西部县域中学理科实验空间计划研究
——基于陕西12个县域调查的实证分析

罗 琳，李志民

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.西安建筑科技大学 建筑学院，陕西 西安 710055)

受城镇化进程引发的人口流动等因素影响，西部地区大量中小学由农村向县镇、城市集中，原本供给不足的县域学校就学压力剧增，从而造成教育供给需求矛盾日益突出[1]，优质教育资源不断向县城和人口稠密的镇区集中，呈现大班额和大规模趋势.

以陕西地区为例，近年来学校总数逐年减少，但县域学校规模持续增加，急需扩容提质.下表1列出了陕西省各地区中学学校数及在校生人数，主城区学校数达44%，在校生人数仅占34%.而乡镇地区学校数却达56%，在校生人数高达66%.从表2可以得出县镇中学学校数和在校生人数均已超过城区，校均规模和班额规模也居高不下，成为名副其实的“大班额”，甚至“超大班额”.

我国现行中小学建设标准主要包括《城市普通中小学校校舍建设标准建标[2002]102号》、《中小学校设计规范》、《中小学理科实验室装备规范(JY/T 0385-2006)》等五部.对于理科实验用房已有相关规定，但未体现新型教育理念的要求，且办学规模最大支撑到48班，不能有效指导西部县域地区校园的改扩建.面对新的教学需求，强调整合资源的创新方式，进一步提倡复合型人才的培养，教学改革也日益走向学科融合[2].而西部县域既有中学实验空间仍采取标准化建设，沿用单一学科教学模式，急缺综合探究、演示实验等空间.而中东部教育发达省份纷纷制定了适合地区办学的建设标准.其中以江苏、浙江、山东等为典型，已经将微格教室、选修教室、演示实验室、演播室等列入建设标准中[3].对于广大西部经济欠发达地区，因没有适应地区发展的标准指导，校园建设陷入盲目状态，增加生产成本.

与教育发达国家相比，在建设标准的科学指导性、先进性、灵活性等方面我国还有很大的提升空间.以美国为例，表3摘列出校园建设标准中公共用房的指标参考，其中特别设置了信息资源中心、模数化技术实验室等，多功能、多学科、复合化的空间模式突出了远程化、创新型、技术性等时代背景给予教学方式和校园空间的变化.因此，面对新的教学需求，既有学校的改扩建参考标准也需要对校园空间功能构成进行更新.

表3 美国中学教育设施建设标准

综上，西部县域既有中学量大面广，普遍面临办学基础差、资源有限、资金不足、用地紧张、空间陈旧等困境，不能满足人民群众对优质教育资源的诉求，却又不能照搬国外及中东部发达地区建设模式，亟需校舍改扩建的有效参考和科学依据，如何制定不同办学规模下适宜地区教育发展的空间计划愈发紧迫和重要.通过研究适应教学需求的理科实验空间，进而对培养学生跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一系列教学活动提供设计依据和科学参考[4].同时减小东西部地区之间的校际差距，对提升地区教育建筑设计水平，实现新时期教育教学需求在空间环境上的呼应起到一定推动作用.

1 空间计划影响因素梳理

1.1 现行规范解读

表4是现行国家规范中规定的关于理化生实验室个数的要求，并且对于超过48班的现行国家标准没有给出明确的规定，48班范围内也仅仅给出了参考取值区间[5].

表4 《中小学理科实验室装备规范(JY/T 0385-2006)》 单位：间

为满足地区办学条件、应对大规模办学需求，表5列出了目前各省市自定的超过48班的标准，可以得出东西部地区之间的差异较大[6].

表5 超过48班的高中理科实验室数量指标

(1)综上可得，根据国家标准规定，实验室、科学探究室(理、化、生)生均使用面积的基本指标不小于1.80，规划指标不小于1.92，可以推算，按照50人设计的实验室面积基本指标为90 m2，规划指标为96 m2；按照70人设计的实验室面积基本指标为126 m2，规划指标为134 m2.但是调研后发现，典型大规模中学现状实验室的面积指标严重不够，座位过于拥挤.

(2)48班规模的中学理、化、生各科实验室的数量取值为：基本指标每科3～5个，规划指标为每科4～6个，即实验室的总个数为基本指标9～15个，规划指标12～18个，并且学校规模每增加12个班(4个平行班)时，理、化、生实验室及其附属用房各增加1套.但按此方法推算，实地调研得出使用较为浪费，实验用房数目过多，大部分空间处于闲置状态.

(3)在各省市制定的中学基本办学条件标准中，支撑60班办学规模以上的标准全国范围内仅有贵州、浙江、山东、江西、江苏五个省份，且东西部地区之间的差异较大.

1.2 实验室容纳人数

按照传统实验室的安排，桌椅摆放为7排×8列或8排×8列，则每个实验室容纳人数则为56人或64人[7].但不少大规模学校在现有实验室面积大小的基础上，却挤下72人，导致人均使用面积过低.因此，班级规模超过实验室容纳量，建议一个班分成两个班进行教学.

1.3 实验室利用率

在已调研的西部县域大规模中学实验室的课程安排上，大多数学校因实验个数没有达到教材要求，即使学校规模很大，实验室设置的数目不多，依然能够满足使用，且还有部分学校的实验室处于闲置状态，浪费资源，空间利用率不高.因此，实验室的空间计划应提高资源利用率，在合理范围内设置实验室数量.

1.4 教材与课程设置

因各个大规模中学实际教学情况的不同，各科目需要在实验室完成的个数也不尽相同.在总学时一定的前提下，每个实验室最多进行的学时数和教材大纲规定的分组实验个数有关[8].实验个数越多，实验学时越大，每个实验室分摊的课时数就相应增加，总共需要的实验室数目也要增加.因此，实验课程的实际教学情况和教学需求直接影响了实验室的个数.

2 实验空间现状问题分析

2.1 实证指标

为使样本学校更加全面，本研究选取了调研对象中分别代表用地较为富裕、适中和不足的三种学校，按照首字母进行了编号分组如表6所示.由于超过48班办学规模的既有校园改扩建缺乏科学依据和参考，所以样本学校规模均已超过48班，且办学属性覆盖了初级中学、完全中学和高级中学三种类型主体.

西部县域地区学校因资金有限、成本低廉、采光通风等原因，多数学校实验楼的空间形式是单外廊式[9].实验室设备较为陈旧，仅能满足正常教学的需求.而对于探究型实验、课外兴趣辅导、开放型实验空间等附加功能则基本没有体现(表6).

表6 样本学校实验空间模式及面积指标

通过调研可得，实验室数量较少的大规模中学每学期进行的分组实验个数较少，例如若每学期仅作2个实验，各科目仅设2个实验室即能满足教学需求，而其余实验均通过课堂上由教师演示完成.所以，在一些设置实验室数量较多的学校，由于每学期实验教学的个数有限，甚至闲置了一部分实验室.由于不断扩招的原因，实验室班额较大，座位比较拥挤，所以多数大规模高中的生均使用面积不能满足《中小学校设计规范GB50099-2011》中规定的实验室的使用面积指标为不小于1.92 m2/每座，最小的仅为1.3 m2/每座.具体如下表7所示：

表7 已调研学校实验室生均指标及活用措施

2.2 使用问题

(1)空间局促，生均使用面积不足

2012年起实施的《中小学校设计规范》(GB 50099-2011)对2002版的规范进行了修编制定，具体如表8所示：

表8 实验室及其辅助用房使用面积指标

而大多数班额较大的实验室，前后排排距和疏散走道宽度也不能满足规范的基本要求.如下表9所示：

表9 化学实验室纵向走道宽度及前后排距

根据对典型学校的调研，理化生实验室座位数分为以下几种形式：8排×8列可容纳64人或8排×7列可容纳56人.按照规范给出的指标，每个实验室的使用面积为1.92 m2/每座×56=108 m2或1.92 m2/每座×64=123 m2.而现状实验室面积大小为108 m2左右的居多，但很多班额已经远远超过了56人，有的甚至挤下了72人，生均使用面积极低.

(2)药品室与准备室排风设备不足，空气质量不佳；

与实验室内空气环境质量密切相关的是有关强制排风设备，尤其是实验员室和药品室的空气质量较差，严重影响身心健康.规范中提到“当采用机械通风时，人员所需新风量物理、化学、生物实验室不应低于20 m3/(h·人)；生物实验室、化学实验室、药品储藏室、准备室应采用机械排风方式.除了上一点风量要求外，还规定最小通风效率应为75%；各教室排风系统及通风柜排风系统均应单独设置；室内气流组织应根据实验室性质确定，化学实验室宜采用下排风；强制排风系统的室外排风口宜高于建筑主体，其最低点应高于人员逗留地面2.50 m以上；补风方式应优先采用自然补风.”[10]但由于多数大规模高中的实验楼建设年代较为久远，基础设施都没有配套，因此，和规范相比，排风系统还差的很多.

(3)开放型实验空间不足，学科交互式理念未体现

调研的典型学校几乎没有设置开放型实验空间和探究演示室，当前科技进步日新月异，高新知识产业需要高水平的人才，创新型教学也需要非同传统意义的空间载体[11].以实验室为例，除了设置传统的物理、化学、生物等单一学科的实验室之外，新的中小学设计规范还提出了要求设置综合实验室——即为综合研习课服务的实验室.此外，数字化实验室设置也有着重大意义，但是通常意义上的探究实验室并非数字化实验室，二者不能混为一谈[12].

(4)实验教学附属用房设置不规范

除了理、化、生各科实验室外，实验室配套附属用房设置也不够规范.相当一部分学校没有设置独立的教师休息室，导致实验员工作环境不佳.另有一些学校，药品室、准备室与实验室距离太远，实验教学时十分不方便.还有个别学校的准备室和药品室未独立设置.

(5)实验室内部设施布局较为落后

研究组调研的典型学校内部设施极为落后，有些甚至没有上下水，仅设公共洗手池，高峰期根本不能满足使用要求.另外，有些探究实验室以科学探索为主，但实验室内部根本没有放置模型和参考图书的储存空间，配套设施不完善.

3 实验空间计划研究

3.1 量化指标

3.1.1 面积及大小

以标准班每班50人例，按规范目前的实验室净使用面积应为96 m2(1.92 m2/每座×50座)，如表10所示.一般来讲，96 m2的实验室若容纳50座，则实验桌被排成7排.前6排为每排8座(4张实验桌)，最后一排(第7排)为2座，即安排1张实验桌.以最多的7排为例，实验桌的深为0.60 m，按照规范的规定“最前排实验桌的前沿与前方黑板的水平距离不宜小于2.50 m；最后排实验桌的后沿与前方黑板之间的水平距离不宜大于11 m；最后排座椅之后应设横向疏散走道；自最后排实验桌后沿至后墙面或固定家具的净距不应小于1.20 m；双人单侧操作时，中间纵向走道的宽度不应小于0.70 m；四人或多于四人双向操作时，中间纵向走道的宽度不应小于0.90 m.”那么，前后排距为1.2 m，疏散通道为0.70 m，加上第一排距黑板的2.5 m，则长度为2.5+7×0.6+6×0.6=12.1 m.实验室的宽度为2.8×2+0.7+2×0.6=7.5 m.新规范还强调了“应以自学生座位左侧射入的光为主.教室为南向外廊布局时，应以北向窗为主要采光面”.具体平面布置如图1-4所示：

表10 实验室桌椅尺寸参考

图1 实际调研的实验室平面

图2 按规范排列的50人实验室平面

图3 西部县域应对大规模办学的实验室平面布置示意图

图4 适应复合弹性教学的大规模学校实验室平面布置示意图

综上分析，从生均使用面积来看，图3的平面布局图较为符合规范中1.92 m2/生的规定.因此，西部县域大规模高中的实验室面积可按照120 m2，6排3列布局.

3.1.2 实验室的数量

根据《中小学理科实验室装备规范》(JY/T 0385-2006)的规定，学校规模每增加12个班(4个平行班)时，理、化、生实验室及其附属用房各增加1套.可推算出大于48班规模的高中理科实验室数目，随着班级规模的增加，实验室数目也在增加，绘制成折线图(图5).通过调研可得，大规模中学的理科实验室实际数目和规范要求的数量差别较大，教师普遍认为现状中的实验室数量完全可以满足教学需求.例如，60班的某大规模中学理科实验室数目为9个，而某100班规模的高中实验室数量仅为10个.主要原因是每所学校实验个数不同.调研得出的实验室的数量和班级规模关系如下图6所示：

图5 理科实验室数量和班级规模关系散点图

图6 班级规模和实验室实际数目之间的关系散点图

在实验个数的外因影响下，仅计算各学校实际利用的个数，可以得到图7，同时从中可看出在每学期仅作2～3个实验的前提下，60～100班规模的学校，理科实验室实际利用的数目极为接近，基本为5～6个.由此可得，无论班级规模的大小，实际教学中的实验个数成为影响实验室数目的主要因素.

图7 实验个数影响下班级规模和实际利用实验室数目关系散点图

此外，决定实验个数的是各学校所使用的实验教材，学校之间有一定的差异.在实际教学中，由于三年级主要是复习备考，因此实验室的主要使用主体是一、二年级，理科实验室面对的班级规模基本下降为学校原规模的一半左右.因此，我们可以把超过48班的大规模学校重新进行分类.每个分组实验需要一节课时，以化学为例，按照教材规定的要求学生在实验室完成的分组实验个数共有14个，那么需要完成教材规定的总实验学时下化学实验室的配备个数与使用主体班级规模之间的关系如下表11所示.

表11 使用班级规模下实验学时与实验室个数的关系表

从中可以得出，100班范围内，实验学时一定，所需实验室数目差别不大.仅化学一科，最多需要四个实验室.因此，经过调研后得出实际利用的实验室数目和班级规模之间的关系呈平行关系，它仅随着实验个数的增加而增加，并且随着实验个数的持续增加，实验室需求的个数增加的频率和幅度更高；与规范要求的“每增加12个平行班，理化生实验室各增加一套”的实验室数目随班级规模的增加呈线性关系变化截然不同[13].可以通过下表12体现二者之间的关系：

表12 实验个数与实验室数目之间的关系表

3.2 空间模式

在教育理念更新和“新课改”的推动下，创新型实验空间的类型与模式可借鉴日本教学单元的安排方式——科目教室运营方式.其中一种典型的空间模式是“教材性教室”[14].它是针对工业学校开设的传统建筑课程而使用，实习楼分木结构和钢筋混凝土结构两部分.木结构区有组装室、木材加工室、规划室等，钢筋混凝土结构区有制图室、计划实习室.从木材的尺寸、原材料、多样形态、结构等设置上，建筑本身就是一个很好的教材，木结构区由桁架和梯型双层柱组成一个大型空间，并设有多处可作工作场的外部中庭空间和半屋外型基柱走廊.示意图如下图8可示.

图8 “教材型实验室”平、剖面空间示意图

对于理科实验空间，建议采用“N+3+1”的模式[15].“N”即为各科目分组教学设置的理、化、生实验室数量，根据各学校使用教材、教学大纲需要完成的分组实验个数设置合理的实验室.“3”即为物理、化学、生物各科目独立设置的探究实验室，可为课内使用，也可为课外兴趣小组、学科竞赛的开展、科学研究和探索活动而使用.各实验室配备一定的模型展示区、参考资料区和小组讨论区，桌椅摆放为围合式、分组式、交互式，便于学科讨论交流的展开[16].“1”为一个开放式信息学习中心，融合理、化、生、计算机模拟等多学科，为一个典型的以“学科交互式”为主题的实验资源中心，使用主体为全校师生，甚至可以设置多年级、多班级的参与，进行一些大规模的展示活动.空间模式如下图9、10所示：

图9 “N+3+1”空间模式图

图10 “2+2+1”空间模式图

4 结语

综上，通过对西部县域地区典型大规模中学的理科实验室使用现状分析，归纳了实验室的空间特征及主要影响因子，运用建筑计划学进行指标量化与数据统计的实证研究，定量分析，明确不同办学规模下的理科实验空间面积、数量、大小等指标取值；在借鉴发达地区教育经验的基础上，进一步提出了满足教育需求、适应新型教学的实验空间模式与设计策略，从而指导设计实践，形成以下研究成果：

(1)模式计划

基于多学科交融的“交互式”教育理念，提出了将传统实验室、探究实验室、科学实验室、信息资源中心、小组合作空间等多功能融合的“N+3+1”的空间模式——“科目实验室+探究室+理科信息中心”和“2+2+1”空间模式——“学科实验+探究室+理科学习资源中心”，旨在提升既有校舍空间品质，提倡创新型人才的培养，增强教育效益.

(2)指标计划

通过对现状数据的梳理和分类分析，以现行中小学规范为理论依据，运用建筑计划学、层次分析法等，结合办学规模、班级编排、教学改革措施、教学计划安排、教学手段采用、使用者需求等方面影响因素进行指标分类和量化分析，建立不同办学规模下的实验室数量、面积、大小等量化指标参考，得出：

实验室的面积要根据学科特点，弹性灵活，设置一定的储藏区、展示区和研讨区.理科实验室的面积和数量并不应该随着班级规模的增加而呈现线性的叠加关系，而是应该依据各门实验课程的实验学时、实验个数、使用频率、教学要求进行空间计划，即大于48班而小于72班办学规模时，理科实验室数量为6个；大于72班而小于100班时，理科实验室数量为9个；大于100班时，实验室为12个.相比较规范规定的“学校规模每增加12个(4个平行班)时，理、化、生实验室及其附属用房各增加1套.”，更加科学合理地设置实验室数量，提高资源使用率，优化地区教育效益，以指导各项工程实践.