Применение светодиодных светильников в образовательных учреждениях

Световая среда в образовательном учреждении – один из факторов риска развития заболеваний у детей и подростков, в первую очередь, миопии. В настоящее время появилась возможность организации общего освещения в классах с помощью светодиодных ИC. В представленной работе проведена сравнительная гигиеническая оценка влияния условий освещения люминесцентными и светодиодными лампами на функциональное состояние организма и состояние зрительного анализатора школьников 4–11 классов.

Интенсификация образовательного процесса и несоответствующие гигиеническим требованиям условия внутри школьной среды приводят к снижению показателей здоровья детей и подростков за годы учебы. К концу обучения у школьников проявляются функциональные нарушения сердечно-сосудистой системы (ССС) и центральной нервной системы ухудшаются показатели физического развития, растёт общая заболеваемость, обостряются хронические заболевания, сокращаются адаптационные резервы организма.

Огромное значение среди факторов внутри школьной среды имеет освещение учебных классов. Действительно, наиболее загруженный анализатор, обеспечивающий приём школьниками информации на уроке, – зрительный.

Совершенствование световой среды в школах на современном этапе направлено на поиск оптимальных решений по созданию ОУ общего и местного освещения, поддерживающих зрительную систему и общее состояние организма детей и подростков на должном уровне.
В настоящее время технически возможна организация общего освещения с помощью светодиодных ИС. Помимо уже известной экономии электроэнергии, такие ИС обладают ещё целым рядом полезных качеств и свойств, что подтверждается и данными собственных исследований.
Можно было предположить, что ОУ со светодиодными ИС в школах могут оказывать положительное влияние на зрительный анализатор школьников, обеспечивать их более высокую работоспособность и меньшее утомление при реализации образовательных процессов.
В соответствии с этим задачей данного исследования являлся сравнительный анализ влияния освещения ЛЛ (ОС ЛЛ) и светодиодными ИС (ОС СД) учебных кабинетов на изменения функционального состояния систем детского организма и состояния зрительного анализатора учащихся общеобразовательной школы в широком возрастном диапазоне в процессе их обучения.
Сравнительная оценка воздействия на организм учащихся общего искусственного освещения с ЛЛ и светодиодными ИС была проведена при условии, что и в том и в другом случаях соблюдались нормативные требования к освещению учебных помещений: уровень освещённости – 400 лк; коэффициент пульсации – не более 10%; показатель дискомфорта – не более 15 у.е. При этом коррелированная цветовая температура (КЦТ) составляла в обоих случаях 4500 К.

Светораспределение светильников с ЛЛ и со светодиодными ИС было практически одинаковым (рис. 1). 

            Рис. 1. Светораспределение использовавшихся в работе светильников с люминесцентными (а) и светодиодными (б) ИС и относительные спектры излучения этих ИС (в)

Исследования проводились в естественных условиях на базе ГОУ Центр образования «Феникс» № 1666 г. Москвы. Под наблюдением находилось 370 учащихся 4–11 классов (16 классных коллективов). Общий объём выходных показателей настоящих исследований превысил 10000.
Исследовательский коллектив состоял из гигиенистов, психофизиологов, офтальмологов-педиатров, а также врачей диагностической клинической медицины.
Для изучения влияния традиционных и инновационных искусственных ИС в ходе учебного процесса проводилась оценка динамики функционального состояния организма школьников по показателям тех функциональных систем, которые получают наибольшую нагрузку в процессе учебной деятельности [3, 4]. Для этого применялся комплекс гигиенических, психофизиологических методов исследования, проводилась оценка функционального состояния организма учащихся и диагностика зрения [1, 4, 7–9]. Офтальмологи-педиатры проводили диагностику зрения учащихся, которая включала скрининговые тесты определения остроты зрения, цветового зрения, аккомодации и клинической рефракции. Полученные результаты обобщались с помощью статистических методов обработки данных эксперимента.

Табл.1 Состав процедур обследования

В табл. 1 представлен комплекс тестирующих методов и время реализации блока обследования до и после функциональной нагрузки, определяемой учебным процессом.

В отличие от учащихся начальных классов, которые на протяжении всего учебного дня занимались в закреплённом за ними учебном кабинете, оборудованном светильниками со светодиодными ИС, обучение учащихся 5–11 классов на фоне ОС СД проводилось только на отдельных уроках в кабинете информатики, как с использованием, так и без использования компьютерной техники.
Для оценки функциональных резервов ССС использовались показатели систолическое артериальное давление (САД), диастолическое артериальное давление (ДАД) и индекс «двойное произведение» (ИДП) [9].
ИДП, являясь одним из основных показателей комплексной оценки физического (соматического) здоровья, рекомендуется в качестве критерия функционального состояния при проведении профилактических медицинских осмотров школьников [8] и рассчитывается по формуле
ИДП в покое = (ЧСС ´ <САД>) / 100,
где ЧСС – частота сердечных сокращений (мин-1), <САД> – среднее значение CАД (мм рт. ст.) при трёхкратном измерении. Чем ниже ИДП в покое, тем выше максимальные аэробные возможности и уровень соматического здоровья. Определение ИДП проводилось в начале и конце каждого эксперимента. Проведён также анализ динамики ИДП по данным мониторирования АД и ЧСС, что позволяет оценивать функциональные резервы ССС во время проведения эксперимента.
Комплекс методов (табл. 1) в начальной школе был дополнен анкетированием учащихся 4-го класса на предмет жалоб неврозоподобного характера, как одного из показателей адекватности условий школьного обучения функциональным возможностям детей.
Первая часть исследований заключалась в определении ответной реакции организма школьников на учебный процесс в условиях ОС ЛЛ.
Во второй части исследований ОС ЛЛ заменялось на ОС СД, реализованное с помощью светильников ЗАО «Оптоган». Измеряемый объективными методами коэффициент пульсации светового потока в первом случае составил 2,5%, во втором – 0,5%.
Методический арсенал исследований второго этапа был дополнен, опросом школьников и учителей об их субъективном восприятии новых искусственных ИС.
Сравнительный анализ умственной работоспособности (УР) выявил её более высокий её уровень при ОС СД. Так, у четвероклассников увеличилась скорость и улучшилось качество выполнения корректурных заданий. Они успевали просмотреть существенно больше знаков (255,1±4,4 против 229,9±5,0, р<0,001), делая при этом меньше ошибок (3,83±0,13 против 5,69±0,14, р<0,001), что свидетельствовало об улучшении функционирования центральной нервной системы (ЦНС) при переходе на ОС СД.
При ОС СД показатель скорости корректурной работы от начала к концу занятия у учащихся 5–11 классов существенно не менялся, а точность, хотя и снижалась, но меньше, чем при ОС ЛЛ. Так, при последнем число ошибок в тестах по сравнению с таковым до занятия возрастало на 36% (7,47 против 5,46), тогда как приОС СД школьники делали в тестах лишь на 14% больше ошибок, чем до урока (5,23 против 4,59). При традиционном освещении интегральный показатель работоспособности, учитывающий одновременно скорость и точность выполнения корректурного теста учеником, за урок снижался в 2,8 раза: с 1,32 до 0,47 у.е., и после урока был ниже минимально допустимого (1,0). При ОС СД этот показатель хотя и несколько снижался от начала к концу занятий (на 1/3), но оставался выше минимально допустимого.

Следует отметить, что частота распространённости неблагоприятных изменений УР, отражающих явное и выраженное утомление, в условиях ОС СД, существенно не менялась. Так, если при ОС ЛЛ эта величина несколько превышала условную норму (30,0%), то при ОС СД подобные изменения УР встречались реже, т.е. их доля не превышала популяционных значений (рис. 2).

Рис. 2. Частота случаев сильного и выраженного утомления (по шкале С.М. Громбаха) при определении умственной работоспособности (УР), %: ПП – по результатам популяционных исследований, ОС ЛЛ – при освещении люминес-центными лампами, ОС СД – при освещении светодиодными ИС

Для наглядности повышения степени сложности умственной работы при переходе с ОС СД на ОС ЛЛ было целесообразно представить полученные результаты в цвете, приняв отрицательную динамику в 20% и более за «– –», до 20% за «–», отсутствие изменений (от –5% до +5%) за «+», а выраженные позитивные сдвиги за «++» (рис. 3). При этом цветовая информация убедительно показывает, насколько труднее даётся обучение в условиях ОС ЛЛ по сравнению с ОС СД, что особенно проявляется при работе с компьютером.

                    Рис. 3. Сравнительный анализ УР учащихся 4–11 классов при обучении в условиях освеще-ния люминесцентными лампами (ОС ЛЛ) и светодиодными ИС (ОС СД)

Показатель критической частоты слияния световых мельканий (КЧСМ) даёт представление не только о функциональном состоянии зрительного анализатора, но и подвижности нервных процессов в корковом отделе зрительного анализатора. Слияние мельканий при меньшей частоте импульсов свидетельствует об ухудшении функционального состояния коркового звена.
При анализе характера индивидуальных изменений показателя КЧСМ было выявлено, что при традиционном обучении от начала к концу учебного дня происходит снижение, т.е. ухудшение, этого показателя. При ОС СД значения этого показателя в течение учебного дня оказались более стабильными. Анализ индивидуальных изменений показателя КЧСМ свидетельствует о достоверном более выраженном благотворном воздействии ОС СД на зрение учащихся по сравнению с ОС ЛЛ (рис. 4).

        Рис. 4. Характер индивидуальных изменений показателя КЧСМ учащихся в динамике дня, %, при освещении люминесцентными лампами (ОС ЛЛ) и светодиодными ИС (ОС СД)

В работе зрительного анализатора одну из ведущих функций выполняет аккомодационный аппарат. Процесс аккомодации – механизм оптической установки глаза к любому расстоянию – обеспечивается в основном цилиарной мышцей, которая регулирует степень увеличения выпуклости и преломляющей силы хрусталика. Оценка аккомодационной способности глаза и её динамики от начала к концу урока проводилась на основе вычисления коэффициента утомляемости (КУ) аккомодационного аппарата глаза.
Исследование аккомодационной способности зрительного анализатора четвероклассников не выявило чёткой зависимости от вида освещения в учебном помещении.
КУ был отрицательным у учащихся 5–6 классов и при ОС ЛЛ, и при ОС СД, что свидетельствовало об улучшении функционирования аккомодационного аппарата глаза. Средние значения КУ аккомодационного аппарата у учащихся 7–11 классов были положительными при ОС ЛЛ, хотя и были невысоки. КУ приОС СД в этих коллективах стал отрицательным, особенно у подростков 9–11 классов: -11,4%, что можно рассматривать как свидетельство о достаточном запасе прочности объёма аккомодации (рис. 5).

Рис. 5. Объёмы аккомодации, диоптр., при освещении люминесцентными лампами (ОС ЛЛ) и светодиодными ИС (ОС СД)

Известно, что свет влияет как на физическое состояние человека, так и на настроение. Воздействуя через адекватный рецептор – орган зрения, он вызывает импульсы, распространяющиеся по зрительному нерву до оптической области больших полушарий головного мозга, возбуждает или угнетает центральную нервную систему, перестраивая физиологические и психические реакции, изменяя общий тонус организма, поддерживая деятельное состояние. Поэтому в наших исследованиях было уделено внимание тому, как изменяется психоэмоциональное состояние детей при использовании ОС СД в учебном помещении.
При переходе с одного вида освещения на другой не было выявлено ухудшения эмоционального состояния учащихся от начала к концу учебного дня. ПриОС ЛЛ число комфортных (уравновешенных, спокойных) эмоциональных состояний в коллективе учащихся к концу учебного дня несколько возрастало (с 16,8 до 20,6%), а дискомфортных – снижалось на уровне тенденции (с 29,9 до 25,7%).
При ОС СД характеристика эмоционального состояния учащихся оказалась более благоприятной: распространённость уравновешенных эмоциональных состояний у четвероклассников к концу учебного дня возрастала в 2 раза (с 14,8 до уроков до 31,5% после уроков, р<0,01), а число дискомфортных – достоверно уменьшалось: с 39,8 до 26,8%, р<0,05.
Эти данные очень хорошо согласуются с результатами, полученными в ходе изучения жалоб неврозоподобного характера у учащихся при использовании разных искусственных ИС в учебном помещении.
Сравнительный анализ показал, что при организации учебного процесса с использованием светодиодных ИС происходило снижение числа детей, предъявляющих жалобы – либо достоверное, либо на уровне тенденции (табл. 2).

Табл. 2 Распространённость жалоб неврозоподобного характера у учащихся начальной школы при двух видах освещении, % 

Проведён сравнительный анализ основных показателей ССС у мальчиков и девочек, учащихся 5–7 и 8–10 классов в начале и в конце нагрузки.
При ОС ЛЛ у школьников в конце нагрузки регистрируется увеличение значений САД и ДАД, которое среди учащихся 5–7 классов более выражено у девочек (со 112,6 до 120,6 мм рт.ст.), тогда как в 8–10 классах – у мальчиков (со 118,9 до 126,2 мм рт.ст.), что могло свидетельствовать об усилении симпатических влияний к окончанию эксперимента.ПриОС СД в конце нагрузки значения САД и ДАД у мальчиков и девочек, учащихся 5–7 и 8–10 классов, оставались практически на начальном уровне.
К окончанию нагрузки у учащихся 5–7 классов и при ОС ЛЛ, и при ОС СД снижался ИДП. Наиболее выраженное снижение отмечено у девочек при ОС СД – на 11 у.е. (с 86,2 до 75,2 у.е., р<0,05). Среди учащихся 8–10 классов снижение этого показателя после нагрузки отмечалось только в условиях ОС СД. У мальчиков ИДП снижался на 7,1 у.е., а у девочек – на 6,1 у.е. При этом уменьшение ИДП связывают с улучшением аэробных возможностей организма (рис. 6).

Рис. 6. Динамика ИДП, у.е., до и после предъявления учебного материала при освещении люминесцентными лампами (ОС ЛЛ) и светодиодными ИС (ОС СД)

Психоэмоциональное состояние учащихся 5–6 классов за урок при ОС ЛЛ практически не менялось, а на занятиях при ОС СД эмоциональное состояние школьников от начала к концу занятия улучшалось. Об этом свидетельствовали следующие данные: число дискомфортных, тревожных проявлений в эмоциональной сфере в коллективе до урока встречалось в 30,4% случаев, а после занятия – в 18,5% случаев, р<0,01. Число уравновешенных, спокойных эмоциональных состояний среди учащихся увеличилось с 16,0% в начале урока до 29,0% после него (p<0,01).
Эмоциональное состояние учащихся 7–8 классов, занимающихся в кабинете со светодиодным освещением, существенно не изменилось. Однако после занятия при люминесцентном освещении у школьников чаще регистрировались дискомфортные состояния, чем при светодиодном (44,2 и 23,0% соответственно, p<0,001). 

Для подростков 9–11 классов характерна следующая динамика: при ОС ЛЛ характер эмоционального состояния у них от начала к концу занятия существенно не менялся, а при ОС СД в коллективах этих классов достоверно чаще после занятия регистрировалось уравновешенное, спокойное эмоциональное состояние (42,5 против 30,7% в начале занятия, р<0,01) из-за незначительного снижения дискомфортных эмоциональных проявлений и существенного снижения радостных проявлений в эмоциональной сфере подростков: с 42,1 до 32,9%, р<0,05. Это может быть связано с тем, что учебные занятия приОС СД способствовали координации процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга.
Результаты изучения эмоционального состояния учащихся совпали с результатами изучения субъективного восприятии новых искусственных ИС школьниками и педагогами. На вопрос «Нравится ли Вам новое освещение? Если «да» то почему?» 95% опрошенных учащихся 5–6 классов ответили утвердительно и объяснили это тем, что «не режет глаза», можно «спокойно смотреть на свет». 5% детей не определились с ответом. Среди респондентов 7–11 классов 80–90% положительно оценили новое освещение, остальные перемены освещения не заметили.

На основании полученных данных можно заключить следующее:

• При сравнительном анализе состояния зрения, умственной работоспособности и психоэмоционального состояния учащихся начальных, средних и старших классов при обучении в условиях ОС ЛЛ и ОС СД, соответствующих нормативным требованиям, выявлено, что физиологическая стоимость школьного образования при ОС СД в учебных помещениях ниже, чем при ОС ЛЛ.
  
• При ОС СД наблюдаются более высокие количественные и качественные показатели УР у учащихся начальных классов, а у учащихся 5–11 классов не только это (плюс больший интегральный показатель УР), но и значительно меньшая (в 2–2,5 раза) распространённость случаев явного и выраженного утомления.
  
• Функциональное состояние зрения учащихся, независимо от возраста, при тождественной образовательной нагрузке на фоне ОС СД отличалось большей стабильностью, чем при ОС ЛЛ: динамика показателей интегрального состояния зрения (КЧСМ) под воздействием образовательной нагрузки отсутствовала или имела положительную направленность; функциональное состояние аккомодационного аппарата глаза у школьников 5–11 классов улучшалось.
  
• Учебная нагрузка у школьников ведёт к повышению САД и ДАД и напряжения регуляторных механизмов организма во всех половозрастных группах, что свидетельствует об усилении симпатических влияний, которое наиболее выражено у девочек 5–7 классов и мальчиков 8–10 классов. ПриОС СД в отличие от ОС ЛЛ, к окончанию нагрузки отмечено снижение ЧСС, пульсового давления (САД – ДАД), ИДП, что характеризует высокие резервные возможности организма в данных условиях.
  
• ОС СД способствует оптимизации психоэмоционального состояния школьников. При этом у большинства школьников в процессе занятий отмечается меньшая распространённость дискомфортных эмоциональных состояний, чем при ОС ЛЛ, а у младших школьников – и меньшая распространённость жалоб неврозоподобного характера.
  
• Субъективная оценка условий освещения новыми искусственными ИС – светодиодными – свидетельствует о том, что большинство участников образовательного процесса (учащиеся и педагоги) оценивают их как комфортные.
  
• Комплексная оценка состояния зрения и УР учащихся 5–11 классов при работе с компьютерами показала, что светодиодная световая среда эффективно снижает негативное воздействие от компьютерной нагрузки по сравнению с люминесцентной.
  

Таким образом, в настоящих исследованиях выявлено преимущество ОС СД в учебных помещениях образовательных учреждений, заключающееся в создании сравнительно более благоприятной световой среды для зрительной и умственной работы учащихся разного возраста, их психофизиологического и функционального состояния. Полученные данные позволяют рекомендовать использование светильников со светодиодными ИС для общего и местного освещения в образовательных учреждениях.