《冬季教室空气质量对学生疲劳的影响》

冬季教室空气质量对学生疲劳的影响 北大附中高二 戴欢欢 申得民 岳巍关键词：冬季教室、空气质量、学生疲劳、影响第一部分、摘要我们发现：冬季教室长时间封闭，学生极易疲劳。我们认为：学生极易疲劳是因为教室空气质量下降的影响。2000年入冬以后，我们通过对两个样本班教室通风和不通风两种情况下CO2、O2、CO、NO、NO2、H2S、VOC及氨类化合物、颗粒物等空气质量常规指标的测定，得到空气质量下降(主要是CO2含量升高)的具体数据。在控制与本专题研究无关因素的同时，采用北京大学仪器厂生产的四种仪器对两个样本班学生本着自愿的原则进行了通风和不通风情况下的疲劳指标(视敏度、记忆力、反应速度、注意力集中程度)测试。大量数据表明，在不2通风的情况下CO2高出通风良好时的4倍，此时学生相应的四个疲劳指标的下降速度为通风时的1.5倍， 3倍，2倍和1.25倍。这表明：教室空气质量下降时，学生疲劳速度加快。我们通过实验，找到了一种经济有效的解决方案：在教室安装排气扇，课间进行5分钟左右的强制通风，即可有效的遏制由于封闭引起的空气质量下降，减缓学生的疲劳速度。（见复印资料1）我们认为，本专题研究成果，除对我国有普遍意义之外（我国绝大多数学校班级人数较多），还对教育投入较少的发展中国家，尤其当教室人均占有有效面积小于1.48平方米（该值为我校两样本班人均占有有效面积）时，在冬季采取有效措施提高教室空气质量，改善学习环境，有一定的借鉴价值。第二部分.实验实验一： 空气质量测试报告（一）测试原理：、样本班选择：随机在高一年级、高二年级抽取了班级一和班级二为样本班。、空气质量指标选择：根据专家建议及前期研究结果，我们初步选择了对教室内空气的温度、湿度及O2、CO2、CO、NO、NO2、H2S、VOC、氨类气体含量，颗粒物含量进行测试。、测试仪器名称：由北京市市劳保所提供以下仪器：H2S检测仪(PGM-35型)CO检测仪(PGM-35型)NO检测仪(PGM-35型)CO2红外分析器(GXH-3010E型)复合式气体检测器(PGM50-5P型，测O2和VOC)N960风速、温度、湿度计及干湿、泡温湿度计(测温、湿度)URG气溶胶采样器(用于颗粒物采样)DVSTTRAK气溶胶监测仪(用于颗粒物检测)、数据获取方式：除氨类气体含量及空气中的细菌数采用采样后进行化学分析，即氨类化合物测试及室内细菌数测试外，其余指标数均从相应的直读测试仪器上获得。(氨类化合物测试报告略、微生物指标测试报告略)、测试取样地点选择：教室中心及对角线两墙角边三点坐式呼吸区高度(距地面约0.81米)取均值计算。、样本班教室的条件：1教室长：9.15米宽：6.00米 高3.70米2教室中的学生：约50人。3在测试期间，样本教室一直有供暖设备。学校采用集中式供暖(即在锅炉中燃烧燃料，将水加温成蒸汽，经管道和散热片将热分配到各教室)。（二）测试数据表格及分析、班级一的第一次在通风状态下测得的三天数据与不通风状态下测得的第一天数据(见原始资料4与附件5)分析：从附件4与附件5可以看出，在通风与不通风的情况下，除温湿度、二氧化碳有变化外，其余气体均无变化或没有明显变化，所以我们在班级一第二次在通风状态下测试时和班级二测试时忽略了O2、CO、NO、NO2、H2S、VOC、颗粒物含量的测量。、班级一的第二次在通风状态下测得的三天数据见原始资料6的表1、表2、表3。高一（1）在不通风状态下测得的三天数据见原始资料7的表1、表2、表3。高二（5）在通风状态下测得的三天数据见原始资料8的表1、表2、表、高二（5）在不通风状态下测得的三天数据见原始资料9的表1、表2、表3。数据处理及绘制相应图表：不同条件下教室CO2含量（%）表1项目时间 高一（1） 高二（5）通风情况下 不通风情况下通风情况下 不通风情况下7：150.0670.0030.0630.0030.0560.0070.0620.0077：300.0980.0070.1090.0150.0660.0150.0910.0098：170.0930.0100.3160.0990.0880.0130.3090.0078：240.1180.0220.2960.0860.0860.0060.2930.0169：080.1040.0110.4500.1120.0800.0010.4600.0669：150.1400.0130.4010.1000.0930.0190.4170.03810：030.0850.0100.5470.0950.0860.0120.4910.04510：200.0930.0220.4110.0270.1080.0050.4220.08911：120.0960.0260.3850.0150.0830.0020.4710.07511：190.1050.0090.4070.0060.1020.0130.4430.11612：070.1030.0080.4420.0800.0930.0100.5210.06012：130.1370.0110.3520.1090.0970.0120.4750.060总平均值0.1030.0130.3480.0670.0870.0090.3710.049注：、上面的数据表格只列举了CO2含量均值的数据表格，具体数据见复印资料710（包括不同条件下的温湿度）、以上表格中的数据都是连续三天的CO2含量的均值 （例如：班级二在通风情况下7：15的CO2含量0.056%是11月22日11月24日三天的均值），在取连续三天均值时，对这三天的数据两两作了t检验（通过成对地计算双尾概率P来判断数据的有效性，当P0.05时，说明这些数据可以看作是同一个整体，即可取它们的均值；当P0.05，则反之。）t检验的最终结果见表2。表2第一天与第二天第二天与第三天第一天与第三天高一（1） 通风时0.1650.5720.088不通风时0 0.0410.2390.649高二（5）通风时0.9160.1020.064不通风时0.0670.4170.083根据以上表格绘得到以下图表：（图1、图2、图3、图4）图1图2 通风和不通风时二氧化碳含量与国标对比图 图3 高一（1） 图4 高二（5） 注：、图3与图4中横坐标的1、2、3分别为国标、通风、不通风时的二氧化碳含量、换气标准中小学校建筑设计规范（GBJ 9986）及严寒和寒冷地区中小学校教室换气卫生标准：学校教室中的二氧化碳含量的允许标准为0.15。分析：、不通风时的二氧化碳含量明显高出在通风时的二氧化碳含量（从图3与图4中看出，高出倍数约为4倍）。在不通风情况下，教室室内CO2含量平均超标约为.倍。、在通风时，大部分时间二氧化碳的含量在0.1%以下，而在不通风的情况下测试时发现，上午约有3/4的时间，二氧化碳的含量超过了0.3%，有几次竟达到了0.6%。、在不通风情况下，图1曲线的高峰出现在“”处（即第三节课后），而后有出现下落的趋势，图2的曲线一直有增长的趋势，究其原因，我认为主要是人为因素（高一在不通风下测试时，第三节课后有偶尔的短时间的开门窗的现象，而在样本班2没有此现象）。、图1与图2的曲线中，出现了波动变化（即在每节下课的分钟内，CO2含量有所下降），这主要是由于下课时学生走动，而使呼吸区以下的高度的CO2含量变低了。、从原始数据表（附件）中发现：在教室通风的情况下，温度大约为15度；在教室不通风的情况下，温度大约为21度，但两者都在冬季人体适宜温度范围之内。、在教室通风的情况下的湿度比通风情况下的理想，这主要与北京的干燥气候有关。（三）结论、不通风时的二氧化碳含量明显高出在通风时的二氧化碳含量（高出倍数约为4倍）。在不通风情况下，教室室内CO2含量平均超标约为.倍。、在不通风教室里，二氧化碳含量会不断增加，当二氧化碳增加到一定程度时，氨类化合物含量也随之升高。由于教室里的氨主要是由人的代谢物产生的，有少部分是从墙体中释放出来的，所以在刚装修的教室里，氨类化合物的含量可能会更高。、冬季，室外细菌数较少，室内细菌数在空气流通的情况下较少，而空气不流通时细菌容易积累繁殖，数量较多。实验二：学生疲劳测试报告（一） 视敏度测试报告、实验目的：通过测定在不同环境下，学生视敏度的变化，从而判断环境对视敏度的影响。、实验原理：实验仪器名称：数字亮点闪烁仪(亮光融合频率仪)仪器原理：通过测量被测者的闪光融合临界频率，确定其辨别闪光能力的水平、实验方法：保持测试条件(包括：亮点闪烁频率亮点颜色、背景光、亮点波形、亮黑比、亮点光强度)不变，通过被测者旋动旋钮，调节亮点的闪烁频率，从而测出被测者的疲劳程度。 我们进行了两次对比实验，第一次是在十一月中旬，通风状况良好的情况下进行的，第二次则是在十二月下旬，保持门窗不通风，室内与外界无空气流通的情况下测量的。为使实验结果具有一定的代表性，我们随机选取了两个实验班，分别为班级二、班级一，两班又分别随机抽取了10、12人。每次实验连续测量三天，测量时间选为每日上午第一节课前(7：15)、第三节课后(10：00)、第五节课后(12：00)。、数据表格：(原始资料略)、数据分析与结论： 公式：变化率1=(p3-p1)/p1;变化率2=( p5-p1)/p1 (其中p1为第一节课前的平均数，p3为第三节课后的平均数，p5为第五节课后的平均数)班级一班级二1212通风时的平均变化率0.0390.051-0.036-0.049不通风状态下的平均变化率-0.043-0.065-0.052-0.077 不通风状态与通风时的变化率的对比倍数-1.1-1.31.441.57班级一在通风时的测试中，同学由于刚到学校就接受测量，较为疲劳，所以第一节课前的视敏度较低，在教室休息后的测量视敏度都有所提高，而不通风状态下，虽然在教室内休息了，但由于空气质量太差，视敏度下降很明显，因此出现了上表中班级一通风时视敏度升高，不通风时视敏度下降的情况。、实验结论： 在本次实验的两种环境下（具体指标值见空气质量测试报告），不通风时学生视敏度下降率约为通风时的1.5倍。（二）瞬时记忆测试报告、实验目的：由于冬季教室空气质量与学生疲劳感的相关性专题的需要，制定了此实验方案测定学生在空气质量下降时瞬时记忆力的变化情况。、实验原理： 利用再现法进行测试。实验采用部分报告法和全部报告法测试被测同学的记忆效果。仪器随机产生不同的数字或字母，要求被试的同学再现当时指定的一部分，再由这一部分的保存量估计获得信息的总量；在全部报告法的实验中，要求被试同学再现识记过的全部材料，根据回忆正确的数量确定保存量。、实验仪器：SSJY-I型 瞬时记忆实验仪、实验方法:在教室通风时和封闭时分别测试三天。第一、三天采用全部报告法，第二天采用部分报告法测试(班级一第二次测试时，由于学生发现实验仪器的全部报告法随机性有问题，每次出现的数总是固定的几组，所以第一、三天用了两次部分报告法，只有第二天用了全部报告法)。每天在第一节课前，第三节课后，第五节课后测试三次。从班级一和班级二分别随机选定五人和六人作为样本进行测试(由于下课时间有限，最多抽取六个样本进行测试)。、数据及数据分析：a、测试结果实验1全部报告法：记忆广度=(最长记忆位数-3)*4-错误次数*0.25实验2部分报告法：瞬时记忆保存量=平均回答正确记忆位数*3数据见复印资料11由班级二的结果可以计算出:* 公式：变化率1=(p3-p1)/p1;变化率2=( p5-p1)/p1 (其中p1为第一节课前的平均数，p3为第三节课后的平均数，p5为第五节课后的平均数)b、学生在通风的教室里，瞬时记忆情况平均是：记忆广度： 第一节课前：3.19第三节课后：3.19第五节课后：3.04总变化率：-0.047 瞬时记忆保存量：第一节课前：8.125 第三节课后：7.625 第五节课后：7.875 总变化率：-0.031 三次测试变化趋势不明显，可以忽略。说明通风时，学生疲劳不明显。c、学生在封闭的教室里，瞬时记忆平均情况是：记忆广度： 第一节课前：3.71第三节课后：3.52第五节课后：3.35总变化率：-0.097 瞬时记忆保存量：第一节课前：8.125 第三节课后：7.500 第五节课后：6.000 总变化率：-0.262 三次测试呈依次下降趋势，且较明显，说明封闭教室时，学生疲劳感逐渐上升。记忆广度瞬时记忆保存量通风时的平均变化率 -0.047-0.031不通风状态下的平均变化率-0.097-0.262不通风状态与通风时的变化率的对比倍数2.068.45由班级一的结果可以计算出d、学生在通风的教室里，瞬时记忆情况平均是：记忆广度：第一节课前：3.50 第三节课后：3.33 第五节课后：3.23 总变化率：-0.077瞬时记忆保存量：第一节课前：8.100 第三节课后：8.000 第五节课后：7.4 总变化率：-0.086学生在封闭的教室里，瞬时记忆平均情况是：记忆广度：第一节课前：4.30 第三节课后：3.70 第五节课后：3.20 总变化率：-0.256瞬时记忆保存量：第一节课前：9.000 第三节课后：8.550 第五节课后：7.275 总变化率：-0.192三次测试呈依次下降趋势，且较明显，说明封闭教室时，学生疲劳感逐渐上升。记忆广度瞬时记忆保存量通风时的平均变化率- 0.077- 0.086不通风状态下的平均变化率- 0.256- 0.192不通风状态与通风时的变化率的对比倍数3.322.23、实验结论。在本次实验的两种环境下（具体指标值见空气质量测试报告），不通风时学生记忆广度下降率约为通风时的2.5倍，瞬时记忆保存量的下降率约为通风时的5.3倍。(三)声光反应时测试报告、实验目的：通过测试学生在不同环境下(即通风的情况下与不通风的情况下)的反应速度，来判定教室空气质量对学生反应时的影响。、实验仪器及简介：a、仪器名称；声光反应时测定仪b、简介：此仪器可用于测定被试者对声音及光刺激作出选择或简单反应的时间及准确性。、实验步骤及分析： 为使实验结果具有一定的代表性，我们在高一、高二中随机抽取了两个班级：高一(1)、高二(5)作为样本班。样本班一的测试情况a、实验准备：在班级一随机选了七名同学(C-1-1、C-1-2、C-1-3、C-1-4、C-1-5、C-1-6、C-1-7)作为被试人。为了使测得的数据更加真实、有效，被试者在测试以前，让他们尽可能地熟练仪器的用法。b、测试时间：1通风状态下：2000/11/29、2000/11/30、2000/12/012不通风状态下：2000/12/13、2000/12/14、2000/12/15 具体时间：每天上午的第一节课前，第三节课后，第五节课后(其中上午共有五节课)c、测试数据表见复印资料12 d、数据处理与分析说明：分别计算每个人的反应速度下降率 (p3-p1)/p1,(p5-p1)/p1。(其中p1、 p3、 p5分别为第一节课前、第三节课后、第五节课后每个样本学生的成绩)。在计算下降率时，之所以要用p1作为“基准”，主要是在第一节课前，各学生所处的周围环境(包括室内环境、室外环境)基本相同。得出每个人的反应速度下降率后，计算每个人连续三天的平均下降率，然后比较在通风和不通风状态下反应速度下降率。根据测试记录数据处理列表如下：高一(1)反应速度下降率处理表格样本学生通风不通风第三节课后下降率第五节课后下降率第三节课后下降率第五节课后下降率声光声光声光声光C-1-10.0330.038-0.085-0.0120.1620.1360.0710.076C-1-20.1400.0050.1970.0410.2890.0340.2000.052C-1-30.0680.0510.1810.1950.2650.0420.3150.104C-1-40.0620.0170.1690.0360.2050.0550.1550.147C-1-5-0.1010.051-0.0310.1370.0310.0810.1140.119C-1-60.1080.1730.2100.1160.3850.0630.1920.128C-1-70.0120.0190.0600.0550.005-0.0150.1960.072平均总下降率0.0460.0500.1000 .0810.1920.0570.1780.100(注：12/13由于被试者C-1-5、C-1-6身体不适，没有进行测量，所以在计算11/29、12/13及12/01三天的平均下降率时，只取了后两天的下降率。)分析：p1、P3、P5的值越大，其反应速度越慢；当下降率(p3-p1)/p1、(p5-p1)/p1的值为正值时，表明反应速度有所下降，正的值越大，则表明下降越快。从每个样本学生在通风与不通风状态下反应速度的下降率对比中，可以看出，不通风时要比通风状态时反应速度的下降幅度大。(这可能是由于不通风时的空气质量比通风时的空气质量差的原因。)为了具体说明不通风时比通风时反应速度的下降率，可粗略地估算：不通风时反应速度的下降速度约为通风时的(0.192+0.057+0.178+0.100)/(0.046+0.050+0.100+0.081)=2倍。说明：用此方法，通过计算每个人的反应速度下降率来对比分析，使数据变得更加有效、可靠。另外，主试者认为，在班级一测得的数据并不是很理想，其主要原因是，被试者并没有很好地配合好此次实验。(由于所选取的高一1班学生都是成绩相当优秀的学生，学生会在反应速度成绩上互相“攀比”，而给自己造成了不必要的心理压力，使得自己的测试成绩受到影响。)高二（5）的测试情况、实验准备：在班级二随机选了六名同学(C-2-1、C-2-2、C-2-3、C-2-4、C-2-5、C-2-6)作为被试人。为了使测得的数据更加真实、有效，被试者在测试以前，让他们尽可能地熟练仪器的用法。、测试时间：1 通风状态下：2000/11/22、2000/11/23、2000/11/242不通风状态下：2000/12/27、2000/12/28、2000/12/29 具体时间：每天上午的第一节课前，第三节课后，第五节课后(其中上午共有五节课)、测试数据表见复印资料12、数据处理与分析说明：高二(5)反应速度下降率处理表格样本学生通风不通风第三节课后下降率第五节课后下降率第三节课后下降率第五节课后下降率声光声光声光声光C-2-10.0520.2210.1000.1540.0640.096-0.0970.039C-2-20.0200.0710.0400.2140.0360.2580.0050.321C-2-30.0160.080-0.0590.041-0.0350.1330.1930.167C-2-4-0.1-0.008-0.1110.0590.0460.0170.1350.158C-2-50.0210.1610.0110.3180.0700.2230.0240.185C-2-6-0.0440.0070.0170.0110.0430.1680.1260.183C-2-70.0930.077-0.0640.1160.0890.138-0.0990.145平均总下降率0.0080.087-0.0090.1310.0450.1480.0410.171分析：由上表可以看出，不通风时比通风状态时反应速度的下降幅度大得多。同样，可粗略地估算：不通风时反应速度的下降速度约为通风时的(0.045+0.148+0.041+0.171)/(0.008+0.087-0.009+0.131)=1.7倍。、实验结论：通过此次实验可以看出，教室室内的空气质量影响人的反应速度。在不通风时时，由于空气质量变差，学生的反应速度下降的幅度也相应变大了。(不通风时的下降速度约为通风时的2倍)(四)注意力集中程度测试报告、实验目的通过测定学生在不同环境下的注意力集中能力，来判定外界环境对注意力集中能力的影响。、实验器材及简介实验器材名称：注意力集中能力测试仪(北京大学仪器厂)使用方法：仪器上有转动的光斑。被测者用测试棒追踪测试目标，且尽量将测试棒放于三角形光斑上。转动速度越快，难度越大。仪器自动记下错误次数。、实验步骤我们随机选取了一个实验班：高二（5）高二（5）班的测试情况 首先我们随机选取了五位同学(为保密起见，记为D-1-1，D-1-2，D-1-3，D-1-4，D-1-5)然后我们分别在开门开窗通风和开门开窗通风关门关窗不通风的环境下，在第一节课前，第三节课后，第五节课后对以上七位同学进行了测试。其中D-1-2在测试时生病，D-1-1也有些难受，导致数据不准，故将其排除。测试表格见复印资料13.数据分析 公式：(p3-p1)/p1,(p5-p1)/p1(其中p1为第五节课后数据，p3为第三节课后数据，p5为第五节课后数据。) (具体数据见复印资料14) 第一天第二天第三天通风时错误次数最大增加率-0.647-0.440-0.570不通风时错误次数最大增加率-0.461-0.333-0.440不通风时比通风时错误次数增加率加大了0.29倍0.23倍0.23倍分析：由于学习的影响使错误次数减少，增加率变小；由于空气质量下降使错误次数增加，增加率变大，所以，增加率越大，注意力集中程度下降越大。不通风时比通风时，由于空气质量的原因使错误次数增加率分别加大了0.29倍，0.23倍, 0.23倍，平均加大0.25倍。即不通风时的注意力集中程度下降速度约为通风时的(1+0.25=)1.25倍、结论在本次实验的两种环境下（具体指标值见空气质量测试报告），不通风时的注意力集中程度下降速度约为通风时的1.25倍第三部分、研究结论及讨论（一）结论：教室空气质量对学生疲劳有直接影响. 在不通风时两个样本班教室二氧化碳含量高出通风时的二氧化碳含量约4倍时：、不通风时学生视敏度下降速度约为通风时的1.5倍、不通风时学生记忆广度下降速度约为通风时的3倍、不通风时反应速度的下降速度约为通风时的2倍、不通风时的注意力集中程度下降速度约为通风时的1.25倍。（二）讨论：、本实验在空气质量测试时，还忽略了一些其他可能会影响人体的气体，如： SO2、甲醛、氡和人体新陈代谢物等。此外，室内的垂直温差、水平温差若过大(大于3C)，也会影响人的身心健康。类似这些物理量在本实验中均未涉及到。 、教室空气质量与学生疲劳程度的具体函数关系尚未得到，可进一步研究、学生疲劳指标的选定与相关测试方法还可改进。、提高教室空气质量的最为有效的方法还可进一步探讨。第四部分、建议（一） 在教室安装排气扇进行换气可大大改善教室内的空气质量。只要在每节课后开排气扇换气11-15分钟，即可达到很好的动态改善效果。若在开排气扇的同时打开门，只需2-5分钟，即可使空气质量动态得到改善。为确保抽气效果，建议每节课间至少打开门和排气扇分钟换气，最好整个课间均开门抽气。（二） 冬季用排气扇排风时，会使教室内的空气温度有所下降。为了在改善空气质量的同时达到保温的效果，建议学校使用保温型排气扇。（三） 在课间，应尽量让学生在室外活动。（四） 由于在本实验的条件下（人均占有面积1.48平方米/人），样本班的空气质量严重超标，所以教室标准的人均占有面积不应低于此标准。如低于此标准，应采取改善措施，建议使用排气扇。（五） 在室内养植花草，营造一个良好的“小气候”。（六） 用活性炭吸附方法改善室内空气质量。（用此方法活性炭可以除去空气中的部分有异味的气体，如：氨、硫化物、氮化物等，还可以达到细菌净化的效果。）（七） 在室内保持合理的温湿度。（冬季可在暖气片上放一水槽或采用“湿式扫除法”。） 第五部分、致谢本专题研究工作除了得益于周庆林、王金海教师的悉心指导外，还先后得到陈志远高级工程师(中国环境科学学会秘书长)、胡敏博士(北京大学环境科学中心研究员)、郭新彪教授(北京大学医学部劳动卫生环境卫生系主任)、汪彤副研究员(北京市劳动保护科学研究所评价中心主任)、王文忠博士(中科院心理所研究员)、中央教科所教育心理研究室主任余国良教授、教育环境研究室主任田慧生研究员和北京大学心理系朱莹教授等专家的指导与帮助。在此表示衷心的感谢!并对北京大学仪器厂和北京市劳动保护科学研究所分别无偿提供疲劳测试仪器和空气质量测试仪器，还不断派有关专家到现场指导测试和维修仪器设备，以及对北大附中高一（1）班和高二（5）班全体同学及任课教师、班主任、年级组的积极协调配合，所做出的努力，也一并表示诚挚的谢意!第六部分、参考文献（略） 下面我将这篇实验报告的大小栏目的标题抽出来，再看就可知实验报告的一般格式了。请看：冬季教室空气质量对学生疲劳的影响 北大附中高二 戴欢欢 申得民 岳巍关键词：冬季教室、空气质量、学生疲劳、影响第一部分、摘要第二部分.实验实验一： 空气质量测试报告（一）测试原理：（二）测试数据表格及分析（三）结论实验二：学生疲劳测试报告（二） 视敏度测试报告、实验目的：、实验原理： 、实验方法：、数据表格：(原始资料略)、数据分析： 、实验结论：（二）瞬时记忆测试报告、实验目的： 、实验原理： 、实验仪器：、实验方法: 、数据及数据分析： 、实验结论。(三)声光反应时测试报告、实验目的：、实验仪器及简介： 、实验步骤及分析： 分析： 、实验结论： (四)注意力集中程度测试报告、实验目的、实验器材及简介、实验步骤.数据分析、结论第三部分、研究结论及讨论（一