教室内物理因素对大学生认知影响的实验研究

贾一丹 江丰光

（上海师范大学 教育学院，上海 200234）

一、引言

学生的学习效果受多种因素的影响。在线学习和线下教授相结合的混合学习模式为学生提供了多样化的学习空间。伴随新冠疫情常态化的影响，在线课程建设成为高等教育的新趋势（柳莹，2018），在短时间内也取得了较快发展。探寻网络环境下交互模式变化对教学效果的影响（罗恒，曾兰，杨婷婷，2019），分析总结网络学习社群中存在的学习表现形成评价标准（朱蓥彬，江丰光，2020）以及影响MOOC学习者持续学习原因（孙田琳子，沈书生，2017）等成为研究影响学习效果的主要方面，也有研究结合情感负荷理论来探讨兴趣程度、情感状态以及搜索学习效果之间的关系（夏立新，周鼎，叶光辉，孙哲林，2020）。学习空间的研究逐渐受到国内研究者的重视。开始从最初的现状分析（许亚锋，尹晗，张际平，2015；塔卫刚，张际平，2018），到国外新型学习空间案例比较（江丰光，孙铭泽，2014），到探索国内空间设计架构（陈向东，蒋中望，2011；白晓晶，季瑞芳，吴莎莎，张春华，李国云，2018），再到主动学习教室如何影响学生的学习效果（张屹等，2019）等方面，但较少有实证研究站在环境心理学的角度论证教室环境中物理因素对学习效果的影响。

教室内物理因素涵盖了空气、自然与人照光、温度、颜色、空间布局、湿度等，不同的研究会因侧重点的差异对其有不同的探讨。国内学习空间领域对教室环境设计以实践为主，缺乏理论支撑，而本文主要基于环境心理学的视角来探究教室物理因素对学生的认知影响。国外在《环境心理学》一书中指出物理环境在环境心理学范畴中主要涵盖噪音、温度、空气质量、环境设计、空间密度（即拥挤程度）、个人空间等（保罗·贝尔，托马斯·格林，杰弗瑞·费尔希，安德鲁·鲍姆，2009）。根据文献，教室内物理因素可以分为三类：第一类是空间环境中的属性，包括温度、声音、照明和空气质量等；第二类包括与空间环境相关的属性，如教室布局、教室内家具、色彩、座位选择等；第三类包括与技术相关的属性，包括教室内高科技硬件功能的适宜性、软件的易用性、网络传输的速度等（Yang, Becerik-Gerber, ＆ Mino, 2013）。认知是指人们获取知识，进而应用知识的信息加工过程，它包括感觉、知觉、记忆、思维、想象和语言等（彭聃龄，2010）。

一个良好的学习或工作环境往往是由多种物理因素彼此作用的结果。教室是学生除家庭环境外身处时间最长的学习场所，无论是学校、图书馆还是培训机构中，教室内颜色（Al-Ayash, Kane, Smith,＆ Green-Armytage, 2016）、温湿度、光照、声音、空气质量以及气味（Pan, Kjaergaard, ＆ MøLhave,2003）等都会影响学生学习时的注意力和学习效果（Hygge ＆ Knez, 2001）。Marchand、Nardi、Reynolds和Pamoukov（2014）将温度、光照和声学称为室内环境的“物理基础”，同时一些高校团队、企业公司等也相继展开了衡量该指标的相关研究。舒适的环境并不等于适合学习的环境，究竟温度、声音在何种设定值组合下才是最适合学生学习的环境，这值得国内学者进行思考。

基于上述，本研究在以往研究的基础上，作为阶段性研究选择关注度最高的温度和声音两个因素（Marchand et al., 2014），探索教室内物理因素（温度、声音）如何对学生认知活动产生影响。研究问题是：教室内物理因素（温度、声音）的相互作用对学生处理不同类型任务有何影响，是否对不同性别学生影响不同？最后从提升学生学习效率的角度切入，让国内学者、教师、学校管理层等都能逐渐意识到教室内物理因素对学生学习的重要性，希望他们能够设计更合理的教室学习环境，进而促进国内对此方面的研究和重视。

二、文献综述

（一）影响学生认知因素相关研究

Paas和Van Merrienboer（1994）提出的“认知负荷构建模型”（The Model of the Construct of Cognitive Load）认为，学习者特征、任务特征及其相互作用是认知负荷的因果因素。该模型并未厘清学习任务和学习环境两个因素。Choi、van Merrinboer和 Paas（2014）对该模型进行了完善和调整（见图1），提出“物理学习环境”（见图1左侧部分），其包含完成教与学任务发生场所中所有的物理属性因素，强调学习环境、任务和学习者两者或三者之间交互作用对认知负荷产生影响。学习环境、学习者和学习活动三者之间不是互相独立存在的，物理学习环境中任何事物的变化包括空气质量、光照、温湿度、声音、色彩、气味等都会影响学习者的体验感和学习效率。国内对于物理因素影响学生学习的实验研究相对较少，多停留在学习空间设计时需要关注空间中温度、光线、色彩的个性化调控的理论部分。国外早在20世纪对室内物理因素的研究发现，讨论最多的是温度、声音、光照三个因素，探究因素单独或交互作用时对学习者学习效率和绩效产生的影响（见表1）。

表1 国外物理因素研究

图1 认知负荷构建的调整模型（Choi et al., 2014）

在对芬兰学校教室声学等级评估中发现，超过50%的时间里，教室里的声音水平过高，超出了建议标准，完全影响学生学习（Sala ＆ Rantala,2016）。Al-Ayash等（2016）在探究教室内颜色对大学生学习成绩和情绪的影响因素时发现，蓝色明显比红色或黄色更使人心情愉快，而在做阅读理解任务时教室空间是色彩鲜艳组的得分明显高于浅色组。当参与者暴露在明亮的光线下时，他们会更少感到困倦，变得更有活力、更快乐（Smolders ＆Kort, 2013）。而对环境内气味和声音之间的交互作用研究发现，添加噪音可能减少（掩盖）对气味的不适感知，而添加气味对噪音的感知没有或几乎没有影响（Pan et al., 2003）。在探讨温度、噪音和照明三因素对不同类型任务学习效率的影响时发现，在低于50dB的声音条件且不低于300lx的光照条件下学习效率会达到最大值，同时处理不同类型的任务又有各自最适合的环境（Xiong et al., 2018），并且不同因素对不同性别学生在处理不同类型认知任务的影响上也有差异，与男性相比女性尤其在高光照条件下的问题解决能力明显更好（Hygge ＆ Knez,2001）；女性的热感知能力比男性更强，倾向于处在热中性环境下（Pellerin ＆ Candas, 2003）。

由此发现，国外对于室内物理因素研究较为成熟，通常以温度、声音、光照三个因素单独或是交叉影响研究为主，关注其对学生或工作人员的学习和绩效的影响，并且涉及面较广，加入其他因素如颜色、气味、空气质量等。然而，国内对于教室环境的研究已逐步从传统教室改进至主动学习教室，对师生教与学效果影响到网络教育新时代背景下设计开放智慧的学习空间（王宏，肖君，谭伟，2018），但对教室内物理因素的研究多停留在：关注学生对教室环境的满意度、舒适度、教室内物理因素测量是否符合国家标准等较浅层方面。并且，由于地区气候环境条件和不同人种体质的差异，使得国外研究结论无法直接在我国实践。因此，探寻出适合我国环境条件和文化习惯的教室内物理因素及相互作用对学习者的影响是非常必要的。

（二）认知测量的方法与工具

认知要素主要是认知加工策略，是学习行为的核心，表示学习者获得知识或对知识中的信息进行加工的过程（余继，闵维方，2018）。目前认知要素的测量方法主要分为以下四种：让学习者自主回顾认知过程，传达对任务难度和心理付出努力感受的主观测量法（Schnotz ＆ Kürschner,2007）；通过测定学习者完成指定任务的绩效来判定学习者认知负荷的任务绩效测量法；测量学习者完成任务时的生理指标的生理测量法以及将主观心理感受和客观行为表现相结合的多指标综合评价方法（孙崇勇，2012）。Wickens和Hollands（2000）提出的测量认知表现的理论框架中表明，认知表现等同于信息处理，并非一种单一的技能，而是由不同认知任务组成的复杂过程。在信息处理方法中，从感觉功能开始，不同的认知功能有一个可接受的层次结构，这也表明来自周围环境的信息必须先被感官功能感知，然后才能被认知系统访问。认知加工是通过注意力、记忆和推理等基本认知过程来完成的。复杂的认知过程有如阅读和文本理解，并需要与基本认知功能相结合（Liebl et al., 2012）。

三、研究设计

（一）研究对象及环境设置

经过梳理文献，实验环境设置最终选择温度和声音这两个关注度最高（Pellerin ＆ Candas, 2003）的室内物理因素变量。声音设定以我国颁布的《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118-2010）中规定的普通教室允许的噪声级（40dB-45dB）为依据（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019），并且以国外学者Mackenzie（1975）将50～80dB估计为典型的室内噪声为参考。因此，最终确定本实验的声音变量值为：40dB和60dB。在实验过程中，所有门窗都被关闭以减少外界干扰，并且被试者进行实验时不允许戴耳机。采用一段模拟的教室活动录音，通过教室内的多媒体设备播放为学生营造声音环境，并采用专业的声级计进行测量。温度设定以我国颁布的《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）中规定的夏季空调设定22℃～28℃、冬季采暖设定16℃～24℃为依据（中华人民共和国生态环境部，2003），以国外学者Seppanen、Fisk和Lei（2006）的研究发现，温度在22摄氏度被认为是最佳性能的创造条件为参考。因此，最终确定实验的温度变量值为：20℃和28℃。在实验室中，通过中央空调控制，并且使用专业仪器进行测量。

本研究以上海某高校大学生为实验对象，共招募32人，其中男生16人，女生16人，平均年龄为23±1岁，并具有相似的学科背景。研究为了将个体差异减小到最低，每位被试者要求穿着与当地气候条件下室内典型服装相对应（服装热阻：1.0clo）的服装，且实验完成后会给予每人相应的被试者实验参与费。根据确定变量值：温度（20℃和28℃）和声音（40dB和60dB），将各因素变量进行组合：温度（2）×声音（2）形成4个不同的实验场景（见表2）。将性别对应的16名男生和16名女生随机平均分配到某一环境中进行实验，因此每个环境有4男4女共8名学生（见表2）。

表2 实验环境对象设计表

（二）研究方法

实验研究法是本研究的核心方法，通过控制教室内物理因素（温度和声音）形成4个不同的学习环境，学生在环境中进行4种认知任务，并通过进一步分析来探寻物理因素相互作用对学生学习效果的影响。

（三）研究工具

认知方面任务主要由四部分内容组成，分别是知觉任务、注意力任务、记忆力任务以及问题解决任务。

罐材的薄壁化，要求其内在冶金质量好、深冲性能好、制耳率低.林明山等人[35]的研究表明，3104 铝合金罐用板材减薄至0.265mm 是可以实现的，经过再次拉深及三次减薄后，罐体最薄壁厚可达到0.0989 mm，并能满足耐压的要求.在罐体的生产过程中，减薄拉深工序中最容易发生断罐，进而导致生产中断.因此，在降低材料厚度的同时，要保证生产效率，避免废品增多而引起隐性成本增加.

1. 知觉任务

采用基于1935年美国心理学家约翰·雷德利·斯特鲁普（John Riddly Stroop）提出的斯特鲁普效应形成的斯特鲁普颜色-单词测试（Stroop Color-Word Test，SCWT）（陈俊，刘海燕，张积家，2007）。通过利用刺激材料，在屏幕上呈现出颜色和意义上相矛盾的词语，要求被试者快速地选择出屏幕上呈现的“字的颜色”，进而对被试者的知觉进行测定。实验使用APP版本，软件会自动统计出被试者正确完成所有任务的时间（s），总计时间越短表示完成的效果越好。

2. 注意力任务

选取舒尔特方格的APP软件进行测试。屏幕会呈现1cm×1cm 的N个方格，每个格子内有任意的阿拉伯数字，共有N个数字。测试时，要求被试者用手指按数字顺序依次点击完所有N个方格，用时越短注意力水平越高。实验时，被试者依次由易到难点击完3×3、4×4、5×5、6×6方格。软件会自动统计出被试者正确完成4次训练的时间（s），总计时间越短表示注意力越高。

3. 记忆力任务

使用APP软件进行“无颜色记忆”来测试被试者的短时记忆能力（朱滢，2014）。在屏幕的方格矩阵中会出现一些颜色不同的图形，在规定的时间记忆后，被试者需要在矩阵中点出屏幕上出现的颜色图案对应的格子位置。测试时，被试者会先进行练习，当完全熟悉规则后进行6次正式测试。软件会自动统计出被试者正确完成所有训练的时间（s），总计时间越短表示记忆效果越好。

4. 问题解决任务

参考国外论文中测评方式（Xiong et al., 2018）选取《2019国家公务员考试行测试题》，根据不同类目整理出单选共9道题，以纸质版的形式进行测评，研究者手动评分回答正确的题目数。

对于教室内不同物理因素的调控和测量分别是：温度通过中央空调进行控制，测量采用优利德A25D空气质量检测仪；声音通过一段模仿教室内活动噪音的录音进行控制，测量采用深圳胜利VC1350型噪声测试仪。

（四）实验流程及数据分析

研究者提前将教室内各个环境因素变量调整到预先设计的值，被试者进入实验环境中提前签署《实验知情同意书》并且适应当前环境5分钟，之后依次完成问题解决、注意力、知觉、记忆4种认知任务，在每个场景下进行的所有测试都是相互独立的，没有顺序影响，全程大约40分钟左右。每次测试之间还有几分钟的休息时间，因此疲劳对长时任务的影响可忽略不计。本研究参考国外相关研究设计选取被试随机分配进不同环境进行测试（Hygge＆ Knez, 2001；Veitch, 1990；Pellerin ＆ Candas,2003；Knez ＆ Kers, 2000），使用SPSS26.0版本进行多元方差分析（MANOVA）并对交互结果进行进一步的简单效应分析（Simple Effect Text），探讨温度（2）×声音（2）×性别（2）对学生处理不同认知任务的主效应和交互影响，定义p＜0.05为具有统计学意义。

四、研究结果

首先，对四种不同认知任务（问题解决、注意力、知觉、记忆）数据进行正态检验，经过K-S方法和S-W方法检验后的p值均大于0.05，说明数据呈正态分布；经方差齐性检验p值大于0.05，无差异，然后进行多元方差分析。

（一）教室内物理因素对不同性别学生处理不同任务的主效应

通过分析发现（见表3），物理因素温度显著性检验的威尔克值为0.040（p＜.05），表示温度对处理四类认知任务上有单独的显著影响，而声音的威尔克值为0.947（p＞.05），表示声音的主效应影响并不显著。针对温度进一步分析如何对四种认知任务产生影响发现如下页图2所示：相比20℃的温度环境，在28℃下，学生的问题解决和知觉反映整体变好；然而在20℃的低温环境下学生的注意力、记忆效果较好，并且温度对注意力有显著影响（F=4.925，p＜.05）（见下页表4）。然而温度和声音的交互作用并没有对四种任务产生显著影响（p=.05），这表明对于大学生而言，声音在一定的范围内对于学习的影响并不太强，反而温度的变化更能刺激学生的学习效果与注意力。

图2 温度对四种认知任务影响

表3 温度、声音、性别对不同任务主效应影响

性别因素的威尔克值分别0.004（p＜.01），表明性别对四类认知任务有非常显著的主效应(见上页表3)。尤其在问题解决任务（F=10.562，p＜.01）和注意力任务（F=5.258，p＜.05）中，男女生表现差异较大（见表4）。根据描述性统计分析发现：女生在处理问题解决任务时正确回答题目的数量明显优于男生（女：M=6.00，SD=1.63；男：M=4.37，SD=1.36），并且注意力比男生较集中（女：M=103.07，SD=16.27；男：M=116.62，SD=22.11），能用较短时间正确完成任务。

（二）教室内物理因素对不同性别学生处理不同任务的交互效应

教室内温度、声音和性别之间对于4种不同任务的交互性影响不同（见表4），其中声音和性别对于注意力任务有显著影响（F=6.902，p＜.05）；温度、声音和性别存在对问题解决任务的显著性影响（F=5.063，p＜.05）。接下来将分别对这两种交互作用进行简单效应分析来验证某一因素下其他因素各水平间变化差异。

表4 温度、声音、性别交互作用对不同任务影响

对温度和性别的简单效应分析发现见下页表5（a），以声音为自变量，男女生在60dB的条件下对注意力任务的效果有极其显著差异（p＜.01），具体为女生的注意力明显优于男生，而女生在不同的声音环境下对注意力影响有显著差异（p＜.05），在60dB下注意力最集中，如图3（a）所示。对温度、声音和性别的简单效应分析发现见下页表5（b），在温度和声音为20℃和60dB（p＜.01）以及28℃和40dB（p＜.05）的环境下，男女生的问题解决效果有显著差异，女生总体表现要比男生好，而对于女生来说，在40dB的安静条件下，温度的高低有显著差异（p＜.05），在28℃能够取得最好效果，如图3（b）所示。而性别与其他物理因素的交互作用并没有对知觉和记忆任务造成影响。

图3 交互作用的简单效应图

表5 交互作用的简单效应分析

五、结论与展望

（一）结论与讨论

1. 温度对不同认知任务有主效应

总体上看，教室内物理因素温度对四类认知任务存在主效应，尤其对注意力任务产生显著影响。注意力任务的心理过程是指，对有意识的思维进行信息选择和一定对象的指向与集中（罗伯特·L·索尔索，1990）。研究发现，在20℃的低温环境下，学生正确完成注意力任务的时间较短，表明注意力水平较高，如图2所示，相反在高温的室内中并不利用学习者注意力集中。最早Wyon（1970）在总结的一系列有关热对学校成绩影响的研究中发现，可接受且较低温度如20℃，相比较温暖的环境更容易促使学生发挥最佳能力，这并不违背后人对室内环境因子可接受范围的发现：温度范围在20.9℃～30.4℃（Huang et al., 2012）。从人的生理机制来看，当人感到温暖时，心率、呼吸和动脉二氧化碳分压显著增加、动脉血氧饱和度下降，导致病态建筑综合症（SBS）症状的强度增加，对环境的满意度产生负面影响（Lan, Wargocki, Wyon, ＆ Lian, 2011）。并且多人研究也发现，在较低温度下虽然体感不适但却能完成较多任务（Pepler ＆ Warner, 1968），疲劳和头痛感会明显降低（Fang, Wyon, Clausen, ＆ Franger,2004），较适合完成注意力任务（Xiong et al.,2018）。

因此，根据国内关于教室内温度范围的规定：夏季空调设定22℃～28℃、冬季采暖设定16℃～24℃（中华人民共和国生态环境部，2003），结合国外学者的发现和本研究的发现，在20℃的低温环境下更有利于学生注意力和记忆力的提高，达到最佳学习效能。本文提出未来教学和学生学习环境的建议：在可控制温度的教室或个人学习环境中，适当降低温度可以提升学生的注意力，可控制的最佳范围在20℃～24℃。

2. 性别对不同认知任务有主效应

性别对于四类认知任务同样存在主效应，尤其对问题解决任务和注意力任务产生显著影响。根据描述性统计结果发现，女生在问题解决和注意力任务上明显比男生要好，这也验证了早期的发现（Hygge ＆ Knez, 2001）。面向记忆任务是人脑对事物识记再现的过程，是一切高级心理活动的基础，本研究结果发现男生在记忆力任务上表现更好，而面向知觉任务是指，人在真实情景下强调在头脑中进行加工，并结合手眼配合对外界任务做出反应。与问题解决任务和注意力任务不同，它更强调在视觉感知做出反应的能力，本研究发现女生的表现比男生要好。而对于知觉任务，依据生理学理论和认知心理学理论，高达80%的外界接收到的信息是通过视觉通路处理（Haupt ＆ Huber, 2008），光环境的强弱会对感知任务处理产生一定影响（Xiong et al., 2018）。

3. 温度、声音和性别的交互作用对问题解决和注意力有显著影响

性别无论在课堂教学的哪一个环节设计上都是一个不可或缺的变量（McArthur, 2015），与学习空间的匹配也不例外。同温度因素一样，室内声音的高低同样具有令人满意与否的“一票否决权”（Huang et al., 2012）。在本研究中发现，声音与性别的交互作用在注意力任务上有显著影响，具体表现为在60dB的声环境下对女生的注意力影响不大，而较容易影响男生的反映，这与性别对注意力任务具有主效应影响的解释一致，并且对于女生而言，在一定背景噪音环境下注意力水平更强，如图3（a）所示。先前的研究认为室内环境噪音水平在低于49.6 dB时，是人们可接受的（Huang et al., 2012）；从生理学角度，噪音在一定程度上会激活大脑唤醒（Hygge, 1991），而在对声音感知的研究中也发现，若50～66dB之间存在的连续噪声，只要在适当范围内就不会显著减少人的舒适感（Pellerin ＆ Candas, 2003）。因此，本研究认为在教室环境中整体满意度是各个环境因素综合作用的结果（Nagano ＆ Horikoshi, 2005; Krüger ＆Zannin, 2004），温度和声音之间存在一种拮抗作用（Antagonism）（Hygge, 1991），为了满足温度适宜，空调和通风系统会增加一定程度的热需求噪音。

其次还发现，当环境中的温度与声音相互影响时，男女生在问题解决任务上有不同效果。问题解决任务是一种对于脑力劳动要求较高的认知类任务，在平时的学习工作中大都与问题解决相关。进一步观察温度、声音与性别的相互作用发现，在低温且嘈杂或者高温且安静的环境下女生的表现都比男生好，并且在极端的环境下二者呈现极其显著的差异，说明相比男生而言女生的稳定性较强，对男生更需要重视环境安排，而在安静的环境下对女生而言，28℃的温度环境问题解决成绩表现最好，如图3（b）所示。可能的原因是女性的生理条件对于温度的需求较高，所以对于热舒适性对应的环境温度水平平均要高得多，这与Pellerin和Candas（2003）在研究温度和噪音对人体综合影响时，得出的女性比男性更容易对温度敏感的发现相呼应。然而，从认知任务之间相互影响的角度发现：低温下注意力集中但问题解决效果不高，这是因为问题解决效果的高低是由多方面因素影响的，注意力对于问题解决任务具有相关关系但不具有因果关系，起到正相关作用但是影响程度为弱相关。

因此，在可接受的声音范围下，中等水平的背景噪音会导致人的抽象认知从而提高创造力（Mehta, Zhu, ＆ Cheema, 2012），所以适当的噪音不会产生太大的影响。而男女生在处理对脑力活动要求较高的任务时，尤其是女生要在温暖的环境下工作，男生则对环境的要求相对较严格，总之每个人都要找到最适合自己的学习环境以达到各自的最优状态。

（二）研究不足与展望

在以往的研究中，有较多研究探寻最舒适的学习或工作环境和可接受的环境中物理因素范围等。例如：有研究发现，温度和声音的满意度对整个室内环境的满意度具有“一票否决权”，换句话说一旦温度和声音超出了人的可接受范围，整个室内环境就为不可接受的且易影响工作和学习。但是，可接受的让学生体感舒适的环境条件并不等同于适合学习的、学习效率最高的条件，过于舒适安逸的环境可能会导致学习效率降低。正如本文发现的，较低温度更有利于提升学生注意力，这无疑冲击了人们原有认知，对于此方面的研究同样需要更多的研究来证明。

此外，学生的个体差异性是探寻最佳教学和学习方式的重要因素，每个人都有各自的学习风格，这也同样是在学习环境设计时应该考虑的，这呼应了调整的认知负荷模型中阐述的环境、任务和学习者三者相互作用的关系。因此学生的学习风格和物理因素如何交叉影响学习效果也是未来研究的重点。同时，在未来的研究中还可以增加光照这一因素，教室内适宜的环境是不同因素组合的结果，光照作为室内环境物理基础之一，也是其中至关重要的一方面。国内有较多针对多媒体教室如何使用灯光来平衡投影效果和光需求方面的研究（白佳喜，丁文捷，2017），而光照与其他因素会产生怎样的交互效果同样值得探讨。