学习绩效与教室照明环境研究述评

By | 2020年7月24日

  作者简介:孙宝石,滑铁卢年夜学零碎设计工程系(加拿年夜 滑铁卢
N2L3G1);李宗臣(通信作者)(E-mail:lfjyjyqz@126.com),男,廊坊市教育局教授教养仪器站(廊坊
065000);曹石(E-mail:shi.cao@uwaterloo.ca),男,滑铁卢年夜学零碎设计工程系(加拿年夜 滑铁卢 N2L3G1)

  内容撮要:照明是教室环境中的一个首要要素。照明不只对先生的视力有影响,也会影响先生的学习绩效。本文检索了2000年当前的113篇相干文献,并根据终极拔取的52篇文献,对教室照明与先生绩效相干性钻研的倒退历程、钻研框架、试验办法做了回顾,总结了以后的意识以及争议。正在此根底上,本文指出相干钻研已进入场景化阶段,并为后续钻研提供了一些倡议,包罗:用学习问题等主观数据代替客观评测问卷,对被试人群按特色进一步细分,扩展样本数目及采纳机械学习进行数据剖析。

  关 键 词:内环境品质(IEQ) 教授教养环境 亮度 色温 学习绩效

  中图分类号:B849文献标识码:A文章编号:1006-6020(2018)-04-0291-13

  青少年先生处于生理以及心思发育期,而且长期正在教室内学习,因而先生所处的教室环境对他们的身心衰弱以及学习成果有着不成漠视的影响。Gilavand(2016)以为教室是一个非凡的交际空间,衰弱的环境可以正在先生的社会化进程中进步先生的绩效。教室环境包罗诸多要素,关于有些影响要素,钻研者已根本构成共鸣,例如Earthman(2004)将温度、取暖和以及空气品质列为影响先生学习成果的首要要素。而关于照明对先生学习成果的影响,以往钻研还没有给出明白的论断(Higgins
et al.,2005)。钻研职员试图从没有同角度找出教授教养环境的最好照明计划,同时,对于教室最好照明计划的争执以及探究也不中止过。

  比来十多年来,室内照明技巧倒退迅速,照明零碎可以更精密地管制亮度与色温。与此同时,黉舍教授教养场景也愈来愈丰厚,而繁多照明计划无奈餍足教授教养场景多样化的需要。这些倒退以及变动给教室照明设计提供了翻新的空间以及可能性,也对教室照明环境钻研提出了新的要求。本文的目的是经过考察以及整顿以往对于教室照明环境对先生学习绩效影响的学术文献,演绎以及剖析相干钻研的个性、成绩,和倒退趋向,并正在此根底上为后续钻研提供参考以及倡议。

  1 文献起源

  本钻研检索文献起源包罗:Google
Scholar、Elsevier、ResearchGate、baidu学术,和中国专利库。检索要害词(英文以及中文)是从如下A、B、C三个组中各拔取一个,形成一个检索前提,例如:classroom+lighting+concentration。文献检索进程按此规定测验考试各类组合。

  A组:classroom,school,student,indoor environment,教室,先生

  B组:light,lighting,brightness,color-temperature,illuminance,照明,色温

  C组:performance,behavior,concentration,attention,productivity,learning,perception,问题,绩效

  思考到钻研的时效性,年份挑选前提设置为2000年及当前。最后检索后果蕴含113篇文献,对文献泛读后去掉了此中与教育有关的钻研(如办公室、贸易等)25篇,然后依据教育畛域专家的定见终极拔取此中47篇文献精读,精读进程中从论文所援用的文献中又增补了5篇(个体文献早于2000年),因而,终极共精读52篇文献。

  2 钻研布景

  照明对人的作用包罗视觉效应以及非视觉效应。人类视网膜上的视觉感触器包罗视锥细胞以及视杆细胞。视锥细胞集中于视网膜地方凹区域,对视觉信息的细节分辩率高,且有三种视锥细胞为颜色知觉提供信息。然而视锥细胞工作需求较高的照亮堂度。正在较暗的环境下,视觉愈加依赖视杆细胞,然而视杆细胞散布较为希罕,对视觉信息的细节分辩率较低,也无奈分辩颜色。因而,照亮堂度对视敏度以及颜色分辩才能的影响长短常显著的。已有钻研论述了灯光的品质(如频闪、炫光)以及颜色是若何影响视觉才能,进而影响先生的学习问题的(Mott
et
al.,2012)。除了了视锥以及视杆细胞以外,人眼视网膜上还存正在第三类感光细胞,专门担任通报环境光线信息给年夜脑的生物钟调理器,影响生物节律(Berson,et
al.,2002)。这种细胞承受到光线安慰(特地是蓝光波段),会招致年夜脑中激素排泄的变动,褪黑排泄素缩小,皮质醇排泄添加。褪黑素是就寝激素,它的缩小会让人兴奋,不容易入眠。皮质醇的添加则令人留意力集中,心率放慢。光照的效应也存正在于份子生物学层面。2017年诺贝尔生理学或医学奖颁给3位美国迷信家,获奖理由为“发现了调控日夜节律的份子机制”,从而为光照对生物体的影响提供了份子生物学的根底根据(Mealey-Ferrara,Montalvo,and
Hall,2003)。光线对生物节律的影响属于照明对人的非视觉效应(Berman,2008;Huang,2010;Fabio et
al.,2015)。非视觉效应也包罗光线对人的衰弱、情绪以及机警度的影响。钻研发现人工照明的亮度以及色温对人体的许多生理目标,如血压、心率变异、脑电波,和体温也有明显影响(Sleegers
et al.,2013)。

  虽然室内照明环境需求思考的要素不少,但对光照自身而言次要的思考是光照度以及色温。光照度,即亮度,单元为勒克司(lux),指的是被摄主体外表单元面积上遭到的光通量。1勒克司相称于被摄主体每一平方米的面积上,受间隔1米且发光强度为1烛光的光源垂直照耀的光通量。色温(correlated
color
temperature,CCT)的怀抱单元为开尔文(Kelvin),用K示意。色温指的是当一个光源的颜色体现与某一温度下的黑体辐射的光色相近似时,便用此时黑体的温度来示意该光源的色温。高色温光源偏偏冷色(蓝、白),低色温光源偏偏寒色(红、黄)。今朝教室照明环境钻研的次要内容就是经过试验测试以及数据剖析,寻觅更合适特定教授教养场景的亮度与色温的组合。

  3 相干钻研的倒退历程

  室内照明是一个复杂零碎,触及的方面不少,比方光源的各类特点、详细的应用场景、参加者的个别差别等等。而遭到照明产物技巧以及使用环境的限度,这必定是一个逐渐欠缺以及深化的进程。经过对这个进程的回顾以及梳理,咱们能够找登程展的趋向以及法则。

  最后,钻研职员存眷天然光以及人工照明的区分。Hathaway(1983)发现教师以及小先生更喜爱天然光,厥后的一些钻研则标明天然光更能对先生孕育发生踊跃影响(Rittner
and Robbin,2002;Heschong,2003;Earthman,2004)。但是,教室单纯依托天然光没有事实(Higgins et
al.,2005),并且有余或许适度的天然光城市惹起先生的埋怨(Singh and
Arora,2014)。因而,可控的天然光合营适当的人工照明对学习绩效十分首要(John &
Timothy,2005)。思考到天然光的管制正在修建实现后,次要靠玻璃以及窗帘,调理的成果十分无限。因而,对人工照明的钻研逐步成为室内照明环境的重点。

  转入人工照明钻研后,钻研者起首存眷的是人工照明的品质。此中,对衰弱有间接影响的要素包罗频闪、炫光、显色指数和荧光灯黑化成绩等。这些成绩诱发的埋怨不少,例如头疼、眼委顿、身材困倦、留意力没有集中、远视等(Higgins
et al.,2005;An et
al.,2008)。跟着黉舍照明规范的欠缺以及进步和LED(发光二极管)的普及,及格的LED产物凭仗其高效、体积小、节能、环境敌对和及时频谱可调等特点失去宽泛欢送以及应用(Smet
et al.,2011;et al.,2010),光源的品质自身曾经再也不是阻碍,要害正在于若何使用。

  之后愈来愈多学者开端钻研室内照明的亮度,列国也陆续出台了相干规范,例如:美国、英国、中国等国度都规则教室的均匀照度不该低于300
lux,且普通要求亮度散布平均。那末教室里的照亮堂度能否越亮越好?做到亮度平均散布能否就足够了?近期钻研后果偏向于否认的谜底。尽管一些钻研标明高亮度(如1000
lux)可以进步先生留意力(Sleegers et al.,2013;Singh and
Arora,2014),缩小疲倦、添加生机以及进步兴奋水平(Smolders,2014;Fabio et
al.,2015),但是,Winterbottom(2009)以为适量照明会诱发身材没有适以及眩光失能(Kim and
Koga,2005;Osterhaus,2005),因而倡议经过窗帘以及灯光调理将教室照亮堂度管制正在1000
lux之内。Veronika(2015)经过丈量发现高亮度(5000 lux)以及低亮度(400
lux)对受试者的褪黑素变动不明显影响,高亮度与低亮度前提相比反而会升高受试者的绩效。别的,一项针对英国小学的调研发现交互式智能显示屏曾经正在教室中宽泛装置,正在应用显示屏的少数工夫里高亮度照明并非所心愿的,教师们更心愿应用显示屏时亮度足够低,从而进步显示内容的比照度,而正在先生浏览书本时再把亮度进步(Zhang
et
al.,2016)。更进一步,一些特定教授教养场景需求调整亮度散布,例如教师讲课以及先生自习时讲台与先生区的亮度比照需求反转;幻灯片或投影仪演示时需求缩小天然光、封闭屏幕区域的照明,而听众区域需求放弃适当的照明;即兴演讲需求聚光灯成果;而小组探讨最佳可以分区域照明,缩小组间滋扰。

  近年的钻研开端存眷色温,也包罗对亮度以及色温的综合钻研。Sleegers(2013)的钻研标明正在高色温(6500
K)照明环境中先生更能集中留意力。正在先生的认知方面也有相似发现,Ferlazzo(2014)发现中等色温(4000 K)绝对于较低色温(2800
K)光源关于先生的三维物体辨认才能和多义务解决才能等有显著进步;而德国Ulm年夜学的钻研职员(Keis et al.,2014)发如今中等色温光源(4000
K)中夹杂超高色温光源(14000
K)可以进步先生的认知解决速率以及留意力,但对短期影象加工以及检索绩效根本不影响。正在此根底上,最近几年来局部学者开端存眷没有同教授教养场景对照明计划的没有同需要。Ayash(2016)指出,正在娇艳的色调放学生能获得更高的浏览分数;Weesolowski(2014)发现照明的丰厚变动可以进步小先生的交际行为;韩国KAIST年夜学的两位钻研者(Choi
and Suk,2016)倡议正在长期的学习环境中,光线应该有所变动,关于简略、规范以及高认知负荷的流动倡议辨别应用3500 K,5000 K以及6500
K色温;而另外一个韩国钻研团队(Lee et
al.,2016)开发了一个能自顺应多种教授教养场景(如数学、艺术、交际等)的照明零碎,并提出了辨别针对这些场景的亮度以及色温设置装备摆设。

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  图1 室内照明相干钻研的倒退

  从上述文献整顿能够看出,近十多年来,钻研职员对室内照明与先生绩效相干钻研大抵经验过四个阶段(参见图1):天然光与人工照明的比拟钻研、人工照明的品质对人的影响、亮度的优化,和没有同色温对人的影响以及优化。今朝的钻研趋向是正在综合以前的效果集成,钻研更切近工作学习理论,进入场景化、集成化的新阶段。

  4 实践框架总结

  正在相干文献中,局部学者试图从实践上诠释照明是若何影响职员绩效的,于是提出了一些钻研实践框架。尽管这些钻研实践框架都是定性剖析,无奈间接使用于工程理论中的定量优化,然而它们关于了解零碎中各要素之间的关系并据此进行试验设计具备指点意思。因而,咱们正在这里汇总了六个有代表性的钻研实践框架。

  Boyce(2004)正在“照明影响工作绩效的三个路子的概念框架”(参见图2)中提出视觉效应经过认知绩效、义务绩效以及静止绩效三个路子间接或直接影响职员绩效。此模子蕴含的要素十分多,是六个模子中最复杂的一个,能够协助人们片面意识照明对工作绩效影响的机制。

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  图2 照明影响工作绩效的三个路子的概念框架

  经受权,翻译自Figure 1 “A conceptual framework setting out the three routes
whereby lighting conditions can influence human performance”(Boyce,2004)

  正在Boyce(2004)模子根底之上,Kretschmer et
al.,(2012)提出了简化版的两通道概念模子(参见图3)。这个模子的翻新的地方正在于把光线对认知绩效的影响演绎为视觉效应以及非视觉效应。

  Mott et
al.(2012)提出静态照明对先生学习成果影响的概念框架(参见图4)。该框架更有针对性,并且区别了天然光以及人工照明,对工程以及实际使用有指点代价。

  Samani(2012)的基于变量的钻研框架(参见图5)将影响要素演绎为照明品质、颜色,和个别差别(春秋、性别)。提出对个别差别进行钻研这一点具备翻新性,不外个别差别涵盖的内容十分宽泛,远没有止春秋以及性别,除了了生理差别以及心思差别,文明差别也不克不及漠视。

  Kort & Veitch(2014)提出照明对生理机能影响线路框架(参见图6)。该实践框架与Kretschmer et
al.,(2012)的模子有类似的地方,都包罗视觉影响以及非视觉影响两局部,但次要区分正在于Kort &
Veitch(2014)正在模子中添加了视觉影响以及非视觉影响之间的交互作用。

  Pulay(2015)提出的概念实践框架将光线对先生的影响分为行为以及认知两种,且二者之间有交互作用。这些影响都来自生理、心思以及荷尔蒙三个方面。

  综观上述钻研实践框架,视觉成果以及非视觉成果是比拟公认的影响通道,形成了实践模子的根底构造。没有同钻研者依据其钻研存眷的标的目的以及思绪,对根底构造进行变动以及裁减,从而构成没有同的钻研框架。

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  图3 正在Boyce(2004)模子根底上简化的两通道概念模子

  经受权,翻译自Figure 1 “A simplified conceptual model of the relation-ship between
lighting and cognitive performance,including the two different light-sensitive
pathways via the visual system and the circadian system”(Kretschmer et
al.,2012)

  5 试验办法总结

  以往的行为试验钻研根本都采纳了试验组以及管制组对照的设计,且少数采纳试验先后比照检验。受试者数目根本都正在100人之内(N<100)。实验中因变量的测量大体上可分为以下四类。

  1.生理学目标:用生理学设施对受试者的体征进行丈量,经过丈量数据反映受试者的生理或心思状态。详细办法包罗心电图(ECG)、脑电波(EEG)、皮肤电(EDA)等。例如:Choi
and
Suk(2016)应用ECG作为先导试验手法确认没有同色温可以诱发没有同的生理反响;Shin(2013),Yunhee(2015)经过丈量EEG确定受试者的留意力以及抓紧水平;Smolders(2017)正在钻研中应用了ECG以及EDA作为辅佐手法记载受试者正在测试进程中的生理变动。

  2.认知义务目标:浏览、算术、打字、拼图等义务的问题。

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  图4 静态照明对先生学习成果影响的概念

  框架经受权,翻译自Figure I “Conceptual framework of the study”(Mott et al.,2012)

  注:ADHD=留意力缺乏多动症(attention deficit hyperactivity disorder)

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  图5 基于变量的钻研框架

  经受权,翻译自Figure 3 “Research frame work base on variables”(Samani,2012)

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  图6 照明对生理机能影响线路框架

  经受权,翻译自Figure 2 “Pathways of light relevant to psychological
functioning”(Kort & Veitch,2014)

  3.认贴心理学测试以及量表:d2视觉搜寻留意力测试;卡罗林斯卡警惕度分类表(Karolinska Sleepiness
Scale,KSS);肉体静止警惕性功课(Psychomotor Vigilance Task,PVT);状态自控力分类表(State Self-Control
Capacity Scale,SSCCS);安菲莫夫剂量功课表(Aventura Karimov
table,AKT)等。相干办法的参考文献、用处以及根本信息参见表1。

  4.客观问卷:问卷正在相干钻研中被宽泛应用,用来权衡受试者的客观感触以及偏偏好。少数钻研中客观问卷作为辅佐手法;也有个体钻研全副基于问卷考察,例如:Gilavand(2016)。

  另外,需求阐明的是,不少钻研应用多种怀抱办法,比方:EEG与简略义务连系、d2与问卷连系等等。一个钻研中的多种怀抱办法有的是针对没有同的怀抱目标,有的则是对同一指标的多角度验证。正在某些钻研中,针对同一指标的两种怀抱办法会给出抵牾的后果,例如:Sleegers(2013)的一局部钻研数据中d2测试与客观问卷后果纷歧致。

  6 基于教授教养场景的照明计划钻研

  依据以前对相干钻研的倒退历程的回顾,教室照明钻研的重点逐渐转入场景化、集成化阶段。以往的钻研偏重于经过试验手法钻研照明参数,如没有同的亮度以及色温,对先生的生理目标或认知绩效检验目标的影响。近期有学者开端存眷正在没有同教授教养场景下,照明设置装备摆设计划对先生学习绩效的影响。尽管这些钻研对教授教养场景的界说没有同(如:简略、规范以及高负荷,或许数学、艺术、交际、劳动),然而其指标是分歧的,就是寻觅与教授教养内容以及教授教养指标相婚配的最优照明设置装备摆设计划。因而,本文特地针对这个标的目的有代表性的钻研进行了归纳综合,参见表2。从可以检索到的文献看,对于这个标的目的的钻研数目无限,钻研尚没有充沛,钻研论断也有值患上进一步证明的地方。而针对中国粹校的相干钻研更是空缺。

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  7 以往钻研后果探讨

  总结以往钻研,钻研者普遍以为光照前提对学习绩效有首要影响,近十年来的钻研次要针对没有同亮度以及没有同色温对先生的影响。尽管照明行业以及学术界对亮度级别以及色温级别都不对立的规则,然而咱们发现钻研者年夜多界说300
lux如下为低亮度、300 lux至600 lux为中等亮度、600 lux至1000 lux为高亮度;亮度超越1000 lux会诱发身材没有适以及眩光失能(Kim
and Koga,2005;Osterhaus,2005),也没有节能。同时,钻研者年夜多界说2700 K至3500 K、3500 K至5000 K,和5000
K至6500K为低色温、中等色平和高色温。

  对于亮度以及色温的详细效应,依据以往钻研的发现以及论断,少数钻研者以为高亮度、高色温可以晋升留意力以及认知绩效。因而,占主导的观念是:正在教室照明中应用亮度较高、色温较高的光线能够进步先生学习绩效。但是,现实上这一观念仍短少足够的钻研数据支持,乃至局部相干钻研给出了与之抵触的论断(Higgins
et
al.,2005)。例如,基于试验数据Yunhee(2015)以为高色温其实不会影响先生的留意力以及认知流动,低色温也没有会让先生更抓紧、肃静。Smolders(2017)的试验后果显示高色温环境与低色温相比其实不会对年夜先生的“肉体状态以及绩效带来显著的无益影响,也没有会孕育发生生理上的激活成果”。Yan(2010)的试验后果则显示正在中等色温(4000
K)环境中,先生的学习效率最高,而且视/脑委顿最低,而非高色温(6500
K)环境。有的试验后果显示男女对灯光的反响不显著差别,而有的试验则给出相同后果(Knez,2000)。乃至有的试验中一样的照明环境对四年级先生有影响明显,而对六年级先生影响没有明显,而留意力测试后果跟客观问卷后果也呈现了抵牾(Sleegers
et al.,2013)。

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  关于这些纷歧致以及抵牾,其缘由可能正在于试验设计不敷紧密,对其余要素的管制不敷(Choi and
Suk,2016)。Smolders(2017)发现没有同测试工夫,如上午时段以及下战书时段,对测试后果有明显差别。Moon(2016)示意受试者的性别、春秋、工作状态等要素也会影响个别对照明计划的反响。Yunhee(2015)强调人的情绪要素的首要性,正在试验中,情绪要素对后果的影响乃至超越了生理学反响的影响。别的,以往钻研数据样本较小(少数钻研中被试没有超越100人)和工夫跨度较短(少数钻研继续没有超越3个月)也是首要制约要素(Sleegers
et al.,2013;Pulay,2015;Fabio et al.,2015;Ayash et
al.,2016)。更进一步,经过剖析以往试验的后果陈诉可以发现,正在陈诉统计差别明显的40篇文献中仅有6篇陈诉了成果量(effect
size),比例偏偏低。正在所陈诉的成果量中,值正在0.001至0.741之间,此中成果量较年夜的(≥0.5)包罗:高亮度高色温照明(1000
lux,6500K)绝对于规范照明(300 lux,3000 K)对进步先生留意力集中度以及缩小谬误率有踊跃作用(Sleegers et
al.,2013),高色温照明(6500 K)绝对于3500 K以及5000 K对进步算术答题正确率有踊跃作用(Choi and
Suk,2016)。以往钻研所陈诉的Cohen's d值正在0.13至3.94之间,此中成果量较年夜的(d≥0.8)包罗:高色温照明(5500 K绝对于3000
K以及3500 K)对进步认知解决速率以及留意力集中度和缩小谬误率有踊跃作用(Keis et al.,2014)。

  8 后续钻研倡议

  经过对现有钻研存正在成绩以及倒退趋向的梳理,本文心愿可以为后续钻研提供一些标的目的性的倡议。

  起首,以往钻研中较多应用客观问卷,然而客观后果受个别差别及随机要素影响较年夜,其实不老是可以反映射明对学习才能以及学习成果的影响,一些钻研中呈现的客观问卷与主观测试后果的抵牾就是例证。因而,后续钻研应缩小对客观评估的依赖,多应用主观评测,特地是基于主观数据的量化剖析。

  其次,被试人群的特色,如春秋、性别、地区及文明差别等,都有可能影响试验后果。没有同被试人群对最优照明前提可能有没有同的需求。以往钻研所积攒的实证数据依然有余,后续钻研需求持续搜集数据并比拟没有同被试人群间的差别,并留意正在试验后果中陈诉成果量。

  第三,无论是生理学办法、心思学办法,仍是认知义务测试(参见“5.试验办法总结”),现有钻研根本都是用直接后果示意先生的学习绩效。正在本文检索到的钻研中,不一例应用实在的考试问题。尽管可能的缘由有不少,然而从某种意思上,中国粹生、黉舍以及家长最关怀的仍是学习问题。因而,后续钻研需求测验照明设置装备摆设对先生各科问题有没有明显影响。

  第四,LED、智能终端、物联网等技巧的倒退以及普及,使患上可静态调整亮度以及色温的智能照明零碎具有了年夜规模使用的前提。教授教养场景以及教授教养手法的古代化、多样化,也带来了教室照明需要的多样化以及场景化,但是相干的钻研今朝还没有充沛(参见“6.基于教授教养场景的照明计划钻研”),后续钻研也需求正在这方面进一步增强。

  最初,现有钻研的数据样本都比拟小,后续钻研需求增年夜样本量,进步统计测验力。当数据样本达到肯定规模后,能够思考行使机械学习的办法进行数据剖析,希冀可以患上出更多论断。

  综上所述,虽然局部钻研发现高色温照明对进步先生留意力有踊跃作用,以往钻研仍存正在许多有余,以往的钻研办法以及设计需求欠缺以及扩大,钻研者还没有对教室照明若何影响先生学习绩效这个成绩的谜底告竣共鸣。因而,已有钻研后果尚有余以对教室照明的最好亮度以及色温设计计划给出决议性的指点定见,也标明该畛域相干钻研另有较年夜晋升空间。

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