西部縣域中學理科實驗空間計劃研究
——基于陜西12個縣域調查的實證分析

羅 琳，李志民

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

受城鎮化進程引發的人口流動等因素影響，西部地區大量中小學由農村向縣鎮、城市集中，原本供給不足的縣域學校就學壓力劇增，從而造成教育供給需求矛盾日益突出[1]，優質教育資源不斷向縣城和人口稠密的鎮區集中，呈現大班額和大規模趨勢.

以陜西地區為例，近年來學校總數逐年減少，但縣域學校規模持續增加，急需擴容提質.下表1列出了陜西省各地區中學學校數及在校生人數，主城區學校數達44%，在校生人數僅占34%.而鄉鎮地區學校數卻達56%，在校生人數高達66%.從表2可以得出縣鎮中學學校數和在校生人數均已超過城區，校均規模和班額規模也居高不下，成為名副其實的“大班額”，甚至“超大班額”.

我國現行中小學建設標準主要包括《城市普通中小學校校舍建設標準建標[2002]102號》、《中小學校設計規范》、《中小學理科實驗室裝備規范(JY/T 0385-2006)》等五部.對于理科實驗用房已有相關規定，但未體現新型教育理念的要求，且辦學規模最大支撐到48班，不能有效指導西部縣域地區校園的改擴建.面對新的教學需求，強調整合資源的創新方式，進一步提倡復合型人才的培養，教學改革也日益走向學科融合[2].而西部縣域既有中學實驗空間仍采取標準化建設，沿用單一學科教學模式，急缺綜合探究、演示實驗等空間.而中東部教育發達省份紛紛制定了適合地區辦學的建設標準.其中以江蘇、浙江、山東等為典型，已經將微格教室、選修教室、演示實驗室、演播室等列入建設標準中[3].對于廣大西部經濟欠發達地區，因沒有適應地區發展的標準指導，校園建設陷入盲目狀態，增加生產成本.

與教育發達國家相比，在建設標準的科學指導性、先進性、靈活性等方面我國還有很大的提升空間.以美國為例，表3摘列出校園建設標準中公共用房的指標參考，其中特別設置了信息資源中心、模數化技術實驗室等，多功能、多學科、復合化的空間模式突出了遠程化、創新型、技術性等時代背景給予教學方式和校園空間的變化.因此，面對新的教學需求，既有學校的改擴建參考標準也需要對校園空間功能構成進行更新.

表3 美國中學教育設施建設標準

綜上，西部縣域既有中學量大面廣，普遍面臨辦學基礎差、資源有限、資金不足、用地緊張、空間陳舊等困境，不能滿足人民群眾對優質教育資源的訴求，卻又不能照搬國外及中東部發達地區建設模式，亟需校舍改擴建的有效參考和科學依據，如何制定不同辦學規模下適宜地區教育發展的空間計劃愈發緊迫和重要.通過研究適應教學需求的理科實驗空間，進而對培養學生跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一系列教學活動提供設計依據和科學參考[4].同時減小東西部地區之間的校際差距，對提升地區教育建筑設計水平，實現新時期教育教學需求在空間環境上的呼應起到一定推動作用.

1 空間計劃影響因素梳理

1.1 現行規范解讀

表4是現行國家規范中規定的關于理化生實驗室個數的要求，并且對于超過48班的現行國家標準沒有給出明確的規定，48班范圍內也僅僅給出了參考取值區間[5].

表4 《中小學理科實驗室裝備規范(JY/T 0385-2006)》 單位：間

為滿足地區辦學條件、應對大規模辦學需求，表5列出了目前各省市自定的超過48班的標準，可以得出東西部地區之間的差異較大[6].

表5 超過48班的高中理科實驗室數量指標

(1)綜上可得，根據國家標準規定，實驗室、科學探究室(理、化、生)生均使用面積的基本指標不小于1.80，規劃指標不小于1.92，可以推算，按照50人設計的實驗室面積基本指標為90 m2，規劃指標為96 m2；按照70人設計的實驗室面積基本指標為126 m2，規劃指標為134 m2.但是調研后發現，典型大規模中學現狀實驗室的面積指標嚴重不夠，座位過于擁擠.

(2)48班規模的中學理、化、生各科實驗室的數量取值為：基本指標每科3～5個，規劃指標為每科4～6個，即實驗室的總個數為基本指標9～15個，規劃指標12～18個，并且學校規模每增加12個班(4個平行班)時，理、化、生實驗室及其附屬用房各增加1套.但按此方法推算，實地調研得出使用較為浪費，實驗用房數目過多，大部分空間處于閑置狀態.

(3)在各省市制定的中學基本辦學條件標準中，支撐60班辦學規模以上的標準全國范圍內僅有貴州、浙江、山東、江西、江蘇五個省份，且東西部地區之間的差異較大.

1.2 實驗室容納人數

按照傳統實驗室的安排，桌椅擺放為7排×8列或8排×8列，則每個實驗室容納人數則為56人或64人[7].但不少大規模學校在現有實驗室面積大小的基礎上，卻擠下72人，導致人均使用面積過低.因此，班級規模超過實驗室容納量，建議一個班分成兩個班進行教學.

1.3 實驗室利用率

在已調研的西部縣域大規模中學實驗室的課程安排上，大多數學校因實驗個數沒有達到教材要求，即使學校規模很大，實驗室設置的數目不多，依然能夠滿足使用，且還有部分學校的實驗室處于閑置狀態，浪費資源，空間利用率不高.因此，實驗室的空間計劃應提高資源利用率，在合理范圍內設置實驗室數量.

1.4 教材與課程設置

因各個大規模中學實際教學情況的不同，各科目需要在實驗室完成的個數也不盡相同.在總學時一定的前提下，每個實驗室最多進行的學時數和教材大綱規定的分組實驗個數有關[8].實驗個數越多，實驗學時越大，每個實驗室分攤的課時數就相應增加，總共需要的實驗室數目也要增加.因此，實驗課程的實際教學情況和教學需求直接影響了實驗室的個數.

2 實驗空間現狀問題分析

2.1 實證指標

為使樣本學校更加全面，本研究選取了調研對象中分別代表用地較為富裕、適中和不足的三種學校，按照首字母進行了編號分組如表6所示.由于超過48班辦學規模的既有校園改擴建缺乏科學依據和參考，所以樣本學校規模均已超過48班，且辦學屬性覆蓋了初級中學、完全中學和高級中學三種類型主體.

西部縣域地區學校因資金有限、成本低廉、采光通風等原因，多數學校實驗樓的空間形式是單外廊式[9].實驗室設備較為陳舊，僅能滿足正常教學的需求.而對于探究型實驗、課外興趣輔導、開放型實驗空間等附加功能則基本沒有體現(表6).

表6 樣本學校實驗空間模式及面積指標

通過調研可得，實驗室數量較少的大規模中學每學期進行的分組實驗個數較少，例如若每學期僅作2個實驗，各科目僅設2個實驗室即能滿足教學需求，而其余實驗均通過課堂上由教師演示完成.所以，在一些設置實驗室數量較多的學校，由于每學期實驗教學的個數有限，甚至閑置了一部分實驗室.由于不斷擴招的原因，實驗室班額較大，座位比較擁擠，所以多數大規模高中的生均使用面積不能滿足《中小學校設計規范GB50099-2011》中規定的實驗室的使用面積指標為不小于1.92 m2/每座，最小的僅為1.3 m2/每座.具體如下表7所示：

表7 已調研學校實驗室生均指標及活用措施

2.2 使用問題

(1)空間局促，生均使用面積不足

2012年起實施的《中小學校設計規范》(GB 50099-2011)對2002版的規范進行了修編制定，具體如表8所示：

表8 實驗室及其輔助用房使用面積指標

而大多數班額較大的實驗室，前后排排距和疏散走道寬度也不能滿足規范的基本要求.如下表9所示：

表9 化學實驗室縱向走道寬度及前后排距

根據對典型學校的調研，理化生實驗室座位數分為以下幾種形式：8排×8列可容納64人或8排×7列可容納56人.按照規范給出的指標，每個實驗室的使用面積為1.92 m2/每座×56=108 m2或1.92 m2/每座×64=123 m2.而現狀實驗室面積大小為108 m2左右的居多，但很多班額已經遠遠超過了56人，有的甚至擠下了72人，生均使用面積極低.

(2)藥品室與準備室排風設備不足，空氣質量不佳；

與實驗室內空氣環境質量密切相關的是有關強制排風設備，尤其是實驗員室和藥品室的空氣質量較差，嚴重影響身心健康.規范中提到“當采用機械通風時，人員所需新風量物理、化學、生物實驗室不應低于20 m3/(h·人)；生物實驗室、化學實驗室、藥品儲藏室、準備室應采用機械排風方式.除了上一點風量要求外，還規定最小通風效率應為75%；各教室排風系統及通風柜排風系統均應單獨設置；室內氣流組織應根據實驗室性質確定，化學實驗室宜采用下排風；強制排風系統的室外排風口宜高于建筑主體，其最低點應高于人員逗留地面2.50 m以上；補風方式應優先采用自然補風.”[10]但由于多數大規模高中的實驗樓建設年代較為久遠，基礎設施都沒有配套，因此，和規范相比，排風系統還差的很多.

(3)開放型實驗空間不足，學科交互式理念未體現

調研的典型學校幾乎沒有設置開放型實驗空間和探究演示室，當前科技進步日新月異，高新知識產業需要高水平的人才，創新型教學也需要非同傳統意義的空間載體[11].以實驗室為例，除了設置傳統的物理、化學、生物等單一學科的實驗室之外，新的中小學設計規范還提出了要求設置綜合實驗室——即為綜合研習課服務的實驗室.此外，數字化實驗室設置也有著重大意義，但是通常意義上的探究實驗室并非數字化實驗室，二者不能混為一談[12].

(4)實驗教學附屬用房設置不規范

除了理、化、生各科實驗室外，實驗室配套附屬用房設置也不夠規范.相當一部分學校沒有設置獨立的教師休息室，導致實驗員工作環境不佳.另有一些學校，藥品室、準備室與實驗室距離太遠，實驗教學時十分不方便.還有個別學校的準備室和藥品室未獨立設置.

(5)實驗室內部設施布局較為落后

研究組調研的典型學校內部設施極為落后，有些甚至沒有上下水，僅設公共洗手池，高峰期根本不能滿足使用要求.另外，有些探究實驗室以科學探索為主，但實驗室內部根本沒有放置模型和參考圖書的儲存空間，配套設施不完善.

3 實驗空間計劃研究

3.1 量化指標

3.1.1 面積及大小

以標準班每班50人例，按規范目前的實驗室凈使用面積應為96 m2(1.92 m2/每座×50座)，如表10所示.一般來講，96 m2的實驗室若容納50座，則實驗桌被排成7排.前6排為每排8座(4張實驗桌)，最后一排(第7排)為2座，即安排1張實驗桌.以最多的7排為例，實驗桌的深為0.60 m，按照規范的規定“最前排實驗桌的前沿與前方黑板的水平距離不宜小于2.50 m；最后排實驗桌的后沿與前方黑板之間的水平距離不宜大于11 m；最后排座椅之后應設橫向疏散走道；自最后排實驗桌后沿至后墻面或固定家具的凈距不應小于1.20 m；雙人單側操作時，中間縱向走道的寬度不應小于0.70 m；四人或多于四人雙向操作時，中間縱向走道的寬度不應小于0.90 m.”那么，前后排距為1.2 m，疏散通道為0.70 m，加上第一排距黑板的2.5 m，則長度為2.5+7×0.6+6×0.6=12.1 m.實驗室的寬度為2.8×2+0.7+2×0.6=7.5 m.新規范還強調了“應以自學生座位左側射入的光為主.教室為南向外廊布局時，應以北向窗為主要采光面”.具體平面布置如圖1-4所示：

表10 實驗室桌椅尺寸參考

圖1 實際調研的實驗室平面

圖2 按規范排列的50人實驗室平面

圖3 西部縣域應對大規模辦學的實驗室平面布置示意圖

圖4 適應復合彈性教學的大規模學校實驗室平面布置示意圖

綜上分析，從生均使用面積來看，圖3的平面布局圖較為符合規范中1.92 m2/生的規定.因此，西部縣域大規模高中的實驗室面積可按照120 m2，6排3列布局.

3.1.2 實驗室的數量

根據《中小學理科實驗室裝備規范》(JY/T 0385-2006)的規定，學校規模每增加12個班(4個平行班)時，理、化、生實驗室及其附屬用房各增加1套.可推算出大于48班規模的高中理科實驗室數目，隨著班級規模的增加，實驗室數目也在增加，繪制成折線圖(圖5).通過調研可得，大規模中學的理科實驗室實際數目和規范要求的數量差別較大，教師普遍認為現狀中的實驗室數量完全可以滿足教學需求.例如，60班的某大規模中學理科實驗室數目為9個，而某100班規模的高中實驗室數量僅為10個.主要原因是每所學校實驗個數不同.調研得出的實驗室的數量和班級規模關系如下圖6所示：

圖5 理科實驗室數量和班級規模關系散點圖

圖6 班級規模和實驗室實際數目之間的關系散點圖

在實驗個數的外因影響下，僅計算各學校實際利用的個數，可以得到圖7，同時從中可看出在每學期僅作2～3個實驗的前提下，60～100班規模的學校，理科實驗室實際利用的數目極為接近，基本為5～6個.由此可得，無論班級規模的大小，實際教學中的實驗個數成為影響實驗室數目的主要因素.

圖7 實驗個數影響下班級規模和實際利用實驗室數目關系散點圖

此外，決定實驗個數的是各學校所使用的實驗教材，學校之間有一定的差異.在實際教學中，由于三年級主要是復習備考，因此實驗室的主要使用主體是一、二年級，理科實驗室面對的班級規模基本下降為學校原規模的一半左右.因此，我們可以把超過48班的大規模學校重新進行分類.每個分組實驗需要一節課時，以化學為例，按照教材規定的要求學生在實驗室完成的分組實驗個數共有14個，那么需要完成教材規定的總實驗學時下化學實驗室的配備個數與使用主體班級規模之間的關系如下表11所示.

表11 使用班級規模下實驗學時與實驗室個數的關系表

從中可以得出，100班范圍內，實驗學時一定，所需實驗室數目差別不大.僅化學一科，最多需要四個實驗室.因此，經過調研后得出實際利用的實驗室數目和班級規模之間的關系呈平行關系，它僅隨著實驗個數的增加而增加，并且隨著實驗個數的持續增加，實驗室需求的個數增加的頻率和幅度更高；與規范要求的“每增加12個平行班，理化生實驗室各增加一套”的實驗室數目隨班級規模的增加呈線性關系變化截然不同[13].可以通過下表12體現二者之間的關系：

表12 實驗個數與實驗室數目之間的關系表

3.2 空間模式

在教育理念更新和“新課改”的推動下，創新型實驗空間的類型與模式可借鑒日本教學單元的安排方式——科目教室運營方式.其中一種典型的空間模式是“教材性教室”[14].它是針對工業學校開設的傳統建筑課程而使用，實習樓分木結構和鋼筋混凝土結構兩部分.木結構區有組裝室、木材加工室、規劃室等，鋼筋混凝土結構區有制圖室、計劃實習室.從木材的尺寸、原材料、多樣形態、結構等設置上，建筑本身就是一個很好的教材，木結構區由桁架和梯型雙層柱組成一個大型空間，并設有多處可作工作場的外部中庭空間和半屋外型基柱走廊.示意圖如下圖8可示.

圖8 “教材型實驗室”平、剖面空間示意圖

對于理科實驗空間，建議采用“N+3+1”的模式[15].“N”即為各科目分組教學設置的理、化、生實驗室數量，根據各學校使用教材、教學大綱需要完成的分組實驗個數設置合理的實驗室.“3”即為物理、化學、生物各科目獨立設置的探究實驗室，可為課內使用，也可為課外興趣小組、學科競賽的開展、科學研究和探索活動而使用.各實驗室配備一定的模型展示區、參考資料區和小組討論區，桌椅擺放為圍合式、分組式、交互式，便于學科討論交流的展開[16].“1”為一個開放式信息學習中心，融合理、化、生、計算機模擬等多學科，為一個典型的以“學科交互式”為主題的實驗資源中心，使用主體為全校師生，甚至可以設置多年級、多班級的參與，進行一些大規模的展示活動.空間模式如下圖9、10所示：

圖9 “N+3+1”空間模式圖

圖10 “2+2+1”空間模式圖

4 結語

綜上，通過對西部縣域地區典型大規模中學的理科實驗室使用現狀分析，歸納了實驗室的空間特征及主要影響因子，運用建筑計劃學進行指標量化與數據統計的實證研究，定量分析，明確不同辦學規模下的理科實驗空間面積、數量、大小等指標取值；在借鑒發達地區教育經驗的基礎上，進一步提出了滿足教育需求、適應新型教學的實驗空間模式與設計策略，從而指導設計實踐，形成以下研究成果：

(1)模式計劃

基于多學科交融的“交互式”教育理念，提出了將傳統實驗室、探究實驗室、科學實驗室、信息資源中心、小組合作空間等多功能融合的“N+3+1”的空間模式——“科目實驗室+探究室+理科信息中心”和“2+2+1”空間模式——“學科實驗+探究室+理科學習資源中心”，旨在提升既有校舍空間品質，提倡創新型人才的培養，增強教育效益.

(2)指標計劃

通過對現狀數據的梳理和分類分析，以現行中小學規范為理論依據，運用建筑計劃學、層次分析法等，結合辦學規模、班級編排、教學改革措施、教學計劃安排、教學手段采用、使用者需求等方面影響因素進行指標分類和量化分析，建立不同辦學規模下的實驗室數量、面積、大小等量化指標參考，得出：

實驗室的面積要根據學科特點，彈性靈活，設置一定的儲藏區、展示區和研討區.理科實驗室的面積和數量并不應該隨著班級規模的增加而呈現線性的疊加關系，而是應該依據各門實驗課程的實驗學時、實驗個數、使用頻率、教學要求進行空間計劃，即大于48班而小于72班辦學規模時，理科實驗室數量為6個；大于72班而小于100班時，理科實驗室數量為9個；大于100班時，實驗室為12個.相比較規范規定的“學校規模每增加12個(4個平行班)時，理、化、生實驗室及其附屬用房各增加1套.”，更加科學合理地設置實驗室數量，提高資源使用率，優化地區教育效益，以指導各項工程實踐.