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浅谈教室照明舒适度

2019-10-28    

来源:数言信息

   作者: sunfish  

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导语: 根据《国民视觉健康报告》白皮书和《2018年我国儿童青少年近视调查》结果,2012年我国5岁以上总人口中近视的总患病人数在4.5亿左右;2018年儿童青少年总体近视率为53.6%,小学阶段从一年级的15.7%增加到六年级的59.0%,而高中生和大学生的近视患病率都超过70%。

  根据《国民视觉健康报告》白皮书和《2018年我国儿童青少年近视调查》结果,2012年我国5岁以上总人口中近视的总患病人数在4.5亿左右;2018年儿童青少年总体近视率为53.6%,小学阶段从一年级的15.7%增加到六年级的59.0%,而高中生和大学生的近视患病率都超过70%。

  我国青少年近视患病率已居世界第一位。如果没有有效的政策干预,到2020年我国近视患病人数将达7亿。另一方面,作为学生学习的主要场所,相当一部分教室的照明环境并不达标。北京、上海、广州等大城市的调查都证实了这一现状。对这个问题,2018年8月教育部等八部门印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》,要求学校教室照明卫生标准达标率100%。各省市与中央签订《全面加强儿童青少年近视防控工作责任书》,并陆续出台了教室照明环境改造的政策。教室照明环境改造有相关国家及行业标准为依据,严格按标准执行、无需多言。

  今天我们聊聊在达标基础之上,教室照明的舒适度。有研究表明,教室光环境对于提升学习成绩的贡献率高达21%,在七大环境因素中占比最高(Barrett et al., 2015)。因此,科学的教室照明环境设计不仅可以改善学生视力,更能够提高学生的学习绩效。

  影响教室照明舒适度的因素

  自然光

  不少研究表明自然光不仅更受学生欢迎(Rittner and Robbin, 2002; Heschong, 2003; Earthman, 2004),而且适当的自然光刺激有助于预防近视(Yong Wong et al, 2015; Hidemasa Torii et al, 2016)。

  照度

  显然教室照明不可能仅靠自然光,必然需要人工照明。照度作为照明系统最重要的指标之一,基本上各国都制定有类似的标准,例如:美国、英国、中国等国家都规定课桌桌面的平均照度不低于300 lux,但几乎所有标准都没有规定照度的上限。虽然不少研究表明高亮度(如1000 lux)能够提高学生注意力(Sleegers et al., 2013; Singh and Arora, 2014),但是过量的照明会引发身体不适和眩光失能(Kim and Koga, 2005; Osterhaus, 2005)。

  照度均匀度指的是规定表面上的最小照度与平均照度之比,通常照度越均匀视觉舒适度越高。相关标准规定课桌面的照度均匀度不低于0.7,黑板的照度均匀度不低于0.8。

  炫光舒适的照明环境要避免各类眩光,产生眩光的原因包括亮度过高、分布不均匀和直射。国标规定教室的统一眩光值(UGR)小于眩光临界值19。在一些行业和地方标准中,则有更为严格的规定,如不高于16。

  频闪指的是因亮度或光谱分布随时间的变化造成的视觉和非视觉影响。几乎所有类型的光源都可能产生频闪,但不同类型的光源有不同的频闪特征和安全指标。国际上电气和电子工程师协会IEEE、国际照明委员会CIE等对频闪的危害范围有明确规定,我国的一些行业和地方标准参考上述标准。需要说明的是,光输出波形的频率大于3,125Hz就已经超过人眼神经反应速度,因此检测时可免除考核(高频豁免)。

  蓝光危害蓝光危害是指光线中400-500nm蓝色波段在亮度过高时,引起的眼睛紧张、疲劳,长时间照射可能对视网膜造成损伤。根据相关国标和国际标准,蓝光危害分为无危险、低危险(1类)、中危险(2类)和高危险(3类)四个等级,由于蓝光危害在亮度较高的时候才存在,因此,对于亮度小于10,000cd/m2的灯具可以视为无危害等级,无需检测。

  显色指数(CRI)

  通俗地讲就是以自然光(或标准光源)为参考基准,在人工照明环境中对物体色彩的还原度。颜色与在自然光下越接近显色指数越高,视觉效果肯定越好。最高值为100,意味着该光源与自然光照射下显示的颜色完全一样。相关标准要求普通教室的显色指数(Ra)不低于80,而美术教室、多媒体教室投影区等特殊场合则要求不低于90。

  色温(CCT)色温的定义不太通俗易懂,这里我们可以简单地理解为灯光的冷暖色度。色温的单位是“K”(开尔文),数值越大色度越“冷”,数值越小色度越“暖”。例如:3000K色温类似日出后的阳光,而5500K类似中午的日光,普通荧光灯的色温约为6500K。

  从直观感受上,暖光会令人放松、冷光使人更清醒和专注。因此,餐厅、酒店多用低色温的暖光源,办公室多用高色温的冷光源。在教室环境中,很多研究证实了色温对学生学习绩效的影响。例如,Sleegers (2013)的研究表明在高色温(6500K)照明环境中学生更能集中注意力;Yan (2010)的实验结果则显示在中等色温(4000K)环境中,学生的学习效率最高;Weesolowski (2014)发现照明的丰富变化能够提高小学生的社交行为;韩国科技院(KAIST)的两位学者(Choi and Suk, 2016)建议对于简单、标准和高认知负荷的活动建议分别采用3500K,5000K和6500K色温。

  被过度渲染的“蓝光”危害

  一段时间关于“蓝光危害”的宣传引起了社会的广泛关注,不了解真实情况的普通民众甚至谈“蓝”色变,实际上是被误导了。

  首先,无论是自然光还是人工照明蓝光成分普遍存在。从光生物安全角度看,同样的色温下合格的LED灯具产生的蓝光并不比其他类型的光源高,且远低于日光中的蓝光辐射剂量。

  其次,蓝光不可或缺。研究表明,蓝光作为自然光的重要波段,对于调节人体生物节律和代谢过程,保持人体健康至关重要。

  第三,蓝光危害主要在于过亮和长时间照射,正所谓过犹不及。亮度小于10,000cd/m2的灯具为无危害等级的免检产品,实际上大部分正规厂家的LED教室灯均满足这个标准。此外,在实际使用过程中,根据教学活动灵活地调节灯光亮度和色温,比如课间休息降低亮度、文科教学采用暖色温(暖色温时蓝光成分更少),这样不仅能有效减少蓝光辐射,而且变换的照明环境也有助于减轻眼疲劳。

  被忽视的黑板照度均匀度

  黑板是教学活动的重要工具,学生日常注视黑板的时间很长,不少学生反映黑板看久了会感觉模糊、眼睛胀痛,甚至头晕。黑板区域的照明对学生健康和舒适度非常重要,国标规定黑板面的照度需要达到500 lux,但是更加重要的黑板照度均匀度却被很多人忽视了。黑板面积较大,如果照度不均匀,一块亮、一块暗,学生在看黑板时瞳孔需要频繁调节,极易造成眼睛疲劳。

  黑板灯的品质和安装方式都会影响到黑板的照度均匀度,因此,需要实地测试才能确定是否合格。相关国标对黑板照度均匀度的测量方法有明确规定。以规格4 m× 1.2 m的黑板为例,划分为0.4 m×0.4 m大小的单元格,共10×3=30个,取单元格的中心位置为测量点,下图所示:

  测量每个测量点的照度(30个照度值),并计算平均照度。用30个照度值中的最小值除以平均照度,即可得出黑板的照度均匀度。国标规定的黑板照度均匀度不低于0.8,也就是说,测量点的最小照度值不能低于平均照度的80%。

  色温与照度曲线

  从前面对照度和色温的介绍中,我们了解到:

  1、照度不能低于标准,但也不是越大越好

  2、不同色温对于学生有不同影响

  色温和照度的组合在一起对舒适度的影响就更复杂了,对此我们可以借助色温与照度曲线(Kruithof’s curve)做大致评估。图形的横竖坐标分别是色温和照度,中部是色温和照度组合恰当为舒适区,而其他区域则被认为不舒适,其中左上区域偏红(色温低及照度高),右下区域则偏蓝(色温高及照度低)。因此,我们在设计教室照明模式时,应尽量落在中部舒适区内。

  场景化照明

  随着教学活动越来越丰富多样,对场景化教学的需求也越来越强。另一方面,相关研究表明不同的亮度、色温对于不同的教学活动有不同的影响,根据具体的教学场景选择合适的照明参数,能够提高学生的学习绩效。加拿大滑铁卢大学的研究小组在相关文献中断言“教室照明研究已进入场景化阶段”(Sun et al, 2018)。例如,文科教学采用较暖色温可提升学生的创造性思维;理科教学采用较冷色温学生会更专注;课间采用低亮度、暖色温有助于学生休息放松,下节课更高效;分组教学时,通过分区亮度控制能起到促进组内互动、减少组间干扰的效果。

  最后,在设计场景化照明模式时,别忘了尽可能落在Kruithof曲线的舒适区内。

  总结

  综上所述,在选择和设计教室照明时可按照下表进行考量,在确保达标底线的基础上,也力求满足舒适度要求,给学生一个健康、舒适、高效的教室光环境。

  参考文献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.

  孙宝石, 曹石, & 李宗臣. (2018). 学习绩效与教室照明环境研究述评. 应用心理学, 24(4), 291-303.

  严永红, 关杨, 刘想德, & 刘炜. (2010). 教室荧光灯色温对学生学习效率和生理节律的影响. 土木建筑与环境工程, 32(4), 85-89.


编辑:李杰

标签:教室照明  舒适  中小学  健康照明  

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