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Studie: Auswirkung von Licht auf die Leistungsfähigkeit von Schülern

Ob und wie eine biologisch optimierte Klassenzimmerbeleuchtung dazu beitragen kann, den zirkadianen Rhythmus zu stabilisieren und damit die morgendliche Wachheit zu unterstützen, untersuchten OSRAM und das Transferzentrum für Neurowissenschaft und Lernen im November und Dezember 2011 an Schulen in Ulm in einer gemeinsamen Studie. Die Fragestellung: Kann tageslichtähnliche Beleuchtung dazu beitragen, dass Schüler morgens wacher und konzentrierter sind und bei kognitiven Tests besser abschneiden?

Studienzusammenfassung zum Thema Schulbeleuchtung

1. Biologisch optimierte Beleuchtung

Bestimmte Beleuchtungseigenschaften entscheiden darüber, ob unser biologisches System effektiv stimuliert wird. Hierzu zählen: Farbtemperatur, Flächigkeit und Lichtrichtung sowie tageszeitliche Lichtdynamik.

Farbtemperatur
Besonders stark sprechen die „biologischen“ Photorezeptoren auf blaues Licht an. Der Bereich höchster Empfindlichkeit liegt etwa bei einer Wellenlänge von 460 Nanometern. Das bedeutet, dass diese Ganglienzellen der Netzhaut durch Lichtquellen mit hohen Blauanteilen, sprich Lichtquellen hoher Farbtemperatur, besonders wirksam angeregt werden. Geeignet sind dabei kaltweiße Lichtquellen mit einer Farbtemperatur ab 6.500 Kelvin, noch besser mit 8.000 Kelvin oder höher. Grundsätzlich können auch warmweiße Lichtquellen wie Halogenlampen eingesetzt werden. Um eine vergleichbare Wirkung zu erzielen, ist dann aber eine deutlich höhere Beleuchtungsstärke nötig als bei einer kaltweißen Lichtquelle, was wiederum mit einem höheren Energiebedarf und möglicherweise Blendung verbunden ist.

Flächigkeit, Lichtrichtung
Die Photorezeptoren sind im Auge gleichmäßig über die Netzhaut verteilt. Werden möglichst viele Rezeptoren gleichzeitig stimuliert, so ist die Wirkung am stärksten. Dies wird mit einer großflächigen Beleuchtung erreicht. Da die empfindlichsten Rezeptoren außerdem im unteren Bereich der Netzhaut angeordnet sind, regt Licht, das von oben kommt, diese Rezeptoren am besten an. In der freien Natur entspricht dies dem Himmel. In Räumen lässt sich das durch flächige Lichtquellen oder beleuchtete Flächenelemente, wie helle Wände und Decken, erreichen. Dabei sollten die Flächenelemente auch blaue Lichtanteile gut reflektieren.

Tageszeitliche Dynamik
In der Natur sind Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur des Tageslichts durch einen kontinuierlichen, dynamischen Verlauf charakterisiert. Diese tageszeitliche Dynamik muss auch in eine biologisch wirksame Raumbeleuchtung einfließen, um aktive und Ruhephasen des menschlichen Organismus sinnvoll zu unterstützen. Dabei werden in der Praxis Lichtmanagementsysteme eingesetzt, die einen bedarfsgerechten Farbtemperaturverlauf ermöglichen und idealerweise direkte und indirekte Beleuchtung getrennt steuern.

2. Realisierung biologisch optimierter Beleuchtung in der Studie

In der Studie wurden für die Klassenzimmerbeleuchtung abgependelte LED-Leuchten der Firma Siteco (Quadrature II) verwendet. Die Farbtemperatur zur Direktbeleuchtung betrug 4.000 Kelvin. Um zudem die oben geschilderten Anforderungen an eine biologisch wirksame Beleuchtung zu erfüllen, wurde eigens für die Studie ein LED-Modul zur Ausleuchtung der Raumdecke entwickelt (Indirektbeleuchtung) und in das Leuchtensystem integriert. Dabei wird durch die Kombination aus blauen und kaltweißen LED eine sehr hohe Farbtemperatur – ähnlich wie beim Tageslicht – von bis zu 14.000 Kelvin in den Klassenzimmern erreicht. Die eingesetzte Lichtsteuerung erlaubt es außerdem, die Beleuchtungsstärken und Farbtemperaturen dynamisch anzupassen und damit zu jeder Tageszeit dem Rhythmus der inneren Uhr gerecht zu werden.

3. Durchführung der Lichtstudie an Schulen

Zeitraum
Als Studienzeitraum wurde die dunkle Jahreszeit gewählt, denn besonders im Winter fehlt es in den Morgenstunden an ausreichend Licht, das uns fit und wach werden lässt. Die Tests wurden daher im November und Dezember 2011 durchgeführt

Kontrollgruppenvergleich
An der Studie nahmen ein technisches Gymnasium und eine Berufsoberschule mit jeweils zwei Schulklassen teil (insgesamt 68 Schüler/innen, 17 bis 20 Jahre). An jeder Schule wurde in einem Klassenraum (Interventionsraum) das neue, biologisch optimierte Beleuchtungskonzept realisiert. Jeweils ein benachbarter Raum diente als Vergleichsraum. Dort wurde die Beleuchtung unverändert belassen: Rasterleuchten mit T8- und T5-Leuchtstofflampen und einer Farbtemperatur von 3.000 Kelvin bzw. 4.000 Kelvin („Standardbeleuchtung“). Einflüsse des von außen einfallenden Lichts waren im Interventionsraum und Vergleichsraum aufgrund derselben Ausrichtung, Raumgröße und Ausstattung identisch. Auch die Helligkeit der Beleuchtung unterschied sich nicht. Die biologisch optimierte Beleuchtung wurde so eingestellt, dass die Beleuchtungsstärke der Standardbeleuchtung entsprach: 700 Lux horizontale Beleuchtungsstärke auf der Tischoberfläche, 300 Lux vertikale Beleuchtungsstärke gemessen auf Augenhöhe in Blickrichtung Tafel. Interventionsgruppe und Vergleichsgruppe wiesen eine vergleichbare Zusammensetzung bezüglich Vorbildung und Altersstruktur auf.

Standardisierte, psychologische Tests
Um den Einfluss der biologisch optimierten Beleuchtung zu messen, wurden standardisierte, psychologische Tests eingesetzt. Die Aufmerksamkeit der Schüler (Konzentration auf eine gestellte Aufgabe) wurde über den sogenannten d2-Test nach Brickenkamp erfasst. Die Aufgabe besteht darin, innerhalb von 20 Sekunden auf einem Blatt Papier, auf dem mehrere Reihen Buchstaben mit Strichen stehen, in jeder Reihe möglichst viele der mit zwei Strichen markierten „d“ durchzustreichen und dabei weder Auslassungs- noch Verwechslungsfehler zu produzieren. Erhoben wird der Konzentrationsleistungswert (Treffer abzüglich Verwechslungsfehler) und der Fehlerprozentwert. Die kognitive Leistungsgeschwindigkeit, die beschreibt, wie schnell eine Aufgabe gelöst wird, wird außerdem mittels des Zahlenverbindungstests (ZVT) gemessen. Dabei müssen Studienteilnehmer willkürlich angeordnete Zahlen in ihre numerische Reihenfolge bringen. Die Merkfähigkeit wird über eine visuelle und eine verbale Merkfähigkeitsaufgabe (VVM) getestet. Dabei wird den Probanden eine kurze Zeitspanne gewährt, sich Information einzuprägen, um sie dann wiederzugeben. Die Information besteht im ersten Teil aus einer visuell-räumlichen Karte, im zweiten Teil des Tests aus Begriffen, Namen und Zahlen, die in einem Text vorkommen.

Studiendesign
Das Studiendesign, wie im Folgenden beschrieben, war an beiden Schulen identisch. Interventionsgruppe und Vergleichsgruppe wurden an zwei Terminen in einem Abstand von fünf Wochen getestet (Prä-/Post-Messung). Die erste Messung (Prä) fand für alle Teilnehmer unter der üblichen Standardbeleuchtung statt. Direkt nach der ersten Messung wurde im Interventionsraum das neue, biologisch optimierte Licht installiert. Die Interventionsgruppe wurde von da an morgens in mindestens den ersten beiden Unterrichtstunden bei biologisch optimierter Beleuchtung unterrichtet. Nach sechs Wochen unter der neuen Beleuchtung sollte ein Einfluss auf den zirkadianen Rhythmus feststellbar sein: erwartet wird, dass die Schüler, die morgens Zeit unter der neuen Beleuchtung verbracht haben, wacher sind und sich besser konzentrieren können. Um diese Hypothese zu prüfen, wurden beide Gruppen erneut unter Standardbeleuchtung getestet (Post). Wieder wurden genau dieselben standardisierten Tests (d2, ZVT, VVM) eingesetzt.

Effekt durch kurzfristige „Lichtdusche“
Um zu prüfen, ob auch schon eine kurze „Lichtdusche“ zu einer Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit beiträgt, wurde noch ein weiterer Test eingeführt: Bei einem Teil der Schüler, die ausschließlich unter Standardbeleuchtung unterrichtet wurden, wurde der abschließende Test (Post) unter biologisch optimierter Beleuchtung durchgeführt.

4. Ergebnisse der Studie

Die Studie zeigte durchwegs positive Ergebnisse bei den Schülern, die im Klassenzimmer mit biologisch wirksamer Beleuchtung unterrichtet wurden. Der Zuwachs von Aufmerksamkeitsfähigkeit, kognitiver Leistungsgeschwindigkeit und Merkfähigkeit von Interventions- und Vergleichsgruppe wurden direkt miteinander verglichen. Im d2-Test zeigte die Interventionsgruppe signifikant bessere Ergebnisse als ihre Mitschüler in den Vergleichsklassen. Ebenso war der Zuwachs an kognitiver Leistungsgeschwindigkeit signifikant höher. Eine solche Tendenz war auch bei den Merkfähigkeitstests zu beobachten. Außerdem hat sich gezeigt, dass biologisch optimierte Beleuchtung auch bereits kurzfristig wirken kann.

Die Verbesserung durch die Lichtdusche war jedoch nicht so ausgeprägt wie die längerfristigen Effekte, die zu einer lichtbedingten Stabilisierung des zirkadianen Systems führten. Anhand von Schlaftagebüchern, die einige Schüler führten, wurde auch das Schlafverhalten dokumentiert. Die Schüler der Interventionsgruppe haben in Summe genauso viel geschlafen wie die Schüler der Vergleichsgruppe. Allerdings hat sich ihr Schlafrhythmus etwas verlagert: Dadurch, dass sie sich morgens früher fit fühlten, sind sie abends eher schlafen gegangen.

Fazit

Mithilfe biologisch optimierter Beleuchtung lassen sich Aufmerksamkeit und kognitive Leistungsfähigkeit von Schülern steigern. Unter der neuen Beleuchtung, die dem Tageslicht nachempfunden war, zeigten die teilnehmenden Schüler bessere Ergebnisse in standardisierten Tests der Konzentrationsfähigkeit als eine Vergleichsgruppe. Auch die Leistungsgeschwindigkeit nahm deutlich zu. Somit können sich neue Beleuchtungskonzepte, die sich an der Natur orientieren und Licht tageslichtähnliche Eigenschaften in den Innenraum bringen, positiv auf den biologischen Organismus auswirken.

Über die Autorin

Dr. Hannah Helbig ist Biologin und Innovationsmanagerin beim Lichthersteller OSRAM. Dem Themenkomplex „Licht und Lebensqualität“ widmet sie sich aus wissenschaftlicher Perspektive und beschäftigt sich intensiv mit der Lichtwirkung auf den menschlichen Organismus. Ihre Erkenntnisse fließen in die Entwicklung spezieller Lichtkonzepte ein.