Период обучения в школе оказывает существенное влияние на формирование психического и физического здоровья обучающихся, которое зависит от соответствия условий обучения гигиеническим нормативам. Неблагоприятные факторы окружающей среды на фоне увеличения учебной нагрузки истощают резервные возможности организма, что приводит к функциональным отклонениям, нарушениям как психического, так и физического здоровья [1, 2]. При создании благоприятных условий воспитания и обучения одними из важных задач остаются контроль и оздоровление воздушной среды в общеобразовательных учреждениях, определяемой, в частности, показателями параметров микроклимата и содержания углекислого газа (СО₂) [3].

Исследования показали, что длительное пребывание в условиях повышенных концентраций (1000−1500 ррм и более) СО₂ оказывает как острое, так и отсроченное отрицательное влияние на общее самочувствие обучающихся, обусловленное нарушением обменных процессов кровеносной, центральной и дыхательной систем, что выражается в снижении показателей работоспособности и умственной деятельности, повышении утомляемости и низкой сопротивляемости к инфекционным и неинфекционным агентам с ростом числа случаев заболеваний верхних дыхательных путей [4−7].

По данным медиков, у детей, обучающихся в классах с высокой концентрацией СО₂, часто наблюдаются тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит. У детей-астматиков могут возникать приступы астмы [8]. Из-за повышения концентрации СО₂ в школах увеличивается число пропусков уроков учащимися по болезни. Респираторные инфекции и астма являются основными заболеваниями в таких школах. Повышение концентрации СО₂ в классе отрицательно влияет на результаты учебы детей, снижает их работоспособность. Его рассматривают как фактор риска синдрома хронической усталости и роста числа случаев заболеваний верхних дыхательных путей [9−11].

Согласно исследованиям посещаемости учащихся в зависимости от повышения концентрации СО₂ в учебных аудиториях, проведенным более чем в 400 школах в США, повышение концентрации CO₂ до 1000 ppm приводит к снижению посещаемости на 10−20%, а каждые лишние 100 ppm CO₂ снижают годовую посещаемость учеников на 0,2% [12]. Исследования, проведенные в детских дошкольных учреждениях, показали, что увеличение частоты воздухообмена положительно влияет на посещаемость детских садов: сокращение заболеваемости на 12% наблюдается при каждом часовом увеличении показателя кратности воздухообмена [13].

При повышенном содержании СО₂ в воздухе помещений отмечают рост числа жалоб на быстрое утомление, головную боль, выявленные у трети учащихся младших классов школ Белоруссии при концентрации диоксида углерода в учебных классах выше 1500 ppm [14, 15]. Имеются данные, свидетельствующие о снижении концентрации внимания на 30,0% при концентрации СО₂ выше 600–800 ppm, а при концентрациях более 1500 ppm около 80,0% учащихся испытывают чувство усталости [16]. Несоответствующие нормативным параметрам показатели микроклимата также приводят к нарушению самочувствия, обусловленному физиологическими сдвигами в функциональном состоянии органов и систем [17, 18], влияют на течение процессов адаптации у детей в условиях многокомпонентного воздействия факторов среды образовательных организаций [19].

Таким образом, данные многочисленных исследований свидетельствуют об актуальности изучения влияния качества воздушной среды, обусловленной параметрами микроклимата и содержания углекислого газа в закрытых помещениях с длительным пребыванием в них людей и особенно детей, на функциональное состояние и здоровье.

Важно отметить, что в условиях учебных помещений рост концентрации СО₂ коррелирует с накоплением широкого спектра других антропотоксинов, выделяемых человеком в процессе жизнедеятельности, а также веществ, выделяющихся из отделочных материалов, мебели и учебных принадлежностей. Таким образом, СО₂ в данном контексте можно рассматривать как удобный интегральный индикатор (суррогатный маркер) общего уровня антропогенной нагрузки на воздушную среду закрытого помещения. Следовательно, наблюдаемые эффекты на работоспособность и самочувствие с высокой вероятностью обусловлены сочетанным действием комплекса загрязнителей, косвенным показателем которого является концентрация СО₂.

Целью исследования было оценить динамику умственной работоспособности школьников в течение учебного дня в зависимости от фактических параметров микроклимата и концентрации углекислого газа в учебных помещениях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использовали гигиенические, физиологические, аналитические методы исследования.

Измерения фактических показателей микроклимата проводили с помощью разработанного «Инженерно-технического модуля» (сертификат об утверждении типа средств измерений, рег. номер 89313-23) в автоматическом круглосуточном непрерывном режиме в динамике недели. Модуль круглосуточно регистрировал отдельные параметры микроклимата (температуру, относительную влажность воздуха) и концентрацию углекислого газа с фиксацией измеренных значений, с формированием текущих и архивных сводных отчетов, а также с оценкой измерений в сравнении с заданными нормативными диапазонами в форме наглядной визуализации результатов мониторинга.

Измерения проводили в течение недели в двух классах начальной школы, в которых обучались учащиеся 3-го и 4-го классов_. В кабинете, где обучались учащиеся 4-го класса (кабинет 1), обучение осуществлялось в первую смену, а в кабинете, где обучались учащиеся 3 класса (кабинет 2), — во вторую смену (число наблюдений — 673). Критериями оценки показателей микроклимата являлись параметры, соответствующие требованиям действующих нормативных документов (СП 2.4.3648-20 «Санитарно-эпидемиологические требования к организациям воспитания и обучения, отдыха и оздоровления детей и молодежи»; СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека»), диоксида углерода — межгосударственным стандартам (ГОСТ 30494—2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»; ГОСТ Р ЕН 13779—2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к системам вентиляции и кондиционирования»; ЕN 13779:2004 «Ventilation for non-residential buildings — performance requirements for ventilation and room-conditioning systems»). Кабинеты имели одинаковые архитектурно-планировочные и санитарно-технические характеристики: площадь каждого кабинета составляла 54 м² при высоте потолков 3,2 м. Расчетная наполняемость соответствовала санитарным нормам и составляла 25 человек, что обеспечивало минимально допустимый воздушный куб на одного учащегося в размере 6,9 м³. Система отопления была центральной водяной с радиаторами. Регулировка температуры теплоносителя в течение учебного дня отсутствовала. Воздухообмен обеспечивала естественная приточно-вытяжная вентиляция через фрамуги окон и вытяжные каналы; искусственная принудительная вентиляция в кабинетах отсутствовала. Режим проветривания был регламентированным и осуществлялся силами педагогов на переменах в виде сквозного проветривания продолжительностью 5 мин согласно общему школьному графику; специальный мониторинг соблюдения данного режима не проводили. Влажную уборку выполняли два раза в день — в конце первой и второй смены. Важно отметить различия в использовании помещений: кабинет 1 эксплуатировали исключительно в первую смену для занятий 4-го класса, тогда как кабинет 2, где занимался 3-й класс во вторую смену, в первую смену использовали для кружковой деятельности с неполной наполняемостью (до 12 человек).

Умственную работоспособность обучающихся оценивали по показателям коэффициента работоспособности, динамики кратковременной памяти, показателям объема, концентрации и устойчивости внимания с использованием стандартных методик аппаратно-программного комплекса (АПК) «НС-ПсихоТест» в динамике учебного дня трехкратно (в начале, в середине и в конце учебного дня), в течение недели (число наблюдений — 352).

Для исследования умственной работоспособности использовали следующие методики.

1. «Таблицы Крепелина» [20] (оценка динамики умственной работоспособности и выявление утомляемости, три раза в течение учебного дня, n = 132), которые представляют собой восемь пар рядов однозначных чисел, в каждой из которых числа расположены друг над другом. По отношению суммы правильно выполненных сложений последних четырех строк (S2) к сумме правильно выполненных сложений первых четырех строк (S1) рассчитывают коэффициент работоспособности (К_раб = S2/S1).
2. «Память на числа» [21] (оценка динамики кратковременной памяти, два раза в течение учебного дня, n = 88). Эффективность мнемонических процессов определяют по количеству правильно найденных чисел, оцениваемых в баллах (2 балла — низкая эффективность, 3 балла — удовлетворительная, 4 балла — средняя, 5 баллов — высокая).
3. Методика Мюнстерберга [22] (оценка концентрации внимания, три раза в течение учебного дня, n = 132). Методика направлена на определение концентрации и устойчивости внимания. В тесте за 2 мин необходимо отыскать слова, находящиеся в ряду беспорядочно расположенных букв. Оценивается количество неправильно выделенных и количество пропущенных слов. Уровень устойчивости и концентрации внимания оценивается как низкий, ниже среднего, средний, выше среднего, высокий.

Статистическую обработку данных выполняли, используя методы параметрического и непараметрического анализа. Распределение количественных показателей оценивали с помощью критерия Шапиро−Уилка (при числе исследуемых показателей менее 50) или критерия Колмогорова−Смирнова (при числе исследуемых показателей более 50).

Использовали стандартные методы описательной статистики. Вычисляли средние значения, стандартные отклонения, медиану, максимальные и минимальные значения, 25−75 процентиль, величину и коэффициент вариации размаха.

Сравнительную оценку динамики количественных показателей с расчетом значимости различий при нормальном распределении проводили с помощью параметрического t-критерия Стьюдента, а при распределении, отличном от нормального, с помощью непараметрического критерия Манна−Уитни (две независимые группы) и критерия Вилкоксона (две зависимые группы), критерия Краскела−Уоллиса (несколько независимых групп).

Для исследования взаимосвязи применяли методы корреляционного анализа. В качестве показателя тесноты связи между количественными показателями, имеющими нормальное распределение, использовали коэффициент корреляции Пирсона, а при распределении, отличном от нормального, — ранговую корреляцию Спирмена. Значения коэффициента корреляции интерпретировали в соответствии со шкалой Чеддока со следующими границами: слабая связь (0,1–0,3), умеренная (0,3–0,5), заметная (0,5–0,7), высокая (0,7–0,9), очень высокая (0,9–0,99). Значимость связи оценивали с помощью t-критерия Стьюдента, связь считали значимой при р < 0,05.

Статистическую обработку проводили с использованием программы STATISTICA 10 (StatSoft; США) и MS Office Excel 2016 (Microsoft; США).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Оценка фактической динамики показателей температуры, относительной влажности воздуха и концентрации СО₂ с целью определения причинно-следственной связи с функциональным состоянием обучающихся показала в целом высокую вариабельность регистрируемых показателей. Средние величины температуры воздуха в первую смену находились в допустимых пределах. Во вторую смену зарегистрированы показатели, превышающие нормативные. Температура воздуха во вторую смену (кабинет 2) была значимо выше, чем в первую смену (кабинет 1) на всех трех уроках (p < 0,001 для каждого сравнения). Относительная влажность в кабинете 1 значимо превышала показатели кабинета 2 на всех уроках (p < 0,001). Концентрация СО₂ сильно варьировала в течение учебного дня в обоих кабинетах, достигая значений, значительно превышающих рекомендуемый гигиенический норматив (800−1000 ppm в соответствии с ГОСТ Р ЕН 13779—2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к системам вентиляции и кондиционирования»). Значимые различия концентрации СО₂ между сменами наблюдались только на втором уроке (p = 0,049). На первом и третьем уроках различия между сменами по концентрации СО₂ не были значимыми (p > 0,05). Динамика показателей в пределах каждой смены также заслуживает внимания. В кабинете 1 концентрация СО₂ возрастала от первого ко второму уроку (в среднем с 1312 до 2586 ppm), а к третьему уроку снижалась (2039 ppm), оставаясь высокой. В кабинете 2 концентрация СО₂ увеличивалась от первого ко второму уроку (с 1443 до 2097 ppm) и оставалась практически неизменной на третьем уроке (2098 ppm). Таким образом, выявлены устойчивые различия температуры и влажности между сменами, в то время как различия концентрации СО₂ носят несистематический характер (таблица).

Следует отметить, что при наличии исправного оборудования систем вентиляции и отопления и соблюдении гигиенических требований по проветриванию и уборке учебных помещений параметры микроклимата и концентрации углекислого газа свидетельствуют о недостаточной эффективности профилактических мероприятий, что требует поиска новых инженерных решений для контроля создания оптимальных параметров воздушной среды в учебных помещениях.

При изучении взаимосвязи уровня работоспособности с показателями микроклимата и концентрации углекислого газа в учебном помещении в динамике учебного дня установлено, что с ростом этих показателей от 1-го к 6-му уроку значимо уменьшалось количество обучающихся с высоким уровнем работоспособности — более чем на 30,0% (p < 0,05) (рис. 1)А. При этом в первую смену обучения отмечено значимое уменьшение доли респондентов с высоким уровнем работоспособности — более чем на 40% (p < 0,01 при попарном сравнении долей на 1-м и 6-м уроках). Во вторую смену к завершению учебного дня учащиеся с высоким уровнем работоспособности отсутствовали, при этом различия распределения уровней работоспособности между началом и концом учебного дня также были значимыми (p < 0,001). Указанные изменения, наряду с влиянием изучаемых факторов, могут быть обусловлены закономерным проявлением утомления, накопленного к концу обучения во вторую смену (рис. 1)Б.

Характеристика коэффициента работоспособности в зависимости от фактической динамики показателей микроклимата и концентрации углекислого газа представлена на рис. 2. Корреляционный анализ (корреляция Спирмена) выявил значимые обратные взаимосвязи умеренной силы между коэффициентом работоспособности и концентрацией СО₂ (r = −0,464, r² = −0,198, р = −0,0000), а также слабые — между коэффициентом работоспособности и температурой воздуха (r = −0,327, r² = −0,118, р = −0,000). Связь коэффициента работоспособности с относительной влажностью оказалась незначимой (r = −0,056, r² = −0,003, р = −0,821).

Оценка зависимости мнемонических процессов от фактической динамики показателей микроклимата и концентрации углекислого газа (корреляция Спирмена) выявила значимые обратные взаимосвязи умеренной силы между показателями памяти и концентрацией СО₂ (r = −0,500, r² = −0,254, р = −0,001), а также показателями памяти и температурой воздуха (r = −384, r² = −0,141, р = −0,002). Связь показателей памяти с относительной влажностью воздуха оказалась незначимой (r = −0,060, r²= −0,002, р = −0,577).

Сравнительная оценка эффективности кратковременной памяти [21] показала, что в динамике за весь период исследования отмечено снижение доли респондентов с высокой эффективностью кратковременной памяти к концу учебного дня (с 22,7 до 9,1%) и увеличение количества лиц с низкой эффективностью точности и объема кратковременной памяти (с 6,8 до 18,2%) (рис. 3)А. Снижение эффективности кратковременной памяти наблюдается в срезе обеих смен обучения (первая смена — на 15,4%; вторая смена — на 10,9%) (рис. 3)Б.

При этом отмечено, что наибольшая доля обучающихся с низкой степенью мнемонической эффективности наблюдается преимущественно в период высоких концентраций углекислого газа (рис. 4).

Проведена оценка избирательности и объема внимания в динамике учебного дня с помощью теста Мюнстерберга [22], позволяющего определить степень утомления в зависимости от фактических показателей микроклимата и концентрации СО_2.

Результаты тестирования, отражающие зависимость количества правильных ответов от параметров микроклимата и концентрации СО₂ в учебных помещениях, представлены на рис. 5.

В динамике учебного дня оценка степени утомления в зависимости от фактических показателей микроклимата и концентрации углекислого газа выявила сильную обратную корреляцию между концентрацией углекислого газа и количеством верных ответов как за весь период мониторинга, так и в разрезе смен обучения (r = −0,599, r² = −0,359, р = −0,0001). Также подтверждена слабая значимая обратная взаимосвязь между показателями утомления и температурой воздуха (r = −0,303, r² = −0,092, р = −0,0004), а также относительной влажностью (r = −0,244, r² = −0,059, р = −0,005) за весь период наблюдения.

Установлено, что наибольшая доля респондентов с наивысшими уровнями утомления отмечена в периоды превышения оптимальных показателей концентраций углекислого газа в воздухе общеобразовательной организации (рис. 6).

Оценка структуры распределения обучающихся по степени избирательности и объема внимания также свидетельствует об увеличении доли обучающихся с высоким уровнем утомления в динамике учебного дня. В среднем за весь период наблюдения рост доли детей с высоким уровнем утомления составил 70,4% (с 2,3% в начале до 72,7% в конце уроков); в первую смену — с 3,8 до 65,4%, во вторую смену — с 0 до 77,8%. Это происходит на фоне прогрессирующего ухудшения параметров воздушной среды: исходно повышенные концентрации углекислого газа (таблица) возрастали к середине учебного дня в 1,5−2 раза, значительно превысив гигиенические нормативы. Кроме того, во вторую смену (кабинет 2) на протяжении всего учебного дня регистрировалась температура воздуха, стабильно превышающая допустимые значения, на фоне сниженной относительной влажности воздуха.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Значимость проблемы качества воздуха в учебных помещениях общеобразовательных организаций не подвергается сомнению. Отечественные ученые еще в 1980-е гг. отмечали непосредственное влияние состояния воздушной среды на самочувствие, работоспособность и другие функциональные показатели обучающихся, а также высокую степень вариабельности показателей микроклимата при недостаточном и несовершенном воздухообмене в помещениях [23, 24]. Согласно действующим межгосударственным стандартам (ГОСТ 30494—2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»; ГОСТ Р ЕН 13779—2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к системам вентиляции и кондиционирования»), основным показателем качества воздуха в закрытых помещениях является процентное значение концентрации углекислого газа, который рассматривают и как самостоятельный фактор, и как интегральный маркер антропогенного загрязнения воздуха.

В представленном исследовании при оценке взаимосвязи параметров микроклимата, концентрации CO₂ и умственной работоспособности обучающихся было зафиксировано прогрессирующее ухудшение функционального состояния учащихся в течение дня. Установлено уменьшение на 30,0% числа учащихся с высоким уровнем работоспособности к концу учебного дня при обучении в первую смену и полное отсутствие таких учащихся к концу обучения во вторую смену. Следует подчеркнуть, что наиболее выраженная отрицательная динамика отмечена во вторую смену. Она развивалась на фоне сочетанного неблагополучия: стабильно повышенной в течение всего дня температуры воздуха (превышающей нормативные значения) и значительного роста изначально высокой концентрации CO₂. Такое сочетание факторов могло потенцировать отрицательный эффект.

Корреляционный анализ подтвердил наличие значимых обратных взаимосвязей, умеренной силы и слабых, между показателями работоспособности, мнемонических процессов, утомления и параметрами микроклимата (концентрацией CO₂ и температурой воздуха). Важно отметить, что хотя наблюдаемые корреляции согласуются с гипотезой о влиянии факторов среды, они не позволяют однозначно установить причинно-следственные связи. Полученные данные свидетельствуют о том, что снижение работоспособности и ухудшение когнитивных функций (памяти, концентрации внимания) в динамике учебного дня происходит параллельно с прогрессирующим ухудшением параметров воздушной среды. Это согласуется с данными литературы, указывающими на снижение когнитивных функций при повышенных концентрациях CO₂ [25] и неблагоприятных параметрах микроклимата [26−29].

Однако необходимо учитывать комплексный характер воздействия. Учебный процесс сам по себе является нагрузкой, закономерно приводящей к утомлению. В рамках настоящего обсервационного исследования невозможно полностью вычленить вклад собственно учебной нагрузки и вклад параметров микроклимата в наблюдаемое ухудшение функционального состояния. Следовательно, более корректным выводом является констатация того, что учебный процесс, протекающий в условиях неблагоприятных параметров воздушно-теплового режима (сочетанное антропогенное загрязнение воздуха, высокая температура, сниженная влажность), ассоциирован с более выраженным развитием утомления и снижением эффективности когнитивных функций у обучающихся. Выявленные взаимосвязи указывают на потенциальную роль этих факторов среды как усугубляющих компонентов в общей картине учебного утомления.

Ограничения и перспективы исследования

К ограничениям исследования можно отнести его наблюдательный дизайн, не позволяющий полностью контролировать все сопутствующие факторы (например, индивидуальную вариабельность утомления, педагогические методики), а также измерение концентрации CO₂ как основного, но не единственного маркера качества воздуха. Для более точного установления причинно-следственных связей и оценки вклада каждого фактора необходимы дальнейшие контролируемые интервенционные исследования — например, с целенаправленной коррекцией параметров вентиляции и мониторингом более широкого спектра загрязнителей воздуха в помещении. Полученные результаты обосновывают необходимость такого мониторинга и разработки превентивных мер по оптимизации воздушной среды учебных помещений как важного компонента здоровьесберегающей образовательной среды.

ВЫВОДЫ

Непрерывная регистрация показателей температуры, относительной влажности воздуха и концентрации углекислого газа в учебных помещениях общеобразовательной организации выявила существенные отклонения от нормируемых параметров изучаемых показателей в динамике учебного дня. Более высокая температура в кабинете 2 (вторая смена) обусловлена прогревом помещения в течение всего дня за счет занятий в первой половине и дополнительным поступлением тепла от солнечной инсоляции во второй половине дня, в то время как кабинет 1, использовавшийся только в первую смену, не подвергался такому продолжительному тепловому воздействию. Более низкая относительная влажность в кабинете 2 согласуется с гипотезой о повышенной температуре и возможной недостаточной эффективности проветривания. Высокие и сопоставимые уровни концентрации углекислого газа в обоих кабинетах, достигающие значений, значительно превышающих гигиенический норматив, свидетельствуют о недостаточной эффективности регламентированного естественного проветривания для обеспечения необходимого воздухообмена при фактической наполняемости классов. Рост концентрации CO₂ ко второму-третьему уроку отражает типичное накопление антропогенных загрязнителей, а отсутствие системной разницы между кабинетами указывает на то, что применяемый профилактический режим проветривания является неэффективным для поддержания допустимых уровней CO_2, независимо от времени проведения занятий. Таким образом, представленные параметры микроклимата и углекислого газа сформировались в условиях типовых учебных помещений с естественной вентиляцией и стандартным, но недостаточно эффективным режимом проветривания, а различия в температурно-влажностном режиме связаны в первую очередь с разным временем использования кабинетов в течение суток и вытекающими из этого различиями теплового баланса, а не только с принадлежностью к той или иной учебной смене. Проведенный корреляционный анализ подтвердил взаимосвязь фактических показателей микроклимата и концентрации углекислого газа в учебных помещениях с изменением показателей когнитивных функций обучающихся. Установлено отрицательное влияние, в большей степени высоких концентраций углекислого газа, на снижение показателей эффективности умственной работоспособности, объема и точности кратковременной памяти, устойчивости и концентрации внимания, избирательности и объема внимания со значимым увеличением доли обучающихся с высокой степенью утомления.

Полученные результаты позволили выявить причинно-следственные связи в системе «качественные и количественные показатели качества воздушной среды учебных помещений — фактическое функциональное состояние обучающихся», являющиеся основой для разработки системы оценки рисков и формирования программы профилактики отрицательных реакций со стороны функциональных систем организма обучающихся общеобразовательных организаций.