蔣 婧，秦石磊，云旭鑫，王登甲

(1.西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院，陜西 西安 710048；2.西安建筑科技大學 建筑設(shè)備科學與工程學院，陜西 西安 710055)

中學生身心健康和學習效率受教室環(huán)境質(zhì)量的直接影響[1].評價室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量[2]的參考指標眾多，主要包括室內(nèi)熱濕環(huán)境、空氣品質(zhì)、聲、光環(huán)境.其中，熱濕環(huán)境影響因素主要包括：溫度、相對濕度、風速、輻射溫度等.而夏季氣溫較高，適當?shù)娘L速能夠加速人體表面汗液蒸發(fā)，從而產(chǎn)生舒適感；其次，當前研究者大多針對環(huán)境參數(shù)與人體舒適度關(guān)系進行研究，而與學習效率相結(jié)合的研究相對較少；同時，由于測試效率的實驗設(shè)計多爾繁瑣，從而導(dǎo)致實驗結(jié)果各異且對受試者認知能力要求較高，參與者多為大學生[3-4]，然而中學生的生理特征、心理變化及認知能力與前者大不相同，相比于成年大學生，中小學生新陳代謝旺盛，使得中小學生對偏熱的環(huán)境也更加敏感[5]；此外，眾多學者[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，中小學教室環(huán)境往往較差，特別是鄉(xiāng)村中小學.因此，研究夏季室內(nèi)環(huán)境對中學生學習效率的影響具有深遠意義.

本課題組前期在針對華中地區(qū)夏季的大量調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的中小學教室一天當中，室內(nèi)相對濕度、輻射溫度等環(huán)境因素常常維持較小的波動范圍，其變化對學生學習效率影響可忽略不計.室內(nèi)溫度、風速兩因素變化范圍較大，且大多是時間內(nèi)，學生更期望通過降低溫度、增大風速的方式提高舒適度及學習效率.因此，溫度、風速兩因素是夏季影響學生學習效率的主要因素.本課題組前期已經(jīng)得出，該地區(qū)夏季教室內(nèi)最適溫度為26 ℃.基于前期結(jié)論，本文主要研究最適溫度下，風速對學生學習效率的影響關(guān)系.

目前，關(guān)于風速與學習效率之間關(guān)系的研究中，尚未明確給出夏季營造舒適且高效的室內(nèi)學習環(huán)境的推薦風速.白魯建等[8]研究者對西安市中小學教室環(huán)境調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，中學教室由于人員密集、室內(nèi)風速過低，導(dǎo)致空氣質(zhì)量差，使得學生悶熱感強烈，這將降低學生的學習效率.Wargocki和Wyon[9]與Bakó-Biró[10]的研究同時表明，在一定范圍內(nèi)，測試正確率隨風速的提高而增加.同濟大學胡佳林等[7-11]研究發(fā)現(xiàn)，教室新風量不足，導(dǎo)致二氧化碳含量過高是影響學生學習效率的主要原因；清華大學朱穎心等[12]研究發(fā)現(xiàn)，適當?shù)娘L速在保證人員舒適度的同時，不會降低工作效率.綜上可知，一定的通風量不僅能提高室內(nèi)人員舒適度，更有助于提升學習效率，這對學校建筑節(jié)能的影響意義深遠.

本文基于中學生認知水平，從專注力、感知能力、理解記憶、邏輯推理[13]四種神經(jīng)行為評價測試中，選取12項測試任務(wù)進行學習效率測試.研究4組不同風速下學生學習效率的變化趨勢，得出夏季室內(nèi)風速對中學生學習效率的影響關(guān)系.

1 實驗方法

1.1 實驗條件

實驗于2021年8月在河南省洛陽市模擬教室環(huán)境下進行，圖1為實驗現(xiàn)場平面布局圖.采用分體式空調(diào)控制室內(nèi)溫度，風扇控制風速，空氣加濕器調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，通過向室內(nèi)釋放CO2氣體控制室內(nèi)CO2濃度.通過室外氣候的自然變化與室內(nèi)設(shè)備的人工調(diào)節(jié)共同作用，營造夏季實驗工況.實驗前，由測試人員對室內(nèi)環(huán)境進行調(diào)控、監(jiān)測.實驗中，實時監(jiān)測室內(nèi)氣流速度、溫度、相對濕度、CO2濃度、黑球溫度等，并做好記錄.根據(jù)實驗前的室內(nèi)環(huán)境與人員舒適度問卷調(diào)查及現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)實測，最終確定本實驗設(shè)計風速為0、0.4、0.8及1.2 m/s.

圖1 實驗室平面布局圖

1.2 受試者和實驗安排

本次實驗受試者均為當?shù)刂袑W生.首先對選取的受試者進行預(yù)實驗，使其熟悉實驗流程.同時根據(jù)預(yù)實驗的學習效率測試結(jié)果，最終確定16名(8男8女)成績相當?shù)膶W生參加正式實驗，以降低因受試者學習能力的差異而對實驗結(jié)果造成的影響.正式實驗的受試者基本信息情況如表1所示.

表1 受試者基本信息表(均值±標準差)

受試者均滿足以下五點：(1)近期無感冒發(fā)燒等；(2)統(tǒng)一著裝，上身T恤，下身短褲，鞋子為休閑鞋；(3)避免劇烈運動；(4)參與實驗的受試者得到受試者及其家長的同意；(5)受試者嚴格按照實驗要求并配合指導(dǎo)人員完成實驗.受試學生被分為4組(每組2男2女)，均參與所有的風速工況實驗，為了排除受試者主觀意愿對實驗產(chǎn)生的誤差，實驗各工況對受試者保密.

正式實驗時間為每天上午08：00～12：00，下午14：00～18：00.每天上、下午各進行1組工況實驗，每組實驗約持續(xù)50分鐘，測試結(jié)束即可離開.實驗順序由電腦隨機產(chǎn)生，本文實驗隨機順序按照0.8、0、0.4、1.2 m/s的順序進行.受試者測試時間分配如圖2所示.

圖2 受試者實驗流程

1.3 實驗測試方法

1.3.1 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測量

實驗前，對所用儀器進行校準，實驗中，對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，并做好記錄.所用儀器包括CO2測試計、溫濕記錄儀、熱球風速計、熱力指數(shù)計、噪音計、數(shù)字照度計等，儀器具體參數(shù)如表2所示.

表2 實驗所用儀器

1.3.2 主觀問卷調(diào)查

問卷調(diào)查主要包括了學生個人基本信息調(diào)查、教室內(nèi)環(huán)境主觀評價、學習狀態(tài)自我評價三部分.學生個人基本信息調(diào)查，該項調(diào)查內(nèi)容主要包括學生性別、年齡、身高、體重、衣著情況等；教室內(nèi)環(huán)境主觀評價，包括了學生對熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)等的感覺、期望變化，以及對室內(nèi)整體環(huán)境舒適度、滿意度評價，熱感覺評價采用ASHRAE的7級標度：冷(-3)、涼(-2)、稍涼(-1)、適中(0)、稍暖(+1)、暖(+2)、熱(+3)；舒適度采用5級標度：舒適(0)、有點不舒適(1)、不舒適(2)、很不舒適(3)、難以忍受(4)；滿意度采用5級評價標度：很不滿意(-2)、不滿意(-1)、可接受(0)、滿意(+1)、很滿意(2)；學習狀態(tài)自我評價，包括了學習效率和學習熱情自我評價，均采用7級標度：很低(-3)、較低(-2)、低(-1)、一般(0)、高(+1)、較高(+2)、很高(+3)[11-12].

1.3.3 學習效率測試

基于人員認知能力[13]的神經(jīng)行為評價是一種高效便捷的效率測試方法.本測試結(jié)合初中生認知水平，設(shè)置恰當?shù)臏y試任務(wù).以注意力測試、舒爾特方格、數(shù)字分類表征專注力；以字母檢索、空間定位、立體視覺表征感知能力；以記憶掃描、方格填充、視覺學習表征理解記憶；以連續(xù)加減、順序推理、定義判斷表征邏輯推理.測試結(jié)果記錄各任務(wù)的正確率及反應(yīng)時間，并換算成學習效率[15-16]，以此體現(xiàn)學習效率的高低.此外，針對學習效率的測試，采用開發(fā)的學習效率測評軟件進行電腦端測試[17].學習效率測評軟件部分頁面如圖3所示.

圖3 學習效率測評軟件界面

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

首先，檢查所有數(shù)據(jù)，剔除極個別明顯偏離正常取值范圍的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準確性[2]；然后對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計[2]，計算得到各項結(jié)果的描述統(tǒng)計量：均值和標準差；檢驗數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布.

進行方差分析，確定各組測試項目在不同風速下的差異，設(shè)置顯著性水平P為0.05.此外，由于P值僅能表明結(jié)果存在差異的概率，而無法顯示結(jié)果差異的大小，而效應(yīng)量(ES)是衡量實驗影響強度的指標，因此，還要計算并分析效應(yīng)量[15].

在方差分析中，效應(yīng)量(ES)可由下式計算得到：

(1)

式中：ES為效應(yīng)量；ES≥0.1、ES≥0.25和ES≥0.4時分別代表有較小、中等和較大影響；F為方差分析中的檢驗統(tǒng)計量；n為組間人數(shù)相等時每組的人數(shù)[13].

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境測量結(jié)果與分析

環(huán)境參數(shù)測量值如表3所示(均值±標準差).由表可知，室內(nèi)風速實際工況值接近設(shè)計工況值，而空氣溫度、相對濕度、CO2濃度、平均輻射溫度等在工況間基本無差異，說明室內(nèi)環(huán)境得到了較好的控制.

表3 實驗環(huán)境參數(shù)測試結(jié)果(均值±標準差)

2.2 主觀問卷調(diào)查結(jié)果分析

不同工況下的受試者環(huán)境滿意度投票值如圖4所示.超過85%的受試者對0.8 m/s之內(nèi)的風速可接受度評價較高，風速大于0.8 m/s之后，可接受度有明顯降低.超過75%的受試者對0.4 m/s的風速滿意度評價較高，風速大于0.4 m/s之后，滿意度明顯降低，直至為零.同一工況下，受試者對風速的可接受度均大于受試者對風速的滿意度，其中，在0.4 m/s的工況下，受試者對風速的滿意度及可接受度較為接近且評價均最高.隨著風速的增加，受試者對風速的不可接受度逐漸上升，1.2 m/s工況下，受試者對風速的不可接受度高達70%.

圖4 受試者環(huán)境滿意度評價

不同風速條件下，受試者的病態(tài)建筑綜合癥[18-19]結(jié)果如表4，病態(tài)建筑綜合癥均值越高，表示相應(yīng)癥狀越嚴重.由表4可知，隨著室內(nèi)風速的增加，學生的“頭痛”、“口干、嗓子難受”、“流鼻涕”、“鼻子堵塞”癥狀更明顯，其他癥狀變化較小.表中P值表示病態(tài)建筑綜合癥在不同風速條件下差異的顯著性水平；ES值表示病態(tài)建筑綜合癥在不同風速條件下差異效應(yīng)的程度.結(jié)果表明，“頭痛”、“口干、嗓子難受”、“流鼻涕”、“鼻子堵塞”等癥狀具有中等效應(yīng)值，其他癥狀均具有較小的效應(yīng)值.

表4 不同室內(nèi)風速對受試者健康舒適感覺的影響(均值±標準差)

不同風速條件下受試者的整體健康舒適水平程度如圖5所示.受試者的整體健康舒適評價值可由整體健康舒適主觀評價結(jié)果計算得出.具體算法為：將受試者的環(huán)境整體舒適感覺主觀評價結(jié)果用0到4賦值，分別表示舒適(0)、有點不舒適(1)、不舒適(2)、很不舒適(3)、難以忍受(4)，然后用“4”減去各項統(tǒng)計值，最后將不同風速條件下所得值相加，總分越高，表明學生的整體健康舒適水平越高[2].由圖可知，在風速為0.4 m/s之內(nèi)，受試者整體健康舒適程度較高.風速大于0.4 m/s之后，隨著風速的增加，受試者整體健康舒適度明顯下降.

圖5 不同風速對中學生健康舒適的影響

2.3 學習效率評價

2.3.1 測試結(jié)果

學習效率指標用于評價整體性能，其根據(jù)正確率及反應(yīng)時間的測試結(jié)果，經(jīng)加權(quán)計算得到.正確率和反應(yīng)時間的倒數(shù)的權(quán)重定為0.5.計算公式[18]如下：

(2)

式中：LP為學習效率指標；AC為正確率；RT為反應(yīng)時間，s.

由于不同測試項的反應(yīng)時間差別較大，為了比較不同項目，對所有受試者的學習效率數(shù)據(jù)進行標準化處理，計算公式[21]如下.

(3)

式中，RP(Si，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指第i個受試者在工況j時的指標；n指每個測試者進行的工況總數(shù).

基于人員認知能力的學習效率測試任務(wù)在不同風速下的測試結(jié)果如表5所示.對測試任務(wù)的正確率、反應(yīng)時間及學習效率標準化指標進行統(tǒng)計分析，分別得到P值及ES值.

表5 學習效率測試結(jié)果(均值±標準差)

由表5可知，不同風速對學習認知能力測試的影響差異主要取決于任務(wù)類型.注意力測試、舒爾特方格的學習效率，具有較高的效應(yīng)值；數(shù)字分類、空間定位、記憶掃描、順序推理的學習效率具有中等效應(yīng)值；注意力測試、數(shù)字分類、記憶掃描、方格填充、連續(xù)加減、順序推理的反應(yīng)時間具有中等效應(yīng)值；其他測試項目，除字母檢索、記憶掃描、方格填充、連續(xù)加減、順序推理的正確率(AC)外，均具有較小的效應(yīng)值.說明風速對受試者的學習效率影響程度最大，對受試者的反應(yīng)時間影響次之，對受試者的正確率影響最小.

2.3.2 學習任務(wù)效率變化

不同測試任務(wù)間的反應(yīng)時間差別，將導(dǎo)致學習效率差別較大，無法統(tǒng)一比較.現(xiàn)對受試者的正確率、反應(yīng)時間、學習效率數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到不同風速下正確率、反應(yīng)時間、學習效率變化趨勢線，如圖6、圖7、圖8所示.下圖中AC表示經(jīng)標準化處理后的正確率，RT表示經(jīng)標準化處理后的反應(yīng)時間，LP表示經(jīng)標準化處理后的學習效率.

圖6 不同風速下受試者正確率變化趨勢圖

圖7 不同風速下受試者反應(yīng)時間變化趨勢圖

圖8 不同風速下受試者學習效率變化趨勢圖

圖6表明，隨著風速的增加，正確率平均值先增加后減小，正確率指標大部分維持在1.00～1.05之間；圖7表明，隨著風速的增加，反應(yīng)時間平均值先減少后增加，反應(yīng)時間指標大部分維持在1.00以下；圖8表明，隨著風速的增加，學習效率平均值先增加后減小，學習效率指標大部分維持在1.00～1.15之間.總體上看，各測試項目的正確率及學習效率在0.4 m/s風速下較高，當風速增加或減小時，正確率及學習效率均有所下降.同時，0.4 m/s風速條件下，受試者的總體反應(yīng)時間最短.這說明，0.4 m/s的風速是受試者最佳的學習狀態(tài)點.

3 結(jié)論

(1)0～0.4 m/s風速內(nèi)，受試者健康舒適程度維持最高且基本保持不變，風速大于0.4 m/s后，隨風速的增加，受試者健康舒適程度迅速下降；

(2)0～1.2 m/s風速內(nèi)，正確率及學習效率先提升后下降，反應(yīng)時間先減少后增加，三者峰值均出現(xiàn)在0.4 m/s風速下；

(3)夏季教室內(nèi)最佳風速推薦值為0.4 m/s.