夏季室內(nèi)風(fēng)速對(duì)中學(xué)生學(xué)習(xí)效率的影響研究

蔣 婧，秦石磊，云旭鑫，王登甲

(1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

中學(xué)生身心健康和學(xué)習(xí)效率受教室環(huán)境質(zhì)量的直接影響[1].評(píng)價(jià)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量[2]的參考指標(biāo)眾多，主要包括室內(nèi)熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)、聲、光環(huán)境.其中，熱濕環(huán)境影響因素主要包括：溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、輻射溫度等.而夏季氣溫較高，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速能夠加速人體表面汗液蒸發(fā)，從而產(chǎn)生舒適感；其次，當(dāng)前研究者大多針對(duì)環(huán)境參數(shù)與人體舒適度關(guān)系進(jìn)行研究，而與學(xué)習(xí)效率相結(jié)合的研究相對(duì)較少；同時(shí)，由于測(cè)試效率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多爾繁瑣，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果各異且對(duì)受試者認(rèn)知能力要求較高，參與者多為大學(xué)生[3-4]，然而中學(xué)生的生理特征、心理變化及認(rèn)知能力與前者大不相同，相比于成年大學(xué)生，中小學(xué)生新陳代謝旺盛，使得中小學(xué)生對(duì)偏熱的環(huán)境也更加敏感[5]；此外，眾多學(xué)者[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，中小學(xué)教室環(huán)境往往較差，特別是鄉(xiāng)村中小學(xué).因此，研究夏季室內(nèi)環(huán)境對(duì)中學(xué)生學(xué)習(xí)效率的影響具有深遠(yuǎn)意義.

本課題組前期在針對(duì)華中地區(qū)夏季的大量調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的中小學(xué)教室一天當(dāng)中，室內(nèi)相對(duì)濕度、輻射溫度等環(huán)境因素常常維持較小的波動(dòng)范圍，其變化對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率影響可忽略不計(jì).室內(nèi)溫度、風(fēng)速兩因素變化范圍較大，且大多是時(shí)間內(nèi)，學(xué)生更期望通過降低溫度、增大風(fēng)速的方式提高舒適度及學(xué)習(xí)效率.因此，溫度、風(fēng)速兩因素是夏季影響學(xué)生學(xué)習(xí)效率的主要因素.本課題組前期已經(jīng)得出，該地區(qū)夏季教室內(nèi)最適溫度為26 ℃.基于前期結(jié)論，本文主要研究最適溫度下，風(fēng)速對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的影響關(guān)系.

目前，關(guān)于風(fēng)速與學(xué)習(xí)效率之間關(guān)系的研究中，尚未明確給出夏季營造舒適且高效的室內(nèi)學(xué)習(xí)環(huán)境的推薦風(fēng)速.白魯建等[8]研究者對(duì)西安市中小學(xué)教室環(huán)境調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，中學(xué)教室由于人員密集、室內(nèi)風(fēng)速過低，導(dǎo)致空氣質(zhì)量差，使得學(xué)生悶熱感強(qiáng)烈，這將降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.Wargocki和Wyon[9]與Bakó-Biró[10]的研究同時(shí)表明，在一定范圍內(nèi)，測(cè)試正確率隨風(fēng)速的提高而增加.同濟(jì)大學(xué)胡佳林等[7-11]研究發(fā)現(xiàn)，教室新風(fēng)量不足，導(dǎo)致二氧化碳含量過高是影響學(xué)生學(xué)習(xí)效率的主要原因；清華大學(xué)朱穎心等[12]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速在保證人員舒適度的同時(shí)，不會(huì)降低工作效率.綜上可知，一定的通風(fēng)量不僅能提高室內(nèi)人員舒適度，更有助于提升學(xué)習(xí)效率，這對(duì)學(xué)校建筑節(jié)能的影響意義深遠(yuǎn).

本文基于中學(xué)生認(rèn)知水平，從專注力、感知能力、理解記憶、邏輯推理[13]四種神經(jīng)行為評(píng)價(jià)測(cè)試中，選取12項(xiàng)測(cè)試任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)效率測(cè)試.研究4組不同風(fēng)速下學(xué)生學(xué)習(xí)效率的變化趨勢(shì)，得出夏季室內(nèi)風(fēng)速對(duì)中學(xué)生學(xué)習(xí)效率的影響關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)于2021年8月在河南省洛陽市模擬教室環(huán)境下進(jìn)行，圖1為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)平面布局圖.采用分體式空調(diào)控制室內(nèi)溫度，風(fēng)扇控制風(fēng)速，空氣加濕器調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，通過向室內(nèi)釋放CO2氣體控制室內(nèi)CO2濃度.通過室外氣候的自然變化與室內(nèi)設(shè)備的人工調(diào)節(jié)共同作用，營造夏季實(shí)驗(yàn)工況.實(shí)驗(yàn)前，由測(cè)試人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控、監(jiān)測(cè).實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)氣流速度、溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度、黑球溫度等，并做好記錄.根據(jù)實(shí)驗(yàn)前的室內(nèi)環(huán)境與人員舒適度問卷調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)，最終確定本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)速為0、0.4、0.8及1.2 m/s.

圖1 實(shí)驗(yàn)室平面布局圖

1.2 受試者和實(shí)驗(yàn)安排

本次實(shí)驗(yàn)受試者均為當(dāng)?shù)刂袑W(xué)生.首先對(duì)選取的受試者進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，使其熟悉實(shí)驗(yàn)流程.同時(shí)根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效率測(cè)試結(jié)果，最終確定16名(8男8女)成績相當(dāng)?shù)膶W(xué)生參加正式實(shí)驗(yàn)，以降低因受試者學(xué)習(xí)能力的差異而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響.正式實(shí)驗(yàn)的受試者基本信息情況如表1所示.

表1 受試者基本信息表(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

受試者均滿足以下五點(diǎn)：(1)近期無感冒發(fā)燒等；(2)統(tǒng)一著裝，上身T恤，下身短褲，鞋子為休閑鞋；(3)避免劇烈運(yùn)動(dòng)；(4)參與實(shí)驗(yàn)的受試者得到受試者及其家長的同意；(5)受試者嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求并配合指導(dǎo)人員完成實(shí)驗(yàn).受試學(xué)生被分為4組(每組2男2女)，均參與所有的風(fēng)速工況實(shí)驗(yàn)，為了排除受試者主觀意愿對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差，實(shí)驗(yàn)各工況對(duì)受試者保密.

正式實(shí)驗(yàn)時(shí)間為每天上午08：00～12：00，下午14：00～18：00.每天上、下午各進(jìn)行1組工況實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)約持續(xù)50分鐘，測(cè)試結(jié)束即可離開.實(shí)驗(yàn)順序由電腦隨機(jī)產(chǎn)生，本文實(shí)驗(yàn)隨機(jī)順序按照0.8、0、0.4、1.2 m/s的順序進(jìn)行.受試者測(cè)試時(shí)間分配如圖2所示.

圖2 受試者實(shí)驗(yàn)流程

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.3.1 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)所用儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中，對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并做好記錄.所用儀器包括CO2測(cè)試計(jì)、溫濕記錄儀、熱球風(fēng)速計(jì)、熱力指數(shù)計(jì)、噪音計(jì)、數(shù)字照度計(jì)等，儀器具體參數(shù)如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)所用儀器

1.3.2 主觀問卷調(diào)查

問卷調(diào)查主要包括了學(xué)生個(gè)人基本信息調(diào)查、教室內(nèi)環(huán)境主觀評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)狀態(tài)自我評(píng)價(jià)三部分.學(xué)生個(gè)人基本信息調(diào)查，該項(xiàng)調(diào)查內(nèi)容主要包括學(xué)生性別、年齡、身高、體重、衣著情況等；教室內(nèi)環(huán)境主觀評(píng)價(jià)，包括了學(xué)生對(duì)熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)等的感覺、期望變化，以及對(duì)室內(nèi)整體環(huán)境舒適度、滿意度評(píng)價(jià)，熱感覺評(píng)價(jià)采用ASHRAE的7級(jí)標(biāo)度：冷(-3)、涼(-2)、稍涼(-1)、適中(0)、稍暖(+1)、暖(+2)、熱(+3)；舒適度采用5級(jí)標(biāo)度：舒適(0)、有點(diǎn)不舒適(1)、不舒適(2)、很不舒適(3)、難以忍受(4)；滿意度采用5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)度：很不滿意(-2)、不滿意(-1)、可接受(0)、滿意(+1)、很滿意(2)；學(xué)習(xí)狀態(tài)自我評(píng)價(jià)，包括了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)熱情自我評(píng)價(jià)，均采用7級(jí)標(biāo)度：很低(-3)、較低(-2)、低(-1)、一般(0)、高(+1)、較高(+2)、很高(+3)[11-12].

1.3.3 學(xué)習(xí)效率測(cè)試

基于人員認(rèn)知能力[13]的神經(jīng)行為評(píng)價(jià)是一種高效便捷的效率測(cè)試方法.本測(cè)試結(jié)合初中生認(rèn)知水平，設(shè)置恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試任務(wù).以注意力測(cè)試、舒爾特方格、數(shù)字分類表征專注力；以字母檢索、空間定位、立體視覺表征感知能力；以記憶掃描、方格填充、視覺學(xué)習(xí)表征理解記憶；以連續(xù)加減、順序推理、定義判斷表征邏輯推理.測(cè)試結(jié)果記錄各任務(wù)的正確率及反應(yīng)時(shí)間，并換算成學(xué)習(xí)效率[15-16]，以此體現(xiàn)學(xué)習(xí)效率的高低.此外，針對(duì)學(xué)習(xí)效率的測(cè)試，采用開發(fā)的學(xué)習(xí)效率測(cè)評(píng)軟件進(jìn)行電腦端測(cè)試[17].學(xué)習(xí)效率測(cè)評(píng)軟件部分頁面如圖3所示.

圖3 學(xué)習(xí)效率測(cè)評(píng)軟件界面

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

首先，檢查所有數(shù)據(jù)，剔除極個(gè)別明顯偏離正常取值范圍的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)[2]，計(jì)算得到各項(xiàng)結(jié)果的描述統(tǒng)計(jì)量：均值和標(biāo)準(zhǔn)差；檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布.

進(jìn)行方差分析，確定各組測(cè)試項(xiàng)目在不同風(fēng)速下的差異，設(shè)置顯著性水平P為0.05.此外，由于P值僅能表明結(jié)果存在差異的概率，而無法顯示結(jié)果差異的大小，而效應(yīng)量(ES)是衡量實(shí)驗(yàn)影響強(qiáng)度的指標(biāo)，因此，還要計(jì)算并分析效應(yīng)量[15].

在方差分析中，效應(yīng)量(ES)可由下式計(jì)算得到：

(1)

式中：ES為效應(yīng)量；ES≥0.1、ES≥0.25和ES≥0.4時(shí)分別代表有較小、中等和較大影響；F為方差分析中的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；n為組間人數(shù)相等時(shí)每組的人數(shù)[13].

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境測(cè)量結(jié)果與分析

環(huán)境參數(shù)測(cè)量值如表3所示(均值±標(biāo)準(zhǔn)差).由表可知，室內(nèi)風(fēng)速實(shí)際工況值接近設(shè)計(jì)工況值，而空氣溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度、平均輻射溫度等在工況間基本無差異，說明室內(nèi)環(huán)境得到了較好的控制.

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)測(cè)試結(jié)果(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.2 主觀問卷調(diào)查結(jié)果分析

不同工況下的受試者環(huán)境滿意度投票值如圖4所示.超過85%的受試者對(duì)0.8 m/s之內(nèi)的風(fēng)速可接受度評(píng)價(jià)較高，風(fēng)速大于0.8 m/s之后，可接受度有明顯降低.超過75%的受試者對(duì)0.4 m/s的風(fēng)速滿意度評(píng)價(jià)較高，風(fēng)速大于0.4 m/s之后，滿意度明顯降低，直至為零.同一工況下，受試者對(duì)風(fēng)速的可接受度均大于受試者對(duì)風(fēng)速的滿意度，其中，在0.4 m/s的工況下，受試者對(duì)風(fēng)速的滿意度及可接受度較為接近且評(píng)價(jià)均最高.隨著風(fēng)速的增加，受試者對(duì)風(fēng)速的不可接受度逐漸上升，1.2 m/s工況下，受試者對(duì)風(fēng)速的不可接受度高達(dá)70%.

圖4 受試者環(huán)境滿意度評(píng)價(jià)

不同風(fēng)速條件下，受試者的病態(tài)建筑綜合癥[18-19]結(jié)果如表4，病態(tài)建筑綜合癥均值越高，表示相應(yīng)癥狀越嚴(yán)重.由表4可知，隨著室內(nèi)風(fēng)速的增加，學(xué)生的“頭痛”、“口干、嗓子難受”、“流鼻涕”、“鼻子堵塞”癥狀更明顯，其他癥狀變化較小.表中P值表示病態(tài)建筑綜合癥在不同風(fēng)速條件下差異的顯著性水平；ES值表示病態(tài)建筑綜合癥在不同風(fēng)速條件下差異效應(yīng)的程度.結(jié)果表明，“頭痛”、“口干、嗓子難受”、“流鼻涕”、“鼻子堵塞”等癥狀具有中等效應(yīng)值，其他癥狀均具有較小的效應(yīng)值.

表4 不同室內(nèi)風(fēng)速對(duì)受試者健康舒適感覺的影響(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

不同風(fēng)速條件下受試者的整體健康舒適水平程度如圖5所示.受試者的整體健康舒適評(píng)價(jià)值可由整體健康舒適主觀評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算得出.具體算法為：將受試者的環(huán)境整體舒適感覺主觀評(píng)價(jià)結(jié)果用0到4賦值，分別表示舒適(0)、有點(diǎn)不舒適(1)、不舒適(2)、很不舒適(3)、難以忍受(4)，然后用“4”減去各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值，最后將不同風(fēng)速條件下所得值相加，總分越高，表明學(xué)生的整體健康舒適水平越高[2].由圖可知，在風(fēng)速為0.4 m/s之內(nèi)，受試者整體健康舒適程度較高.風(fēng)速大于0.4 m/s之后，隨著風(fēng)速的增加，受試者整體健康舒適度明顯下降.

圖5 不同風(fēng)速對(duì)中學(xué)生健康舒適的影響

2.3 學(xué)習(xí)效率評(píng)價(jià)

2.3.1 測(cè)試結(jié)果

學(xué)習(xí)效率指標(biāo)用于評(píng)價(jià)整體性能，其根據(jù)正確率及反應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，經(jīng)加權(quán)計(jì)算得到.正確率和反應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)的權(quán)重定為0.5.計(jì)算公式[18]如下：

(2)

式中：LP為學(xué)習(xí)效率指標(biāo)；AC為正確率；RT為反應(yīng)時(shí)間，s.

由于不同測(cè)試項(xiàng)的反應(yīng)時(shí)間差別較大，為了比較不同項(xiàng)目，對(duì)所有受試者的學(xué)習(xí)效率數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式[21]如下.

(3)

式中，RP(Si，j)為第i個(gè)受試者在工況j時(shí)的學(xué)習(xí)效率指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值；xi，j指第i個(gè)受試者在工況j時(shí)的指標(biāo)；n指每個(gè)測(cè)試者進(jìn)行的工況總數(shù).

基于人員認(rèn)知能力的學(xué)習(xí)效率測(cè)試任務(wù)在不同風(fēng)速下的測(cè)試結(jié)果如表5所示.對(duì)測(cè)試任務(wù)的正確率、反應(yīng)時(shí)間及學(xué)習(xí)效率標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得到P值及ES值.

表5 學(xué)習(xí)效率測(cè)試結(jié)果(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

由表5可知，不同風(fēng)速對(duì)學(xué)習(xí)認(rèn)知能力測(cè)試的影響差異主要取決于任務(wù)類型.注意力測(cè)試、舒爾特方格的學(xué)習(xí)效率，具有較高的效應(yīng)值；數(shù)字分類、空間定位、記憶掃描、順序推理的學(xué)習(xí)效率具有中等效應(yīng)值；注意力測(cè)試、數(shù)字分類、記憶掃描、方格填充、連續(xù)加減、順序推理的反應(yīng)時(shí)間具有中等效應(yīng)值；其他測(cè)試項(xiàng)目，除字母檢索、記憶掃描、方格填充、連續(xù)加減、順序推理的正確率(AC)外，均具有較小的效應(yīng)值.說明風(fēng)速對(duì)受試者的學(xué)習(xí)效率影響程度最大，對(duì)受試者的反應(yīng)時(shí)間影響次之，對(duì)受試者的正確率影響最小.

2.3.2 學(xué)習(xí)任務(wù)效率變化

不同測(cè)試任務(wù)間的反應(yīng)時(shí)間差別，將導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率差別較大，無法統(tǒng)一比較.現(xiàn)對(duì)受試者的正確率、反應(yīng)時(shí)間、學(xué)習(xí)效率數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到不同風(fēng)速下正確率、反應(yīng)時(shí)間、學(xué)習(xí)效率變化趨勢(shì)線，如圖6、圖7、圖8所示.下圖中AC表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的正確率，RT表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的反應(yīng)時(shí)間，LP表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的學(xué)習(xí)效率.

圖6 不同風(fēng)速下受試者正確率變化趨勢(shì)圖

圖7 不同風(fēng)速下受試者反應(yīng)時(shí)間變化趨勢(shì)圖

圖8 不同風(fēng)速下受試者學(xué)習(xí)效率變化趨勢(shì)圖

圖6表明，隨著風(fēng)速的增加，正確率平均值先增加后減小，正確率指標(biāo)大部分維持在1.00～1.05之間；圖7表明，隨著風(fēng)速的增加，反應(yīng)時(shí)間平均值先減少后增加，反應(yīng)時(shí)間指標(biāo)大部分維持在1.00以下；圖8表明，隨著風(fēng)速的增加，學(xué)習(xí)效率平均值先增加后減小，學(xué)習(xí)效率指標(biāo)大部分維持在1.00～1.15之間.總體上看，各測(cè)試項(xiàng)目的正確率及學(xué)習(xí)效率在0.4 m/s風(fēng)速下較高，當(dāng)風(fēng)速增加或減小時(shí)，正確率及學(xué)習(xí)效率均有所下降.同時(shí)，0.4 m/s風(fēng)速條件下，受試者的總體反應(yīng)時(shí)間最短.這說明，0.4 m/s的風(fēng)速是受試者最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)點(diǎn).

3 結(jié)論

(1)0～0.4 m/s風(fēng)速內(nèi)，受試者健康舒適程度維持最高且基本保持不變，風(fēng)速大于0.4 m/s后，隨風(fēng)速的增加，受試者健康舒適程度迅速下降；

(2)0～1.2 m/s風(fēng)速內(nèi)，正確率及學(xué)習(xí)效率先提升后下降，反應(yīng)時(shí)間先減少后增加，三者峰值均出現(xiàn)在0.4 m/s風(fēng)速下；

(3)夏季教室內(nèi)最佳風(fēng)速推薦值為0.4 m/s.