不同阅读媒体下照明环境对视觉舒适度与学习效率的影响

李田田，张九红，吕坤洁

(1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168；2.东北大学，辽宁 沈阳 110189)

引言

随着视觉显示终端设备学习的广泛应用，照明环境对新的学习模式影响没有得到广泛的研究[1]。作为大学生阅读和学习的重要场所，高校图书馆的阅览空间也受到了新的阅读媒体VDT(Visual Display Terminal)的影响。一是手机、平板电脑等屏幕终端的普及，信息获取方法越来越依附于VDT设备，二是现代化教学设备的普及和方法的不断更新，网络辅助教学、电子作业等迅速进入大学生的工作和日常生活，使得大学生VDT设备的拥有量继续增加。对于高度使用的视觉显示终端大学生群体来说，VDT学习的视觉舒适度已变成一个值得关注的课题。适宜的照明环境不但能够提升视觉舒适度,还可以提高学习效率[2]。一些学者也指出，照度和光源色温是决定照明环境质量的主要原因[3-5]。Jung等[6]发现，与400 lx照度相比，1 000 lx照度环境下的VDT被试者的长时记忆速率降低，分段记忆的工作能力也较差。Ru等[7]研究照度在1 000 lx条件下，VDT被试者的工作绩效准确度远高于100 lx。与此同时，一些研究人员也发觉了被试者之间的差异。Huang等[8]研究表明，老年人更倾向于阅读清晰度和对比度更高的文字，女性在阅读亮度和对比度更高的文字时比男性更不舒适。

相关研究显示了VDT作业者的工作绩效受到照明环境的照度和光源色温的影响,但研究只单独对VDT这种作业方式进行了研究，并没有对高校图书馆阅览空间越来越多出现的同时使用VDT与纸质阅读媒体这种学习模式进行研究。因此本文针对高校图书馆阅览空间同时使用VDT与纸质阅读媒体这种新的学习模式，在实验室内设计不同的照明环境，进行主客观评价实验，研究工作面照度、光源色温对视觉舒适度与学习效率的影响。

1 实验方案

1.1 实验目的

纸质阅读媒体是用纸质素材作为载体,以手写为记录方法制作的阅读媒体，载体包含笔记、图书等。VDT则是指具有读取功能的手持装置的新型阅读载体,载体主要包含智能手机、平板电脑等,本实验所研究的是同时使用VDT与纸质阅读媒体的学习模式，实验采用大学生最常用的VDT设备(智能手机)与纸质阅读媒体(A4纸)进行实验。通过实验室模拟高校图书馆阅览空间照明环境，将被试者置于不同色温和照度条件下，运用剂量作业法，选取安菲莫夫校字表、数字核对表测量其错误率与脑力工作能力指数(IMC)来评价学习效率，实验前后使用的安菲莫夫校字表的数据代表了被试者在同时使用VDT与纸质阅读媒体过程中学习状态的稳定性，数字核对表的数据代表了在同时使用VDT与纸质阅读媒体时的学习效率。被试者使用视觉舒适度量表反应被试者的主观感受，以主客观两个角度研究不同光源色温和工作面照度的照明环境对视觉舒适度与学习效率的影响。因此基于引言中阐述的有关照明环境影响因素,设计本实验,以期达到如下实验目的,其一为通过被试者主观的视觉舒适度量表的分析,获取评价照明环境视觉舒适度的主观数据;其二为通过作业绩量表,评价在不同工作面照度、光源色温的照明环境下,对学生学习效率的影响规律,希望为高校图书馆阅览空间的工作面照度与光源色温选取提供一定参考。

1.2 实验室设置

实验选择晚上在实验室进行。将桌椅放置在实验室中央，桌面上准备手机和纸质阅读材料，并在桌子前放置色温和照度可调的灯具。在准备室同样放置桌椅，准备好主观问卷材料。高校图书馆阅览空间模拟实验室如图1、图2所示。

图1 实验室平面图

图2 实验室轴测图

人眼接触到的外部环境的明暗差别是由外部环境的亮度差异引起的，但物体表面的复杂反射特性，使得单个方向的亮度水平得不到合理的规范，所以在实际应用中通常用照度代替亮度为照明指标。实验桌面照度选择中心布点法，测量设备选用色彩照度计CL-200A，将实验桌面划分为100 mm×100 mm网格，高度选择0.75 m测量面，测量点布置如图3所示。照度数据的处理方式为每个测点测量两次取平均值，并算出所有测点照度的算术平均值，当作该照明环境下0.75 m水平面的平均照度。

图3 工作面测点布置图

1.3 被试选择

本实验共30名实验被试(男性15名,女性15名),均为在校大学生，年龄在18～29岁之间。在实验前，参与者被告知在12 h内不能喝咖啡、烈茶和其他含有中枢神经系统兴奋剂成分的饮料，避免因摄入刺激物而导致的过度实验错误。所有被试者视力正常，视力矫正5.0，无眼疾，无散光、远视等屈光异常。

1.4 实验变量

1.4.1 实验自变量

实验自变量主要分为两部分:一个是工作面照度，另一个是光源色温。

关于照度，首先选择《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)中推荐的桌面水平照度300 lx,再结合GB 50034—2013中对于照度标准值的分级,当照度变化1.5倍或更多时，人的视觉才可以区分它。所以照度标准值按0.5、1、3、5、10、15、20、30、50、75、100、150、200、300、500、750、1 000、1 500、2 000、3 000、5 000 lx进行分级。实验前让被试者处于300～5 000 lx 8种分级照明环境中，大多数被试者对1 000 lx以上的照度眼部明显不舒适，Zhang等[9]实验也可证明此观点；且并非照度越高照明环境质量就越好，还涉及经济与能源的问题[10]。因此，对桌面照度增加第二个照度水平为500 lx,第三个照度水平为750 lx,照度值共计3个。关于光源色温，依据GB 50034—2013规范中推荐的阅览空间适宜色温区间3 300～5 300 K,选择区间下限3 300 K,再选择标准色温中的趋于中间值的色温4 500 K,最后选择区间上限5 300 K，为本实验的色温选取值。因此实验变量组合方式共计9种,如表1所示。

表1 实验自变量分组

手机屏幕亮度设置。当手机开启光线感知功能后，通过光线感应器感应环境光的强弱，自动调节手机屏幕亮度。在实验前期使用亮度计CS-160测得9种照明环境下，学生常用的手机屏幕亮度在67.7～88.3 cd/m2浮动。手机屏幕亮度变化并不明显，将测得的手机屏幕亮度值处理后取平均值为80 cd/m2，故实验时在9种照明环境下保持手机屏幕亮度为80 cd/m2不变。

1.4.2 实验因变量

实验涉及因变量共两大类,一为主观评价指标:自评量表;二为客观评价指标:作业绩效量表;其中自评量表为视觉舒适度评价问卷。其中作业绩效量表分为两类,其一为实验前后各进行一次的安菲莫夫校字表,通过计算实验前后的错误率与脑力工作指数的变化率,比较在不同照明场景之下,实验被试在同时使用VDT与纸质阅读媒体前后学习状态的稳定性;其二为实验过程中进行的数字核对表,填写此量表需同时视看纸质材料、智能手机,通过这个量表的完成,可以模拟大学生在高校图书馆阅览空间同时使用VDT与纸质阅读媒体这种学习模式的过程,根据此量表的脑力工作指数与错误率对比可以获得大学生在不同照明场景下的学习效率差异。

1.5 实验流程设计

在实验开始前，向被试者解释实验过程，然后说明填写实验量表的方法，每种类型的量表都要在实验前让被试者填写一次，确保被试者了解每一种量表的填写规则。每一个被试者都需要进入9种实验环境,9个照明环境被分为3组,每组设置不同的光源色温,实验流程如图4所示，实验前将实验室的照明环境调节为照明环境1,让被试者进入照明环境1后适应一段时间。开始实验,指定需要勾画的字母,向被试者分发第一份安菲莫夫校字表,被试者对指定字母进行勾画,时间为2 min。再分发数字核对表,被试者依次视看手机、纸质材料上的数字,若数字完全相同则在桌面纸质材料括号中打钩,否则打叉,时间为10 min。分发第二份安菲莫夫校字表,时间为2 min。照明环境1实验结束,被试者进入准备室填写照明环境主观评价问卷对照明环境1做出主观评价，实验场景如图5所示。

图4 实验流程图

图5 实验场景图

2 数据分析与讨论

2.1 分析方法

2.1.1 视觉舒适度评价量表

视觉舒适度量表的数据是根据被试者选择的分数直接收集的，为了便于实验数据量化分析和研究,量表依据李克特量表法与评价因子级相结合设计,量表问题由实验室照明环境的影响因素组成,定量转换实验结果是根据拉普卜特的“积极与消极”规则，主观评价可以转换成5种不同的测量水平。由低至高把舒适度度划分:非常不舒适、较不舒适、一般、较舒适、非常舒适，因此相应的得分是-2、-1、0、1、2，如表2所示。

表2 定量评价标准

2.1.2 作业绩效表

客观的作业绩效实验指从高级神经功能与心理学的角度，比较不同照明环境中视觉任务表现的结果，研究高校图书馆阅览空间中不同照明环境对大学生同时使用VDT与纸质阅读媒体时学习效率的影响。在既定时间内实行剂量视觉作业的复核工作，对被试者完成的视觉任务数据进行统计和分析，平均校对错误率反映了被试者在完成视觉任务时的准确性，脑力工作能力指数是心理工作能力的评价指标，反映了大脑皮层高水平的神经活动，直接影响学习效率。

依据心理学研究方法，剂量测定可以选择字母校正方法、数字校正方法、图型校正方法等，在本实验中，选择了两种具有代表性的图形识别材料进行任务视觉测试。第一个安菲莫夫表是一种常用的心理学方法，由随机的字母构成,被试者必须在指定测试时间内将指定的字母从表中划掉。第二个数字核对表由两个数字组构成，要求被试者判断智能手机屏幕与纸质材料数字组是否相同，若相同则在括号内画“√”，若不相同则在括号内画“×”。

分别计算出每一个被试者的校对错误率、IMC 指数，见式(1)，取其平均值作为该环境下的校对错误率、IMC指数结果，再求出被试者在作数字核对表前后安菲莫夫表的校对错误率变化率，见式(2)。

(1)

(2)

式中η表示IMC指数，η1、η2分别表示数字核对表前、后校对错误率，ε表示脑力工作指数变化率，t表示作业时间，N1、N2、N3依次是阅字个数、应删字数、错删字数。

2.2 数据讨论

2.2.1 视觉舒适度评价

分别在每一种照明环境实验后进行视觉舒适度量表测评，测试不同照明环境下被试者同时使用VDT与纸质阅读媒体时的视觉舒适程度，被试者依据自己在不同照明环境下填写视觉任务量表时的主观感受进行评估，数据结果如图6所示。实验后得分最高的是750 lx、4 500 K，说明被试者在此照明环境下同时进行VDT与纸质阅读时视觉舒适度评价最好，其次时750 lx、5 300 K,最低的是300 lx、3 300 K 照明环境。并且在同一色温下，随着照度水平的增加，在300～750 lx间视觉舒适度得分递增；比较男女视觉舒适度评分发现，如图7所示，750 lx、3 300 K照明环境下男女视觉舒适度评分差别较大，男性在偏于低色温的照明环境下的视觉舒适度评分比女性要高。

图6 不同照明环境下被试者视觉舒适度评价图

图8 不同照明环境下被试者数字核对表校对错误率变化图

图9 不同照明环境下被试者数字核对表脑力工作指数变化图

2.2.2 作业绩效表

在9种照明环境下，被试者完成数字核对表的校对错误率和脑力工作能力指数(IMC) 的实验结果如图8、图9所示。数字核对表的脑力工作指数越高且校对错误率越少说明被试者在该照明环境下同时使用VDT与纸质阅读媒体的学习效率越好。分析上述图可以看出，4 500 K、750 lx照明环境下被试者的数字核对表脑力工作能力指数最高，3 300 K、500 lx环境下被试者的脑力工作指数最低，4 500 K、500 lx照明环境下被试者的校对错误率最低。在同一色温下，被试者的数字核对表校对错误率均为：300 lx>750 lx>500 lx，被试者数字核对表校对错误率在300～750 lx之间先降低再升高，被试者在三种光源色温下的数字核对表脑力相近。

分析被试者实验前后安菲莫夫校字表的实验数据如图10、图11所示，安菲莫夫校字表的脑力工作指数变化率越低且校对错误率变化率也越低说明被试者在该照明环境下同时使用VDT与纸质阅读媒体前后的学习状态越稳定。色温相同时，在3 300 K照明环境下被试者的安菲莫夫校字表脑力工作指数变化率在300～750 lx之间递减，被试者的安菲莫夫校字表校对错误变化率在300～750 lx之间递减。在4 500 K照明环境下被试者的安菲莫夫校字表脑力工作指数变化率在300～750 lx之间先降低再升高，被试者的安菲莫夫校字表校对错误变化率在300～750 lx 之间先降低再升高。在5 300 K照明环境下被试者的安菲莫夫校字表脑力工作指数变化率在 300～750 lx之间先升高再降低，被试者的安菲莫夫校字表校对错误变化率在300～750 lx之间递增。被试者在3 300 K、750 lx照明环境下被试者实验前后安菲莫夫校字表校对错误率与脑力工作能力指数结果都最稳定，其次是4 500 K、500 lx的照明环境，被试者在5 300 K、750 lx照明环境下实验前后安菲莫夫校字表校对错误率结果最不稳定，被试者在4 500 K、300 lx照明环境下实验前后安菲莫夫校字表脑力工作指数结果最不稳定。因此，综合视觉舒适度评分、被试者数字核对表的脑力工作能力指数、校对错误率与实验前后安菲莫夫校字表结果来看，4 500 K、500 lx照明环境下被试者的视觉舒适度、学习效率与学习状态的稳定性都达到最佳值。

图10 不同照明环境下实验前后被试者安菲莫夫校字表校对错误率变化图

图11 不同照明环境下实验前后被试者安菲莫夫校字表脑力工作能力指数变化率图

对比不同性别被试者的作业绩效表数据发现，相比于单独的VDT或纸质阅读媒体被试者作业绩效有差异，在同时使用VDT与纸质阅读媒体时也存在男女差异。在3 300 K照明环境下，男女的数字核对表校对错误率与脑力工作能力指数并无太大差别，但是男女在实验前后安菲莫夫校字表错误率变化的数值差别较大，相比于300 lx照明环境下，500 lx与750 lx男性比女性的实验前后安菲莫夫校字表校对错误率变化更小，如图12所示；在5 300 K照明环境下，相比于500 lx、750 lx的照明环境，300 lx女性比男性的数字核对表校对错误率更小，如图13所示。

图12 3 300 K照明环境下不同照度不同性别被试者实验前后安菲莫夫校字表校对错误率变化图

图13 5 300 K照明环境下不同照度不同性别被试者数字核对表错误率变化图

3 结论与讨论

在本实验9种照明环境下，研究了视觉舒适度、作业绩效与工作面照度、光源色温之间的关系，数据结果显示:

1)被试者的主观的视觉舒适度评分显示，在被试者同时进行VDT与纸质阅读媒体时得分最高的是500 lx、5 300 K照明环境，其次是500 lx、4 500 K；比较男女视觉舒适度评分发现，750 lx、3 300 K照明环境下男女视觉舒适度评分差别较大，男性在偏于低色温的照明环境下的视觉舒适度评分比女性要高。

2)数字核对表数据表明，工作面照度与光源色温对被试者同时进行VDT与纸质阅读媒体时的学习效率有影响。3 300 K、500 lx照明环境下被试者的学习效率最高，其次是4 500 K、500 lx的照明环境。色温相同时，被试者的数字核对表校对错误率在300～500 lx之间先降低再升高;综合视觉舒适度与作业绩效表来看，4 500 K、500 lx照明环境下被试者在同时进行VDT与纸质阅读媒体时的视觉舒适度与学习效率都达到最佳状态。

3)对于被试者实验前后各进行一次的安菲莫夫校字表数据来看，3 300 K、750 lx照明环境下被试者在同时进行VDT与纸质阅读媒体时的安菲莫夫校字表脑力工作指数与校对错误变化率都较低，其次是4 500 K、500 lx的照明环境，4 500 K、300 lx照明环境最差。综合2)数字核对表数据来看，4 500 K、500 lx照明环境下被试者的数字核对表脑力工作指数较好的同时校对错误率也较低，且实验前后安菲莫夫校字表数据变化率最稳定。

4)上述实验数据显示了被试者同时进行VDT与纸质阅读媒体时的视觉舒适度与学习效率受到照明环境的工作面照度和光源色温的影响,实验中还注意到了被试者性别不同的差异性。在偏于低色温的照明环境下，男性在实验前后安菲莫夫校字表变化率要比女性稳定，但在偏于高色温环境下，女性在数字核对表校对错误率要比男性低，总体来说，男性可能在偏于低色温的工作绩效较好，女性则在偏于高色温工作绩效较好，这与Abramov等[11-13]研究的结果类似。

总之，从视觉舒适度、作业绩效两方面的角度分析可知，在高校图书馆阅览空间照明环境设计时，从大学生同时进行VDT与纸质阅读媒体这种新的学习模式方面考虑，建议选择光源色温为4 500 K，工作面的照度可取500 lx。