教室光分布对视觉绩效及视觉感受的影响

翁梓馨，保文宇，林燕丹 ，魏敏晨

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433；2.复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；3.香港理工大学屋宇设备工程系，香港特别行政区 999077)

引言

教室是学生学习的集中场所，学生学习的积极性和绩效通常与合理优质的教室照明环境是分不开的。当在照明质量较高的环境中学习时，学生们的视觉感受更好，学习效率也会相应地提高[1-8]。除了照度、色温等光参数，不同照明方式引起的光分布变化也是教室照明研究中需要考虑的指标。Shin等[1]在直接照明与间接照明方式的对比实验中发现，直接照明与间接照明相结合的方式更能提高人们的视觉感受。Hsieh[2]发现间接照明可以更好地缓解人们的负面情绪。本文旨在研究教室直接照明与间接照明的光环境对学生的学习绩效和情绪的影响，研究的结果可作为教室间接照明设计的参考。

1 实验设计

1.1 光环境条件

实验所用的模拟教室的尺寸为7 m×5 m×2.77 m，并安装有带反光灯罩的吊灯，如图1所示。吊灯安装于顶棚下37 cm处并平行于顶棚，保持灯距离桌面1.6 m。每个吊灯的背面安装有3个LED面板灯以产生向上出光的间接照明。每个灯管的电路中连接一个电流表，用以监控并记录通过灯管电流，并可以通过控制电流大小来控制灯管的亮度。本次实验的保持向下出光的直接照明光源的色温与亮度不变，仅改变向上出光的LED面板灯的色温与亮度，使得直接照明光源在桌面产生的照度为300 lx，而间接照明光源在桌面产生的照度分别为150 lx和300 lx。同时，直接照明光源的色温保持5 000 K，而间接照明光源色温分别为3 500 K、5 000 K和6 500 K。实验具体参数设置如表1所示。

图1 实验教室环境及灯具设置Fig.1 Experiment classroom and luminaire settings

编号直接照明色温/K直接照明照度/lx间接照明色温/K间接照明照度/lx15 000300—025 0003003 50015035 0003003 50030045 0003005 00015055 0003005 00030065 0003006 50015075 0003006 500300

1.2 被试人员

本次实验成功招募到13名大学生作为志愿者参加实验，被试者的年龄为19～24岁。其中 6位男性，7位女性，平均年龄为21岁。所有受试者经佩戴眼镜后具备正常的视力水平(1.0以上)，无色盲色弱和其他眼部病史，被试人员自愿参与实验，具有一定的文化素养和完成实验的知识背景。

1.3 实验方法

本次实验采用安菲莫夫校字任务、短时记忆任务和明视觉持久度测定法对被试的视觉绩效进行考察。安菲莫夫字母表由8个字母(A、B、C、E、H、K、N、X)组成，每个字母出现频率为150次，每个字母随机出现，表格编成30行，每行40个字母，共有1 200个字母组成。在主试者发出“开始”口令发后，被试者立刻由左向右一行行检索表格，看到预先指定的字母，则用斜杠划掉。本次实验中要求被试者划去横排中紧靠在H后面的B。实验结束时，要求被试者在阅读到的字母后面做上标记，阅读时间为2 min。主试者负责统计阅字速度、以及错误率。短时记忆任务采用词汇记忆量测试来测定不同照明环境下人的短时记忆能力。实验中使用20个受试者认识且概念上无关联、部首不同且笔画数相似的汉字。这些汉字以每2 s 1个的速度，连续用幻灯片在受试者面前播放，放映结束后要求受试者立即在一分钟内默写出所记的单词。主试者需记录默写正确的字数和默对率(r)，其中r=n1/n2(n1为默写正确的字数，n2为显示的总字数)。明视觉持久度测定任务需要被试主试立方体方块图，如图2所示。当人的神经系统有不适性反馈时，人的大脑感到疲惫，注意力集中程度下降，视力、对比感度等视觉功能退化，清晰分辨细小对象的能力减弱。在眼睛注视细小对象的过程中，走神、神游的时间增加，而能明视的时间减少。被试在注视过程中，当在看到方块为倒“品”字时，立即按停表暂停计时，再看到成正品时，又立即开启秒表，如此反复进行直到2 min结束。在此任务中以明视持久度作为考核指标，如下：

(1)

式中η为明视持久度，t1为明视视觉时间(单位为s)，t2为注视总时间(单位为s)。

图2 明视觉持久度测试图案Fig.2 Testing pattern for visual perception persistence task

实验同时通过主观问卷，调查被试者对于所在光环境的主观心理感受。评价内容包括舒适—不舒适、警戒—疲劳、喜欢—不喜欢、冷—暖、无趣—充满活力和紧张—放松六个评价指标，评定分为6个等级，被试者根据自己的视知觉感受对光环境进行打分，1～6程度从左往右依次加深，如舒适—不舒适词语对中，1表示十分舒适，2表示舒适，3表示较为舒适，4表示有些不舒适，5表示不舒适，6表示十分不舒适。

1.4 实验步骤

每次有4～6个被试者同时在教室中进行试验。同一个光照条件下被试者所坐位置的照度和色温基本相同。每一个观察者进入时，照明实验室初始照明条件使用5 000 K色温的中性白光。正式实验开始之前，主试者将练习材料发放到被试手中，以便他们了解和熟悉规则，从而减少第一次实验因不熟悉而产生的误差。同时主试者进行具体的实验流程和内容的讲解。实验内容包括四个部分：完成安菲莫夫字母表；记忆并默写词语；观看图案进行明视持久度测定；完成主观评价问卷。

每个实验开始之前，被试者会被给予15～20 min的时间进行充分的休息和眼部放松，同时完成练习材料。实验的七种光照条件按照随机序列依次显示。

2 实验结果

2.1 数据分析方法

本次实验中有一名被试只完成了主观评价实验，其余12名被试遍历了所有照明条件并完成了视觉任务实验和主观评价实验。实验中，将只有直接照明的条件1作为实验的参考组，与其余6组附加间接照明的光环境条件进行对比，研究在其他照明条件的绩效结果与主观评价的差异量。由于被试之间的视觉绩效任务成绩受个体差异影响较大，因此首先对每名被试的数据进行z-score数据标准化处理。在此之后，本次实验利用2(间接照明照度：150 lx，300 lx)×3(间接照明色温：3 500 K，5 000 K，6 500 K)的多因素方差分析，对色温和照度两种参数的主效应和交互效应进行分析。主观问卷结果由于方差不齐，对主观问卷结果进行非参数检验，比较其在不同照明条件的主观感受差异。

2.2 绩效作业结果

实验的第一个绩效作业为安菲莫夫字母任务，综合考虑阅读速度以及阅读正确率进行评判。对数据样本进行方差齐性检验，检验结果p=0.315>0.05，认为数据样本方差齐性，可以进行方差分析。方差分析的结果显示，照度(E)、色温(CCT)的主效应以及二者的交互效应均达到了显著性的水平(FE=21.809,p=0.000；FCCT=41.867，p=0.000；FE·CCT=4.796，p=0.011),说明间接照明的照度、色温都会对安菲莫夫任务的绩效结果显著性影响，且这些影响具有交互性。在直接照明情况下，安菲莫夫任务绩效均值±标准差为-1.19±0.34。在补充了150 lx和300 lx的间接照明条件后，绩效均值分别为0.25±0.85和0.80±0.68，均与对照组形成显著差异(p<0.001)，且两组之间也存在显著差异(p<0.001)。间接照明的照度越高，使得绩效结果越好。间接照明光源色温改变时，绩效均值分别1.00±0.64(色温=3 500 K)、-0.23±0.65(色温=5 000 K)和0.80±0.54(色温=6 500 K)，均与对照组形成显著差异(p<0.001)，且3 500 K与5 000 K存在显著差异(p<0.001)，5 000 K与6 500 K存在显著差异(p<0.001)。5 000 K色温下的绩效结果显著低于3 500 K和6 500 K下的绩效结果，但都比无间接照明时的基础绩效结果有显著提升。

默写任务中主要考虑被试的默写正确率。对数据样本进行方差齐性检验，检验结果p=0.064>0.05，认为数据样本方差齐性，可以进行方差分析。方差分析的结果显示，照度、色温的主效应，以及二者的交互效应均达到了显著性的水平(FE=8.703,p=0.004；FCCT=8.030，p=0.001；FE·CCT=9.635，p=0.000),说明间接照明的照度、色温都会对默写任务的绩效结果有显著性影响，且这些影响具有交互性。在直接照明情况下，默写任务绩效均值±标准差为-0.93±0.78。在补充了150 lx和300 lx的间接照明条件后，绩效均值分别为-0.08±0.87，0.49±1.10，均与对照组形成显著差异(p<0.05)，且两组之间也存在显著差异(p<0.05)。间接照明的照度越高，使得绩效结果越好。间接照明光源色温改变时，绩效均值分别-0.02±0.63(色温=3 500 K)、-0.11±0.93(色温=5 000 K)和0.75±1.23(色温=6 500 K)，均与对照组形成显著差异(p<0.05)，且3 500 K与6 500 K存在显著差异(p<0.05)，5 000 K与6 500 K存在显著差异(p<0.001)。5 000 K色温下的绩效结果显著低于3 500 K和6 500 K下的绩效结果，但都比无间接照明时的基础绩效结果有显著提升。

在明视觉持久度测定法中，根据看到正“品”字的时间比例进行绩效评价。对数据样本进行方差齐性检验，检验结果p=0.268>0.05，认为数据样本方差齐性，可以进行方差分析。方差分析的结果显示，照度、色温的主效应，以及二者的交互效应均达到了显著性的水平(FE=6.940,p=0.010；FCCT=23.964，p=0.000；FE·CCT=6.705，p=0.002),说明间接照明的照度、色温都会对明视觉持久度的绩效结果显著性影响，且这些影响具有交互性。在直接照明情况下，明视觉持久度绩效均值±标准差为0.44±0.05。在补充了150 lx和300 lx的间接照明条件后，绩效均值分别为0.56±0.07，0.60±0.12，均与对照组形成显著差异(p<0.001)，且两组之间也存在显著差异(p<0.05)。间接照明的照度越高，使得绩效结果越好。间接照明光源色温改变时，绩效均值分别0.52±0.64(色温=3 500 K)、0.56±0.09(色温=5 000 K)和0.66±0.09(色温=6 500 K)，均与对照组形成显著差异(p<0.05)，且3 500 K与6 500 K存在显著差异(p<0.001)，5 000 K与6 500 K存在显著差异(p<0.001)。6 000 K色温下的绩效结果显著高于3 500 K和5 000 K下的绩效结果，并且三种色温条件下的绩效结果都比无间接照明时的基础绩效结果有显著提升。

*——p<0.05,**——p<0.001图3 不同间接照明条件下的视觉绩效结果Fig.3 Visual performance result changes under different indirect lighting conditions

2.3 主观问卷结果

主观问卷包括有6个问题，对问卷结果进行非参数检验，结果显示舒适—不舒适、警戒—疲劳、喜欢—不喜欢这三个指标在不同的照明条件下不存在显著性差异(p>0.05)，对不同照明环境的舒适感受、疲劳感受和喜爱程度不存在显著性差异。而在不同照明条件下，对冷—暖、无趣—充满活力和紧张—放松的主观评价存在显著差异，如图4所示。对冷—暖这一指标在不同的照明条件下存在显著性差异(p=0.000)，与图中横线所代表的直接照明条件相比，在补充了3 500 K间接照明后让人产生暖的感觉，而补充了6 500 K间接照明后主观评价更倾向于冷，在间接照明的照度提升后，这一差异进一步扩大。对无趣—充满活力这一指标在不同的照明条件下存在显著性差异(p=0.010)，在补充了间接照明后让整体空间更加充满活力，不同色温、照度的间接照明均能起到提升活力感受的作用。对紧张—放松这一指标在不同的照明条件下存在显著性差异(p=0.000)，在补充了3 500 K间接照明后让人产生放松的感觉，而补充了6 500 K间接照明后主观评价更倾向于紧张。同样地，在间接照明的照度提升后，这一差异得到进一步的扩大。

图4 主观评价结果Fig.4 Subjective evaluation results

2.4 结果分析

本次实验以直接照明光环境条件为基本对照，比较在补充不同间接照明条件后的视觉任务绩效与主观感受变化情况。根据安菲莫夫任务、默写任务和明视觉持久度任务三种不同视觉绩效的结果显示，在补充了150 lx和300 lx间接照明后，视觉绩效结果分别得到显著性提升，并且300 lx间接照明条件下的视觉绩效成果也显著高于150 lx间接照明条件。从间接照明的色温进行考虑，6 500 K色温的间接照明条件下的绩效提升成果要显著优于在3 500 K或5 000 K色温的间接照明条件。同时，两者存在交互效应，间接照明的照度和色温这两个因素都会对视觉任务绩效产生影响。在主观感受方面，在舒适—不舒适、警戒—疲劳、喜欢—不喜欢三个指标不存在显著性差异，而对冷—暖、无趣—充满活力和紧张—放松这三个指标的评价结果存在显著性差异。与5 000 K色温的直接照明环境相比，补充的不同色温间接照明光也会显著影响冷暖感受，低色温光会营造偏暖的环境，而高色温光照则让主观感受偏冷。直接照明与间接照明相结合的照明方式使得整体教室环境更加充满活力。而低色温的间接照明会使人放松，高色温的间接照明则会使人更加紧张。本次实验结论可以总结为：①在直接照明保持300 lx照度时，间接光提供的照度越高，视觉任务的绩效越高；②在直接照明保持5 000 K色温时，补充高色温的间接照明，会使视觉任务的绩效显著提高；③补充间接照明会改变对当前教室环境的主观感受，使整体环境更加充满活力，而主观冷暖感受和紧张放松的感受则随间接照明色温的变化而变化。

3 讨论

直接照明和间接照明等照明方式会显著影响到教室的光分布，从而影响到在教室环境中的主观感受和视觉绩效结果。在Shin等[1]的研究中，共同使用直接照明与间接照明的光环境，与只使用直接照明的光环境相比，受试者感觉更加愉悦。曾堃和郝洛西[4]在医院照明中也对间接照明比例对情绪的影响进行研究，发现间接照明的比重与病患满意度成正相关。与本次实验中照度越高的间接照明获得的更加充满活力评价的实验结论是一致的。但本次实验中在对照明环境的舒适性、喜爱程度和疲劳程度的评价中不存在显著性差异，这可能与实验中设置的间接照明的比例并未超过直接照明比例有关。同时，实验还发现直接照明与间接照明相结合的照明方式不仅会带来主观视觉感受上的变化，也会对视觉绩效产生显著影响。间接照明所提供的照度越高，整体光环境的照度更高，视觉绩效更好。间接照明照度的提高可能改善了视觉任务的可视性，这与Veitch等[3]的实验结果是一致的。同时，本实验也增加对不同间接照明色温的考核，在保持直接照明光源照度与色温不变的情况下，补充不同色温的间接照明，发现高色温间接照明可以更好地提升教室视觉工作绩效。

现有教室照明多利用直接照明方式进行照明，本实验在直接照明的基础上补充了间接照明，实验结果表明了可以通过补充间接照明的方式来提升教室视觉任务绩效，也为教室光环境的改造提供了一种思路，即在不改变现有教室灯具的基础上，可以补充间接照明光源，从而提高教室的照度水平，优化教室视觉作业环境。

致谢：感谢上海市教委体卫艺科处和上海教育技术装备部对课题组实验的支持，感谢浙江凯耀照明股份有限公司对实验室的支持。