秋冬季节不同LED照明环境下的学习效率变化

杨春宇，汪统岳，向奕妍，胡 皓

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

秋冬季节不同LED照明环境下的学习效率变化

杨春宇1,2，汪统岳1,2，向奕妍1,2，胡 皓1,2

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

秋冬季节日照缺乏，导致学生情绪低落、学习效率下降，通过人工照明可以有所缓解。在实验室模拟教室照明，选取三种典型色温(4 000 K、5 000 K、6 500 K)和六种照度(500 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、2 500 lx、3 000 lx)组成18种光环境，分析被试在不同光环境下的学习效率和疲劳程度及其随时间的变化趋势。结果表明：色温对综合脑力工作指数的变化率影响最大，其次是照明时间，然后是照度；5 000 K色温下，IMC指数的提升效果最明显；IMC指数的变化率随照度和时间的提高都先增加后减少，在2 000 lx和1.5h附近达到峰值；最佳的色温和照度组合为5 000 K和2 000 lx，最佳的照度和时间组合为2 000 lx和1.5h；色温越高，负面情绪越多；2 000 lx以内照度越高，作业效率越高，超过2 000 lx以后，作业效率降低；光照时间越长，疲劳越严重。

LED；教室照明；学习效率；色温；照度

引言

日照与人体健康密切相关，光照的缺乏会影响人的心理和生理健康，如季节性情绪障碍(SAD)和学习效率低下等问题[1]。秋冬季节变化，许多学生不能适应日照减少，而影响情绪和学习效率，且大学生是容易受到季节性情绪波动影响的群体[2]。如何利用人工照明环境来缓解抑郁情绪、提高工作效率成为研究的焦点[3]。研究表明5 000 K左右的光环境下被试辨色能力最强[4]；女性被试在6 500 K时辨别力最好，男性被试在5 500 K时最好[5]；色温和照度对学生作业的准确率有直接影响，照度值大于500 lx的光环境下学生的视觉作业效率较高[6]；高色温条件下学生的视觉任务工作效率都高于低色温，但学生在低色温下具有更高的喜好性[7]；有学者利用人眼瞳孔大小和识别时间建立了光生物效应下教室照明的回归模型，发现4 000 K荧光灯下瞳孔变化率和生理指数变化率小，视觉作业最舒适[8]；中间色温荧光灯在恰当的时间内可对学生产生良性刺激,对大脑起到“唤醒”或“放松”的作用,达到提高学习效率、缓解疲劳的效果，而高、低色温荧光灯的作用则相反[9]；教室光环境的选择，应考虑学习的长期性、高负荷等特点和“时间累积”效应的综合影响[10]；LED的发光原理和光谱特征与传统光源不同，适用于室内照明的评价标准尚未完善[11]，其色温、照度和时间累积对教室照明舒适度和学习效率的影响仍待研究。故选取不同色温的LED灯具，营造不同的照度条件，比较被试者在不同光环境下的学习效率及其随时间的变化趋势。

1 实验方案

1.1 实验目的

通过实验室模拟教室照明环境，让志愿者在不同色温和照度条件下的光环境中学习一段时间后，通过剂量作业法，采用安菲莫夫字母识别表、数字校对表和朗道尔环核对表，测定其综合脑力工作能力指数(IMC)来评价视觉功效[12]，使用卡罗林斯卡警觉度分类表[13](KSS)和邓迪压力状态量表[14](DSSQ)来评判志愿者的主观心理感受，综合评价不同色温和照度的光环境及光照时间对学习效率的影响，为下一步的生理、生化指标的定量分析奠定基础。通过人工照明的方式来弥补天然光,打破了人对所处光气候区的适应性，可能造成生理和生化指标的变化，有待深入研究[15]。

1.2 实验方法

选用全析因实验方法，将3种色温、6种照度和6种光照时间交叉组合，形成108个实验组。除了研究三个自变量因素对实验指标的影响外，还要分析因素间的交互作用对实验结果的影响，通过方差分析、单独效应分析、交互效应和极差分析，筛选出最佳的照明环境组合。我国教室照明的工作面照度标准值为300 lx，推荐采用中间色温(3 300 K～5 300 K)[16]；目前大多采用6 000 K以上色温的冷白光，这与长期的使用偏好和追求高光效有关；国外的标准要求更高，日本照明学会规定照度标准值为500 lx，色温宜在4 000 K以上；CIE标准要求色温不低于4 000 K，部分空间要求达到6 500 K；故将实验灯具色温限定在4 000～6 500 K，选取4 000 K、5 000 K和6 500 K三种色温。为满足秋冬季节补充光照的心理需求，选取500 lx为最低照度值。视觉功效在一定范围内随着照度的升高而提高，照度达到某临界点后，人眼灵敏度反而下降，实验模拟教室照明环境，照度不宜过高，故限定在3 000 lx以内，等距选取了500、1 000、1 500、2 000、2 500 lx和3 000 lx六种照度水平。通过学生的行为模式问卷调查发现，63.6%的学生连续自习不会超过3个小时，所以每天的实验时间为3 h，每隔半小时观察志愿者的状态变化。

1.3 实验步骤

2016年冬季，随机对200名大学生志愿者进行了季节行为模式问卷调查，初步选出由于季节变化导致情绪不佳、学习效率低下的学生，再用安菲莫夫量表进行简单的学习效率测试，筛选出36名志愿者，男女各半。连续三天进行生理信号检验，观察结果是否稳定，由于女性生理周期导致生理指标突变，故予以剔除，最终筛选出10名男性志愿者。分为两组，交叉进行照明实验，每组测试后休息一天。实验在绿色与健康照明实验室进行，灯具选用同种型号的LED灯管，单只功率16 W，色温分为4 000 K、5 000 K和 6 500 K三种。实验室采用黑色防火幕布分成单独的隔间，每个隔间对应一种照明环境，互不影响。志愿者每天14点开始实验，进行第一次剂量作业和疲劳主观测试，完成后进入对应隔间，开始自习，之后每半小时再进行一次测试，17点结束实验。实验期间可以阅读和书写，不允许使用手机、电脑等带有辐射的设备。

2 数据分析与讨论

2.1 分析方法

志愿者的IMC指数由安菲莫夫字母识别表、数字校对表和朗道尔环核对表测量得到，分别计算出每种量表的IMC指数，见公式(1)，取其平均值作为该志愿者的IMC指数结果，再求出志愿者光照前后的IMC指数变化率，见公式(2)。KSS量表得分根据志愿者的选项得分直接汇总得出，DSSQ量表分为任务参与度得分、负面情绪得分和干扰得分三部分(见表1)。

式中η为IMC指数，η1、η2分别为光照前、后IMC指数，ε为IMC指数变化率，t为任务时间，N1、N2、N3分别为阅字个数、应删字数、错删字数。

表1 KSS量表、DSSQ量表的作用及分值含义

根据志愿者算出的IMC指数变化率、KSS量表得分和DSSQ量表得分，利用SPSS软件对数据进行方差分析、单独效应分析、交互效应分析和极差分析，判断色温、照度和照明时间这些因素的显著性及对实验指标的影响力，筛选最优的照明环境。

2.2 数据讨论

2.2.1 IMC指数变化率分析

对算出的IMC指数变化率各组数据进行正态分布检验后，再进行单因变量多因素方差分析。除色温与照明时间的交互作用外(p>0.05)，色温、照度、照明时间、色温与照度的交互作用和照度与照明时间的交互作用对IMC指数变化率均有显著性影响(p<0.05)。

分别对影响IMC指数变化率的三个因素进行单独效应分析，绘制出IMC指数变化率随色温、照度和照明时间的变化趋势图(见图1～图3)。总体而言，色温和照度对IMC指数均有提升作用，照明时间除3 h外，2.5 h以内都是积极作用；三个因素对IMC指数变化率的影响力都是先增大再减少，色温在5 000 K附近、照度在2 000 lx附近、照明时间在1.5 h附近时，IMC指数变化率达到峰值；6 500 K的色温和3 000 lx的照度条件下，IMC指数的提高效果并不明显，照明时间超过2.5 h后，IMC指数反而下降，视疲劳严重，在实际照明运用中应避免。

图1 IMC指数变化率随色温的变化趋势图Fig.1 Curve：the variation tendency of IMC index varying with color temperature

图2 IMC指数变化率随照度的变化趋势图Fig.2 Curve：the variation tendency of IMC index varying with illumination

图3 IMC指数变化率随照明时间的变化趋势图Fig.3 Curve：the variation tendency of IMC index varying with lighting time

实验测出的IMC指数变化最佳的灯组为5 000 K色温和1 500 lx照度的环境，照明1.5 h的时候IMC指数变化率最高；这跟单因素分析的结论有所出入，因为色温与照度和照明时间还存在着交互作用，主要是色温与照度的交互作用和照度与照明时间的交互作用对IMC指数变化率有显著性影响。对比不同色温和照度条件下，剔除照明时间因素的影响后IMC指数变化率的估算边际均值(见表2)，5 000 K色温和2 000 lx照度条件下，IMC指数的提升效果最好，其次是4 000 K色温和2 000 lx照度的灯组；5 000 K色温的灯组，除1 000 lx照度外，对IMC指数的提高最显著，而6 500 K色温与各照度的灯组始终最差；3 000 lx照度与各色温的组合对IMC指数的提高也不明显，应予避免。对比不同照度和照明时间下，剔除色温因素的影响后IMC指数变化率的估算边际均值(见表3)，2 000 lx照度条件下照明1.5 h，IMC指数最佳；整体而言，2 000 lx照度的效果最好，3 000 lx最差；1 h以内，1 500 lx的效果最佳；3 000 lx高照度条件下，IMC指数上升最快，但1 h以后迅速下降；2 000 lx和2 500 lx照度条件下，IMC指数在1.5 h处达到峰值，而500 lx、1 000 lx和1 500 lx时，仍为1 h，故照明时间不宜超过1.5 h。

表2 IMC指数变化率随色温和照度的交互作用变化

极差是统计数据中变异量数的最大值与最小值的差值，表示各因素对结果的影响力大小，可以判断主次因素。通过对IMC指数变化率随各因素及其交互作用的极差值分析(见图4)，色温的极差值最大，对IMC指数变化率的影响最大，其次是照明时间，然后是照度，照度与时间的交互作用的影响最小。

表3 IMC指数变化率随照度和照明时间的交互作用变化

图4 IMC指数变化率随各因素及其交互作用的极差值变化Fig.4 Curve：the variation tendency of IMC index varying with the extreme value of each factor and its interaction

2.2.2 KSS量表、DSSQ量表得分变化分析

比较三种色温条件下的量表得分，志愿者的KSS得分和DSSQ负面情绪得分变化趋势相似，色温越高，分值都越高，疲劳越严重，负面情绪越多；DSSQ任务参与度得分和干扰得分发布特征相似，4 000 K时作业效率最高，5 000 K时感觉注意力最集中(见图5)；比较六种照度条件下的量表得分，KSS得分随照度的增加没有明显的变化趋势，2 500 lx和3 000 lx照度下的得分较高，疲劳严重，500 lx和2 000 lx照度下得分较低；2 000 lx照度以内，照度越高，DSSQ任务参与度得分越高，作业效率越高；照度超过2 000 lx后，作业效率反而下降；DSSQ负面情绪得分和干扰得分的分布相似，随着照度的提高而增加，说明照度越大，负面情绪越多，注意力越容易分散(见图6)；KSS和DSSQ量表的得分随着照明时间的变化规律较一致，照明时间越长，DSSQ任务参与度得分越低，作业效率越低；KSS量表得分、DSSQ负面情绪得分和干扰得分都随着照度的升高而提高，志愿者的自我警觉性变低、疲劳加重、负面情绪增多、注意力更加分散(见图7)。

图6 KSS和DSSQ量表得分随照度的变化柱形图Fig.6 Histogram：the score of KSS and DSSQ test chart varying with illumination

图7 KSS和DSSQ量表得分随照明时间的变化柱形图Fig.7 Histogram：the score of KSS and DSSQ test chart varying with lighting time

3 结论

1)色温、照度、照明时间、色温与照度的交互作用和照度与照明时间的交互作用对IMC指数变化率均有显著性影响，其中色温的影响最大，其次是照明时间，然后是照度；5 000 K色温条件下，IMC指数的提升效果最明显，其次是4 000 K；IMC指数的变化率随着照度和时间的提高都是先增加后减少，在2 000 lx和1.5 h附近达到峰值，学习效率最高；最佳的色温和照度组合为5 000 K和2 000 lx，最佳的照度和照明时间组合为2 000 lx和1.5 h；6 500 K的色温和3 000 lx的照度条件下，IMC指数的提高不明显，照明时间超过2.5 h后，IMC指数反而下降，学习效率降低，在实际运用中应该避免。

2)KSS量表测评表明，色温越高、照明时间越长，疲劳越严重；2 500 lx以上的照度时，疲劳比较严重；DSSQ量表结果表明，色温越高，负面情绪越多；2 000 lx以内照度越高，作业效率越高，超过2 000 lx以后，作业效率降低，负面情绪增多，注意力更容易分散；照明时间越长，效率越低，注意力越分散；DSSQ任务参与度最佳的灯组为4 000 K色温和2 000 lx的条件下照明0.5 h；DSSQ负面情绪最少、注意力最集中的灯组都是5 000 K色温和500 lx的条件下照明0.5 h。

3)通过剂量作业法测定综合脑力工作能力指数来评价视觉功效，结合KSS疲劳自评量表和DSSQ压力状态量表来评判志愿者的主观心理感受，还需要从生理、生化指标等角度进行深入的分析，综合评价不同色温和照度的光环境下学习效率随时间的变化。

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ChangesofStudyEfficiencyinDifferentLEDLightingEnvironmentinAutumnandWinter

YANG Chunyu1,2，WANG Tongyue1,2，XIANG Yiyan1,2，HU Hao1,2
(1.FacultyofArchitectureandUrbanPlanning，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China；2.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaoftheMinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China)

The lack of sunshine in autumn and winter can cause students to be depressed and learn less efficiently，which can be alleviated by artificial lighting.To simulate classroom lighting in the laboratory，three typical color temperatures(4 000 K，5 000 K，6 500 K) and six illuminations(500 lx，1 000 lx，1 500 lx，2 000 lx，2 500 lx，3 000 lx) are selected to form 18 different light environments.Then the learning efficiency and fatigue degree of the subjects under different light environment were analyzed.The results showed that color temperature had the greatest influence on the change rate of the comprehensive mental work index，followed by lighting time，then the illumination.Under the color temperature of 5 000 K，the IMC index has the most obvious effect and its changing rate increases with the increase of illumination and time，and peaks near 2 000 lx and 1.5 h.The best combination of color temperature and illumination is 5 000 K and 2 000 lx，the best combination of illumination and lighting time is 2 000 lx and 1.5 h；The higher the color temperature，the more negative emotions；Within 2 000 lx，the higher the illuminance，the higher the operating efficiency.Above 2 000 lx the working efficiency is lower.The longer the lighting time，the more severe the fatigue.

LED；classroom lighting；study efficiency；color temperature；illumination

国家自然科学基金“基于光气候分区的高校室内照明与大学生抑郁情绪的光生物效应研究”(项目编号51478060)

杨春宇，Email：ycull@163.com

TU113

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.011

2017国际照明委员会(CIE)中期会议在韩国济州举行

2017年10月20-28日，国际照明委员会(CIE)中期会议在韩国济州如期举行。10月21日，CIE董事局会议首先举行。CIE BA(董事局)的成员和各技术分部主任及中央局的有关人员参加大会，我国就任CIE副主席的崔一平教授出席了会议。

10月23-25日，会议举行以“Smarter Lighting for Better Life”为主题的学术研讨会，来自全球30多个国家和地区的约400名代表参加了各种会议的交流，其中正式注册代表344人。大会征得论文171篇，大会报告交流61篇，包括5篇特邀报告，其余110篇为张贴论文(其中有49篇在会上做了5分钟的简介)。根据讨论议题的不同，大会还设置了7场专题研讨会。我国有60名代表与会。

我国专家提供的论文有42篇，其中有12篇作为大会报告(包括台湾地区2篇)，其余为张贴论文。会上，各国代表分别就LED与固态照明涉及的各方面进行了认真的探讨。包括颜色质量、光度和辐射度设备的测量方法、眩光的评价与测量、道路照明、健康照明、智能照明技术、室内外照明环境设计等。可以看出，国外同行对LED应用的研究工作做得很细致、很深入，从而找出改善LED照明质量的技术和方法，更加有利于LED推广应用。

10月26日开始至28日，CIE各技术分部和相关技术委员会(TC)会议相继举行。三天的时间内在六个分会场先后举行了45场分部会议和技术委员会会议，分别对各自领域的技术问题进行更为深入的研讨，学会委派到各分部的中国代表分别参加了1,2,4和6分部的相关会议。