教室照明品质不仅影响学生用眼健康，还对学生的视觉功效、心理感受和生理变化等生物性反应产生影响。学生在教室的教与学活动除了书本读写，更主要的视觉活动是看黑板(同时听老师讲课)。“看黑板”的视知觉活动涉及人眼瞳孔大小和大脑皮层功能2个方面的变化。一般室内照明条件下，瞳孔变化越小，视觉疲劳度越小；可见度越好，识别时间越短^[1]。可见度是人眼辨认物体存在或形状的难易程度^[2]，受亮度、物体相对尺寸、亮度对比、识别时间及眩光等因素影响，而可见度好坏又影响学习效率。

基于光生物效应的照明研究是21世纪3个照明发展趋势之一^[3]。已有研究表明，光生物效应与光源辐射光谱中蓝绿色光成份含量有关^[4]。在富含蓝绿色光的光源照明下，人眼瞳孔收缩多，视看清晰，视觉功效好^[5]。练苹等研究了瞳孔对光反射的特征^[6]。杨公侠等研究发现瞳孔大小随被试眼睛上的照明水平和光谱分布不同而变化^[7-8]。Berman教授等研究指出瞳孔大小变化与Cirtopic(光生物效应)下的照度相关性最高^[9]，并认为在富含蓝光的高色温光源照明下，实际亮度感觉增加^[10]。Dacey等也研究发现，光生物效应能影响人对中、低照明水平时的亮度感知^[11]。此外，石路对照度和色温2个重要的照明参数进行了综述^[12]。

影响教室学生视觉健康和学习效率的因素比较复杂，既有背景亮度、亮度对比、照明光源位置、照明光源的光色等教室光环境和学生生理条件状况等客观因素；也有学生心理状态等主观因素。目前，现有《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)^[13]仅对视觉效果有规定，而从未考虑光生物效应的作用；且规范^[13]中教室照明标准只是明视觉条件下的照度值和显色指数平均值，并没考虑光生物效应的影响和视觉生理、心理对教室照明的要求。笔者拟统筹视觉效应和生物学效应两方面的作用研究教室照明，通过分析不同光源光色和亮(照)度的照明环境下识别目标物时的人眼瞳孔大小变化规律，从而得到利于学生视觉功效、生理反应，提高学习效率的教室照明量化指标。本研究可为完善我国教室照明在光生物效应下，新的教室照明设计标准提供理论依据和技术参考。

1 教室照明瞳孔大小变化实验

“教室照明瞳孔大小变化实验”旨在通过模拟教室照明条件的测量系统，整合眼动仪和识别时间实验装置，设定光源光色、背景照度(亮度)、视标大小和颜色组合4方面的参数条件(表 1)，定量分析不同光源光色和照度(亮度)水平下人眼瞳孔大小的变化规律。

综合国内外教室照明对照度的相关规定，根据照度标准分级，实验确定了从100~1 000 lx的5个照度参数。教室常用光源为荧光灯，实验选择了具有典型冷暖感受的3种不同色温荧光灯，分别是色温2 700 K的白炽灯色(暖色光，含红光成份较多)荧光灯、色温4 000 K的冷白色(中间色光，含黄﹑绿光成份较多)荧光灯、色温6 500 K的日光色(冷色光，含蓝光成份较多)荧光灯。

教室里学生看黑板的目标对象主要是黑板上的文字和图形，此目标对象具有形状、大小、颜色等多方面的差异。为此，实验设计了不同大小的多种视看目标对象(简称视标)，采用视觉实验常用的“郎道尔环”(C环)^[14]作为视标。综合视力标准及大学教室现状主观感受调查统计，设计实验用视标分别为视角1′、2′、4′和10′共4种；考虑大学教室教学除了有黑板板书，也采用白板教学的方式，视标大小和颜色组合共构成14种视标参数变化如图 1所示。

教室照明瞳孔变化及识别时间的实验研究受人体生理、心理状态等多种因素影响，为减少实验人为因素干扰，实验对象的选择必须严格满足标准被试的要求。参照一般生理心理小样本实验方法，对实验对象严格筛选后，选择具有正常视力和色觉的在校大学生，在光屏蔽的光学实验室，利用模拟教室人工照明环境的实验装置进行实验(如图 2)。

实验装置由教室照明环境模拟系统、识别时间测量系统、眼动仪瞳孔大小测量系统和系统分析软件电脑系统4部分组成。装置箱内表面模拟真实教室环境采用白色漫反射材料喷涂，光源照射下构成均匀可变的漫反射光环境。箱体正中间是观察窗口，测试时被试者的双眼贴近箱体直面，以保证视看距离与视线计算数据吻合，并完全处于模拟的教室照明环境中。通过测量记录在不同光色和照度值的照明条件下观测不同大小和颜色组合的视标时人眼瞳孔大小变化数据，统计分析瞳孔大小与光源光色、背景照度(亮度)之间的变化规律。

2 瞳孔变化与背景亮度及光源色温的关系

在3种色温(2 700 K、4 000 K、6 500 K)的教室用荧光灯和不同背景亮度下视看不同视标时，对所有被试者的瞳孔面积实测数据取平均值作为相应照明条件下的瞳孔大小数据，得到不同背景亮度时3种色温荧光灯下的瞳孔面积值(见表 2)，3种色温荧光灯下瞳孔大小随亮度变化的曲线如图 3所示。

图 3表明，在3种色温荧光灯的照明条件下，随着亮度水平的提高，瞳孔收缩加大。通过回归分析，得到3种色温荧光灯的瞳孔面积变化值与背景亮度的拟合结果呈负指数函数关系，满足如下基本关系式：

$ {A_{\rm{p}}} = a + b * {e^{\left( {-{L_{b/c}}} \right)}}。$

(1)

式中：A_p为瞳孔面积，mm²；L_b为背景亮度，cd/m²；a、b、c是与光源光谱分布、背景亮度、视标大小和视标对比有关的系数。

利用式(1)拟合3种色温荧光灯下瞳孔面积与背景亮度的关系，并计算其判定系数R²、标准偏差S来综合判断公式的拟合优度和可信度，拟合结果见表 3。

拟合结果显示，3种色温荧光灯照明条件下的实测数据都聚集在拟合曲线附近，且判定系数R²值均接近于1，标准偏差S均小于1，表明拟合结果与实测数据吻合度好^[14]，拟合公式能准确反映瞳孔变化与背景亮度之间的关系。可以看到，在3种色温荧光灯下，瞳孔变化与背景亮度都呈现出规律性的变化关系：

1) 相同背景亮度时，低色温(2 700 K)荧光灯下的瞳孔面积最大，中间色温(4 000 K)荧光灯下的瞳孔面积次之，高色温(6 500 K)荧光灯下的瞳孔面积最小；

2) 3种光色荧光灯的变化规律相似，随着背景亮度增大，瞳孔面积总体趋势缩小，并趋于稳定；

3) 对于3种光色的荧光灯，当背景亮度从29.34 cd/m²增大到220.08 cd/m²(相应照度100~750 lx)时，瞳孔面积变化幅度较大；当背景亮度从220.08 cd/m²增大到293.44 cd/m²(相应照度750~1 000 lx)时，瞳孔面积变化幅度较小。

3 用瞳孔大小变化规律研究教室照明条件

根据3种色温荧光灯下瞳孔变化与背景亮度的回归关系式(1)分别计算得到照明水平从100~1 500 lx，3种色温荧光灯下的瞳孔面积变化率如表 4所示。

如表 4所示，当背景亮度从88.03 cd/m²(即照度300 lx)提高到146.72 cd/m²(即照度500 lx)时，照度值提高了约67%，3种色温荧光灯下的瞳孔面积变化率最高，瞳孔面积都缩小了28%左右。但亮度达220.08 cd/m²(即照度750 lx)之后，随着亮度(照度)水平的提高，瞳孔面积变化率减小，即亮度增大对瞳孔收缩的影响大大减缓。因此，教室照明并非越亮越好，选择照度标准必须与教学要求的视觉工作相适应。照度太低，会损害学生视力，影响身心健康和学习效率；不合理的高照度则会造成电力浪费。

教室照明中瞳孔大小变化的实验结果表明，在色温越高的光源照明条件下，瞳孔收缩越大，视看越容易。根据回归关系式(1)，通过图解法(如图 4)，即可得到相同瞳孔面积下，色温6 500 K、4 000 K和2 700 K荧光灯下对应的背景亮度值X₁、X₂、X₃。

从图 4看到，瞳孔面积相等时对应的背景亮度值X₁＜X₂＜X₃。人眼瞳孔大小变化不仅反应人的生理舒适状况，也与视觉功效相关^[15]。这就是说，要达到相同视觉功效(即瞳孔面积相等)，色温6 500 K荧光灯需要产生的亮度最少，因而耗电量最少，节能效果最好，色温4 000 K荧光灯次之，色温2 700 K荧光灯耗电量最多。

4 结论

综合不同背景下瞳孔大小变化规律的分析可以认为，教室照明适宜采用中、高色温的荧光灯光源照明。具体结论如下：

1) 教室照明条件下，瞳孔面积随背景亮度(照度)的增大而减少，并在达到一定的亮度条件后逐渐趋于稳定。

2) 同一背景亮度时，色温6 500 K荧光灯下的瞳孔面积最小，4 000 K荧光灯的次之，2 700 K荧光灯的最大。

3) 瞳孔面积小，瞳孔收缩多，说明高色温荧光灯照明下视看清晰，可见度最好。但中、高色温光源的影响差异不大。