蔣 婧,聶皓清,楊子毅

(西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

教室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響學生的認知表現(xiàn),不同環(huán)境因素對學生舒適度和學習效率的影響存在差異[1]。學生的特殊性在于每天有將近三分之一的時間在教室里度過,特別是在疫情暴發(fā)后學校對學生的外出限制較多,使學生在校園內(nèi)的時間越來越長。教室作為重要的學習空間,室內(nèi)物理環(huán)境對學生的學習成績產(chǎn)生重要的影響。

室內(nèi)環(huán)境由熱濕環(huán)境、室內(nèi)空氣品質(zhì)、聲環(huán)境和光環(huán)境等組成。對于熱濕環(huán)境,文獻[2]認為溫度過高引起的不舒適(簡稱熱不舒適)會分散人的注意力,溫暖會降低喚醒水平,加劇病態(tài)建筑綜合征,并對腦力勞動產(chǎn)生負面影響;對于室內(nèi)空氣品質(zhì),在非工業(yè)環(huán)境中規(guī)定室內(nèi)CO2質(zhì)量濃度應低于1 000 mg/m3。但這一標準值的制定并沒有考慮CO2質(zhì)量濃度對人群的健康癥狀及工作效率的影響[3-4];對于聲環(huán)境,文獻[5]調(diào)查了受試學生在圖書館內(nèi)有無噪音的協(xié)作效率,顯示噪音環(huán)境將顯著降低效率。相反,JUAN等通過控制實驗,認為適當?shù)脑胍魧W習效率有好處[6];對于光環(huán)境,嚴永紅等研究表明大腦興奮程度隨燈光照度值的增加呈正相關,而對學習效率則呈負相關[7]。

以上研究雖然對室內(nèi)環(huán)境和學生表現(xiàn)進行了分析,但大多數(shù)是通過控制變量的方法在理論層面上探討某個方面或單個參數(shù)的因果關系,忽略了實際工作條件下各種環(huán)境參數(shù)的綜合影響[8-10];其次,現(xiàn)有文獻大多集中于工業(yè)生產(chǎn)、辦公建筑中工作效率的研究[11-13],針對學生在高校建筑中學習效率的相關研究較少。影響室內(nèi)環(huán)境的因素眾多[14-16],結合已有研究和過渡季的實際情況發(fā)現(xiàn)風速、相對濕度和輻射溫度在較小的范圍波動。因此,本文選擇從溫度、CO2質(zhì)量濃度、聲音強度和光照強度等4個環(huán)境參數(shù)分析其對學生學習效率的影響。

1 研究方法

1.1 測試儀器

EZY-1S型CO2分析儀測量CO2質(zhì)量濃度(量程0～5 000 mg/m3;精度±75 mg/m3);TR72ui型溫濕度計測量溫度(量程-20～60 ℃,精度±0.2 ℃);JH-149型照度計測量室內(nèi)光照強度(量程0.1～100 000 lx,精度±4%);JH-921型噪聲計測量室內(nèi)噪聲強度(量程30～130 dB,精度±1 dB)。

1.2 現(xiàn)場測試條件

現(xiàn)場測試于2023年3—5月進行,處于西安市的過渡季時段,選取在西安市某高校典型教室內(nèi)進行。測試期間全程對空氣溫濕度、光照強度、聲音強度及CO2質(zhì)量濃度進行監(jiān)測。室內(nèi)溫度采用五點法平均布置在教室內(nèi),其余測點均居中布置,室內(nèi)測點高度均為1.1 m[17]。教室測點布局如圖1所示。

圖 1 教室測點布局Fig.1 Layout of classroom measurement point

1.3 測試對象及測試流程

對248名高校學生進行現(xiàn)場測試,共收集有效主觀問卷及學習效率問卷各1 200份,其中男生126名(占50.9%),女生122名(占49.1%),年齡在22～28歲之間,平均年齡為(24.3±2.1)歲。測試工作每日開展4組,上下午各2組,每組測試20人,在上課的教室進行,具體時間為上午9：30—11：30和下午2：00—4：00的課間。受試學生在45 min上課狀態(tài)下均已適應了教室內(nèi)環(huán)境,故在平靜5 min后即可進行對當前環(huán)境的主觀評價(約5 min);隨后在測試人員的指導下完成學習效率測試,(約20 min);最后,受試學生完成學習效率自我評價問卷(約5 min);完成所有項目后即可離開,測試全程對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。

1.4 主觀調(diào)查

主觀測試主要包括個人基本信息、主觀評價和學習效率自我評價3部分。

個人基本信息包括受試學生的性別、年齡、身高、體質(zhì)量等;主觀評價包括對室內(nèi)熱環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境和空氣品質(zhì)的滿意度投票和舒適度投票,滿意度采用5級標尺,即1(很不滿意)、2(不滿意)、3(可接受)、4(滿意)、5(很滿意);舒適度采用5級標尺,即1(舒適)、2(稍不舒適)、3(不舒適)、4(很不舒適)、5(不可忍受);熱感覺投票采用7級標尺,即-3(很冷不舒適)、-2(冷不舒適)、-1(冷舒適)、0(中等)、1(舒適)、2(熱舒適)、3(熱不舒適)。

1.5 學習效率測試

選擇以專注能力、感知能力、理解記憶和邏輯推理為關鍵因子的學習能力評價模型[18]。測試答卷包含四大類共12項測試項目[19],用以評價受試學生的學習效率。測試時間設定為20 min,選取字色干擾,字母檢索,圖形疊加表征感知能力;選取數(shù)字篩選,立體視覺,數(shù)字計算表征專注能力;選取舒爾特方格,符號譯碼,無意義數(shù)字再認表征理解記憶; 選取立體圖形展開,邏輯事件推理,文字理解表征邏輯推理。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.0軟件對收集到的問卷測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與檢驗,通過描述性統(tǒng)計分析室內(nèi)物理因素對學習者滿意度和舒適度的影響程度。采用線性擬合和多項式擬合的數(shù)學方法,分析各物理因素與學習效率之間的關系,并通過Pearson相關系數(shù),探索室內(nèi)物理因素與學習效率(專注力、感知力、理解記憶和邏輯推理能力)的相關性[20]。

2 結果與討論

由于環(huán)境參數(shù)值均由現(xiàn)場實測得來,數(shù)據(jù)較多且參數(shù)值差距較小,因此在維持其余環(huán)境參數(shù)在標準值范圍內(nèi)的前提下,根據(jù)該參數(shù)的變化情況對其數(shù)據(jù)進行合并分組分析。溫度實測數(shù)據(jù)區(qū)間為18.5～25 ℃,選取0.5 ℃為標準差值分為14組(18.5、19.0、19.5、20.0、20.5、21.0、21.5、22.0、22.5、23.0、23.5、24.0、24.5、25.0 ℃);CO2質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)區(qū)間為500～3 000 mg/m3,取250 mg/m3為標準差值,分為11組(500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000、2 250、2 500、2 750、3 000 mg/m3);聲音強度區(qū)間為30～70 dB,取5 dB為標準差值,分為9組(30、35、40、45、50、55、60、65、70 dB);光照強度數(shù)據(jù)區(qū)間為160～360 lx,取20 lx為數(shù)據(jù)差值,分為11組(160、180、200、220、240、260、280、300、320、340、360 lx)。過渡季環(huán)境參數(shù)的標準值：溫度(20±0.5)℃、聲音強度(30±5)dB、光照強度(250±10)lx、CO2質(zhì)量濃度(600±10)mg/m3、風速(0+0.02)m/s、相對濕度(35±5)%。

2.1 主觀問卷調(diào)查結果分析

不同溫度下受試者的熱感覺投票如圖2(a)所示?？梢钥闯觯菏茉噷W生整體處于冷舒適和舒適的區(qū)間中,說明測試的整體溫度區(qū)間處于大多受試學生的舒適區(qū)間內(nèi)。其中18.5 ℃和19.0 ℃下的冷不舒適感覺較嚴重,但隨著溫度的上升冷不舒適的影響明顯減弱。冷舒適的受試者隨著溫度的上升人數(shù)明顯減少,23.0 ℃下僅占7%;從20.5 ℃開始出現(xiàn)熱舒適的評價,并隨著溫度的增加,受試學生所占百分比呈波動性增長;21.5 ℃開始出現(xiàn)熱不舒適的主觀評價,但投票百分比較小,可能與個人的溫度偏好有關。

不同空氣品質(zhì)下受試者的滿意度投票如圖2(b)所示?？梢钥闯觯旱陀?00和750 mg/m3,有2/3的受試者對室內(nèi)空氣質(zhì)量滿意;1 000 mg/m3開始,滿意度隨著空氣品質(zhì)的降低而減少,但可接受度仍保持在60%;2 500 mg/m3時對空氣品質(zhì)滿意的人數(shù)降為0,隨著CO2質(zhì)量濃度的提高,學生的不滿意比例顯著上升。不同聲音強度工況下受試者的舒適度投票如圖2(c)所示?？梢钥闯觯旱陀谑茉噷W生整體處于無煩躁和有點煩躁區(qū)間中,30 dB下大多數(shù)受試學生并無煩躁的感覺;35 dB開始出現(xiàn)煩躁的評價,并隨著聲音強度的提高明顯增多;40 dB開始出現(xiàn)很煩躁的評價但僅占1%,在65 dB處達到峰值20%;僅在60、70 dB下出現(xiàn)無法忍受的評價且所占百分比較小,說明實際環(huán)境下的聲音強度大多在學生可接受范圍內(nèi)。

不同光照強度下受試者的舒適度投票如圖2(d)所示。可以看出：受試學生整體處于舒適和中等區(qū)間中,不同光照強度下均有較舒適的評價,說明實際環(huán)境的光照情況良好。隨著光照強度的提高,受試學生的舒適投票明顯增多,在340 lx下占76%,說明明亮的環(huán)境下人員的舒適度明顯提高。中等評價在較昏暗時(低于200 lx)所占百分比較大,說明受試學生光照強度的適應性較高。在較昏暗和較明亮時均出現(xiàn)了不舒適的評價,240～280 lx是大多數(shù)受試學生的舒適區(qū)間,在160 lx和360 lx下出現(xiàn)很不舒適的評價,但投票人數(shù)少。

(a) 熱感覺投票

2.2 學習效率評價

由于測試項目不同,受試學生做題差異性較大,為了便于比較不同測試項目間學習效率的高低,對測試結果進行標準化處理[21],即

(1)

式中：Pi,j為第i個受試者在工況j時的學習效率指標經(jīng)標準化處理后的數(shù)值;Xi,j為第i個受試者在工況j時的指標;n為工況總數(shù)。

學習效率(P)通過對正確率和反應時間的加權得到,用于評價受試者學習效率的高低。對正確率和反應時間的倒數(shù)均賦予了0.5的權重,計算方法[22]為

P=[R0.5×(1/t)0.5]2

(2)

式中：R為正確率;t為反應時間(s)。

2.2.1 溫度對學習效率的影響

學習效率隨溫度的變化及擬合情況如圖4所示。圖中橙色點為中位數(shù)的值,橙色線為學習效率與溫度的擬合關系。

圖 3 學習效率隨溫度的變化和擬合情況Fig.3 Variation and fit of learning efficiencywith temperature

可以看出：學習效率隨溫度的增加呈二次曲線變化,符合多項式擬合的變化情況,且擬合程度較高(R2=0.830),溫度對學習效率有顯著影響(p<0.05)。在18.5～21.5 ℃偏涼區(qū)間內(nèi),學習效率增長較快,在21.5 ℃左右達到峰值;在21.5～25.0 ℃的偏暖區(qū)間內(nèi),學習效率隨著溫度的持續(xù)升高緩慢下落直至25.0 ℃達到最小值。說明在過渡季時,學生在偏涼環(huán)境中整體學習效率較高且保持度較好,24.0 ℃下學習效率出現(xiàn)了小幅度提高,這是由于溫度的適度上升提高了受試者的舒適度,但溫度的持續(xù)升高造成學生的熱不舒適,導致在24.5、25.0 ℃下學習效率的繼續(xù)下降。

2.2.2 CO2質(zhì)量濃度對學習效率的影響

學習效率隨CO2質(zhì)量濃度的變化及擬合情況如圖4所示。圖中橙色點即為中位數(shù)的值,橙色線為學習效率與CO2質(zhì)量濃度的擬合關系。可以看出：CO2質(zhì)量濃度對學習效率有顯著影響(p<0.05),學習效率隨CO2質(zhì)量濃度的增加呈線性減小的趨勢。當CO2質(zhì)量濃度在1 000 mg/m3以下時,學習效率的均值全部保持在1.1以上,當CO2質(zhì)量濃度約在450 mg/m3取得學習效率的最大值;當CO2質(zhì)量濃度在1 250～2 000 mg/m3時,學習效率均值保持在0.9以上但有小幅度波動;當CO2質(zhì)量濃度大于2 000 mg/m3時,學習效率持續(xù)性下降,當CO2質(zhì)量濃度在2 500 mg/m3時均值雖有上升,但此時取得學習效率的最低值,當CO2質(zhì)量濃度約在2 750 mg/m3時均值最小。在過渡季時,學生在1 000 mg/m3以下的環(huán)境內(nèi)學習效率較高且保持穩(wěn)定,但隨著CO2質(zhì)量濃度的持續(xù)上升,學習效率明顯下降。

圖 4 學習效率隨CO2質(zhì)量濃度的變化和擬合情況Fig.4 Variation and fit of learning efficiencywith CO2 concentration

2.2.3 聲音強度對學習效率的影響

學習效率隨聲音強度的變化及擬合情況如圖5所示,圖中橙色點為中位數(shù)的值,橙色線為學習效率與聲音強度的擬合關系?？梢钥闯觯郝曇魪姸葘W習效率有顯著影響(p<0.05),學習效率隨聲音強度的增加呈線性減小的趨勢。約在30 dB取得學習效率的最佳值,隨著聲音強度的提高學習效率持續(xù)性下降,約在60 dB學習效率出現(xiàn)小幅度上升。說明受試學生在安靜的環(huán)境之中整體表現(xiàn)較好,但60 dB水平的噪音對受試者的學習效率具有一定的喚醒作用。

圖 5 學習效率隨聲音強度的變化和擬合情況Fig.5 Variation and fit of learning efficiencywith sound level

2.2.4 光照強度對學習效率的影響

學習效率隨光照強度的變化及擬合情況如圖6所示。

圖 6 學習效率隨光照強度的變化和擬合情況Fig.6 Variation and fit of learning efficiencywith light intensity

圖中橙色線為學習效率與光照強度的擬合關系?？梢钥闯觯汗庹諒姸葘W習效率有顯著影響(p<0.05),學習效率隨光照強度的增加呈線性提高的趨勢。在200 lx以下的昏暗環(huán)境中,學習效率保持在0.9以下且有小幅度波動,在200～340 lx明亮環(huán)境中,學習效率持續(xù)穩(wěn)定上升,在360 lx出現(xiàn)明顯的下降。說明在昏暗環(huán)境中學生的學習效率普遍較低,學習效率受學生個人因素的影響較大,明亮環(huán)境中更適合學習,但超過340 lx的亮度會刺激眼睛使學生感到疲勞造成學習效率的降低。

2.3 環(huán)境參數(shù)與學習效率關鍵因子的關系

溫度與學習效率因子的關系如圖7所示。可以看出：專注力與溫度呈較強的正相關(R2=0.74),擬合曲線整體變化較平緩,學習效率受溫度影響的變化較小;感知力與溫度的相關性較強(R2=0.78),但學習效率的變化較大,在25.0 ℃左右取得了學習效率的最小值;邏輯推理能力與溫度相關性較弱,擬合效果一般(R2=0.63),學習效率受溫度影響變化較大;理解記憶能力隨溫度的變化呈線性減小的趨勢,與溫度的相關性較弱。專注力、感知力和邏輯推理能力在21.0～23.0 ℃取得了學習效率最大值,邏輯推理能力在18.5 ℃左右取得最大值。

圖 7 溫度與學習效率因子的關系Fig.7 Relationship between temperature and learning efficiency factors

環(huán)境參數(shù)與學習效率因子的相關性見表1。可以看出：CO2質(zhì)量濃度與4個關鍵因子相關性顯著(p<0.05),專注力(R2=0.646)和感知力(R2=0.852)與溫度的相關性較強,可見室內(nèi)CO2質(zhì)量濃度是影響室內(nèi)人員的神經(jīng)行為能力的重要因素[23-25]。聲音強度、專注力和感知力相關性均顯著(p<0.05),感知力相關性較強(R2=0.665)。光照強度與專注力(p<0.01,R2=0.548)和理解記憶能力(p<0.01,R2=0.824)均有顯著很強的相關性。

表 1 環(huán)境參數(shù)與學習效率因子的相關性

3 結 論

1) 對于過渡季室內(nèi)環(huán)境的主觀問卷,學生整體處于冷舒適的溫度區(qū)間內(nèi);學生對室內(nèi)空氣品質(zhì)的整體滿意度較高,從CO2質(zhì)量濃度低于1 000 mg/m3開始不滿意的比例大幅上升; 從35 dB開始出現(xiàn)煩躁的評價,學生對現(xiàn)實環(huán)境的聲音強度容忍度較高;實際環(huán)境的光照情況良好,隨著光照強度的提高,受試學生的舒適投票明顯增多。

2) 學習效率隨溫度的增加呈二次曲線變化,在21.5 ℃時達到學習效率的最大值;CO2質(zhì)量濃度1 000 mg/m3以下的環(huán)境學習效率的均值較高;學生更偏愛安靜的環(huán)境但60 dB水平的噪音對受試者的學習效率具有一定的喚醒作用;學生對昏暗環(huán)境接受度較高,但明亮的環(huán)境更適合學習,超過340 lx的亮度會刺激眼睛使學生感到疲勞造成學習效率的降低。

3) 環(huán)境參數(shù)專注力、感知力、理解力和邏輯推理等4個對學習效率因子的相關性存在一定差異,其中專注力與溫度、CO2質(zhì)量濃度、聲音強度和光照強度均有較強的相關性。