教室動態(tài)照明對高中生睡眠、警覺度及情緒的影響

王怡然，徐俊麗，劉明智子，李麗妹

(蘇州大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

引言

高中生群體中處于“亞健康”狀態(tài)的人群數(shù)量不斷上升，具體體現(xiàn)在睡眠不足、精神困倦及情緒低落等方面[1]。有研究指出，健康-亞健康-疾病三者之間可以相互轉(zhuǎn)化[2]，對亞健康群體進(jìn)行積極干預(yù)能夠有效改善其健康狀態(tài)。

高中生群體學(xué)業(yè)繁重，高度結(jié)構(gòu)化的教育環(huán)境使其大部分日?；顒泳谑覂?nèi)開展。教室作為高中生學(xué)習(xí)與交往的主要空間載體，其室內(nèi)物理環(huán)境與學(xué)生的健康、福祉緊密相關(guān)。其中，教室光環(huán)境對學(xué)生的生理及心理健康產(chǎn)生直接影響[3]。目前，國內(nèi)教室光環(huán)境的相關(guān)研究多采用靜態(tài)照明模式，適當(dāng)?shù)墓庹崭深A(yù)對視覺功效[4-6]、學(xué)習(xí)績效[7，8]及情緒[9]等方面起到有效改善作用，但長期處于靜態(tài)照明環(huán)境可能會產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。動態(tài)照明相較于靜態(tài)照明，對人體生理及心理健康的改善作用更為突出[11-15]。

動態(tài)照明指的是光照參數(shù)隨時間而變化，在特定時段給予光照干預(yù)，用以支持使用者的行為及活動的照明模式[16]。在動態(tài)照明場景的設(shè)置中，光照參數(shù)、光照干預(yù)時段及干預(yù)時長等因素均會對動態(tài)照明的效果產(chǎn)生影響[17]。Lewy等[18]給予抑郁病患者兩周清晨時段或傍晚時段的高光干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晨間光照干預(yù)對于情緒的改善作用明顯優(yōu)于晚間光照干預(yù)。近期的研究也表明[19，20]，在早晨給予光照干預(yù)可以提升被試者的睡眠質(zhì)量，改善警覺性、情緒、視覺舒適度等主觀感受，并對認(rèn)知及表現(xiàn)產(chǎn)生積極作用。但既往研究對光照干預(yù)參數(shù)的設(shè)定不盡相同，評價(jià)指標(biāo)也各有側(cè)重，動態(tài)照明對亞健康學(xué)生群體生理和心理健康方面的影響仍需進(jìn)一步探索。

為此，本研究針對高中生亞健康狀態(tài)所帶來的不利影響，在真實(shí)教室環(huán)境開展光照對比實(shí)驗(yàn)，以探索動態(tài)照明對學(xué)生的睡眠、警覺度及情緒等方面所產(chǎn)生的具體影響。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及被試者

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)在蘇州大學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校高二年級的兩個教室內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)教室位于高中部三樓且相鄰，南北面開窗，南面為走廊(圖1)。實(shí)驗(yàn)于2019年11月至2020年1月進(jìn)行，冬季日照時間相對缺乏，以盡量減少自然光的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)班級平面圖Fig.1 Floor plan of the experimental classes

選取兩班全體79名學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)被試，其中高二(1)班39人，高二(2)班40人。包括男性42名，女性37名，年齡在15.96～19.42歲之間。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為寄宿制學(xué)校，每個學(xué)習(xí)周由周日下午持續(xù)到次周的周六中午。被試學(xué)生日程作息由早晨6:30持續(xù)到晚間21:30，日間活動類型主要為晨讀、課程、晚自習(xí)等。學(xué)生在校期間除用餐、就寢及走班課程外，其余大部分時間均處于本班教室中。所有被試者視力水平正常或經(jīng)矯正后正常，無色盲色弱及其他眼部疾病史，且未攝入影響神經(jīng)系統(tǒng)的藥物。被試在實(shí)驗(yàn)開始前簽署知情同意書。

實(shí)驗(yàn)開始前，對高中生進(jìn)行光環(huán)境主觀評價(jià)及生理、心理健康兩方面的問卷調(diào)查。針對教室光環(huán)境方面，多數(shù)學(xué)生反饋教室內(nèi)白天需開啟人工照明，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各教室開啟人工照明時長平均為 13.25 h。此外，依據(jù)主觀問卷結(jié)果顯示，37%的同學(xué)面臨白天精力難以集中的問題，77%的同學(xué)表示會有困倦、瞌睡的狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件與流程

實(shí)驗(yàn)開始之前，對教室原有燈具進(jìn)行替換，燈具位置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)燈具由西頓照明(CDN Light)提供，滿足 4 000 K(實(shí)測色溫為4 272 K)和6 000 K(實(shí)測色溫為6 280 K)的實(shí)驗(yàn)照明條件，顯色指數(shù)>90，峰值波長為456 nm，光譜分布如圖3所示。實(shí)驗(yàn)燈具連接調(diào)光控制系統(tǒng)，可由手機(jī)APP進(jìn)行照度、色溫及干預(yù)時間的設(shè)定。教室燈具開關(guān)時間與學(xué)生的日程安排一致，每日6:30開啟，晚間21:30關(guān)閉，由實(shí)驗(yàn)人員統(tǒng)一控制。

圖2 燈具布置平面圖Fig.2 Luminaire distribution

圖3 相對光譜功率分布Fig.3 The relative spectral power distributions for the two intervention spectra

實(shí)驗(yàn)共持續(xù)7周，分為三個階段?；€階段持續(xù)3周，兩班均處于300 lx，4 000 K的標(biāo)準(zhǔn)照明場景。經(jīng)歷1周洗脫期后進(jìn)入持續(xù)3周的干預(yù)階段，對兩班實(shí)施動態(tài)照明(圖4)。高二(1)班于6:30—18:30實(shí)行300 lx，4 000 K的標(biāo)準(zhǔn)照明，在18:30時，光照參數(shù)提升至500 lx，6 000 K，并持續(xù)至21:30學(xué)習(xí)日結(jié)束(稱為Low-High模式)。高二(2)班于6:30—9:30實(shí)施500 lx，6 000 K的高光照明干預(yù)，在9:30時降為300 lx，4 000 K的標(biāo)準(zhǔn)照明，并持續(xù)至21:30(稱為High-Low模式)。實(shí)驗(yàn)期間，被試按照正常課程安排及作息，并在每個實(shí)驗(yàn)階段選取5天收集生理及心理指標(biāo)評測數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)條件Fig.4 Experimental lighting condition

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

1.3.1 物理環(huán)境參數(shù)測量

實(shí)驗(yàn)全程對教室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(表1)，使用的主要儀器為路格照度記錄儀(L99-LX)，可獲得室內(nèi)實(shí)時照度數(shù)據(jù)；并以路格智能溫濕度記錄儀(L92-2)同時獲取溫、濕度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，每10s自動記錄溫濕度及照度數(shù)據(jù)。不同燈光場景的光譜、色溫及表面亮度等參數(shù)由Photo Research 670光譜儀獲取(PR670)。實(shí)驗(yàn)前校準(zhǔn)所有儀器。

表1 實(shí)驗(yàn)測量儀器的量程和精度Table 1 Range and accuracy of experimental measuring instruments

1.3.2 生理和心理指標(biāo)測量

被試生理和心理數(shù)據(jù)收集分為睡眠、警覺度及情緒三個部分。

睡眠數(shù)據(jù)方面，實(shí)驗(yàn)期間被試佩戴華為3 Pro睡眠手環(huán)(HUAWEI 3 Pro)，記錄被試者的入睡時間、醒來時間、睡眠時長、深睡時長及夜醒次數(shù)。另采用主觀睡眠問卷，包含睡眠日志(Sleep log)[21]及匹茲堡睡眠質(zhì)量問卷(Pittsburgh Sleep Quality Index,PSQI)[22]加以輔證。睡眠日志于每個問卷收集日的早晨6:30填寫，記錄被試者昨夜的入睡時間、醒來時間及入睡難易程度；其中，“入睡難易程度”以七級李克特式量表計(jì)分，分?jǐn)?shù)越高，代表入睡越容易。匹茲堡睡眠質(zhì)量問卷在基線及干預(yù)階段各填寫一次，用以評價(jià)被試在過去三周的睡眠質(zhì)量情況，分?jǐn)?shù)越高代表睡眠質(zhì)量越差。

警覺度采用卡羅林斯卡困倦量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)[23]，分別于問卷收集日的6:30、9:30、15:30、21:30各收集一次。警覺度與精神疲勞相互影響[24]，故以兩者共同驗(yàn)證被試者的警覺狀態(tài)。以“我感覺精力充沛”的李克特7點(diǎn)式的計(jì)分方式測量被試的精神疲勞[25]。分?jǐn)?shù)越高代表精力越充沛，精神疲勞程度越低。

情緒評測使用積極和消極影響量表(Positive and Negative Affect Schedule,PANAS)[26]，量表分為積極和消極兩部分，分?jǐn)?shù)越高即認(rèn)為被試情緒越積極或越消極。此外，在干預(yù)前后各進(jìn)行一次壓力感知量表(Perceived Stress Scale-10，PSS-10)[27],及主觀活力量表(Subjective Vitality Scale，SVS)[28]的測評，用以評估被試的壓力及活力變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

IBM SPSS Statistics 21 software用于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)被試在實(shí)驗(yàn)中的配合情況，剔除無效數(shù)據(jù)和干擾數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，來比較被試者在不同實(shí)驗(yàn)階段的生理和心理指標(biāo)變化。

2.1 教室物理環(huán)境參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)期間，對教室的物理環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全程監(jiān)測。

教室的溫度保持在15.11～17.48 ℃，濕度保持在49.25%～62.24%之間，以減小溫濕度對被試者生理狀態(tài)的影響。照度方面，在干預(yù)階段，Low-High模式在18:30—21:30期間的照度顯著提高(P<0.001)，由315.80±11.17 lx提升至503.13±11.63 lx；High-Low模式在6:30—9:30之間的照度也產(chǎn)生顯著變化(P<0.001)，由393.60±79.23 lx提高為576.85±81.25 lx(圖5)。其他時段的照度在干預(yù)前后無顯著性差異。由此可以證明，干預(yù)期間的照度水平達(dá)到預(yù)設(shè)。

圖5 照度分析結(jié)果(***P<0.001)Fig.5 Illumination analysis results

2.2 睡眠

將手環(huán)獲取的客觀睡眠數(shù)據(jù)與睡眠日志的主觀反饋進(jìn)行對照，剔除異常數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 客觀睡眠指標(biāo)分析結(jié)果Table 2 Results of the analysis of objective sleep measures

由睡眠手環(huán)記錄客觀睡眠情況，分析結(jié)果表明：兩種動態(tài)照明模式干預(yù)下，被試者的醒來時間均得到了不同程度的顯著推遲(P=0.042，P=0.028)；其中，經(jīng)過Low-High模式干預(yù)后，被試者的醒來時間推遲幅度更大[圖6(a)]。深睡時長方面，對于Low-High模式而言，被試者的深睡時長由干預(yù)前的127.45±32.38 min延長為130.02±36.71 min；High-Low模式干預(yù)后，由136.09±31.61 min延長至144.75±37.64 min。在燈光干預(yù)后，兩模式被試者的深睡時長出現(xiàn)邊緣顯著差異(P=0.051)，相較于Low-High模式，High-Low模式干預(yù)后，被試者的深睡時長顯著更長[圖6(b)]。其他客觀睡眠指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。值得注意的是，被試者的夜醒次數(shù)在兩種動態(tài)照明模式干預(yù)后都呈現(xiàn)減少的趨勢，Low-High模式干預(yù)后，被試者的夜醒次數(shù)由干預(yù)前的0.36±0.57減少至0.30±0.60；High-Low模式被試者的夜醒次數(shù)則表現(xiàn)出更大幅度的減少趨勢，由0.25±0.51減少至0.16±0.42。

圖6 客觀睡眠指標(biāo)分析結(jié)果(a*P<0.05；b* P=0.051)Fig.6 Results of the analysis of objective sleep measures

主觀睡眠數(shù)據(jù)由睡眠日志獲取(表3)，在問卷收集日的早晨6:30記錄被試的入睡難易程度。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Low-High模式干預(yù)后，被試者的入睡愈加困難；而High-Low模式干預(yù)后，被試者入睡更為容易。三周動態(tài)照明干預(yù)后，相較Low-High模式，High-Low模式被試者的入睡難易程度分?jǐn)?shù)顯著更高，即代表入睡更為容易(P=0.020)[圖7(a)]。

表3 主觀睡眠指標(biāo)分析結(jié)果Table 3 Results of the analysis of subjective sleep measures

干預(yù)前后對兩組被試進(jìn)行PSQI問卷評測，分?jǐn)?shù)越高代表睡眠質(zhì)量越差。雖無顯著性差異，但從干預(yù)前后均值變化可以看出，兩種動態(tài)照明模式對被試者的睡眠質(zhì)量產(chǎn)生不同影響。Low-High模式干預(yù)后，被試者的睡眠質(zhì)量下降；而High-Low模式干預(yù)后，被試者的睡眠質(zhì)量上升[圖7(b)]。此外，PSQI按分?jǐn)?shù)劃分為不同區(qū)間，0～5 分即說明睡眠質(zhì)量“很好”，超過5分則代表有睡眠障礙?；€階段，Low-High模式有48.65%的被試者表示睡眠質(zhì)量 “很好”；而在干預(yù)后，此區(qū)間的被試數(shù)量降幅較大，降為35.29%[圖8(a)]。High-Low模式被試者在干預(yù)前后的睡眠質(zhì)量較為穩(wěn)定，并未發(fā)生明顯變化[圖8(b)]。

圖8 PSQI區(qū)間分析結(jié)果Fig.8 PSQI interval analysis results

已有研究表明，晚間高光可能會帶來睡眠時長縮短、入睡時間延遲及睡眠質(zhì)量下降等負(fù)面影響[29，30]。而晨間高光則會對睡眠潛伏期的縮短及晝夜節(jié)律的提前等方面產(chǎn)生積極作用[31]。本實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果與其類似，相較于Low-High模式，High-Low動態(tài)照明模式對被試者的睡眠產(chǎn)生積極影響，具體表現(xiàn)在深睡時長和入睡情況的顯著改善。但本實(shí)驗(yàn)中，兩種模式干預(yù)后，醒來時間均被推遲。這和前人的研究結(jié)果不完全一致。造成此差異的原因可能是，被試者在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诿媾R著期末考試的壓力。Figueiro在其研究中曾指出，在不強(qiáng)制執(zhí)行固定作息的情況下，照明干預(yù)對被試的晝夜節(jié)律及睡眠只能起到一定程度的影響作用[32]。

此外，在干預(yù)前后的組內(nèi)對比中，深睡時長及入睡難易程度未產(chǎn)生顯著變化；但在干預(yù)后的組間對比中，發(fā)現(xiàn)了顯著差異。這一結(jié)果的原因可能是，一方面，實(shí)驗(yàn)的干預(yù)時長及強(qiáng)度未達(dá)到發(fā)生顯著性變化的閾值。本實(shí)驗(yàn)為保證被試者的正常學(xué)習(xí)和生活，采用了300 lx,4 000 K和500 lx,6 000 K的光照參數(shù)。在前人的研究中，多選擇高達(dá)17 000 K的高色溫光源,以及大于1 000 lx的高照度參數(shù)設(shè)定。另一方面，我們在兩班被試者中，各選取了10名被試者佩戴手環(huán)，客觀數(shù)據(jù)樣本量不足可能使得結(jié)果缺乏顯著性。

2.3 警覺度

兩種動態(tài)照明模式干預(yù)下，被試者警覺度的綜合分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，即警覺度得到明顯提升。Low-High燈光模式干預(yù)后，被試者綜合平均警覺度分?jǐn)?shù)由4.31±1.94降為3.59±1.76(P<0.001)；High-Low模式干預(yù)后，由4.69±1.56降為4.11±1.71(P<0.001)。

對比兩種模式各自高光時段的即時警覺度變化可知(圖9)，Low-High模式干預(yù)下，被試者21:30的即時警覺度得到明顯改善(P=0.010)；High-Low模式下，被試者在9:30的即時警覺度同樣呈現(xiàn)改善趨勢(P<0.001)。由此可見，兩種模式的動態(tài)照明干預(yù)，均可提升被試者的即時警覺度，這與前人研究結(jié)果一致[33]。

從日間警覺度變化趨勢可以看出，對于Low-High模式而言，日間警覺度分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢，即說明被試者在一天內(nèi)的警覺度逐漸降低，并于21：30達(dá)到一天中的最低值。但相比于基線，全天的警覺度均得到顯著性提升[圖9(a)]。前人研究表明，夜間高光可能對日間警覺度產(chǎn)生一定程度的負(fù)面影響[34，35]。我們推測，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果受期末壓力影響。對于High-Low模式而言，被試者在6:30—9:30警覺度逐漸提高，并于9:30達(dá)到峰值，隨后呈現(xiàn)下降趨勢。與基線相比，被試者在15:30及21:30的警覺度也得到顯著提升[圖9(b)]。與Mirjam等的研究結(jié)果類似，早晨高光的警覺效應(yīng)會持續(xù)到晚間，即被試者在晚間的警覺度也會得到明顯提升[36]。

圖9 日間警覺度曲線分析結(jié)果(**P<0.01,*** P<0.001)Fig.9 Results of daytime alertness curve analysis

為進(jìn)一步探究即時警覺度的變化，分別將干預(yù)后每一周的即時警覺度與基線進(jìn)行對比(圖10)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在干預(yù)后第一周，兩種動態(tài)照明模式就已顯著提升被試者的即時警覺度。對于High-Low模式而言，被試者在干預(yù)后的第二周(P=0.003)及第三周(P=0.008)，即時警覺度均得到顯著提升[圖10(b)]，進(jìn)一步證明了High-Low模式的動態(tài)照明模式對警覺度的即時提升作用。

圖10 基線及干預(yù)后每一周的即時警覺度變化分析結(jié)果(**P<0.01)Fig.10 Results of analysis of change in acute alertness at baseline and each week after intervention

精神疲勞的分析數(shù)據(jù)表明(圖11)，Low-High模式被試者在干預(yù)前后，21：30時的精力并未發(fā)現(xiàn)顯著變化；而被試者在High-Low模式干預(yù)后，9:30時的精力得到顯著提升(P<0.001)?？梢钥闯?，High-Low模式的動態(tài)照明對被試的精力提升有著積極的作用。

圖11 精力充沛分析結(jié)果(*** P<0.001)Fig.11 Energetic analysis results

警覺度與疲勞有相似的變化趨勢，警覺度得到提升的同時，疲勞也會得到改善[37]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了此觀點(diǎn)。High-Low模式干預(yù)后，被試者的警覺度得到明顯改善，精力充沛變化亦然。即High-Low模式的動態(tài)照明干預(yù)對學(xué)生的警覺度及精力均起到積極改善作用。

2.4 情緒

在每個問卷收集日的下午15:30收集一次PANAS情緒問卷。由均值可以看出，Low-High模式的被試，在干預(yù)后消極情緒加劇，而High-Low模式干預(yù)下，被試者的消極情緒得到改善。干預(yù)后的組間對比表明，相較于High-Low模式，Low-High模式的動態(tài)照明對被試者的消極情緒產(chǎn)生了一定程度的負(fù)面影響(P=0.052)[圖12(a)]。

既往研究證明，動態(tài)照明可以緩解緊張和壓力狀態(tài)[38]；其中，晨間高光的動態(tài)照明模式能有效緩解焦慮及抑郁情緒，并有效減少心理壓力[39]。由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與Low-High動態(tài)照明模式相比，High-Low模式的動態(tài)照明模式對消極情緒的改善顯示出一定的有利性。

此外，對被試者的壓力情況進(jìn)行監(jiān)測，PSS-10的結(jié)果表明：干預(yù)后，Low-High模式被試者的壓力上升，High-Low模式被試者的壓力評分下降，雖未達(dá)到顯著狀態(tài)，但從均值可以看出，High-Low模式的動態(tài)照明對被試者的壓力改善產(chǎn)生更有利的趨勢[圖12(b)]。兩種動態(tài)照明模式對被試者的積極情緒(PANAS)及活力(SVS)并未產(chǎn)生顯著性影響。

圖12 情緒分析結(jié)果(*P=0.052)Fig.12 Mood analysis results

3 結(jié)果

本研究以真實(shí)教室環(huán)境為研究場地，針對高二兩個班級的學(xué)生分別采取High-Low和Low-High的動態(tài)照明干預(yù)，對比生理及心理指標(biāo)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：1)睡眠方面：High-Low模式相較于Low-High模式，被試者的深睡時間及入睡難易程度均明顯改善；2)警覺度方面：兩種模式的動態(tài)照明均提升了被試者的即時警覺度。此外，High-Low模式的動態(tài)照明對被試的精力狀態(tài)也有積極影響；3)情緒方面：相比之下，High-Low模式干預(yù)后，被試者的消極情緒顯著更低。在未來的研究中，將增大樣本數(shù)量，增加光環(huán)境參數(shù)閾值，進(jìn)一步開展相關(guān)研究，為教室動態(tài)照明的發(fā)展提供參考。