校园窗景的修复作用：来自一项正交实验的证据

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Restorative Benefits of Campus Window Views: Evidence from an Orthogonal Experiment

　　摘要：校园中的窗户视野可以迅速缓解由学术和日常生活引起的心理生理压力，从而改善大学生在校体验。本研究采用正交实验设计来识别最佳的窗户视野组合，以中国北方的一所大学校园作为实证背景。通过使用简化版修复量表（Short-Version Revised Restoration Scale）和生理指标（包括心电图和皮肤电活动）来测量反应。泛加性混合效应模型（Generalized Additive Mixed Effects）被用来识别窗户视野特征与恢复效益之间的非线性关系，从而确定最佳恢复的定量阈值。研究结果表明：(1) 地板高度和视野角度对所有恢复指标的影响最大，其次是季节，而环境类型的影响相对较小；夏季和秋季从较高楼层观看稻田景观时恢复效益最高。(2) 在特定的定量区间内观察到最佳恢复效益：分形维数（Fractal Dimension）为1.63–1.66，自然度指数（Naturalness Index）为1.25–1.43，绿色视野指数（Green View Index）为0.46–0.51。(3) 随着视觉开放度的增加（通过天空视野指数和单眼深度估计衡量），恢复效益也会提高。(4) 色彩系统比例（Color System Proportion，CSP）对恢复效益有显著影响；当视野中CSP橙色的比例超过16%-24%时，恢复效益显著下降，而CSP黄色比例在20%-29%和CSP钴色比例在49%-61%时更有利于心理生理恢复。本研究提供了关于各种因素和视野特征如何影响恢复效益的见解，并为设计恢复性的校园景观提供了定量阈值参考。

引言：近年来，大学生的心理健康问题日益严重，抑郁和焦虑症状呈上升趋势[1]。面对日益复杂的学术要求和就业挑战，学生必须持续集中注意力，这导致注意力疲劳[2]，进而降低学习效率并产生更多负面情绪[3]。注意力恢复理论（Attention Restoration Theory, ART）和压力恢复理论（Stress Recovery Theory, SRT）提出，自然环境是恢复集中注意力和缓解心理生理压力的有效途径[2,4]。校园绿地是大学生主要的恢复环境[5]，在缓解焦虑[6]和恢复注意力[7]方面发挥着关键作用。然而，在高强度学术任务和户外活动受限的情况下，学生难以频繁接触户外绿地[8]。通过校园窗户视野与绿地进行视觉接触被视为一种可行的替代方式。作为连接室内建筑环境和户外自然的视觉媒介[9]，窗户视野使学生无需离开学习场所就能通过短暂的视觉接触获得自然景观的恢复效益[10,11]。自20世纪80年代以来，窗户视野的恢复健康效益已在多种场景中得到验证，如医疗康复环境[4,12]、高密度城市住宅[13,14]和办公空间[15]。大量实证研究探讨了影响窗户视野恢复效益的因素，包括地板高度[16]、视野角度[17]和窗框[18]。研究结果支持自然元素丰富的户外环境在缓解心理压力[19]、降低生理唤醒[20]和增强主观幸福感方面的积极作用。然而，关于窗户视野恢复效益仍有不确定性，主要体现在两个方面：首先，现有研究大多局限于考察单一因素，忽视了环境背景中的协同效应以及窗户的中介作用；尽管研究证实通过窗户观看室外风景可以改善身心状况，但尚不清楚哪种类型的风景配置最有利于恢复[21]。此外，环境本身会随季节变化，从而改变人们对窗户视野的偏好[22]。作为中介空间元素，窗户提供了人们在不同楼层和不同视野角度观察外部环境的空间背景。关于观察的地板高度，虽然一些研究表明较高楼层可以显著增强恢复效果[16]，但后续研究并未始终支持这一观点[23]。从视角角度来看，以往研究主要集中在水平视野角度，而最新研究表明，鸟瞰视角可以提供全景视野，从而提高感知恢复效果[17,24]，这符合人类进化心理中对广阔视野和安全感的需求[25]。这些现象表明，现有研究可能忽略了校园环境类型[26]、地板高度[16]、视野角度[24]和季节变化[22]的综合作用。其次，尽管研究证实窗户视野的恢复效益取决于这些视野的特征[27]，但在多种因素组合下的最佳恢复范围仍不明确。窗户视野是通过窗户物理参数投影出的环境背景的视觉表现。视野特征如视觉复杂性[28]、自然度[29]、开放度[30]和颜色属性[31]能够有效预测环境偏好[30]、解释感知评价[32]，并影响生理[33]和心理[34]恢复。几种相关理论解释了这些视野特征促进身心恢复的原因。环境偏好与恢复理论认为适度的视觉复杂性可以激发探索欲望并促进身心恢复[35]。亲生理论（Biophilia Hypothesis）认为自然环境能带来健康益处[36]。这些视野特征的量化算法已经趋于成熟，形成了一个相对全面的多维定量分析框架[28]，但不同研究对视野特征的最佳效益阈值仍存在差异[29]。这种不一致性可能源于现有研究主要局限于单向分析，忽视了窗户（视野角度、地板高度）介导的环境背景（环境类型、季节）与观察者之间的系统交互关系。例如，不同的环境背景和不同楼层（通过窗户介导的观察）可能会影响窗户视野的特征，如复杂性，这些特征又可能影响观察者的心理和生理健康。显然，以往研究忽略了环境背景（环境类型、季节）与窗户视野中介因素（地板高度、视野角度）组合对个体体验的协同效应。因此，将环境、窗户和观察者这三个元素整合到一个统一的研究框架中，系统探索校园窗户视野促进身心恢复的机制是重要的。单独测试所有可能的组合是不切实际的；然而，正交实验设计（Orthogonal Experimental Design, OED）通过操纵这些组合并将其与受试者联系起来，弥补了这一局限性。

现有研究主要使用两种方法来量化身心恢复效益：主观感知评估[37,38]和生理信号监测[39,40]。这两种方法基于两种经典理论：ART关注环境对心理认知的恢复作用[2]；SRT强调环境缓解心理和生理压力的能力[4]。在主观评估方面，中文简化版简化版修复量表（SRRS）[41]由韩在2003年修订，基于ART和SRT，能够可靠有效地量化环境的多维度身心恢复效应[37]。对于生理指标，可以使用心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）和皮肤电活动（Electrodermal Activity, EDA）等客观指标，结合无创监测技术[8]，实时反映个体对窗户视野刺激的反应[31]。然而，大多数研究基于群体平均效应和线性关系的假设，既没有充分考虑不同群体之间恢复效应的个体差异[28]，也无法捕捉窗户视野特征与恢复效益之间可能存在的复杂非线性关系。泛加性混合模型（GAMMs）可以纳入个体随机截距，分析窗户视野特征对恢复效益的潜在非线性影响，同时有效控制参与者之间的稳定基线差异[42]。为了填补这些研究空白，本研究使用OED分析了各种因素组合的效果，并识别出最佳的窗户视野组合，同时平衡了样本的代表性和实验可行性[43]。同时，采用GAMM结合固定效应和随机效应的优势，捕捉不同影响因素组合下视野特征对身心压力恢复的潜在非线性趋势。本研究开发了一个两阶段分析路径，包括“窗户视野组合筛选”和“视野特征分析”，从而将环境、窗户和观察者整合到一个统一的研究框架中。该路径综合考虑了多个维度，包括环境类型、季节、地板高度、视野角度和视野特征阈值，旨在回答以下研究问题：RQ1：环境类型、季节、地板高度和视野角度在多大程度上影响窗户视野的心理生理恢复效益？RQ2：如何最优组合这些因素以最大化窗户视野的心理生理恢复效益？RQ3：多重因素组合产生的窗户视野特征如何对心理生理恢复效益产生非线性影响？RQ4：最大化心理生理恢复效益的窗户视野特征的具体最佳阈值范围是什么？

**影响窗户视野的因素选择**：本研究选取沈阳建筑大学的教学区作为研究对象，旨在系统探讨教学环境中的窗户视野如何缓解学生的学术压力。该大学位于辽宁省沈阳市，具有温带季风气候，四季分明。教学楼主要为五层结构，是北方寒冷城市典型的校园示例。

**心理恢复指标分析**：方差分析（ANOVA）结果显示，环境类型、地板高度、季节和视野角度对SRRS量表的四个维度（情感、生理、认知和行为）及总分均有显著影响（p < 0.001）。范围分析得到的调整后范围R'（R' = R × d，其中d为转换系数）表明各因素的相对重要性在不同维度上略有差异，但总体趋势保持一致（表2）。

**解决RQ1**：正交实验的结果表明，地板高度和视野角度对心理和生理指标的影响最大，其次是季节，环境类型的影响最小。Kruskal-Wallis分析验证了正交实验的结果。心理和生理评估结果高度一致，显示夏季和秋季从高楼层观看稻田景观的恢复效益最高。

**结论**：本研究结合SRRS和生理指标（心电图和皮肤电活动）通过OED筛选和验证了最佳校园窗户视野组合以获得恢复效益。GAMMs用于描述窗户视野特征与恢复效益之间的非线性关系，以确定实现最佳恢复所需的视野特征定量阈值。与现有研究相比，本研究全面考虑了多维度因素。

**作者贡献**：
- 贾凤：撰写-原始草稿、可视化、验证、软件、调查、数据管理、正式分析。
- 阿雁曲：撰写-审阅与编辑、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。
- 孔欣：调查、正式分析、数据管理。
- 马福生：调查、监督。

**资金支持**：国家自然科学基金（32471953）和辽宁省教育厅重点研究项目（LJ212410153073）。

**伦理批准和知情同意声明**：本研究于2024年6月获得沈阳建筑大学学术委员会的伦理批准（编号：2024SJZU-A001）。所有参与者在参与前均提供了书面知情同意，并同意发布其数据。

**利益声明**：作者声明本文在研究、作者身份和/或出版方面不存在潜在的利益冲突。

**数据可用性声明**：数据可根据请求提供。

**作者贡献声明**：
- 贾凤：撰写-原始草稿、可视化、验证、软件、调查、正式分析、数据管理。
- 阿雁曲：撰写-审阅与编辑、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。
- 孔欣：调查、正式分析、数据管理。
- 马福生：监督、调查。

**联系方式**：
贾凤 | 阿雁曲 | 孔欣 | 马福生
沈阳建筑大学建筑与都市规划学院，中国辽宁省沈阳市110168