建筑與科教融合 讓學生成為城市導覽員

陳染 毛澄潔 馬亮

漫步在城市中，我們看到一座座樣式不同的建筑出現在身邊，有的高大雄偉，有的優美秀麗，有的莊嚴肅穆，有的充滿生活氣息。建筑被稱為“第三藝術”，其意義不僅是遮風避雨，更是科學、工程和人文藝術的結合，它為城市賦予了不同的風格。建筑是城市的靈魂，它讓城市更有特色，更有味道。

對于教師而言，建筑更為科技教育提供了取之不盡的題材。在中小學階段，關于建筑的內容被分散到語文、美術、地理、物理等學科中，學生對于建筑的認識是分散的，不夠深入的。而科技教育為我們提供了跨學科整合的機會，通過探究和創造，學生能夠更深入探索建筑中的科學和技術，感悟建筑中的藝術和人文。

建筑作為科技教育的主題優勢有很多。首先是建筑資源豐富，各地科技教師都可以開發出具有當地特色的課程;其次，建筑探索的切入點非常多，即使同一個建筑也可以通過不同角度認識;第三，建筑本身就融合了科學技術、人文和藝術，為我們設計跨學科活動提供了天然的條件;最后，建筑課程的開展組織形式豐富，可以到建筑現場進行外出探索，也可以在實驗室內展開研究。

中國具有豐富的建筑資源，這為我們設計課程提供了數不勝數的題材。中國幅員遼闊，歷史悠久，每個地方都有不同的自然條件和人文傳統，從而造就了獨具特色的中國傳統建筑體系。從恢弘大氣的紫禁城，到優雅婉約的蘇州園林;從烈烈寒風的蒙古包，到淅淅細雨的吊腳樓;從莊嚴肅穆的布達拉宮，到喧囂熱鬧的福建土樓;從樸實無華的西北窯洞，到雕龍畫鳳的廣式民居，中國傳統建筑有太多值得我們了解和探究的地方。隨著這幾十年來中國的經濟騰飛，中國也成為偉大建筑師揮灑創意的地方，一批現代的、先鋒的、實驗的建筑出現在我們的城市中，鳥巢、廣州塔、東方明珠、蘇州博物館、大興機場……這些知名的建筑更是體現了現代建筑的頂尖水平，也很值得科技教師組織開展探究活動。各地的科技教師可以因地制宜，選擇當地特色的建筑作為課程探究的主題。

除了有豐富的建筑資源，建筑主題科技教育課程的探究切入點同樣非常豐富。建筑不僅僅是一項工程本身，更融合了科學、技術、人文、數學等學科，我們可以從中選取某個有特色的角度切入，設計切合主題的探究課程。以天壇作為對象，我們可以將回音壁作為切入點，探究回音壁的傳聲原理;以故宮作為對象，我們可以將斗拱結構作為切入點，探究故宮抗震的原理;以廣州塔作為對象，我們可以將雙曲面外觀作為切入點，探素數學在設計工程建設中的應用;以上海環球金融中心作為對象，我們可以將“上海之眼”作為切入點，探索高層建筑如何抗擊臺風。

科技教育強調跨學科的重要性，而在建筑中往往融合了多項學科，這也很值得讓我們從不同角度探索。例如，斗拱是中國傳統建筑中最有特色、最具標志性的結構之一，從物理角度看，斗拱最基本的作用是承重，同時還兼有抗震的作用;從文化角度看，斗拱的大小、粗細都體現了森嚴的等級制度;從美術角度看，斗拱精美的雕花很好地裝飾了建筑;從生物角度看，斗拱為雨燕等生物提供了藏身之所，是人與自然和諧相處的典范。在設計建筑主題的課程中，我們一定要注意將各個學科整合起來，讓學生對建筑有更寬廣、更深刻的認識。

開展建筑類主題科技教育的優勢還在于活動組織形式的多樣，既可以外出實踐參觀調查，也可以在課堂中組織探究。建筑就在我們身邊，我們可以把課堂搬到要探索的建筑中，通過講解員對建筑的歷史和故事的講解，對建筑形成基本的認知。在課程開展探究的過程中，我們還可以在主管單位的協調下，組織學生到實地對所需的數據進行測量。我們也可以把課堂搬到實驗室，通過模型的制作、測試和改進，對建筑形成更深入的認識。

現在，越來越多的教師探索如何將科技教育與建筑結合起來。近期“科技學堂”上線的微課“數碼探古建”正是一門專門探討傳統建筑主題科技教育設計思路的課程。“數碼探古建”是數字科學家團隊與北京市東城區青少年科技館共同開發的課程，旨在引導學生利用數碼設備對中國傳統建筑進行數據采集和整理分析，通過實物建模的方式體驗中國傳統建筑中的科學問題。課程通過問題形成、證據獲取、科學人文解析、拓展反思的課程教學模式讓學生探索古建筑中的科學。下面我們簡單介紹“數碼探古建”中的一個課例“古建窗牖與現代建筑采光對比測試”，了解如何開展好建筑主題的科技教育課程。

“古建窗牖與現代建筑采光對比測試”課程通過光照強度測試儀等儀器探究紙、絹、帛、毛玻璃、玻璃等材質的采光性，幫助學生了解和認識傳統四合院窗牖等傳統建筑元素知識及現代建筑的采光設計方法。

問題形成階段，教師播放古建窗牖與現代建筑明窗的視頻，讓學生認識到中國傳統建筑與現代建筑的區別。在這個過程中，學生形成問題“是什么原因造成東西方居住的巨大差異”，并討論可能的原因，形成初步假設。

獲取證據環節，學生需要設計實驗，以驗證假設。我們首先通過測量數據發現傳統建筑和現代建筑的區別，學生使用米尺和測距儀測量出傳統建筑和現代建筑的空間高度，以及傳統建筑的窗牖和門戶的高度、寬度，以及現代建筑明窗設計的高度、寬度數據，并記錄在表格中。通過數據對比，發現傳統建筑與現代建筑的差別。

初步了解了傳統建筑與現代建筑的區別后，我們需要用光照強度測試儀、推拉力測試儀、壓力機壓差儀、紅外線測溫儀、便攜式溫度計、筆試溫度計等儀器獲取數據。需要測量的數據有：同一樣式窗牖的不同材質（毛玻璃、玻璃、宣紙、毛邊紙、紗帛等材料）在同一光照下的光照數值，現代玻璃制品在同一光照下的光照數值，不同材料在同一風力條件下的拉力和壓力系數，不同樣式的窗牖（工字格、步步高升、冰裂紋）在同一材質下的光照數值，以及不同采光材質在同一光照條件下的空氣氣溫、濕度數值。

完成了數據的測量，我們進入科學及人文解析環節。通過對傳統建筑的窗牖和現代建筑的明窗采光的初步認識，我們發現傳統建筑中窗犏材質的光照系數遠遠低于現代玻璃材質，這也是傳統建筑室內昏暗的原因。我們還發現由于傳統建筑的受力所限，窗牖被設計成菱格狀，這一方面增加了建筑的美感，另一方面也影響了室內采光。而東西方對于采光系統的設計思想不同，傳統建筑的開窗面積小于現代建筑，造成傳統建筑的室內昏暗，空寂感強，現代建筑明亮，躍動感強。東西方文化在處理人與自然的問題和人居空間的關系上有著明顯的差異，也造成了東西方建筑采用了不同的采光方式。

最后一個環節是拓展反思。在這個環節，我們可以引導學生進一步反思課程，形成新的問題。例如，我們可以請學生思考傳統建筑與現代建筑除了采光之外還有哪些新的值得探究的點;可以思考傳統建筑室內采光不好與建筑外形有哪些可能的關聯;還可以讓學生查找相關的書籍或資料，看看傳統的窗牖還使用了哪些采光材料，如果能夠獲取材料，我們還可以進一步測試它的采光度如何。如果條件允許，我們還可以讓學生攜帶相關儀器，到故宮、頤和園、北海公園等古建筑群里進行實地測量，也可以走訪民國時期的西式建筑，并進行實地測量，進一步從窗牖的角度了解西式建筑對中國建筑的漸進式影響。

在“數碼探古建”課程中，我們還可以看到更多將建筑與科技教育融合起來的案例，科技教師也要挖掘我國豐富的建筑資源，讓學生不再做城市的觀光客，而成為城市的導覽員。