淺談教室照明舒適度
2023-11-08 13:29:45 330
根據(jù)《國民視覺健康報(bào)告》白皮書和《2018年我國兒童青少年近視調(diào)查》結(jié)果，2012年我國5歲以上總?cè)丝谥薪暤目偦疾∪藬?shù)在4.5億左右;2018年兒童青少年總體近視率為53.6%，小學(xué)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(xué)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(yù)，到2020年我國近視患病人數(shù)將達(dá)7億。另一方面，作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場所，相當(dāng)一部分教室的照明環(huán)境并不達(dá)標(biāo)。北京、上海、廣州等大城市的調(diào)查都證實(shí)了這一現(xiàn)狀。對這個(gè)問題，2018年8月教育部等八部門印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，要求學(xué)校教室照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率100%。各省市與中央簽訂《全面加強(qiáng)兒童青少年近視防控工作責(zé)任書》，并陸續(xù)出臺了教室照明環(huán)境改造的政策。教室照明環(huán)境改造有相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行、無需多言。
今天我們聊聊在達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)之上，教室照明的舒適度。有研究表明，教室光環(huán)境對于提升學(xué)習(xí)成績的貢獻(xiàn)率高達(dá)21%，在七大環(huán)境因素中占比最高(Barrett et al., 2015)。因此，科學(xué)的教室照明環(huán)境設(shè)計(jì)不僅可以改善學(xué)生視力，更能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生歡迎(Rittner and Robbin, 2002; Heschong, 2003; Earthman, 2004)，而且適當(dāng)?shù)淖匀还獯碳び兄陬A(yù)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(tǒng)最重要的指標(biāo)之一，基本上各國都制定有類似的標(biāo)準(zhǔn)，例如：美國、英國、中國等國家都規(guī)定課桌桌面的平均照度不低于300 lux，但幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)都沒有規(guī)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(xué)生注意力(Sleegers et al., 2013; Singh and Arora, 2014)，但是過量的照明會引發(fā)身體不適和眩光失能(Kim and Koga, 2005; Osterhaus, 2005)。
照度均勻度指的是規(guī)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(huán)境要避免各類眩光，產(chǎn)生眩光的原因包括亮度過高、分布不均勻和直射。國標(biāo)規(guī)定教室的統(tǒng)一眩光值(UGR)小于眩光臨界值19。在一些行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)中，則有更為嚴(yán)格的規(guī)定，如不高于16。
頻閃指的是因亮度或光譜分布隨時(shí)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(chǎn)生頻閃，但不同類型的光源有不同的頻閃特征和安全指標(biāo)。國際上電氣和電子工程師協(xié)會IEEE、國際照明委員會CIE等對頻閃的危害范圍有明確規(guī)定，我國的一些行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)參考上述標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是，光輸出波形的頻率大于3,125Hz就已經(jīng)超過人眼神經(jīng)反應(yīng)速度，因此檢測時(shí)可免除考核(高頻豁免)。
藍(lán)光危害藍(lán)光危害是指光線中400-500nm藍(lán)色波段在亮度過高時(shí)，引起的眼睛緊張、疲勞，長時(shí)間照射可能對視網(wǎng)膜造成損傷。根據(jù)相關(guān)國標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)光危害分為無危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)(1類)、中危險(xiǎn)(2類)和高危險(xiǎn)(3類)四個(gè)等級，由于藍(lán)光危害在亮度較高的時(shí)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(shù)(CRI)
通俗地講就是以自然光(或標(biāo)準(zhǔn)光源)為參考基準(zhǔn)，在人工照明環(huán)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(shù)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求普通教室的顯色指數(shù)(Ra)不低于80，而美術(shù)教室、多媒體教室投影區(qū)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(shù)值越大色度越“冷”，數(shù)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(huán)境中，很多研究證實(shí)了色溫對學(xué)生學(xué)習(xí)績效的影響。例如，Sleegers (2013)的研究表明在高色溫(6500K)照明環(huán)境中學(xué)生更能集中注意力;Yan (2010)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示在中等色溫(4000K)環(huán)境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率最高;Weesolowski (2014)發(fā)現(xiàn)照明的豐富變化能夠提高小學(xué)生的社交行為;韓國科技院(KAIST)的兩位學(xué)者(Choi and Suk, 2016)建議對于簡單、標(biāo)準(zhǔn)和高認(rèn)知負(fù)荷的活動建議分別采用3500K，5000K和6500K色溫。
被過度渲染的“藍(lán)光”危害
一段時(shí)間關(guān)于“藍(lán)光危害”的宣傳引起了社會的廣泛關(guān)注，不了解真實(shí)情況的普通民眾甚至談“藍(lán)”色變，實(shí)際上是被誤導(dǎo)了。
首先，無論是自然光還是人工照明藍(lán)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(chǎn)生的藍(lán)光并不比其他類型的光源高，且遠(yuǎn)低于日光中的藍(lán)光輻射劑量。
其次，藍(lán)光不可或缺。研究表明，藍(lán)光作為自然光的重要波段，對于調(diào)節(jié)人體生物節(jié)律和代謝過程，保持人體健康至關(guān)重要。
第三，藍(lán)光危害主要在于過亮和長時(shí)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(chǎn)品，實(shí)際上大部分正規(guī)廠家的LED教室燈均滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，在實(shí)際使用過程中，根據(jù)教學(xué)活動靈活地調(diào)節(jié)燈光亮度和色溫，比如課間休息降低亮度、文科教學(xué)采用暖色溫(暖色溫時(shí)藍(lán)光成分更少)，這樣不僅能有效減少藍(lán)光輻射，而且變換的照明環(huán)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(xué)活動的重要工具，學(xué)生日常注視黑板的時(shí)間很長，不少學(xué)生反映黑板看久了會感覺模糊、眼睛脹痛，甚至頭暈。黑板區(qū)域的照明對學(xué)生健康和舒適度非常重要，國標(biāo)規(guī)定黑板面的照度需要達(dá)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(xué)生在看黑板時(shí)瞳孔需要頻繁調(diào)節(jié)，極易造成眼睛疲勞。
黑板燈的品質(zhì)和安裝方式都會影響到黑板的照度均勻度，因此，需要實(shí)地測試才能確定是否合格。相關(guān)國標(biāo)對黑板照度均勻度的測量方法有明確規(guī)定。以規(guī)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(gè)，取單元格的中心位置為測量點(diǎn)，下圖所示：
測量每個(gè)測量點(diǎn)的照度(30個(gè)照度值)，并計(jì)算平均照度。用30個(gè)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(biāo)規(guī)定的黑板照度均勻度不低于0.8，也就是說，測量點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，但也不是越大越好
2、不同色溫對于學(xué)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(fù)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(biāo)分別是色溫和照度，中部是色溫和照度組合恰當(dāng)為舒適區(qū)，而其他區(qū)域則被認(rèn)為不舒適，其中左上區(qū)域偏紅(色溫低及照度高)，右下區(qū)域則偏藍(lán)(色溫高及照度低)。因此，我們在設(shè)計(jì)教室照明模式時(shí)，應(yīng)盡量落在中部舒適區(qū)內(nèi)。
場景化照明
隨著教學(xué)活動越來越豐富多樣，對場景化教學(xué)的需求也越來越強(qiáng)。另一方面，相關(guān)研究表明不同的亮度、色溫對于不同的教學(xué)活動有不同的影響，根據(jù)具體的教學(xué)場景選擇合適的照明參數(shù)，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)績效。加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究小組在相關(guān)文獻(xiàn)中斷言“教室照明研究已進(jìn)入場景化階段”(Sun et al, 2018)。例如，文科教學(xué)采用較暖色溫可提升學(xué)生的創(chuàng)造性思維;理科教學(xué)采用較冷色溫學(xué)生會更專注;課間采用低亮度、暖色溫有助于學(xué)生休息放松，下節(jié)課更高效;分組教學(xué)時(shí)，通過分區(qū)亮度控制能起到促進(jìn)組內(nèi)互動、減少組間干擾的效果。
最后，在設(shè)計(jì)場景化照明模式時(shí)，別忘了盡可能落在Kruithof曲線的舒適區(qū)內(nèi)。
總結(jié)
綜上所述，在選擇和設(shè)計(jì)教室照明時(shí)可按照下表進(jìn)行考量，在確保達(dá)標(biāo)底線的基礎(chǔ)上，也力求滿足舒適度要求，給學(xué)生一個(gè)健康、舒適、高效的教室光環(huán)境。
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