教室动态照明对高中生睡眠、警觉度及情绪的影响

王怡然，徐俊丽，刘明智子，李丽妹

(苏州大学建筑学院，江苏 苏州 215123)

引言

高中生群体中处于“亚健康”状态的人群数量不断上升，具体体现在睡眠不足、精神困倦及情绪低落等方面[1]。有研究指出，健康-亚健康-疾病三者之间可以相互转化[2]，对亚健康群体进行积极干预能够有效改善其健康状态。

高中生群体学业繁重，高度结构化的教育环境使其大部分日常活动均在室内开展。教室作为高中生学习与交往的主要空间载体，其室内物理环境与学生的健康、福祉紧密相关。其中，教室光环境对学生的生理及心理健康产生直接影响[3]。目前，国内教室光环境的相关研究多采用静态照明模式，适当的光照干预对视觉功效[4-6]、学习绩效[7，8]及情绪[9]等方面起到有效改善作用，但长期处于静态照明环境可能会产生负面影响[10]。动态照明相较于静态照明，对人体生理及心理健康的改善作用更为突出[11-15]。

动态照明指的是光照参数随时间而变化，在特定时段给予光照干预，用以支持使用者的行为及活动的照明模式[16]。在动态照明场景的设置中，光照参数、光照干预时段及干预时长等因素均会对动态照明的效果产生影响[17]。Lewy等[18]给予抑郁病患者两周清晨时段或傍晚时段的高光干预，结果发现，晨间光照干预对于情绪的改善作用明显优于晚间光照干预。近期的研究也表明[19，20]，在早晨给予光照干预可以提升被试者的睡眠质量，改善警觉性、情绪、视觉舒适度等主观感受，并对认知及表现产生积极作用。但既往研究对光照干预参数的设定不尽相同，评价指标也各有侧重，动态照明对亚健康学生群体生理和心理健康方面的影响仍需进一步探索。

为此，本研究针对高中生亚健康状态所带来的不利影响，在真实教室环境开展光照对比实验，以探索动态照明对学生的睡眠、警觉度及情绪等方面所产生的具体影响。

1 实验研究

1.1 实验地点及被试者

现场实验在苏州大学实验学校高二年级的两个教室内开展，实验教室位于高中部三楼且相邻，南北面开窗，南面为走廊(图1)。实验于2019年11月至2020年1月进行，冬季日照时间相对缺乏，以尽量减少自然光的影响。

图1 实验班级平面图Fig.1 Floor plan of the experimental classes

选取两班全体79名学生作为实验被试，其中高二(1)班39人，高二(2)班40人。包括男性42名，女性37名，年龄在15.96～19.42岁之间。实验地点为寄宿制学校，每个学习周由周日下午持续到次周的周六中午。被试学生日程作息由早晨6:30持续到晚间21:30，日间活动类型主要为晨读、课程、晚自习等。学生在校期间除用餐、就寝及走班课程外，其余大部分时间均处于本班教室中。所有被试者视力水平正常或经矫正后正常，无色盲色弱及其他眼部疾病史，且未摄入影响神经系统的药物。被试在实验开始前签署知情同意书。

实验开始前，对高中生进行光环境主观评价及生理、心理健康两方面的问卷调查。针对教室光环境方面，多数学生反馈教室内白天需开启人工照明，经统计，各教室开启人工照明时长平均为 13.25 h。此外，依据主观问卷结果显示，37%的同学面临白天精力难以集中的问题，77%的同学表示会有困倦、瞌睡的状态。

1.2 实验条件与流程

实验开始之前，对教室原有灯具进行替换，灯具位置如图2所示。实验灯具由西顿照明(CDN Light)提供，满足 4 000 K(实测色温为4 272 K)和6 000 K(实测色温为6 280 K)的实验照明条件，显色指数>90，峰值波长为456 nm，光谱分布如图3所示。实验灯具连接调光控制系统，可由手机APP进行照度、色温及干预时间的设定。教室灯具开关时间与学生的日程安排一致，每日6:30开启，晚间21:30关闭，由实验人员统一控制。

图2 灯具布置平面图Fig.2 Luminaire distribution

图3 相对光谱功率分布Fig.3 The relative spectral power distributions for the two intervention spectra

实验共持续7周，分为三个阶段。基线阶段持续3周，两班均处于300 lx，4 000 K的标准照明场景。经历1周洗脱期后进入持续3周的干预阶段，对两班实施动态照明(图4)。高二(1)班于6:30—18:30实行300 lx，4 000 K的标准照明，在18:30时，光照参数提升至500 lx，6 000 K，并持续至21:30学习日结束(称为Low-High模式)。高二(2)班于6:30—9:30实施500 lx，6 000 K的高光照明干预，在9:30时降为300 lx，4 000 K的标准照明，并持续至21:30(称为High-Low模式)。实验期间，被试按照正常课程安排及作息，并在每个实验阶段选取5天收集生理及心理指标评测数据。

图4 实验条件Fig.4 Experimental lighting condition

1.3 实验数据收集

1.3.1 物理环境参数测量

实验全程对教室环境参数进行监测(表1)，使用的主要仪器为路格照度记录仪(L99-LX)，可获得室内实时照度数据；并以路格智能温湿度记录仪(L92-2)同时获取温、湿度数据。实验过程中，每10s自动记录温湿度及照度数据。不同灯光场景的光谱、色温及表面亮度等参数由Photo Research 670光谱仪获取(PR670)。实验前校准所有仪器。

表1 实验测量仪器的量程和精度Table 1 Range and accuracy of experimental measuring instruments

1.3.2 生理和心理指标测量

被试生理和心理数据收集分为睡眠、警觉度及情绪三个部分。

睡眠数据方面，实验期间被试佩戴华为3 Pro睡眠手环(HUAWEI 3 Pro)，记录被试者的入睡时间、醒来时间、睡眠时长、深睡时长及夜醒次数。另采用主观睡眠问卷，包含睡眠日志(Sleep log)[21]及匹兹堡睡眠质量问卷(Pittsburgh Sleep Quality Index,PSQI)[22]加以辅证。睡眠日志于每个问卷收集日的早晨6:30填写，记录被试者昨夜的入睡时间、醒来时间及入睡难易程度；其中，“入睡难易程度”以七级李克特式量表计分，分数越高，代表入睡越容易。匹兹堡睡眠质量问卷在基线及干预阶段各填写一次，用以评价被试在过去三周的睡眠质量情况，分数越高代表睡眠质量越差。

警觉度采用卡罗林斯卡困倦量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)[23]，分别于问卷收集日的6:30、9:30、15:30、21:30各收集一次。警觉度与精神疲劳相互影响[24]，故以两者共同验证被试者的警觉状态。以“我感觉精力充沛”的李克特7点式的计分方式测量被试的精神疲劳[25]。分数越高代表精力越充沛，精神疲劳程度越低。

情绪评测使用积极和消极影响量表(Positive and Negative Affect Schedule,PANAS)[26]，量表分为积极和消极两部分，分数越高即认为被试情绪越积极或越消极。此外，在干预前后各进行一次压力感知量表(Perceived Stress Scale-10，PSS-10)[27],及主观活力量表(Subjective Vitality Scale，SVS)[28]的测评，用以评估被试的压力及活力变化。

2 实验结果与分析

IBM SPSS Statistics 21 software用于分析实验结果。根据被试在实验中的配合情况，剔除无效数据和干扰数据，在此基础上进行独立样本T检验，来比较被试者在不同实验阶段的生理和心理指标变化。

2.1 教室物理环境参数

在实验期间，对教室的物理环境参数进行全程监测。

教室的温度保持在15.11～17.48 ℃，湿度保持在49.25%～62.24%之间，以减小温湿度对被试者生理状态的影响。照度方面，在干预阶段，Low-High模式在18:30—21:30期间的照度显著提高(P<0.001)，由315.80±11.17 lx提升至503.13±11.63 lx；High-Low模式在6:30—9:30之间的照度也产生显著变化(P<0.001)，由393.60±79.23 lx提高为576.85±81.25 lx(图5)。其他时段的照度在干预前后无显著性差异。由此可以证明，干预期间的照度水平达到预设。

图5 照度分析结果(***P<0.001)Fig.5 Illumination analysis results

2.2 睡眠

将手环获取的客观睡眠数据与睡眠日志的主观反馈进行对照，剔除异常数据后进行分析。数据统计结果如表2所示。

表2 客观睡眠指标分析结果Table 2 Results of the analysis of objective sleep measures

由睡眠手环记录客观睡眠情况，分析结果表明：两种动态照明模式干预下，被试者的醒来时间均得到了不同程度的显著推迟(P=0.042，P=0.028)；其中，经过Low-High模式干预后，被试者的醒来时间推迟幅度更大[图6(a)]。深睡时长方面，对于Low-High模式而言，被试者的深睡时长由干预前的127.45±32.38 min延长为130.02±36.71 min；High-Low模式干预后，由136.09±31.61 min延长至144.75±37.64 min。在灯光干预后，两模式被试者的深睡时长出现边缘显著差异(P=0.051)，相较于Low-High模式，High-Low模式干预后，被试者的深睡时长显著更长[图6(b)]。其他客观睡眠指标未发现显著性差异。值得注意的是，被试者的夜醒次数在两种动态照明模式干预后都呈现减少的趋势，Low-High模式干预后，被试者的夜醒次数由干预前的0.36±0.57减少至0.30±0.60；High-Low模式被试者的夜醒次数则表现出更大幅度的减少趋势，由0.25±0.51减少至0.16±0.42。

图6 客观睡眠指标分析结果(a*P<0.05；b* P=0.051)Fig.6 Results of the analysis of objective sleep measures

主观睡眠数据由睡眠日志获取(表3)，在问卷收集日的早晨6:30记录被试的入睡难易程度。分析结果发现，Low-High模式干预后，被试者的入睡愈加困难；而High-Low模式干预后，被试者入睡更为容易。三周动态照明干预后，相较Low-High模式，High-Low模式被试者的入睡难易程度分数显著更高，即代表入睡更为容易(P=0.020)[图7(a)]。

表3 主观睡眠指标分析结果Table 3 Results of the analysis of subjective sleep measures

干预前后对两组被试进行PSQI问卷评测，分数越高代表睡眠质量越差。虽无显著性差异，但从干预前后均值变化可以看出，两种动态照明模式对被试者的睡眠质量产生不同影响。Low-High模式干预后，被试者的睡眠质量下降；而High-Low模式干预后，被试者的睡眠质量上升[图7(b)]。此外，PSQI按分数划分为不同区间，0～5 分即说明睡眠质量“很好”，超过5分则代表有睡眠障碍。基线阶段，Low-High模式有48.65%的被试者表示睡眠质量 “很好”；而在干预后，此区间的被试数量降幅较大，降为35.29%[图8(a)]。High-Low模式被试者在干预前后的睡眠质量较为稳定，并未发生明显变化[图8(b)]。

图8 PSQI区间分析结果Fig.8 PSQI interval analysis results

已有研究表明，晚间高光可能会带来睡眠时长缩短、入睡时间延迟及睡眠质量下降等负面影响[29，30]。而晨间高光则会对睡眠潜伏期的缩短及昼夜节律的提前等方面产生积极作用[31]。本实验取得的结果与其类似，相较于Low-High模式，High-Low动态照明模式对被试者的睡眠产生积极影响，具体表现在深睡时长和入睡情况的显著改善。但本实验中，两种模式干预后，醒来时间均被推迟。这和前人的研究结果不完全一致。造成此差异的原因可能是，被试者在实验末期面临着期末考试的压力。Figueiro在其研究中曾指出，在不强制执行固定作息的情况下，照明干预对被试的昼夜节律及睡眠只能起到一定程度的影响作用[32]。

此外，在干预前后的组内对比中，深睡时长及入睡难易程度未产生显著变化；但在干预后的组间对比中，发现了显著差异。这一结果的原因可能是，一方面，实验的干预时长及强度未达到发生显著性变化的阈值。本实验为保证被试者的正常学习和生活，采用了300 lx,4 000 K和500 lx,6 000 K的光照参数。在前人的研究中，多选择高达17 000 K的高色温光源,以及大于1 000 lx的高照度参数设定。另一方面，我们在两班被试者中，各选取了10名被试者佩戴手环，客观数据样本量不足可能使得结果缺乏显著性。

2.3 警觉度

两种动态照明模式干预下，被试者警觉度的综合分数均呈现下降趋势，即警觉度得到明显提升。Low-High灯光模式干预后，被试者综合平均警觉度分数由4.31±1.94降为3.59±1.76(P<0.001)；High-Low模式干预后，由4.69±1.56降为4.11±1.71(P<0.001)。

对比两种模式各自高光时段的即时警觉度变化可知(图9)，Low-High模式干预下，被试者21:30的即时警觉度得到明显改善(P=0.010)；High-Low模式下，被试者在9:30的即时警觉度同样呈现改善趋势(P<0.001)。由此可见，两种模式的动态照明干预，均可提升被试者的即时警觉度，这与前人研究结果一致[33]。

从日间警觉度变化趋势可以看出，对于Low-High模式而言，日间警觉度分数呈现上升趋势，即说明被试者在一天内的警觉度逐渐降低，并于21：30达到一天中的最低值。但相比于基线，全天的警觉度均得到显著性提升[图9(a)]。前人研究表明，夜间高光可能对日间警觉度产生一定程度的负面影响[34，35]。我们推测，本实验结果受期末压力影响。对于High-Low模式而言，被试者在6:30—9:30警觉度逐渐提高，并于9:30达到峰值，随后呈现下降趋势。与基线相比，被试者在15:30及21:30的警觉度也得到显著提升[图9(b)]。与Mirjam等的研究结果类似，早晨高光的警觉效应会持续到晚间，即被试者在晚间的警觉度也会得到明显提升[36]。

图9 日间警觉度曲线分析结果(**P<0.01,*** P<0.001)Fig.9 Results of daytime alertness curve analysis

为进一步探究即时警觉度的变化，分别将干预后每一周的即时警觉度与基线进行对比(图10)。结果发现，在干预后第一周，两种动态照明模式就已显著提升被试者的即时警觉度。对于High-Low模式而言，被试者在干预后的第二周(P=0.003)及第三周(P=0.008)，即时警觉度均得到显著提升[图10(b)]，进一步证明了High-Low模式的动态照明模式对警觉度的即时提升作用。

图10 基线及干预后每一周的即时警觉度变化分析结果(**P<0.01)Fig.10 Results of analysis of change in acute alertness at baseline and each week after intervention

精神疲劳的分析数据表明(图11)，Low-High模式被试者在干预前后，21：30时的精力并未发现显著变化；而被试者在High-Low模式干预后，9:30时的精力得到显著提升(P<0.001)。可以看出，High-Low模式的动态照明对被试的精力提升有着积极的作用。

图11 精力充沛分析结果(*** P<0.001)Fig.11 Energetic analysis results

警觉度与疲劳有相似的变化趋势，警觉度得到提升的同时，疲劳也会得到改善[37]。本实验结果印证了此观点。High-Low模式干预后，被试者的警觉度得到明显改善，精力充沛变化亦然。即High-Low模式的动态照明干预对学生的警觉度及精力均起到积极改善作用。

2.4 情绪

在每个问卷收集日的下午15:30收集一次PANAS情绪问卷。由均值可以看出，Low-High模式的被试，在干预后消极情绪加剧，而High-Low模式干预下，被试者的消极情绪得到改善。干预后的组间对比表明，相较于High-Low模式，Low-High模式的动态照明对被试者的消极情绪产生了一定程度的负面影响(P=0.052)[图12(a)]。

既往研究证明，动态照明可以缓解紧张和压力状态[38]；其中，晨间高光的动态照明模式能有效缓解焦虑及抑郁情绪，并有效减少心理压力[39]。由本实验结果可知，与Low-High动态照明模式相比，High-Low模式的动态照明模式对消极情绪的改善显示出一定的有利性。

此外，对被试者的压力情况进行监测，PSS-10的结果表明：干预后，Low-High模式被试者的压力上升，High-Low模式被试者的压力评分下降，虽未达到显著状态，但从均值可以看出，High-Low模式的动态照明对被试者的压力改善产生更有利的趋势[图12(b)]。两种动态照明模式对被试者的积极情绪(PANAS)及活力(SVS)并未产生显著性影响。

图12 情绪分析结果(*P=0.052)Fig.12 Mood analysis results

3 结果

本研究以真实教室环境为研究场地，针对高二两个班级的学生分别采取High-Low和Low-High的动态照明干预，对比生理及心理指标数据。结果表明：1)睡眠方面：High-Low模式相较于Low-High模式，被试者的深睡时间及入睡难易程度均明显改善；2)警觉度方面：两种模式的动态照明均提升了被试者的即时警觉度。此外，High-Low模式的动态照明对被试的精力状态也有积极影响；3)情绪方面：相比之下，High-Low模式干预后，被试者的消极情绪显著更低。在未来的研究中，将增大样本数量，增加光环境参数阈值，进一步开展相关研究，为教室动态照明的发展提供参考。