不同LED照度水平對設計類教室學習效率和舒適度的影響研究*

梁樹英 楊 易 王文軒 傅三超 白玉柱 LIANG Shuying, YANG Yi, WANG Wenxuan, FU Sanchao, BAI Yuzhu

0 引言

教室是學生進行學習活動的重要場所，其大部分學習時間是在教室里度過的，教室光環境質量的好壞不僅直接影響學生的視力健康，還對學生的學習效率、心理健康產生重要影響[1]。根據《建筑照明設計標準》GB50034的要求，教室課桌面的照度標準值為300 lx，美術教室桌面的照度標準值為500 lx。相對于傳統教室，設計類教室學生的座位更為固定、學習時間更長、學習行為模式更多樣，它是學生的自主學習空間，也是每個設計專業學子的第二個家[2]。從本課題組前期的問卷調查中分析可知，學生在設計類教室中需開展方案匯報、交流討論、圖紙繪制、圖紙拷貝、模型制作與拍攝等專業活動。這意味著在設計類教室中，學生需進行近距離、長時間、高強度的視覺作業活動，視覺任務復雜且負荷大，面臨著更嚴重的視疲勞風險[3]。但是，目前設計類教室還基本按照普通教室的光環境進行設計。同時，本課題組調查發現設計類專業學生對目前設計類教室的照度水平滿意度較低，說明普通教室300 lx的照度水平無法滿足其視覺要求。因此，對于設計類教室而言，確定其適宜的照度水平還需要進行更深入的研究。

研究表明，良好的照度水平不僅可以提高學生的舒適度，降低視疲勞，還能提高學生的學習積極性，從而間接提升學生的學習效率[4]。那紅宇等[5]通過大山正曾的實驗研究，總結提出照度對學習效率、視力有著重要的影響。保拉·里恰爾迪（Paola Ricciardi）[6]指出平均測量照度值與感知視覺舒適度密切相關。瓦萊里婭·德·朱利（Valeria De Giuli）等[7]通過調研威尼斯28間教室照明環境，并對614名學生進行心理影響評價，結果發現桌面照度不足是影響學生舒適度的重要因素。戈文·湯米（Govén Tommy）等[8]研究表明小學生的閱讀速度，寫作和算術水平在照度500 lx的照明環境下，均優于標準照度300 lx的學習環境。何偉等[9]對室內LED光照藍光進行測量分析，結果表明照度為3 000 lx時，LED藍光危害程度遠小于室內天然采光，且較高照度有益于改善人們的室內活動。楊春宇等[10]研究發現，在適宜的照度范圍內（不超過1 500 lx），隨著照度值的提高，學生腦疲勞程度在逐漸降低。毛鵬等[11]對10名受試者進行主觀感受調查以及認知能力測試，結果發現，在低照度環境下，受試者的學習效率降低，消極情緒增加。既往研究大多基于傳統教室的照明需求來分析不同光環境對學生視覺舒適度和學習效率的影響，對行為模式多樣的設計類教室的光環境研究還需進一步探索。

為研究設計類教室適宜的照度水平，本研究在真實的設計類教室中安裝LED燈具，并在不同照度水平條件下進行視覺作業實驗，通過客觀生理指數測量、主觀心理感受問卷調查、視覺作業測試和面部表情視頻采集，分析不同照度水平條件下被試的生理指數變化率、主觀舒適度評價、作業績效和面部情緒，探討設計類教室不同照度水平與舒適度、學習效率之間的關系，為設計類教室的光環境研究提供參考和依據。

1 實驗設計

1.1 實驗設置

實驗在重慶大學B區第二綜合樓17樓建筑學專業設計教室進行。該教室長 11.74 m，寬10.4 m，高3.6 m，單側采光,裝有中央空調。教室內采用18盞402-54W 4 000 K LED教育燈盤和2盞 4024MX-48W 4 000 K LED教育（消毒）燈盤，垂直黑板布置成4排5列，黑板上方布置3盞 5 000 K LED黑板燈，布置情況如圖1所示。教室內各表面的反射比分別為：桌面反射比為0.52，黑板反射比為0.11，瓷磚反射比為0.50，墻面反射比為 0.54，窗簾反射比為 0.32。教室照明實際測量計算結果為：課桌面照度均勻度0.69，學生視點眩光值為15.06 UGR，光源色溫4 000 K，全部滿足《建筑照明設計標準》GB50034的要求。

圖1 實驗教室內燈具布置情況Fig.1 lighting arrangement in the experimental classroom

為保證實驗正常進行和數據可靠，要求被試者生理參數穩定，實驗依從性高，無眼部疾病等病理因素，年齡分布均在18—22歲之間，被試身體狀態良好，睡眠充足，且情緒穩定。實驗選取重慶大學建筑系學生共計20名作為被試，最終14名學生完成了實驗。根據實驗數據的完整性和考慮男女比例，選擇其中12名被試的數據進行分析，其中男女各6人。所有被試在實驗前均被明確告知實驗流程及相關注意事項。

實驗于2022年3月進行，為期20天，為避免室外天然光的不穩定性[12]對實驗的影響，每天均在晚上7:00—9:00進行實驗。為了研究被試在不同照度水平下學習效率和心理主觀舒適度的差異，根據國家標準和實驗教室LED可調范圍，選取了5種照度等級進行實驗，分別為125 lx、300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx。在實驗過程中盡量保證教室內光照條件均勻[11]。通過手機APP調節照度，并用XYI-III全數字照度計測量實時照度，以保證實驗照度穩定。實驗中，利用中央空調將室溫控制在 22～26 ℃，并保持實驗教室安靜無噪聲。

1.2 實驗數據采集

1.2.1 主觀評價調查

主觀問卷由三部分組成：第一部分為被試的基本信息；第二部分為主觀舒適度評價，綜合考慮明亮感、疲勞感、顯色性、放松感和愉悅感這5個指標，并分為“-2～2”5個評分等級，即“不明亮～明亮”“疲勞～不疲勞”“失真～不失真”“不放松～放松”“不愉悅～愉悅”，得分越高，主觀舒適度越好，反之，主觀舒適度越差；第三部分為學習狀態自我評價，是被試對學習熱情和效率的主觀自我評價，采用七級李克特式量表計分[13]，分數越高，代表學習狀態越好。

1.2.2 生理指數測試

實驗前后的生理指標參數包括血壓、體溫和心率。使用手腕式自動血壓儀 PG-800A3測試心率和血壓變化，非接觸式體溫計測試體溫變化。以上生理指數測量儀器均測量簡單快速，讀數直觀。由于實驗主要考察同一被試在實驗前后的各項生理指數的變化情況，因而也可以排除儀器誤差[14]。

1.2.3 面部表情視頻采集

情緒是影響心理健康的重要原因之一[15]，研究表明合理的教室照明對調節學生情緒具有積極作用[16]。實驗中利用攝像頭采集被試全程的面部視頻數據，再使用面部表情分析系統（FaceReader）對面部表情視頻圖像進行心理狀態分析，捕捉被試的情緒變化。通過系統分析，可以從心理角度對不同照度水平下被試的情緒變化進行評估和對比。

1.2.4 作業績效提取

本實驗以心理學領域的研究成果為基礎，以效度、信度和難度為準則，選取了3項具有代表性且認可度高的測試項目，即指針表辨認測試、一般注意力測試和斯特普魯字色干擾測驗來進行學習效率測試。

首先是指針表辨認測試，試卷由8個方向一共160個箭頭組成，實驗過程中由實驗者指定任意2個方向的箭頭，被試將指定的2個箭頭勾選出來。其次是一般注意力測試，被試按照順序在100個打亂順序的數字中，找出15個連續數字。最后是斯特普魯字色干擾測驗，測試時要求被試盡快而準確說出文字的顏色。整個測試過程用時約15 min。

為避免被試對測試的熟練程度不同引起的結果偏差，要求被試全程參與本研究實驗，并在正式實驗前參與一次前期培訓和操作練習，以保證充分掌握測試的流程和所有測試題型。每個測試項目用準確率（accuracy/AC）、反應時間（reaction time/RT）和綜合績效（performance indicator/PI）來評價。

1.3 實驗流程設計

實驗開始前10 min 將LED 開啟以保持光環境處于穩定狀態。調節LED到指定照度水平，被試先進行5 min的光環境適應。在此期間，對被試的血壓、心率、體溫進行測量和記錄。適應后發放視覺作業量表，開始進行認知能力答題測試，其中認知能力測試題每道題都需要工作人員獨立計時并記錄在冊。被試在完成視覺作業后，填寫該照明水平下的主觀評價問卷，再對其完成視覺作業后的血壓、心率、體溫進行測量和記錄。在實驗過程中，利用攝像頭采集被試在進行視覺作業時全程的面部數據。單次實驗的總時長約為20 min。完成該照度水平下的實驗后，隨機調節到另一照度水平，在被試閉眼休息10 min后[17]，工作人員會根據里奇奇·克萊爾（Rechichi Clair）等人提出視疲勞的10個主訴癥狀（眨眼、畏光、眼癢、視物模糊、復視、眼沉重、眼刺痛、流淚、惡心、頭痛）[18]，對被試的視疲勞狀態進行評估，保證被試已充分緩解視覺疲勞后，再進行下一個單次實驗，直到完成該被試的5個單次實驗。實驗照明場景如圖2所示，單次實驗流程如圖3所示。

圖2 實驗照明場景圖Fig.2 experimental lighting scene diagram

圖3 單次實驗路程設計圖Fig.3 design diagram of single experiment distance

2 實驗結果與分析

全部實驗完成后在整理的過程中手動剔除存在較大誤差的數據，然后對所有數據進行整合匯總[19]。12名被試分別在5種不同的實驗條件下進行實驗，共收集到有效數據60組。每組數據包含實驗過程中收集的3種生理指數變化數據2次，3種作業績效數據3組，面部表情數據一次和主觀問卷數據一次，采用Excel和SPSS軟件處理和分析統計以上實驗的數據。

2.1 生理指數變化分析

對被試完成視覺作業前后的血壓和心率的生理指數實驗數據求平均值，生理指數變化率=（作業前后的生理指數變化差值/作業前的生理指數）×100%[20]，得到在5種照度水平下，視覺作業前后生理指數變化平均值及變化率如表1和圖4所示。

表1 五種照度LED燈下視覺作業前后生理指數變化Tab.1 changes of physiological index before and after visual operation under fivekinds of illumination LED lights

圖4 五種照度水平下生理指數平均變化率比較Fig.4 comparison of the average change rate of physiological index under five different illumination levels

從圖4可以看出，完成視覺作業前后，各照度水平對體溫無明顯影響，對血壓和心率影響較為明顯。在300 lx的照度水平下，血壓和心率的平均變化率最大；在1 000 lx照度水平下，血壓和心率的平均變化率較大；在125 lx和500 lx照度水平下，血壓和心率的平均變化率接近，但相對來說，在125 lx的照度水平下平均變化率較??；在750 lx照度水平下，血壓和心率的平均變化率最小。

此外，無論在哪種照度水平下，收縮壓（高壓）的變化幅度都比舒張壓（低壓）的變化幅度大，這與人在緊張應急狀態下的正常生理反應機制是一致的[21]。變化率越小，說明被試在這種環境下越放松。因此，本實驗從生理指數變化率的角度分析，在設計類專業教室，學生在750 lx的照度水平下學習最放松。

2.2 作業績效測試分析

對被試完成斯特普魯字色干擾測驗、指針表辨認測試和一般注意力測試的準確率（AC）、反應時間（RT）和綜合績效（PI）求平均值。其中綜合績效（PI）=準確率（AC）/反應時間（RT），得到在五種照度水平下的測試績效平均值，計算結果如表2所示、差異比較如圖5-7所示。

表2 五種照度水平下作業績效結果Tab.2 performance results under five levels of illumination

圖5 五種照度水平下視覺作業準確率比較Fig.5 comparison of visual operation accuracy under five different illumination levels

從圖5、圖6和圖7可以看出，在實驗照度范圍內，隨著照度升高，視覺作業準確率和綜合績效先升后降，產生反應時間先降后升。在125 lx的照度水平下，視覺作業準確率和綜合績效最低，產生反應時間最長。在750 lx的照度水平下，視覺作業準確率最高。在500 lx的照度水平下，產生反應時間最短，綜合績效最高。說明在設計類專業教室光環境方面可以通過提高照度的方式來提高學習效率。但是該方式有一定限制，當照度升高到750 lx時，視覺作業綜合績效會出現小幅度下降 ，反應時間加長。當照度升高到1 000 lx時，視覺作業準確率會出現一定程度的下降?？赡苁且驗楦哒斩葧稚⑷说淖⒁饬?，進而影響學習效率。邊恭敏（Byoung-Kyong Min）等[22]研究發現，在持續的注意力任務中，較高的光照會產生更長的反應時間,會導致人的注意力受到影響。

圖6 五種照度水平下視覺作業反應時間比較Fig.6 comparison of visual task response time under five different illumination levels

圖7 五種照度水平下視覺作業綜合績效比較Fig.7 comparison of performance indicator of visual homework under five different illumination levels

因此，從視覺作業的準確率、反應時間和綜合績效分析，在一定照度范圍內，提高照度水平有益于學習任務的效率提高。在設計類專業教室，學生在500 lx和750 lx的照度水平下學習效率更高。

2.3 面部表情評價分析

FaceReader（Noldus）是一款用于面部表情分析的專業軟件，軟件將面部復雜肌肉分為27個區域模塊，通過增加深度神經網絡（deep neural network）的算法，可得出高興、悲傷、憤怒、驚訝、害怕、厭惡和中性這七種基本情緒判斷。除這些基本情緒判斷外，還能分析表情效價、喚醒度、頭部朝向以及面部動作單元活動等參數[23]。同時，還能分析被試的綜合心境（平靜/緊張，痛苦/愉悅）、次級情緒（尷尬、內疚、嫉妒、驕傲、羞恥）和復合情緒（驚喜）等。FaceReader的工作流程分為三部分：面部定位、面部建模和面部分類。本次實驗對被試進行面部表情視頻采集后，通過FaceReader對視頻圖像自動分析被試面部表情的變化，根據內置算法可自動求得被試在設計類專業教室內不同照度水平下情緒的變化趨勢和情緒占比，其分析過程如圖8-9所示，其數據處理結果如表3所示。

表3 五種照度水平下情緒占比平均值Tab.3 average results of emotional proportion under five different illumination levels

圖8 面部表情分析情況Fig.8 analysis of facial expression

圖9 FaceReader工作流程圖Fig.9 FaceReader workflow flowchart

從表3可以看出，在1 000 lx的照度水平下，代表舒適的愉快情緒占比最大，其次是500 lx。當照度低于500 lx，代表不舒適的厭惡情緒無明顯變化，當照度升高到750 lx時，厭惡情緒占比下降到最低。說明在設計類專業教室，照度保持在較高水平有益于正面情緒[24]，改善學生的學習積極性。趙虎等[25]研究表明光照能影響與情緒高度相關的激素分泌，進而影響人的情緒與精神狀態，合理的照度可對人的情緒改善起到積極作用。

2.4 主觀感受評價分析

完成視覺作業之后對12名被試進行主觀感受問卷調查，第一部分是關于主觀舒適度評價，其統計結果如圖10所示。

圖10 主觀舒適度隨照度變化規律Fig.10 variation of subjective comfort with illumination

從圖10可以看出，在實驗照度范圍內，隨著照度升高，主觀舒適度越來越好。說明對于主觀舒適度來說，高照度要優于低照度。為識別影響上述主觀舒適度評價的具體因素和照度之間的關系，保證主觀數據的準確性，利用Shapiro-Wilk正態性檢驗方法分析照度與學生在設計類專業教室主觀舒適度之間的關系，如表4所示。

表4 照度對主觀感受的影響Tab.4 influence of illumination on subjective feeling

由表4可知，明亮感、疲勞感和愉悅感明顯受照度的影響（P＜0.05），其中明亮感和愉悅感與照度顯著相關（P＜0.001）。隨照度升高，明亮感呈遞增趨勢，愉悅感在750 lx的照度水平下有顯著提升。因此，從主觀感受來看，在設計類專業教室，學生更偏好在750 lx的照度水平下進行學習。

第二部分是對學習狀態的主觀評價，發現不同照度對學生學習狀態有顯著影響（P＜0.05），具體如表5所示。

表5 照度對學習狀態自我評價的影響Tab.5 influence of illumination on self-evaluation of learning state

隨照度升高，學習狀態先升后降。在125 lx的照度水平下，學習狀態最差。在750 lx的照度水平下，學習狀態最好。當照度升高至1 000 lx時，學習狀態出現小幅度下降，但相對于125 lx和300 lx有所改善。說明在設計類專業教室，良好的光環境有益于學生學習熱情的提高。

3 結論與展望

本研究基于設計類專業教室照明效果現狀，設計了五種不同LED照度水平的教室照明環境，對12名重慶大學建筑系學生進行主觀評價調查、生理指標測試、面部采集和作業績效測試實驗，得到設計類專業教室不同照度水平對學生舒適度和學習效率的影響作用。主要結論如下所示。

第一，比較不同照度水平下，完成視覺作業前后的人體血壓、心率等生理指數的變化，可以看到，在750 lx的照度水平下，血壓和心率的平均變化率最低，說明學習狀態最輕松。

第二，隨著照度升高，視覺作業準確率和綜合績效先升后降，產生反應時間先降后升。在500 lx照度水平下，產生反應時間最短，綜合績效最高。在750 lx的照度水平下，視覺作業準確率最高。說明設計類專業教室在一定照度范圍內，可以通過提高照度的方式來提高學生的學習效率，但不超過1 000 lx為宜。

第三，照度保持在較高水平，有益于改善學生情緒。在1 000 lx的照度水平下，愉快情緒占比最大，其次是500 lx。在750 lx的照度水平下，厭惡情緒占比最小。

第四，在主觀舒適度和學習狀態兩項評價中，隨照度的提高，學生的主觀舒適度越好，主要是明亮感和愉悅感受照度影響顯著；隨照度升高，學習狀態主觀評價先升后降，在750 lx的照度水平下最高，到1 000 lx逐漸下降。說明在設計類專業教室，學生更偏好于在較高照度下學習。

因此，在設計類專業教室的光環境營造中，需要在普通教室的照度水平上適當提高，以750 lx的照度水平為宜，可以進一步提高學生的學習效率和舒適度。相關研究表明，教室照明光源色溫為4 000 K時，學生狀態最為舒適[21]。本研究中，實驗采用4 000 K色溫的光源，實驗燈具按4×5排列均勻布置，內置擋光格柵，提高了照度均勻度，減少了眩光對實驗的影響，避免了LED光線直射和燈光在桌面上形成陰影的問題。另外，本文僅從照度變化，對學生紙質作業時的學習狀態和同向式布局的設計類專業教室進行了初步實驗，而設計類專業教室的空間布置和學生學習模式多樣，后續研究工作還需要從以下兩個方面深入展開：一是結合不同的行為模式改變設計類專業教室的空間布局，驗證照度對學生不同學習模式的學習效率和舒適度的影響；二是進一步研究光源的照射方向、色溫以及布置方式等對設計類專業教室學生的學習效率和舒適度的影響。因此，有關 LED 照明環境下設計類教室學習效率和舒適度的問題還有待進一步深入研究和探討。

圖表來源：

圖1、3-7、9-10：作者繪制

圖2、8：作者拍攝

表1-5：作者繪制