一项关于双方面教室日光照明的虚拟现实研究：在满足青少年需求与提供充足日光之间寻求平衡

《Energy and Buildings》：A virtual reality investigation of dual-aspect classroom daylighting: balancing adolescent satisfaction and daylight provision

双面窗户设计对中学生满意度及光照性能的影响研究通过VR实验与气候模拟结合，发现北向窗户增大主要提升主观满意度，南向窗户影响客观光照指标，最优配置为北向大窗与南向适中窗组合，同时自然景观视野增强视觉关注。

　　

徐俊丽|赵中波|罗涛|吴宇杰

中国苏州苏州大学建筑学院

摘要

教育空间中的自然采光对学生的幸福感和表现有着重要影响，然而研究往往忽视了双面教室的复杂动态以及青少年的特定感知需求。本研究探讨了双面窗户设计对青少年满意度、认知表现和客观自然采光条件的影响。研究方法结合了沉浸式虚拟现实（VR）实验和基于年度气候的自然采光模拟。以中国东部的一间典型教室为例，系统地改变了南立面（0.14, 0.34）和北立面（0.43, 0.73）的窗墙比（WWR），并设置了两种室外景观类型（绿化景观与建筑物）。40名青少年参与了VR实验，包括满意度调查、斯特鲁普测试和眼动追踪。自然采光条件的量化指标包括自然采光自主性（DA）、空间自然采光自主性（sDA_300,50%）、有效日光照度（UDI_300-3000）、平均工作面照度（WPI_avg）和季节性日光眩光（sDG）。研究结果揭示了两个功能上的差异：首先，南北窗户的影响不同——较大的北向窗户是提高青少年主观满意度的主要因素，而较大的南向窗户则更有效地改善了客观自然采光条件；其次，扩大两个窗户的开口能带来最大的整体满意度提升。此外，虽然绿化景观在主观满意度评分上没有显著差异，但眼动追踪分析显示青少年对自然元素的视觉关注度有所增加。最终，北向大窗户和南向中等大小窗户的组合被确定为最佳设计，能够在满足使用者满意度的同时提供良好的自然采光。

引言

自然采光是建筑环境中的关键因素，不仅直接影响建筑物的能源性能[1]，还影响使用者的健康[2]、幸福感[4]、舒适度[6]和生产力[8]。在教育环境中，这种影响尤为明显，已有研究表明有效的自然采光设计能够提高学生的学习成绩[9]、调节生物钟[9]、改善情绪和认知表现[10][11][12]。实现这些益处取决于建筑物的窗户设计，因为窗户的大小、位置和朝向决定了室内光照分布[13][14][15]。然而，尽管自然采光的重要性已被广泛认可，但学校窗户设计的科学依据往往基于过于简化的假设，未能充分考虑许多现代中小学教室的复杂建筑特性。

现有研究的一个主要局限是它们主要关注单面窗户设计[16]，即自然光线仅从一个方向进入教室。例如，Noor等人[17]和Baraa等人[12]提供了关于小学教室窗墙比（WWR）的详细优化框架，但这些建议基于单面自然采光场景。这种方法无法捕捉到双面窗户（来自两个立面的自然采光[18][19]）教室的复杂情况，而这种类型的教室在中国东部尤为常见，因其良好的自然采光分布和交叉通风效果而受到重视[20]。虽然有一些研究探讨了双面教室布局，但它们主要依赖于固定建筑条件下的现场评估。徐等人[21]在中学进行了纵向现场调查，将年度自然采光指标与学生幸福感相关联；Zomorodian等人[22]分析了四间大学教室的视觉舒适度以验证模拟指标。然而，由于这些研究将教室窗户视为不可改变的实体，双面窗户与使用者感知之间的复杂相互作用尚未得到充分探索。

双面教室的设计挑战还在于其主要使用者的特殊需求——青少年，这一群体在自然采光研究中常常被忽视。一项关于使用者自然光视觉舒适度的综述研究[23]指出，只有34%的研究关注教育建筑中的使用者，其中针对中小学生的研究更少。这种忽视是重要的，因为青春期是一个独特的生命阶段，其特征是神经生物学发展的显著性和对环境光线刺激的高度敏感性[24]。例如，青少年的生物钟系统会受到光照的强烈影响[25][26][27]，他们的视觉系统也容易发生变化，导致近视率的上升[28][29]，而自然采光不足会加剧这一问题[30]。由于青少年的视高度不同[31]，他们对光线的视觉和非视觉反应也不同[32][33]，因此不能简单地将成人或儿童的研究结果外推到青少年身上。因此，了解复杂的窗户设计如何影响这一敏感用户群体对于创造健康、高效的学习环境至关重要。

传统的自然采光研究采用分离客观分析和主观体验的方法。一方面，客观研究利用基于气候的自然采光建模（CBDM）来评估自然采光指标，如自然采光自主性（DA）和有效日光照度（UDI）[34][35]；Zhang等人[36]和Yan等人[37]应用这种方法对教室设计进行了参数化优化。然而，这种定量方法与使用者的主观舒适度和满意度之间存在明显分离。另一方面，主观研究通过现场调查和入住后调查来评估满意度[4][38]。例如，Xu等人[21]和AL-Mowallad等人[39]的研究在真实的教育环境中捕捉了人类的感知，但他们的方法无法系统地操纵设计变量（如WWR）以隔离特定设计策略的因果影响。尽管每种方法都有其价值，但它们都有局限性：模拟无法捕捉人类感知的细微差别，而现场研究则常受不可控环境变量和静态建筑参数的干扰。

为弥补这一方法论空白，沉浸式虚拟现实（VR）作为一种潜在工具应运而生，它结合了两种方法的优点。VR能够在生态有效的环境中进行受控、可重复的实验，系统地操纵建筑变量（如窗户设计[40][41][42]），同时收集主观反馈和客观行为数据（如眼动追踪[43][44]）。其快速原型制作和数据收集能力使VR成为全面探索窗户设计如何影响感知体验和客观表现的理想方法。

基础研究利用VR探讨了窗户设计对主观感知的影响。例如，先前的研究[46]表明，当提供较大的窗墙比时，使用者对空间开放性和内部容积的满意度更高。后续研究[47]验证了扩大窗户开口确实能带来更积极的环境评价，尤其是在愉悦感、兴趣和宽敞度等方面。在此基础上，当代研究越来越多地将以人为中心的客观指标纳入VR评估中。值得注意的例子包括将单面虚拟办公室的认知表现与能源消耗相关联的研究[48]，以及研究单面教室中窗墙比对认知和生理反应的影响[49]。尽管最近的一项研究[50]使用VR探讨了包括室内植物、景观、座位布置和窗墙比在内的广泛教室设计特征，但它没有专门分析双面窗户这一常见于中小学的设计特征对学龄儿童的独特生理和心理影响。总之，这些现有方法主要关注单面环境，尚未将主观使用者体验与客观自然采光模拟完全结合起来。

这留下了关于双面教室类型的重大知识空白，特别是关于对立窗户元素之间的复杂相互作用如何影响青少年使用者幸福感的问题。因此，需要开展多方面的研究。首先，中国东部常见的双面教室的复杂自然采光动态尚未得到充分探索；其次，青少年这一用户群体的环境需求与其他人群有显著差异，但在现有自然采光研究中经常被忽视；最后，方法论挑战依然存在，因为现有研究尚未有效结合沉浸式VR提供的主观评估和基于气候的客观自然采光模拟。为解决这些问题，本研究建立了一个综合框架，将沉浸式VR实验与基于年度气候的自然采光模拟相结合。这种方法能够全面评估不同双面窗户配置对青少年满意度、认知表现和视觉行为的影响，从而为优化健康、高效的学习环境提供基于证据的指导。

方法论

如图1所示，本研究采用了一种综合方法论框架，结合了沉浸式VR实验和基于年度气候的自然采光模拟（CBDM）。工作流程首先对中国东部一所代表性小学教室进行了现场调查，收集实证数据以构建高保真数字模型和逼真的VR场景。包含青少年参与者的实验阶段分为两个阶段：首先是验证研究，以确定……

虚拟环境的验证

使用Igroup Presence Questionnaire（IPQ）评估了所有40名参与者在虚拟环境中的沉浸感。在7点李克特量表（0–6）上，四个标准化子尺度的平均得分分别为：总体沉浸感（M?=?3.68）、空间沉浸感（M?=?3.38）、参与度（M?=?3.44）和真实感（M?=?4.33）。所有得分均超过了中性点3。如表6所示，真实感得分明显高于以往研究，表明……

讨论

通过结合沉浸式虚拟现实（VR）实验和基于年度气候的自然采光模拟，本研究对教育环境中的自然采光进行了全面评估。与传统方法不同，这种综合框架揭示了自然采光条件与青少年感知之间的复杂且非线性关系。

结论

本研究结合了VR实验和基于气候的自然采光模拟，探讨了双面窗户设计对青少年满意度和客观自然采光条件的复杂影响。结果挑战了简化的设计标准，表明北向和南向窗户作为影响教室表现的不同但相互作用的因素。

研究发现强调了窗户设计中的两个主要动态。首先，两种朝向……

作者贡献声明

徐俊丽：撰写初稿、开展研究、争取资金。赵中波：撰写初稿、开展研究、数据整理。罗涛：验证结果、开展研究、概念构思。吴宇杰：撰写与编辑、验证结果、监督研究、制定方法论、争取资金、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：徐俊丽表示获得了中国 Scholarship Council 的财务支持；吴宇杰表示获得了江苏省哲学与社会科学研究重大项目、上海东方英才计划以及中国国家重点研发计划“宜居城市环境质量评估与提升”的财务支持。

致谢

作者感谢参与本研究的苏州大学实验学校的学生们。本研究得到了中国 Scholarship Council（项目编号202106920031）、江苏省哲学与社会科学研究重大项目（项目编号2025SJZD149）、上海东方英才计划以及
中国国家重点研发计划“宜居城市环境质量评估与提升”的财政支持。