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- 照明技术与设计 | 教室光环境对学生情绪的影响研究
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2022-05-09
重庆大学建筑城规学院
山地城镇建设与新技术教育部重点实验室
李伟 严永红
摘 要：光与情绪波动存在一定相关性，重视教室健康光环境的研究，对促进学生情绪调节具有重要意义。本文回顾了国内外关于教室光环境的研究成果，分析了光照影响学生心理与情绪的理论基础，并结合情景照明研究动向，总结了教室光环境对学生情绪影响的研究进展。光照与情绪相关性的研究成果将为未来的教室采光与照明研究提供宝贵建议，力求通过深入研究创造更有益于改善学生情绪的健康光环境。
关键词：教室光环境 心理 情绪调节 情景照明
教室作为学生长时间学习的场所，其光环境质量会对学生生理健康产生直接影响[1-3]。据国家卫生健康委员会调查统计，2018年全国儿童青少年总体近视率为53.6%，近视防控形势严峻[4]，与青少年视力健康密切相关的教室光环境质量引起了业界的广泛关注，控制近视率成为教室光环境改造的直接动因。
健康的光环境不仅关系学生的生理发育，并且对学生的心理[5]与情绪调节有一定影响，进而影响学生的表现[6]和学习成绩[7]。目前，关于教室的天然光[8,9]以及人工光的照度[10,11]、照度均匀度[12]、色温[13]等对心理情绪作用的研究已取得一定的成果，本文将对光照与情绪调节相关性的研究进行综述，并对国内外健康教室光环境的研究趋势与动态进行梳理。
1、情绪的产生
James[14]于1884年提出“情绪是什么?”James-Lange理论认为情绪是由自主神经系统作用产生，即某一刺激引起生理反应，而生理反应进一步导致情绪体验的产生，情绪是身体反应的有意识体验[15]；Cannon-Budd理论认为，中枢神经系统的丘脑控制情绪诱发，通过传递刺激同时激活生理与情绪反应[16]；认知理论认为生理刺激经过认知、评估和环境作用才能产生情绪[17]。MOORS[18]在相关综述文章中用“情绪发作”来表示从接受刺激到情绪造成的后果的全部过程，包括认知、感觉、动机、躯体、运动等多成分复杂过程。在生理医学领域，情绪的产生机制则与下丘脑[19]、内分泌[20]等生理因素有关，但关于情绪和情感的产生与表现的基本本质和神经过程仍然存在争议[21]。
2、光照对情绪的影响
光信号通过视网膜上的第三类感光细胞（ipRGCs）传输至丘脑周围的丘脑周围核（PHb），进而调节情绪变化[22]。20世纪80年代，Lewy等[23]发现天然光的照射时长可能会影响抑郁程度，采用模拟日光的人工光源可用于光疗。目前，光疗法已成为临床医学领域治疗季节性情感障碍（SAD）的方案之一，也被用作长期心理疾病的治愈手段。Figueiro等[24]在对阿尔茨海默病及相关痴呆（以下简称“ADRD”）患者进行为期11周临床治疗的研究中发现，实验设定的光照能够显著减轻ADRD患者的抑郁症状，提高睡眠效率。Partonen等[25]在芬兰冬季进行实验中发现，在接受连续4周、一周5日、一日1h的高强度的日照后，上班族的工作热情明显提升。Keis等[26]发现不同的人工光照条件对学生的愉悦感的刺激程度有所不同。
国际照明委员会（CIE）在20世纪90年代后期开始关注光环境与情绪之间的关系[27]。近年来，国内学者也在展开室内光环境与情绪相关性的研究。郝洛西等[28]基于人因健康对医疗建筑、养老建筑领域展开健康照明研究，探索适宜老龄人积极情绪的照度与色温的合理组合。严永红等在工厂[29]、教室[30]等不同场景中研究动态照明对被试者的情绪影响。关杨[31]基于情绪评价的回归分析对不同光环境下的生物效应照度与情绪指数的相关性展开研究。庄乙潇与林燕丹[32]阐述了光对部分情绪障碍疾病的治疗原理，并对情绪障碍疾病治疗中光疗的研究现状进行了分析。
研究表明，室内光环境除了影响人的视力健康、生理节律、睡眠、警惕性等方面，还与情绪波动存在一定的相关性。因此，教室光环境对学生的心理与情绪的作用，应引起广泛关注和深入研究，并被考虑逐步运用于建筑物理环境设计中去。
3、光照与情绪的实验研究
3.1 天然光
在建筑光学与生物医学领域，健康照明还包括天然光对被试作用与影响的研究。早期研究已表明，拥有天然光的教室更受学生的青睐[33]，有助于提升学生记忆力[34]和学习积极性[35]，且基于对室内热工环境最小影响的情况下，最大化北向教室的日光量可提高学生的感知能力[36]。Arns等[37]发现日照强度与ADHD（注意力缺陷/多动障碍）患病率之间存在显着相关性，高照度对ADHD的有效预防作用可能是由于早晨强烈的天然光抵消相位延迟的影响，以防止夜间睡眠延迟和减少睡眠时间。Hayashi[38]在对一名患自闭症的15岁青少年的进行一年的跟踪报告中发现，其睡眠障碍从1月至6月逐渐减少，在7月和8月消失，行为问题(如哭泣)从1月至6月逐渐减少，这种变化与日光量增加存在一定相关性。
（1）天然光对情绪的调节。天然光是比人工照明更有效的昼夜节律调节器[39]。Leslie等[8]在探究建筑采光的设计目标时，发现昼夜节律刺激（CS，即褪黑素抑制）可使昼夜节律同步并因此促进睡眠、机敏性和次日学生情绪状态，而提供足够的天然光能促进昼夜节律刺激。Gbyl等[40]收集了一年内的情感障碍症患者的住院情况，其中一项统计表明，对于住院的抑郁症患者来说，住在东南朝向病房的患者的康复速度明显比住在西北朝向病房的患者的快得多，两者的平均恢复时间为29.2（±26.8）和58.8（±42.0）天，这种现象与室内日光量呈现一定相关性，与西北朝向的病房相比，东南朝向的病房接受到的太阳直射光更多，室内显得更加明亮，因此造成了恢复时间的差异，这项结果支持了天然光作为抑郁症改善因素的相关研究。
Acosta等[41]提出人的情绪调节不仅需要天然光刺激，还要求一定的持续照射时长。在无法接收日光持续照射的大部分下午时间中，受试者更易出现身体疲倦、情绪低落等状态[42]，而午餐后持续半小时的1000lx～4000lx天然光照射可减少身体疲倦感以调节被试的消极情绪[43]。Borisui等[43]为避免窗外景物对被试情绪的干扰，在实验组（天然光条件）中使用半透明百叶遮挡下部窗户，被试在视平面垂直照度1000lx～2000lx的日光条件下，情绪较对照组（人工光条件）更为积极，并且情绪改善与下午4点的色温升高有关，故推测情绪改善在日光利用率较高的时间出现。在电灯未发明之前，日光一直是人类调节昼夜节律的唯一光源。而在现代社会中，人们将大部分时间都花在室内，人工照明模糊了昼夜之间的区别，造成昼夜节律的紊乱，缺乏日光，人体健康可能会受到损害。
（2）天然光利用现状。实际上，进入室内的天然光并非越多越好，过量天然光导致的室内天然光分布不均也会引发学生的抱怨[44]。Bluyssen等[45]在荷兰对21所学校的54间教室进行室内环境质量（IEQ）测量，并对1311名小学生（8岁～12岁，平均10岁）展开问卷调查，结果发现，42%的学生因日光直射或桌面、黑板反射造成的眩光而受到干扰，不舒适眩光严重影响学生的上课情绪和学习表现。Axarli和Meresi[46]的一项相关研究调查了希腊三个不同城镇的20个教室的物理环境和学生的主观报告，为了阻挡照射书桌或黑板的太阳直射光，学生会将窗帘关闭，打开电光源。严永红等[47]在对重庆某小学6间教室（南北各3间）进行光环境调研的过程中发现，晴天南向教室侧窗的室内天然光照度变化非常大（图1），且分布很不均匀（图2），靠窗处存在强烈的眩光，对学生的干扰很大，因此学生普遍使用不透光窗帘进行遮挡，但这会造成较低的天然光利用率。
图1 晴天教室照度变化
图2 南向教室沿进深方向照度变化
（3）有效利用天然光。一些研究[48,49]提出可在南向教室设置自动反射百叶的构造装置，当太阳直射窗口时，反射百叶启动，并将日光反射至室内远窗处壁面，避免日光直射近窗处的桌面造成眩光，且百叶角度随着太阳移动而变化；当窗口无日光直射时，百叶合起使漫射光进入室内，虽然这种装置会减少室内的天然光量，但能够通过改善室内的天然光分布来提高天然光利用率、避免眩光以及减少人工照明的需求。Meresi[50]在对希腊南向教室的进一步研究中表明，将百叶反光镜放置于离室内地面2m处，宽度为0.8m±0.2m，倾斜角度为10°～20°（室外一侧较高），反射系数高达90%，其在晴天改善天然光分布和防眩光效果均表现出最佳。
早在1967年，Keyes[51]就将室内遮阳卷帘材料分为九种类型，对其进行光反射率的分析与评估。卷帘由于颜色和图案会形成不同程度的阴影与编制结构，导致不同程度的光透射、反射率，从而保证采光并控制眩光。Chan等[52]则进一步提出针对不同场景使用不同特性卷帘的建议，由于房间的大小、朝向与玻璃特性存在差异，使用不同的开口率和透光率的卷帘，能够有效避免窗口产生直射眩光并提高天然光利用率。
美国新泽西州东布伦瑞克（East Brunswick）中央小学的侧窗采用将LCP（laser cut panels，即激光切割面板）作为中间膜的夹层玻璃[53]。LCP通常以30°入射角为临界值折射太阳高度角较大（正午、夏季）的阳光，透过角度较小（如清晨、傍晚和冬季）的阳光，很大一部分强光经折射向上偏转，从而减少眩光以调整室内天然光分布，增加远窗处的壁面照度。LCP还可用作遮阳系统中的百叶窗，当启动百叶窗时，它们充当遮阳设备并阻挡强烈的直射阳光。此外，对天然光和人工光源集成系统的需求已被广泛接受[54,55]。这些设计既能避免眩光，提高室内天然光分布均匀度，使教室充分利用天然光以节约照明能耗，又能调节昼夜生理节律，改善学生与天然光完全隔绝的亚健康状态和沉闷压抑的负面情绪。
总之，天然光的利用应从窗洞口设计、遮阳形式、反光与导光装置等多方面进行考虑，新建教学楼的采光应该兼顾三者的合理设计;在教室天然光改造中，合理设计移动遮阳形式与反光装置来提高天然光利用率更能满足经济性与可行性的考虑。因此，如何有效避免眩光而充分利用天然光进行生理节律与学生情绪调节，是教室健康光环境研究亟待解决的问题之一。
3.2 人工光
人工光是增加室内照度的主要措施，尤其是在冬季教室采光严重不足、北向教室的天然光照度不达标的情况下，需要采用人工光补充照明。目前世界上的教室普遍采用荧光灯与LED作为教室人工照明的主要光源，近年来人工光环境对学生情绪影响的研究也取得一定的成果。
（1）劣质照明的危害。教室的荧光灯会发出肉眼不可察觉的频闪，50Hz～100Hz的频闪会损伤认知能力[56]、视觉性能[57]、健康[58]与舒适度[59]，此外，荧光灯频闪可能会加重学龄儿童的多动症[60]和自闭症儿童的重复性行为[61]；Winterbottom等[62]在对英国11所中学和6个地方教育机构的90个教室进行调研时发现，教室的大部分灯具是以裸灯的形式安装，形成强烈的光源眩光，眩光会对青少年造成较高的敏感性[63]、烦躁[64]等不适现象，值得注意的是，其中88%的教室平均照度超过了照明设计标准建议值，且84%的教室由于平均照度过高，其视觉舒适度降低。
（2）提高照明质量，促进情绪调节。使用相同的荧光灯，但使用高频控制电路驱动，将闪烁频率增加到32kHz，可以减少头痛[59]。Schreiber[65]表示降低空间亮度对比，孩子们变得更加放松并会对课堂活动产生兴趣。Shapiro[66]等指出，在间接漫射全光谱荧光灯下，儿童的不良适应行为变得越来越少。Keis等[26]采用对照试验发现高中生在清晨的时候暴露于室内4000K的直接照明与14000K的间接照明（向上照天花板）的白光中，能够获得更愉悦的心情。Shin等[67]通过研究也发现，直接/间接照明比直接照明提供了更多的愉悦感和凉爽感。另外，使用台灯、可控光和不同颜色的光能对改善情绪起到一定作用[44]。Winterbottom等[62]表示在日光量较少的远窗处桌面需要充足的人工照明，但对于日光充足的近窗处区域，多余的人工照明只会增加非必要的照度，建议降低近窗处的灯具亮度甚至关闭人工照明。
Cajochen等[68]对比测试了全光谱LED与普通LED照明对人体的影响作用，结果表明全光谱LED对健康被试者的情绪、视觉舒适度、白天警觉性和睡眠质量具有积极的作用，被试者在接受全光谱照明的早晨和晚上感到更快乐。全光谱LED的光谱在450nm处没有峰值，在440nm以下，在460nm～520nm之间以及在620nm以上具有较高的光谱辐照度（spectral irradiance），因此它可能与日光更加匹配（图3）。图4对比了两种LED照明对五种不同类型的视网膜感光器传递的刺激量。Vitasek等[69]同样提出一种模仿夏季从日出到日落的晴天的室内人工光源，并通过LightTools模拟和实验测试证明，模拟夏季日光以改善人的情绪是可行的。
图3 全光谱LED与普通LED的光谱（图片来源：文献[68]）
图4 视网膜感光器接受的刺激（图片来源：文献[68]）
4、适应情绪调节的情景照明
学生长期处于固定不变的人工光环境中，易产生学习疲惫、精神涣散等表现，消极情绪增加，学习状态下降[46]。Castilla等[70]在另一项研究中指出，目前各国高等学校都在积极采用新的教学方法和技术，随着课桌布置或教学活动的变化，相应的光环境也应随之变化，更多精细化和人性化的照明设计将融入到这一类教育空间中去，满足不同的使用需求。
在教室非上课期间给予适时适量的彩光照明，能够积极调动学生的情绪，提升课堂表现[71]。Kombeiz等[72]研究发现通过灯光将白墙照成彩色与彩色墙面能给人以相同的感受。Barkmann等[73]基于行为模式预设了7种不同色温与照度组合的照明模式，光色统一使用冷光，结果显示学生和教师对多变的照明模式给予了积极评价，并在课堂上发现具有一定情绪改善作用。Wessolowski等[74]为了探究不同照明模式对学生烦躁情绪、攻击性和亲社会行为的影响，对德国汉堡的110名不同年龄和学校类型的学生以及11位老师进行调查，结果显示照明的多样性能有效缓解学生的烦躁情绪，减少其攻击性并改善社交行为。Gabel等[75]发现模拟自然日出的情景照明（色温1090K～2750K，垂直照度0～250lx）会使人产生更好的主观情绪和幸福感。
以上研究表明情景照明可以在优化教室光环境和调节学生情绪方面发挥一定的作用，但需进一步研究进行显著性的验证。情景照明强调运用非常规照明方式来增加室内空间的艺术氛围，根据环境与需求的变化而作出色温、光色、照度、照明模式的改变。因此在教室课间、班会等活动中可以考虑使用情景照明活跃教室气氛，提升学习表现，调节学生情绪。
5、讨论与总结
在教室中保证良好的光环境质量是一项复杂的研究，由于学生课业紧张，而光照对学生情绪的影响需要进行较长时间、稳定的跟踪研究，并除去非教学时间段的其他光环境对学生情绪的干扰。如何在不影响教学进度的情况下展开这一研究，并获得可信的结论，是研究者需要面对的问题。此外，昼间的教室光环境大部分时间由天然光与人工光混合构成，其光分布、强度、光谱组成等随时间、季节而改变，也给研究带来了更大的挑战。
天然光比人工光更有利于昼夜节律与情绪调节，但由于眩光的干扰，实际上天然光的有效利用率并不高。如何通过较低的投入，实现天然光更有效的利用，提升光环境品质，是提高天然光利用的最大挑战。此外，大量田野调查证明提高人工照明质量也有利于调动学生积极情绪，严永红团队正在进行的研究表明，适应课堂内容与活动的多样性的教室情景照明也会对情绪调节起到一定作用[76]。总之，光照对于情绪的影响作用逐渐被人们认知，促进积极情绪、保证心理健康将成为未来教室健康光环境的重要研究方向之一，有待进一步深入的研究。
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