基于大數(shù)據(jù)的教室光環(huán)境管理優(yōu)化研究綜述

摘" 要：" 基于大數(shù)據(jù)的教室光環(huán)境管理優(yōu)化研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，它結(jié)合了教育學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息技術(shù)等多個(gè)方面的知識(shí)?；诮淌夜猸h(huán)境的大數(shù)據(jù)，梳理近年建筑師對(duì)中小學(xué)教室采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況與探索嘗試，并生成研究模型，提高了設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)方案的效率，可以有效地幫助鄉(xiāng)鎮(zhèn)中小學(xué)教室采光視覺(jué)舒適度管理設(shè)計(jì)與方案多目標(biāo)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：" 內(nèi)廊式教室；天然采光環(huán)境；多目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：" G 424.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：" A

收稿日期：2024-10-14

作者簡(jiǎn)介：鄧岸南（1998—），男，漢族，湖南祁陽(yáng)人，湖南科技大學(xué)碩士研究生。主要研究方向：建筑設(shè)計(jì)；金熙（1979—），男，漢族，湖南益陽(yáng)人，博士，湖南科技大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院副教授，主要研究方向：綠色建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)。

文章編號(hào)：1005-9679（2024）06-0119-03

A Review of the Optimization of Classroom Light EnvironmentManagement Based on Big Data

DENG Annan" JIN Xi

（School of Architecture and Art Design， Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201， China）

Abstract： The research on the optimization of classroom light environment management based on big data is a multidisciplinary field， which combines the knowledge of education， environmental science， information technology and other aspects. This study of the big data of classroom lighting environment， combing the implementation and exploration attempts of architects on the lighting design standards of primary and secondary school classrooms in recent years， and generating a research model， which improves the efficiency of designers’ design schemes.

Key words： corridor classroom; natural lighting environment; multi-objective optimization

隨著教育信息化的發(fā)展，教室光環(huán)境管理逐漸成為提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)體驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。教室光環(huán)境是影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)質(zhì)量的重要因素之一。傳統(tǒng)的光環(huán)境管理方式往往依賴(lài)于人工調(diào)節(jié)和固定設(shè)置，缺乏靈活性和智能性。大數(shù)據(jù)技術(shù)的引入，為教室光環(huán)境的優(yōu)化提供了全新的視角和解決方案。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)的教室光環(huán)境管理優(yōu)化研究逐漸興起，本文旨在通過(guò)數(shù)據(jù)分析與智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)教室光環(huán)境的個(gè)性化、動(dòng)態(tài)化和高效化。

1" 研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者和機(jī)構(gòu)開(kāi)展了基于大數(shù)據(jù)的教室光環(huán)境管理優(yōu)化研究。這些研究主要集中在數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法、智能調(diào)控策略等方面，并取得了一些初步成果。例如，一些高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了智能照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了教室光環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)湘南地區(qū)多處鄉(xiāng)鎮(zhèn)中小學(xué)的實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于資源條件的限制和建筑設(shè)計(jì)上的不規(guī)范，導(dǎo)致了鄉(xiāng)鎮(zhèn)中小學(xué)建設(shè)普遍存在以下問(wèn)題：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)陋不合理；眩光問(wèn)題突出；建筑形體與朝向不得當(dāng)。

基于大數(shù)據(jù)的教室光環(huán)境管理優(yōu)化研究面臨的挑戰(zhàn)是模型構(gòu)建難度。教室光環(huán)境與學(xué)生學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，構(gòu)建準(zhǔn)確的模型需要大量的數(shù)據(jù)支持和精細(xì)的算法設(shè)計(jì)。LiuB等學(xué)者認(rèn)為國(guó)內(nèi)研究缺乏對(duì)中國(guó)學(xué)校建筑動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)有效性的研究。因此，進(jìn)行了對(duì)動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)的模擬與學(xué)生主觀評(píng)價(jià)。包括對(duì)中國(guó)學(xué)校18個(gè)教室進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和動(dòng)態(tài)與靜態(tài)采光指標(biāo)的模擬。每年50%小時(shí)內(nèi)450lx的空間日光自主性（sDA）（sDA450/50%；動(dòng)態(tài)指標(biāo)）和照度（Ep）gt;300lx（靜態(tài)指標(biāo)）的面積比例與學(xué)生評(píng)價(jià)。廣州地區(qū)朝北教室的年陽(yáng)光照射量（ASE）與學(xué)生評(píng)價(jià)不相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)黑板眩光感知與失能眩光概率（DGP）在超過(guò)5%的使用時(shí)間（sDGP超過(guò)）超過(guò)閾值0.35的空間百分比之間存在相關(guān)性。因此，sDA450/50%≥50%是我國(guó)學(xué)校建筑采光標(biāo)準(zhǔn)的推薦指標(biāo)，同時(shí)sDA250/50%≥75%可同時(shí)用于提高教室的有效采光面積［1］。 收集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理，如清洗、轉(zhuǎn)換和歸一化，以便于后續(xù)的分析和挖掘。例如，通過(guò)分析不同時(shí)間段、不同季節(jié)的光照數(shù)據(jù)，可以找出光照強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及光照對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率和舒適度的影響。

2" 大數(shù)據(jù)在教室光環(huán)境管理中的應(yīng)用

2.1" 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)

教室光環(huán)境管理首先需要大量、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在教室內(nèi)部安裝光照傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集教室光環(huán)境數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括但不限于光照強(qiáng)度、光照均勻度、色溫、照度分布等。通過(guò)部署各種傳感器和智能設(shè)備，可以實(shí)時(shí)收集教室內(nèi)的光照強(qiáng)度、光線分布、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。張昕、周昕怡、陳曉東等學(xué)者選取國(guó)內(nèi)多處具有氣候代表性地區(qū)中小學(xué)教室，通過(guò)采用DIVA for Rhino進(jìn)行基于動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)模型的模擬。并且借用有效照度（UDI）概念，下限借用天光自治系數(shù)（DA）概念，提出了以“不良利用時(shí)間占比”為判據(jù)的“課桌采光評(píng)估”。并且給出對(duì)應(yīng)的解決方案［2］ 。

2.2" 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理

將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。利用大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)和并行處理能力，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析和挖掘，提取出有價(jià)值的信息。KaiLiu等學(xué)者認(rèn)為隨著人工照明研究的不斷發(fā)展和完善，人們?cè)跐M足室內(nèi)空間功能照明的同時(shí)，也在健康照明品質(zhì)上追求更多的突破和創(chuàng)新。從傳統(tǒng)的工作面照度擴(kuò)展到空間光分布，本研究提出了一種新的室內(nèi)照明環(huán)境評(píng)價(jià)參數(shù)BI（亮度指數(shù)），用Bav（平均亮度）和UB（亮度均勻度）來(lái)衡量室內(nèi)照明環(huán)境的亮度和明暗度。以課堂為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模擬驗(yàn)證了參數(shù)的準(zhǔn)確性和可行性。結(jié)果表明該方法在照明設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)中的有效性和應(yīng)用潛力，可以很好地補(bǔ)充和完善現(xiàn)行的照明環(huán)境評(píng)價(jià)體系［3］。收集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理，如清洗、轉(zhuǎn)換和歸一化，以便于后續(xù)的分析和挖掘。利用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等方法，可以從海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息。例如，通過(guò)分析不同時(shí)間段、不同季節(jié)的光照數(shù)據(jù)，可以找出光照強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及光照對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率和舒適度的影響。

2.3" 數(shù)據(jù)分析與模型構(gòu)建

基于采集到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，構(gòu)建教室光環(huán)境與學(xué)生學(xué)習(xí)效果、教師教學(xué)質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)模型。通過(guò)分析不同光環(huán)境條件下學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、注意力集中度、視力疲勞程度等指標(biāo)，評(píng)估光環(huán)境對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響。吳曉剛和趙曦等學(xué)者對(duì)吉林省多地中小學(xué)教室采光照明情況進(jìn)行了調(diào)查，并運(yùn)用SPSS25.0軟件進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。結(jié)果表明教室采光照明指標(biāo)的合格間數(shù)會(huì)對(duì)該校學(xué)生的近視率有顯著影響，應(yīng)當(dāng)改善中小學(xué)教室的采光照明情況，從而降低學(xué)生的近視率［4］。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果需要通過(guò)圖表、圖形和儀表板等形式直觀地展示給教師和管理者。這些可視化工具不僅可以幫助他們快速理解數(shù)據(jù)的含義，還能為教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化提供直觀的參考。

2.4" 智能調(diào)控與優(yōu)化

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，開(kāi)發(fā)智能調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教室光環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以根據(jù)教學(xué)需求、學(xué)生狀態(tài)、天氣變化等因素，動(dòng)態(tài)調(diào)整教室內(nèi)的照明亮度、色溫等參數(shù)，以達(dá)到最佳的光環(huán)境效果。為探討影響中小學(xué)校教室黑板照度均勻度的因素，勉麗娜和周曉云等學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)模擬教室內(nèi)的4m×1m的黑板按0.5m×0.5m布點(diǎn)，將影響黑板照度的因素如燈管功率、有無(wú)反光板、燈具與黑板的平行距離、兩燈具間的距離四個(gè)因素進(jìn)行組合，使用照度計(jì)對(duì)各布點(diǎn)進(jìn)行照度檢測(cè)，得到了擬合的多元線性回歸方程;黑板照度均勻度與兩燈間距減均值及兩燈間距減均值的平方擬合方程后，得到極值為1.04m。通過(guò)擬合方程可以得出在18WLED燈管、28W熒光燈及36W熒光燈三種燈管條件下，以36W熒光燈、有反光板、燈板距離為1m、兩燈間距1.04m時(shí)的黑板照度均勻度最佳，從而為制定并優(yōu)化黑板照明改造方案提供了科學(xué)依據(jù)［5］。

3" 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1.技術(shù)融合與創(chuàng)新。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)教室光環(huán)境管理將更加智能化和個(gè)性化。通過(guò)技術(shù)融合與創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的光環(huán)境調(diào)控和優(yōu)化。隨著光環(huán)境非視覺(jué)效應(yīng)的提出，發(fā)現(xiàn)光環(huán)境能夠通過(guò)人體非視覺(jué)效應(yīng)影響人體生理及心理，使得健康光環(huán)境研究取得巨大進(jìn)展。Cajochen等人研究發(fā)現(xiàn)晴天時(shí)210Lux和全陰天時(shí)190Lux天然光照度均能引起生理節(jié)律刺激［6］。胡治國(guó)、魏彬等學(xué)者認(rèn)為除水平照度、眩光、頻閃、顯色指數(shù)等基本教室照明指標(biāo)外，空間視亮度（即教室空間的明亮程度）也可能與近視的發(fā)病率密切相關(guān)。最終研究提出在視覺(jué)健康層面，以眩光約束下的眼部垂直照度作為教室空間明亮程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)［7］。

2.標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。隨著研究的深入和應(yīng)用的推廣，教室光環(huán)境管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化將成為重要趨勢(shì)。通過(guò)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，可以確保不同系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以開(kāi)發(fā)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和偏好自動(dòng)調(diào)節(jié)教室的光線、溫度等環(huán)境參數(shù)。例如，在上課期間，系統(tǒng)可以按照標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的要求，自動(dòng)調(diào)整教室燈光的亮度和色溫，以營(yíng)造最適合學(xué)習(xí)的光環(huán)境。

3.多場(chǎng)景應(yīng)用。除了教室光環(huán)境管理外，大數(shù)據(jù)技術(shù)還可以應(yīng)用于其他教育場(chǎng)景的光環(huán)境管理中，如圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室、體育館等。通過(guò)多場(chǎng)景應(yīng)用，可以進(jìn)一步提升教育環(huán)境的質(zhì)量和效率。正因?yàn)猷l(xiāng)鎮(zhèn)中小學(xué)的快速建設(shè)，人們對(duì)教學(xué)環(huán)境的健康舒適開(kāi)始關(guān)注，特別是室內(nèi)光環(huán)境。人體對(duì)于外界信息的接收，其中80%來(lái)自光環(huán)境引起的視覺(jué)信息，天然光環(huán)境對(duì)人體的影響主要通過(guò)視覺(jué)需求和非視覺(jué)需求兩個(gè)方面調(diào)節(jié)人體的生理和心理變化，良好的室內(nèi)光環(huán)境有助于改善睡眠質(zhì)量、提高學(xué)習(xí)效率、緩解消極情緒、增加主觀幸福感等［8］。

4.可持續(xù)化發(fā)展。在追求高效、舒適的光環(huán)境的同時(shí)，學(xué)校也將越來(lái)越注重可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，可以評(píng)估教室光環(huán)境對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，并采取相應(yīng)的措施減少負(fù)面影響。例如，采用節(jié)能燈具、優(yōu)化照明布局等，以降低能源消耗和減少碳排放。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，教室光環(huán)境管理將越來(lái)越智能化和自動(dòng)化。未來(lái)的教室將能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和外部環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整光照強(qiáng)度、色溫等參數(shù)，為學(xué)生提供最舒適、最適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境。

4" 結(jié)論

基于大數(shù)據(jù)的教室光環(huán)境管理優(yōu)化研究是一個(gè)具有廣闊前景和重要意義的研究領(lǐng)域。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理、分析和智能調(diào)控等手段，可以實(shí)現(xiàn)教室光環(huán)境的個(gè)性化、動(dòng)態(tài)化和高效化管理，為提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)質(zhì)量提供有力支持。國(guó)內(nèi)既有的中小學(xué)研究中，聚焦于對(duì)課桌、黑白板等細(xì)部研究，對(duì)使用群體問(wèn)卷調(diào)查較少，需要做更為細(xì)致的使用情況調(diào)查。對(duì)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)中小學(xué)教室天然光環(huán)境需要做更深一步的研究。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的推廣，該領(lǐng)域的研究將取得更加豐碩的成果。

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