng)在晝間享有充足的光照刺激并避免夜晚的強(qiáng)光干擾。據(jù)調(diào)查，室內(nèi)光照強(qiáng)度比室外減少了40～200倍，對座位遠(yuǎn)離窗戶的學(xué)生來說，存在因光照不足帶來的節(jié)律紊亂風(fēng)險(xiǎn)[7]。但室內(nèi)光照并非越高越好，不恰當(dāng)時(shí)段(如黃昏或午夜)的強(qiáng)光刺激可能擾亂褪黑素分泌進(jìn)而破壞健康節(jié)律[8]。研究發(fā)現(xiàn)相同光刺激在一天中的不同時(shí)段將產(chǎn)生優(yōu)劣不同的生理反應(yīng)，故人體所需最佳光照并非一成不變[9]。Begemann等[10]通過為期一年的研究發(fā)現(xiàn)人對光照的需求存在清晨、正午及黃昏效應(yīng)，并受天氣類型、季節(jié)等因素的影響，由此提出了動(dòng)態(tài)照明研究的必要性。

其次，光照能顯著影響人的情緒。研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離赤道地區(qū)的居民，各種應(yīng)激激素和睡眠激素的分泌存在季節(jié)性差異。相對來說，明亮季節(jié)(夏季)中激素的分泌在清晨增多[11]。反之秋冬季節(jié)，人體可的松的分泌明顯下降，引發(fā)季節(jié)性困倦，容易出現(xiàn)精神壓抑等心理障礙[11]。光照能影響與情緒高度相關(guān)的激素分泌，進(jìn)而影響人的情緒與精神狀態(tài)[12]。合理的照度、光色及動(dòng)態(tài)模式可對人的情緒改善起到積極作用。大量實(shí)驗(yàn)研究指出明亮的光照條件對于緩解雙向情感障礙及季節(jié)性憂郁癥(SAD)患者的抑郁情緒具有顯著作用[13, 14]。Plitnick等[15]的研究表明藍(lán)光、紅光照均能改善人的短時(shí)情緒(momentary mood)。文獻(xiàn)[16]中對比了彩色、動(dòng)態(tài)光照與靜態(tài)白光下的學(xué)生情緒差異，結(jié)果表明相對于傳統(tǒng)白光，光色、光強(qiáng)多變的情景照明對情緒的改善更為顯著。

綜上所述，合理設(shè)置的光環(huán)境能有效改善人體的生理與心理健康。國內(nèi)外科研人員就此展開了大量研究，以下將梳理相關(guān)研究成果，并結(jié)合教室光環(huán)境的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，展望研究動(dòng)向。

2 研究進(jìn)展

我國各年齡段學(xué)生的近視率較高，2014 年全國學(xué)生體質(zhì)健康調(diào)研與監(jiān)測結(jié)果顯示，小學(xué)生、初中生、高中生、大學(xué)生視力不良率分別為45.71 %、74.36%、83.28%、86.36%[17]。因此與視力健康密切相關(guān)的教室照明備受關(guān)注。我國針對教室照明的研究主要包括兩個(gè)方面：一是對教室采光、照明現(xiàn)狀的實(shí)地調(diào)查[18, 19]，通過實(shí)測分析，提出教室光環(huán)境存在的問題與不足；二是基于非視覺效應(yīng)分析教室光照與學(xué)生生理、心理反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，如毛鵬等[20]通過對比高、中、低三檔照度下學(xué)生的學(xué)習(xí)與情緒反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)教室照度能影響學(xué)生的主觀感受與認(rèn)知能力。柴穎斌等[21]測試了不同年齡人群的心率及其變化率隨光譜、光強(qiáng)的變化規(guī)律，結(jié)果表明低照度彩光也可引發(fā)青年人的生物效應(yīng)。

重慶大學(xué)健康照明研究團(tuán)隊(duì)自2008年起對教室照明進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。嚴(yán)永紅等[22-25]分別在照明實(shí)驗(yàn)室、標(biāo)準(zhǔn)教室、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中完成了全人工光條件下光譜、光強(qiáng)影響大學(xué)生生理、心理指標(biāo)的系列實(shí)驗(yàn)，包括不同光譜光強(qiáng)下的視覺功效實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)效率-疲勞實(shí)驗(yàn)、腦電波實(shí)驗(yàn)等，多項(xiàng)指標(biāo)的綜合評價(jià)發(fā)現(xiàn)，色溫對生理節(jié)律的影響顯著，多個(gè)實(shí)驗(yàn)均表明4 000 K左右的中間色溫組合500～750 lx的高照度下，人體的工作表現(xiàn)與舒適度評價(jià)最好。嚴(yán)永紅等[26]、高帥[27]分別運(yùn)用現(xiàn)代心理物理法及自主調(diào)光等實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。此外嚴(yán)永紅[28]、張明睿[29]發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在進(jìn)入某光環(huán)境后短時(shí)間內(nèi)(如5～10 min)與較長時(shí)間適應(yīng)后(如2～3 h后)對光照的最佳需求并不相同，由此提出應(yīng)針對不同工作群體的作息規(guī)律、作業(yè)內(nèi)容展開動(dòng)態(tài)照明研究。

通常富含短波光譜的高照度光環(huán)境能更大程度的刺激人體的生物效應(yīng)，如提高警覺度、腦波節(jié)律及工作效率等。但人們在工作與休息時(shí)段對照明的需求并不相同，一味高強(qiáng)度光刺激也不利于休息與放松。基于非視覺效應(yīng)的動(dòng)態(tài)照明研究成為近年來研究的熱點(diǎn)。目前國際上提出的工作時(shí)段動(dòng)態(tài)照明大致可分為兩種類型：一是Moeller等[30]提出的室內(nèi)照明追隨天光變化的規(guī)律，即早晚照度低、中午照度高，以下稱為模式Ⅰ，如圖1所示；二是Van Bommel[5]提出的室內(nèi)照明在清晨、午后易困倦的時(shí)段給予高照度的冷白光刺激，以喚醒活力，之后再逐漸降低，以下稱為模式Ⅱ，如圖2所示。

圖1 模擬自然光照的動(dòng)態(tài)照明模式(圖片來源：文獻(xiàn)[30])Fig.1 Dynamic lighting mode that simulating natural light[30]

圖2 清晨、午后照度升高的動(dòng)態(tài)照明模式(圖片來源：文獻(xiàn)[5])Fig.2 Dynamic lighting mode that illumination rises in the morning and after noon[5]

關(guān)楊[31]對教室動(dòng)態(tài)照明的研究發(fā)現(xiàn)，基于學(xué)習(xí)效率提升與基于情緒改善的最佳動(dòng)態(tài)照明曲線并不相同。其中動(dòng)態(tài)模式Ⅱ即清晨、午后增強(qiáng)的照明更有利于提升學(xué)習(xí)效率，強(qiáng)光刺激喚醒人的大腦興奮度、提升工作效率，之后光強(qiáng)逐漸降低，避免長時(shí)間興奮加重疲勞。而動(dòng)態(tài)模式Ⅰ即模擬自然光早晚照度較低、中午照度升高的變化規(guī)律，則更有利于改善人的情緒。具體應(yīng)用時(shí)需根據(jù)場所特性加以綜合考慮。該結(jié)論與國外的相關(guān)研究結(jié)論一致，如Patania等[32]、de Kort等[33]發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)調(diào)工作績效的場所，如辦公室、教室等，相對于靜態(tài)光照，模式Ⅱ的動(dòng)態(tài)照明更受歡迎。而針對易發(fā)生情緒焦躁的人群，模式Ⅰ的動(dòng)態(tài)照明更佳，如Canazei[34]測試了清晨逐漸升高的動(dòng)態(tài)照明對早班女工的生理、心理影響,發(fā)現(xiàn)該動(dòng)態(tài)照明對女工睡眠不足的焦躁情緒能起到鎮(zhèn)靜作用，并改善睡眠與抑郁情緒。目前此類研究在動(dòng)態(tài)模式轉(zhuǎn)折點(diǎn)的對應(yīng)時(shí)刻、最佳光強(qiáng)、光色等指標(biāo)上并不完全一致，可能與人群類別、實(shí)驗(yàn)場地、工作內(nèi)容差異有關(guān)。

3 結(jié)合行為模式的動(dòng)態(tài)照明研究

近年來，動(dòng)態(tài)照明研究不僅局限在探討光強(qiáng)、光色多變的動(dòng)態(tài)曲線，隨著對行為模式與多元設(shè)計(jì)研究的深入，人們開始關(guān)注多場景照明的精細(xì)化設(shè)計(jì)。Barkmann等[35]根據(jù)學(xué)校學(xué)習(xí)內(nèi)容的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了7種光照類型，包括“標(biāo)準(zhǔn)光照”(300 lx，4 000 K)、“集中照射黑板”(黑板照明加強(qiáng)，課桌照明減弱)、“只照射黑板”、“集中注意力的光照”(高照度高色溫1 060 lx，5 800 K)、“激發(fā)活力的光照”(比常規(guī)光照稍強(qiáng)，675 lx)、“放松的光照”(比常規(guī)光照色溫偏低，3 500 K)、“更加放松的光照”(照度、色溫均降低，325 lx，3 500 K)，研究表明學(xué)生在“集中注意力的光照”方案下(高照度高色溫1 060 lx，5 800 K)，學(xué)習(xí)錯(cuò)誤率更少閱讀速度更快。學(xué)生和老師均表示動(dòng)態(tài)多變的光照方案(variable light)結(jié)合教學(xué)活動(dòng)能達(dá)到更好的教學(xué)效果。Wessolowski等[36]將上述7種照明情景應(yīng)用于小學(xué)教室，發(fā)現(xiàn)照明的多樣性(variable lighting)能有效緩解學(xué)生的煩躁情緒，減少其攻擊性并改善社交行為。

隨著網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)等在教學(xué)方式的應(yīng)用，不少研究側(cè)重從人的行為模式入手，探討在信息化時(shí)代學(xué)習(xí)行為變化帶來的光照策略的變化。Castilla等[37]研究了大學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)行為模式下對多種光照條件的情感反應(yīng)，通過對29間教室、854名學(xué)生的現(xiàn)場調(diào)查與問卷分析，將學(xué)生的行為模式歸納整理為三個(gè)維度，包括書寫-閱讀(writing-reading)、回應(yīng)-討論(reflecting-discussing)以及集中注意力(paying attention)，同時(shí)分析了學(xué)生對多種光環(huán)境的情感回應(yīng)(affective responses)，包括清晰-高效(clear-efficient)、均勻的(uniform)、愉悅-多彩(cheerful-colourful)、溫暖舒適(warmcosy)、令人驚喜(surprising-amazing) 以及強(qiáng)烈-明亮(intense-brilliant)等。此類研究改變了人們對教室照明、辦公照明等功能性照明刻板單一的印象，在不同的行為模式下，例如課堂討論、課間休息等時(shí)段，可考慮加入更加形式豐富、色彩多樣的情景照明。

飛利浦公司于2007年在商業(yè)照明領(lǐng)域中提出情景照明的概念[38]，即通過燈光技術(shù)性與藝術(shù)性的完美結(jié)合，營造豐富多變的商業(yè)空間形象。情景照明強(qiáng)調(diào)以光的元素(如光強(qiáng)、光色、光照分布等)變化來渲染空間氛圍，增加場景的藝術(shù)感染力，讓觀察者或使用者產(chǎn)生審美體驗(yàn)，進(jìn)而激發(fā)積極情緒并影響行為反應(yīng)。如飛利浦的商業(yè)情景照明設(shè)計(jì)能夠瞬間在消費(fèi)者眼前產(chǎn)生“ 換妝” 效果[38]，以期同購物者的心情、 情感與精神狀態(tài)產(chǎn)生互動(dòng)，在滿足消費(fèi)者求新、求變心理需求的同時(shí)，帶來令人驚喜的商業(yè)場景與購物體驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)消費(fèi)。Schielke等[39]研究了4種室內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)格搭配4種照明方式(普通照明、垂直照明、重點(diǎn)照明及圖案投影)共16種照明情景對店鋪氛圍的影響，以期找到最能體現(xiàn)品牌價(jià)值并刺激消費(fèi)的照明模式。

情景照明在商業(yè)、酒店、餐廳等場所的應(yīng)用較多[38-40]，近年來功能性照明開始嘗試應(yīng)用多場景及彩色光。如Barkmann等[35]設(shè)計(jì)了7種教室照明場景，基于行為細(xì)化采用了多元的照明方式，但在光色上仍較保守，僅采用了色溫可變的傳統(tǒng)白光。Kombeiz和Steidle[41]將彩色燈光應(yīng)用于教室、辦公等功能性照明場所，對比了常規(guī)照明組合紅、藍(lán)、白光LED提供的洗墻環(huán)境照明對大學(xué)生的影響。其研究結(jié)果表明接受測試的146名大學(xué)生在紅色、藍(lán)色環(huán)境光下的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與創(chuàng)造力均比白光條件下的表現(xiàn)更佳，因此提出未來應(yīng)考慮將彩光照明(colored lighting)應(yīng)用到需要激發(fā)創(chuàng)造力與新思想的場所。光照與色彩緊密相關(guān)[42]，2015年Elliot[43]指出在色彩研究中應(yīng)考慮光照的作用，重點(diǎn)關(guān)注彩色光照(coloured light)如何營造氛圍從而激起人的情感。Kombeiz和Steidele[41]的研究發(fā)現(xiàn)通過燈光將白墻照成彩色與墻體本身的彩色能給人以相同的感受。這為照明應(yīng)用室內(nèi)環(huán)境色彩的研究成果提供了重要支撐。國內(nèi)外對色彩心理的研究結(jié)論具有較大的文化差異，因此開展結(jié)合我國文化與審美特性的色彩研究十分重要。

4 結(jié)束語

針對晝夜節(jié)律紊亂與心理壓力過大等亞健康典型癥狀，動(dòng)態(tài)、多變的光照干預(yù)可發(fā)揮有效的改善作用。在傳統(tǒng)的照度、色溫可變的動(dòng)態(tài)照明基礎(chǔ)上，結(jié)合行為模式分析，我們探討了具有氛圍營造作用的情景照明，及其對光強(qiáng)、光色、圖案、光照分布的多樣性應(yīng)用。目前，針對教室照明動(dòng)態(tài)參數(shù)的研究以及情景照明的應(yīng)用還處在起步階段。更加深入地研究教室環(huán)境動(dòng)態(tài)照明對于改善青少年亞健康狀態(tài)、保障青少年健康成長具有重要的意義。