教室照明健康光環(huán)境發(fā)展方向的探討

　　廈門捷能通光電科技有限公司教育照明專家組

　　我國兒童青少年的視力健康問題一直牽動(dòng)著習(xí)近平總書記的心。2018年8月，習(xí)近平總書記批示要求：“全社會(huì)都要行動(dòng)起來，共同呵護(hù)好孩子的眼晴，讓他們擁有一個(gè)光明的未來”。2018年8月30日，教育部等八部門聯(lián)合印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，對改善學(xué)生視力環(huán)境明確提出兩點(diǎn)要求，一是“落實(shí)教室、宿舍、圖書館(閱覽室)等采光和照明要求，使用利于視力健康的照明設(shè)備”，二是“學(xué)校教室照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率100%”。

　　受國家政策鼓舞，社會(huì)各界特別是照明界都積極行動(dòng)起來，密集開會(huì)研討、申請專利、制定標(biāo)準(zhǔn)、提升質(zhì)量，投入到教室照明改造的熱潮中來，僅2020年就申請專利189件，起草專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9個(gè)，申請并獲得光環(huán)境認(rèn)證12項(xiàng)，獲得各種獎(jiǎng)項(xiàng)32個(gè)，均創(chuàng)歷史新高。教室健康照明在照明領(lǐng)域是發(fā)展速度最快、質(zhì)量提升最好、市場增長率最高的領(lǐng)域，在LED照明細(xì)分市場中樹起一面旗幟。2021年4月23—25日在廈門舉行的第79屆中國教育裝備展示會(huì)上，參展照明企業(yè)達(dá)46家，無不以“健康照明”為主題展示教室健康光環(huán)境成果，彰顯“健康照明”已深入人心，教室健康照明改造將迎來新的高潮。

　　我們廈門捷能通光電科技有限公司是專注于教育照明領(lǐng)域的產(chǎn)品制造商和綜合服務(wù)商，至今專注于教育照明領(lǐng)域八年。我們在第79屆中國教育裝備展示會(huì)期間接待了眾多專家、學(xué)者、校長、教師和企業(yè)家，和他們廣泛地交流研討了教室健康照明光環(huán)境的未來發(fā)展問題，受到很大啟發(fā)。現(xiàn)將其匯集整理出來與大家分享，不當(dāng)之處歡迎批評指正。

　　哲學(xué)思想和理論基礎(chǔ)

　　人類是經(jīng)歷數(shù)百萬年在自然環(huán)境下進(jìn)化成長起來的。2017年10月18日，習(xí)近平總書記在黨的十九大報(bào)告中指出：“人與自然是生命共同體，人類必須尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然”。2021年4月22日，習(xí)近平主席在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)上發(fā)表講話提出：“共同構(gòu)建人與自然生命共同體”“中華文明歷來崇尚天人合一、道法自然，追求人與自然和諧共生”。萬物生長靠太陽，地球上所有生物都必須遵從地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和陽光變化的節(jié)律控制生長。太陽是最好的光源，自然光是最理想的光、最健康的光、最安全的光。

　　自然光環(huán)境才是照明人的追求和努力方向，我們要為學(xué)校的教室、宿舍、圖書館、辦公室等打造益于健康的光環(huán)境。

　　教室人造光與自然采光如何相協(xié)調(diào)、相匹配

　　人在周期性變化的自然光照射下，形成了內(nèi)源性晝夜節(jié)律與周、月、季、年的周期性節(jié)律，被稱為內(nèi)源性節(jié)律。教室自然采光是變化的外源性光節(jié)律，是外源性節(jié)律的光照激活人體內(nèi)源性節(jié)律的基因，生成不同的內(nèi)分泌激素和神經(jīng)遞質(zhì)。激素和遞質(zhì)是調(diào)控人體各種生理、心理和代謝的主導(dǎo)物質(zhì)。激素有1000多種，大部分是人體合成的，激素在血液、體液中傳送到靶細(xì)胞和靶組織，傳遞信息與受體發(fā)生生化反應(yīng)，調(diào)控人體健康運(yùn)行。神經(jīng)遞質(zhì)有100多種，是連接神經(jīng)通路的主要化學(xué)物質(zhì)，有興奮性神經(jīng)遞質(zhì)如多巴胺、谷氨酸、乙酰膽堿、皮質(zhì)醇、腎上腺素、去甲腎上腺素等，有抑制性神經(jīng)遞質(zhì)如甘氨酸、γ-氨基丁酸等。5-羥色胺和褪黑素是覺醒-睡眠激素，又是神經(jīng)遞質(zhì)，這些神經(jīng)遞質(zhì)在不同時(shí)辰的自然光下合成，進(jìn)而激活相應(yīng)的神經(jīng)系統(tǒng)，調(diào)控全身心的健康運(yùn)行。因此，教室盡量采用自然光，不僅是節(jié)能和相關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)的要求，更是健康的需要。教室自然采光應(yīng)滿足GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，教室窗面積與教室面積之比不應(yīng)低于1∶5;教室的采光系數(shù)不應(yīng)低于采光等級Ⅲ級，即教室側(cè)面自然采光照度不低于450lux。白天人造光源是自然采光的補(bǔ)充，其光品質(zhì)與照度應(yīng)盡量與自然光相協(xié)調(diào)、相匹配，一是采用可調(diào)控的智能光照系統(tǒng)，與自然光同步變化;二是仿自然光的光譜能量分布或光色品質(zhì)分布;三是根據(jù)教室不同位置自然光環(huán)境的變化，調(diào)控人造光盡量達(dá)到均勻的光照環(huán)境。

　　是照度還是空間明亮度

　　傳統(tǒng)照明指標(biāo)“照度”和“照度均勻度”是指桌面(工作面)上的水平照度與均勻度，即伏案看書、寫作或手工勞作對照明技術(shù)參數(shù)的要求。而學(xué)校教室中的學(xué)生大部分時(shí)間不是眼睛向下注視桌面，而是向前平視或向上注視老師和黑板，眼睛接收到周圍墻壁、桌面、天花板、地面和前面全空間反射的光，即空間的明亮程度，不是照度，更不是桌面照度，因此照度與照度均勻度指標(biāo)不符合學(xué)生對教室光環(huán)境的實(shí)際需要，應(yīng)該更新為空間明亮度指標(biāo)，這才是確切的光環(huán)境指標(biāo)。

　　日本松下電器公司和有關(guān)高校的人員于2004年提出了“FEU”——空間明亮感的評價(jià)方法。FEU來自法語，是火焰的意思。FEU是對從天花板、墻壁、桌面、地面發(fā)射到人眼視覺范圍的光線進(jìn)行綜合計(jì)算得出的評價(jià)指標(biāo)，數(shù)值在4—50之間。根據(jù)計(jì)算和實(shí)際場景測量，教室照明的空間明亮度FEU的數(shù)值在10—16之間最適合，其配光加強(qiáng)了天花板和墻壁的反射照明，使整個(gè)空間有明亮感，光線柔和，這樣既降低了對桌面水平照度的要求，還可以節(jié)能10%—20%。

　　2010年，卡特勒(Cuttle)也提出了各種間接光對眼部照度影響的計(jì)算方法，與FEU的概念相似，也用空間明亮度指標(biāo)。復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院戴奇研究員對此進(jìn)行了深入研究，對卡特勒的計(jì)算方法和測量方法進(jìn)行了修正和改進(jìn)，值得重視和推廣。

　　復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授林燕丹課題組在探索教室空間光分布對學(xué)生績效和視覺感受的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)置不同色溫、照度的直接照明與間接照明組合的教室光環(huán)境，可以影響學(xué)生視覺任務(wù)績效和視覺舒適度，使整體光環(huán)境充滿生氣和活力，深受學(xué)生歡迎。

　　研究教室光環(huán)境還要研究照明與顯示混合光對學(xué)生健康的影響。引入顯示教學(xué)工具，從教學(xué)信息化的角度來看是一大進(jìn)步，可以呈現(xiàn)文字、圖像及視頻等更加生動(dòng)的信息。教學(xué)顯示系統(tǒng)分為電視視頻顯示系統(tǒng)、LED視頻顯示系統(tǒng)和投影視頻顯示系統(tǒng)等，其中電視和LED視頻顯示器基本上都用高色溫直射光。我們平常習(xí)慣的都是反射光，直射光的亮度與反射光的亮度對人體健康的作用是不同的。顯示器直射光和教室照明混合的光環(huán)境對兒童青少年健康影響的研究尚屬空白，有待深入研究與探討。

　　顯色性和顯色指數(shù)(CRI)

　　“光沒有顏色。”這是偉大的物理學(xué)家牛頓在1704年率先提出的正確想法。與不同光相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色知覺。顏色是“人與自然是生命共同體”的衍生物，是自然光作用于大腦色素細(xì)胞的神經(jīng)系統(tǒng)形成的主觀感覺。生理顏色是景物與圖像的意識(shí)過程，心理顏色是審美的藝術(shù)過程。為認(rèn)識(shí)和表述顏色的特性和規(guī)律，人們從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中科學(xué)地創(chuàng)立了光度學(xué)、色度學(xué)、色彩學(xué)等學(xué)科。人們把光源照射物體時(shí)能否充分顯示被照物顏色的能力稱為光源的顯色性。1965年，國際照明委員會(huì)(CIE)推薦用一般顯色指數(shù)Ra表述光源的顯色性，即CRI，既簡單又實(shí)用。LED是色彩豐富的不連續(xù)光譜的冷光源，紅綠藍(lán)(RGB)三基色組成的白光視覺效果很好，而顯色指數(shù)很低，CRI值小于30，原因在于由于歷史條件的局限性，當(dāng)時(shí)選用連續(xù)光譜的黑體輻射或白光作為參考光源，而標(biāo)準(zhǔn)色樣只有中等明度和中等色飽和度的八種，其計(jì)算與測試太過于簡化，不能表示光源的顯色性。因此，2007年CIE發(fā)表177號技術(shù)文件指出：“CIE的CRI不適用于表示LED白光光源的顯色范圍，CRI指數(shù)值與人的視覺效果之間沒有內(nèi)在聯(lián)系”。CIE曾計(jì)劃用十年時(shí)間研究出代替CRI的方法，有眾多科學(xué)家提出許多研究成果，如保真顯指、色域顯指、色偏好顯指、色調(diào)和顯指、色分辨顯指等，都沒有被CIE采納。2019年，CIE發(fā)表224號技術(shù)文件，提出用色保真度Rf和CRI并列的雙指標(biāo)表示光源的顯色性。Rf是北美照明工程學(xué)會(huì)(IES)TM-30-15標(biāo)準(zhǔn)中定義的色保真度指數(shù)，從自然界選取99種色樣計(jì)算與檢測。

　　我們現(xiàn)在用CRI+R9方案表示顯色性的提高。R9即第九號紅色色樣，該色樣要求光譜亮度輻射因子在675—830nm范圍大于0.8，而現(xiàn)實(shí)LED光源在675—830nm范圍的輻射亮度幾乎為0，這種計(jì)算方法是不真實(shí)的。因此，用CRI+R9表示光源顯色性的方案也不可取。

　　顯色指數(shù)CRI的替代方案仍是值得研究探討的大課題。

　　創(chuàng)建中國兒童青少年健康光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系

　　我國有尊師重教的優(yōu)良傳統(tǒng)，青少年普遍從小就被要求學(xué)知識(shí)、學(xué)技能，不要輸在起跑線上，從兒童時(shí)期起就用眼距離近、用眼時(shí)間長。而照明設(shè)施不規(guī)范不科學(xué)的問題在很多地方存在，加上手機(jī)、電子顯示產(chǎn)品、視頻終端產(chǎn)品等品種多、誘惑力強(qiáng)，不少青少年從兒童時(shí)期開始就愛不釋手，視力和身心健康受到損害。我國兒童青少年是有2億多人口的特大群體，有必要為他們單獨(dú)創(chuàng)建健康光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系，以此來指導(dǎo)幼兒園、學(xué)校、家長正確用光、用好光，讓兒童青少年在健康的光環(huán)境中成長。

　　2019年至2021年4月出臺(tái)的關(guān)于中小學(xué)教育或教室照明的新標(biāo)準(zhǔn)達(dá)15個(gè)，但其技術(shù)指標(biāo)還是沿用成人的標(biāo)準(zhǔn)，沒有針對兒童青少年的特點(diǎn)展開。因此，我們提出建立以下標(biāo)準(zhǔn)的建議：

　　(1)幼兒園健康光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系。包括活動(dòng)室、游戲室、閱讀室、休息室的人工光和自然光混合的光環(huán)境技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)急照明系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)等。

　　(2)中小學(xué)教室健康光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系。包括一般教室、計(jì)算機(jī)教室、美術(shù)教室、音樂教室、物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、閱覽室等健康光環(huán)境技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系。

　　(3)家庭健康光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系。包括書房或?qū)W習(xí)區(qū)域、客廳、臥室或休息室、活動(dòng)室等健康光環(huán)境技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系。

　　(4)兒童青少年用眼衛(wèi)生和家庭健康光環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)。

　　(5)兒童青少年用發(fā)光電子產(chǎn)品技術(shù)與使用標(biāo)準(zhǔn)、顯示終端技術(shù)與使用標(biāo)準(zhǔn)。

　　這些標(biāo)準(zhǔn)體系的建立需要大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，充分研究兒童青少年在不同年齡段生理、心理成長的特點(diǎn)，充分研究光環(huán)境對兒童青少年生理、心理健康發(fā)育成長的調(diào)控作用，建立適應(yīng)兒童青少年健康成長的光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系。

　　LED是電光源的一場革命，正在推動(dòng)光色理論的變革創(chuàng)新。我們不再是做普通照明的光源或燈具，而是為客戶打造健康光環(huán)境提供整體解決方案。在黨中央“把人民健康放在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略地位”政策指引下，我們將為兒童青少年這一特殊群體創(chuàng)造益于他們健康成長的光環(huán)境，深感責(zé)任重大。針對前行中的這些方向性問題，我們希望教育部門能組織專家、學(xué)者進(jìn)行深入研究，將碎片化的、局部的研究成果整合起來，集成創(chuàng)新，形成中國專家集體的智慧，指導(dǎo)我們向更高質(zhì)量發(fā)展，為我們的子孫后代健康成長貢獻(xiàn)更大的力量。