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淺談教室照明舒適度

2019-10-28    

來源:數言信息

   作者: sunfish  

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導語: 根據《國民視覺健康報告》白皮書和《2018年我國兒童青少年近視調查》結果,2012年我國5歲以上總人口中近視的總患病人數在4.5億左右;2018年兒童青少年總體近視率為53.6%,小學階段從一年級的15.7%增加到六年級的59.0%,而高中生和大學生的近視患病率都超過70%。

  根據《國民視覺健康報告》白皮書和《2018年我國兒童青少年近視調查》結果,2012年我國5歲以上總人口中近視的總患病人數在4.5億左右;2018年兒童青少年總體近視率為53.6%,小學階段從一年級的15.7%增加到六年級的59.0%,而高中生和大學生的近視患病率都超過70%。

  我國青少年近視患病率已居世界第一位。如果沒有有效的政策干預,到2020年我國近視患病人數將達7億。另一方面,作為學生學習的主要場所,相當一部分教室的照明環境并不達標。北京、上海、廣州等大城市的調查都證實了這一現狀。對這個問題,2018年8月教育部等八部門印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》,要求學校教室照明衛生標準達標率100%。各省市與中央簽訂《全面加強兒童青少年近視防控工作責任書》,并陸續出臺了教室照明環境改造的政策。教室照明環境改造有相關國家及行業標準為依據,嚴格按標準執行、無需多言。

  今天我們聊聊在達標基礎之上,教室照明的舒適度。有研究表明,教室光環境對于提升學習成績的貢獻率高達21%,在七大環境因素中占比最高(Barrett et al., 2015)。因此,科學的教室照明環境設計不僅可以改善學生視力,更能夠提高學生的學習績效。

  影響教室照明舒適度的因素

  自然光

  不少研究表明自然光不僅更受學生歡迎(Rittner and Robbin, 2002; Heschong, 2003; Earthman, 2004),而且適當的自然光刺激有助于預防近視(Yong Wong et al, 2015; Hidemasa Torii et al, 2016)。

  照度

  顯然教室照明不可能僅靠自然光,必然需要人工照明。照度作為照明系統最重要的指標之一,基本上各國都制定有類似的標準,例如:美國、英國、中國等國家都規定課桌桌面的平均照度不低于300 lux,但幾乎所有標準都沒有規定照度的上限。雖然不少研究表明高亮度(如1000 lux)能夠提高學生注意力(Sleegers et al., 2013; Singh and Arora, 2014),但是過量的照明會引發身體不適和眩光失能(Kim and Koga, 2005; Osterhaus, 2005)。

  照度均勻度指的是規定表面上的最小照度與平均照度之比,通常照度越均勻視覺舒適度越高。相關標準規定課桌面的照度均勻度不低于0.7,黑板的照度均勻度不低于0.8。

  炫光舒適的照明環境要避免各類眩光,產生眩光的原因包括亮度過高、分布不均勻和直射。國標規定教室的統一眩光值(UGR)小于眩光臨界值19。在一些行業和地方標準中,則有更為嚴格的規定,如不高于16。

  頻閃指的是因亮度或光譜分布隨時間的變化造成的視覺和非視覺影響。幾乎所有類型的光源都可能產生頻閃,但不同類型的光源有不同的頻閃特征和安全指標。國際上電氣和電子工程師協會IEEE、國際照明委員會CIE等對頻閃的危害范圍有明確規定,我國的一些行業和地方標準參考上述標準。需要說明的是,光輸出波形的頻率大于3,125Hz就已經超過人眼神經反應速度,因此檢測時可免除考核(高頻豁免)。

  藍光危害藍光危害是指光線中400-500nm藍色波段在亮度過高時,引起的眼睛緊張、疲勞,長時間照射可能對視網膜造成損傷。根據相關國標和國際標準,藍光危害分為無危險、低危險(1類)、中危險(2類)和高危險(3類)四個等級,由于藍光危害在亮度較高的時候才存在,因此,對于亮度小于10,000cd/m2的燈具可以視為無危害等級,無需檢測。

  顯色指數(CRI)

  通俗地講就是以自然光(或標準光源)為參考基準,在人工照明環境中對物體色彩的還原度。顏色與在自然光下越接近顯色指數越高,視覺效果肯定越好。最高值為100,意味著該光源與自然光照射下顯示的顏色完全一樣。相關標準要求普通教室的顯色指數(Ra)不低于80,而美術教室、多媒體教室投影區等特殊場合則要求不低于90。

  色溫(CCT)色溫的定義不太通俗易懂,這里我們可以簡單地理解為燈光的冷暖色度。色溫的單位是“K”(開爾文),數值越大色度越“冷”,數值越小色度越“暖”。例如:3000K色溫類似日出后的陽光,而5500K類似中午的日光,普通熒光燈的色溫約為6500K。

  從直觀感受上,暖光會令人放松、冷光使人更清醒和專注。因此,餐廳、酒店多用低色溫的暖光源,辦公室多用高色溫的冷光源。在教室環境中,很多研究證實了色溫對學生學習績效的影響。例如,Sleegers (2013)的研究表明在高色溫(6500K)照明環境中學生更能集中注意力;Yan (2010)的實驗結果則顯示在中等色溫(4000K)環境中,學生的學習效率最高;Weesolowski (2014)發現照明的豐富變化能夠提高小學生的社交行為;韓國科技院(KAIST)的兩位學者(Choi and Suk, 2016)建議對于簡單、標準和高認知負荷的活動建議分別采用3500K,5000K和6500K色溫。

  被過度渲染的“藍光”危害

  一段時間關于“藍光危害”的宣傳引起了社會的廣泛關注,不了解真實情況的普通民眾甚至談“藍”色變,實際上是被誤導了。

  首先,無論是自然光還是人工照明藍光成分普遍存在。從光生物安全角度看,同樣的色溫下合格的LED燈具產生的藍光并不比其他類型的光源高,且遠低于日光中的藍光輻射劑量。

  其次,藍光不可或缺。研究表明,藍光作為自然光的重要波段,對于調節人體生物節律和代謝過程,保持人體健康至關重要。

  第三,藍光危害主要在于過亮和長時間照射,正所謂過猶不及。亮度小于10,000cd/m2的燈具為無危害等級的免檢產品,實際上大部分正規廠家的LED教室燈均滿足這個標準。此外,在實際使用過程中,根據教學活動靈活地調節燈光亮度和色溫,比如課間休息降低亮度、文科教學采用暖色溫(暖色溫時藍光成分更少),這樣不僅能有效減少藍光輻射,而且變換的照明環境也有助于減輕眼疲勞。

  被忽視的黑板照度均勻度

  黑板是教學活動的重要工具,學生日常注視黑板的時間很長,不少學生反映黑板看久了會感覺模糊、眼睛脹痛,甚至頭暈。黑板區域的照明對學生健康和舒適度非常重要,國標規定黑板面的照度需要達到500 lux,但是更加重要的黑板照度均勻度卻被很多人忽視了。黑板面積較大,如果照度不均勻,一塊亮、一塊暗,學生在看黑板時瞳孔需要頻繁調節,極易造成眼睛疲勞。

  黑板燈的品質和安裝方式都會影響到黑板的照度均勻度,因此,需要實地測試才能確定是否合格。相關國標對黑板照度均勻度的測量方法有明確規定。以規格4 m× 1.2 m的黑板為例,劃分為0.4 m×0.4 m大小的單元格,共10×3=30個,取單元格的中心位置為測量點,下圖所示:

  測量每個測量點的照度(30個照度值),并計算平均照度。用30個照度值中的最小值除以平均照度,即可得出黑板的照度均勻度。國標規定的黑板照度均勻度不低于0.8,也就是說,測量點的最小照度值不能低于平均照度的80%。

  色溫與照度曲線

  從前面對照度和色溫的介紹中,我們了解到:

  1、照度不能低于標準,但也不是越大越好

  2、不同色溫對于學生有不同影響

  色溫和照度的組合在一起對舒適度的影響就更復雜了,對此我們可以借助色溫與照度曲線(Kruithof’s curve)做大致評估。圖形的橫豎坐標分別是色溫和照度,中部是色溫和照度組合恰當為舒適區,而其他區域則被認為不舒適,其中左上區域偏紅(色溫低及照度高),右下區域則偏藍(色溫高及照度低)。因此,我們在設計教室照明模式時,應盡量落在中部舒適區內。

  場景化照明

  隨著教學活動越來越豐富多樣,對場景化教學的需求也越來越強。另一方面,相關研究表明不同的亮度、色溫對于不同的教學活動有不同的影響,根據具體的教學場景選擇合適的照明參數,能夠提高學生的學習績效。加拿大滑鐵盧大學的研究小組在相關文獻中斷言“教室照明研究已進入場景化階段”(Sun et al, 2018)。例如,文科教學采用較暖色溫可提升學生的創造性思維;理科教學采用較冷色溫學生會更專注;課間采用低亮度、暖色溫有助于學生休息放松,下節課更高效;分組教學時,通過分區亮度控制能起到促進組內互動、減少組間干擾的效果。

  最后,在設計場景化照明模式時,別忘了盡可能落在Kruithof曲線的舒適區內。

  總結

  綜上所述,在選擇和設計教室照明時可按照下表進行考量,在確保達標底線的基礎上,也力求滿足舒適度要求,給學生一個健康、舒適、高效的教室光環境。

  參考文獻Barrett, P., Davies, F., Zhang, Y., & Barrett, L. (2015). The impact of classroom design on pupils' learning: Final results of a holistic, multi-level analysis. Building and Environment, 89, 118-133.

  Earthman, G. I. (2004). Prioritization of 31 criteria for school building adequacy. Baltimore, MD: American Civil Liberties Union Foundation of Maryland.

  Heschong, L. (2003). Windows and classrooms: A study of student performance and the indoor environment. California Energy Commission.

  Kim, W., & Koga, Y. (2005). Glare constant Gw for the evaluation of discomfort glare from windows. Solar Energy, 78(1), 105-111.

  Osterhaus, W. K. (2005). Discomfort glare assessment and prevention for daylight applications in office environments. Solar Energy, 79(2), 140-158.

  Rittner, H., & Robbin, M. (2002). Color and light in learning. School Planning & Management, 41(2), 57–58.

  Singh, M. P., & Arora, R. (2014). Classroom Illuminance: Its impact on Students’ Health Exposure & Concentration Performance. In User Centered Design and Occupational Wellbeing–Proceedings of International Ergonomics Conference HWWE2014. McGraw Hill Education (Prof) (pp. 704-708).

  Sleegers, P. J. C., Moolenaar, N. M., Galetzka, M., Pruyn, A., Sarroukh, B. E., & Van der Zande, B. (2013). Lighting affects students’ concentration positively: Findings from three Dutch studies. Lighting research & technology, 45(2), 159-175.

  孫寶石, 曹石, & 李宗臣. (2018). 學習績效與教室照明環境研究述評. 應用心理學, 24(4), 291-303.

  嚴永紅, 關楊, 劉想德, & 劉煒. (2010). 教室熒光燈色溫對學生學習效率和生理節律的影響. 土木建筑與環境工程, 32(4), 85-89.


編輯:李杰

標簽:教室照明  舒適  中小學  健康照明  

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