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普通教室如何改造升级:从光、声、空气环境优化开始

今天的课堂利用昨天的工具来教育孩子,目的是要我们的孩子面对未来的世界。当代学生们的学习方式与学习理念与以往有很大的不同,学校更关注学生的素质教育与全面发展,更注重学习能力的培养。

而纵观国内学校建设,很多热门公办学校,过多的生源使得学校没有条件采用小班化教学,每间教室需要容纳45名甚至更多的学生,面对这样学生高密度的教学环境,物质空间场所可以做哪些升级改造来帮助学生更轻松高效地学习呢

在回答这个问题之前,我们可以先来看看 学习这个行为是如何发生的?学习其实是一个非常复杂的过程,包括输入——整合/处理——输出三个基本步骤。

其中输入主要借助感官系统来完成,至少包括视觉、听觉和触觉的介入;

整合与处理则需要借助大脑和神经系统的共同参与,是一个内化的过程,其中以前庭为主的平衡觉则对此起了重要的支持作用;

输出则主要依靠运动系统来完成,需要身体各个肌肉群的深度参与,良好的输出是表明“学会了”的重要指征。当人们感受到所处环境的安全时,学习的行为就会自然而然地顺畅发生。

这三个步骤当然与学生自身的生理基础密切相关,但如果仔细分析一下,就不难发现:学习行为发生的物质空间环境的品质对“输入”这第一个步骤的影响至关重要

当教室的光照充足、柔和且稳定,声音的传播清晰而无混杂、空气清新、环境温度舒适时,学生能够更轻松地看到、听到和感觉到,也就更容易将自身能量聚焦在“整合/处理”和“输出”这后两个步骤,那么学习行为自然可以轻松高效地发生了。

学习需要专心致志。课业越难,我们越容易分心,因此有能力保持不受干扰很重要。学生需要空间,能避免不必要的干扰和刺激源,以防打断专注状态。教学设备匮乏、声效欠佳、外来噪音、采光不足等因素,足以造成不良的教学效果。

而上述这些性能指标正是物质空间的光环境、声环境和空气环境所关注的方面。

光环境

光环境包含教室的采光和照明两个方面,前者是关于如何有效利用自然光线,后者是借助人工照明更好实现教室光线的充足、柔和及稳定。

现行的《中小学校设计规范GB 50099-2011》对不同教学用房的采光系数和窗地面积比的最低值有明确规定,倡导以北向窗为主要采光面,以获取相对稳定的自然光照环境;教室前端侧窗窗端墙的长度要达到1.00m以避免黑板眩光;窗间墙宽度要小于1.20m,以避免暗角,形成教室明亮、连续的自然光照环境。

然而,不同地区的学校在不同季节,不同朝向的普通教室,从早到晚单靠建筑本身常常会面临光照过强或者过弱两个基本问题。过强时,需要遮阳;过弱时,需要人工照明。

遮阳分为建筑外遮阳和建筑内遮阳两

外遮阳是指我们常常借助南侧走廊或者窗户外的遮阳构件来实现对过强光线的遮挡,这是在学校规划或者建筑设计阶段就解决了的,基本不在本文关于投入使用后“教室升级改造”的讨论范围

内遮阳则是教室采用的各种内置遮阳帘,可根据教室的具体朝向状况采用可调节的遮光百页,或者通过订制两种不同遮光强度的窗帘来实现至少三种不同的遮光度:弱遮光帘、强遮光帘、叠加后的超强遮光帘。

人工照明则注重教室光线的局部或全面加强,着重处理黑板的平均照度、课桌面的照度及照度均匀度,使之满足国家规范的规定;考虑对学生视力的保护,即在所有灯具满足显色指数大于80、色温处于4500k-5500k之间的基础上,控制其光频闪效应、眩光值和蓝光成份,以降低对学生视觉疲劳的影响,有效保护学生视力健康,实现照明光环境的舒适;

参考中小学设计规范:其中规定主要用房桌面或地面的照明设计值不应低于表9.3.1的规定,其照度均匀度不应低于0.7且不应产生眩光。主要用房的照明功率密度值及对应照度值应符合表9.3.2的规定及现行国家标准《建筑照明设计标准》GB 50034的有关规定。

教室照明中,黑板照明是重点照明区域。但为了节省开支,多数教室没有给黑板设置灯具,甚至有20%的家长也觉得黑板本来姓“黑”没有必要或无所谓对黑板进行单独照明。

那么,如何要营造一个良好的黑板照明

  • 1、垂直照度

黑板是学生注意力的集中点,它需要较高的垂直照度,需满足国家标准值≥500lux

  • 2、照度均匀度

由于黑板作为展示知识重点的区域,因此其光线分布越均匀,视觉感受越舒服,照度均匀度≥0.8。

  • 3、眩光

反射眩光、直射眩光是黑板照明中极易出现的问题。为消除黑板照明中的眩光影响,需要满足以下3个条件:

  • 黑板照明通过黑板面的反射光不进入学生的眼睛;
  • 黑板照明的光源不直接进入学生的眼睛;
  • 老师不感到黑板照明晃眼。

  • 4、合理的照明设计

为了避免反射眩光、直射眩光等问题的出现,黑板灯的安装位置及角度需进行专业的照明设计,以下为黑板灯布置图。

  • 5、单独控制开关

为了便于黑板的光线根据不同授课环境而变化,因此建议黑板照明需单独控制开关。

通过改造前后的对比照片,可以清楚看到教室照明环境的改善,实测各项指标可切实达到国家标准的规定。

随着教学环境的改进,照明技术的发展,采光达标已经是教室照明的最低要求,更进一步要考虑到的是视力保护、节能环保的指标。

良好的教室照明设计应满足以下标准要求:

1、保证视觉目标水平和垂直照度要求。满足桌面平均照度值不低于300lx,其照度均匀度不应低于0.7。

2、满足显色指数大于80,良好的眩光控制(眩光值UGR<19),减少光幕反射,保护视力,提高视功能和可见度水平。

3、要引导学生把注意力集中到教学或演示区域,同时保证色温处于4500K-5500K之间,以达到创造舒适的照明光环境。

4、满足学生之间面对面交流的要求,亮度的分布要合理,满足平均照度值300lx,照度均匀度不应低于0.7。

5、照明控制应适应不同的演示和教学情境,并考虑自然光的影响。

6、教室照明还应做到安全、可靠,方便维护与维修,并与环境协调。

优质的照明灯具也很重要:

  • 全护眼教室灯具采用高效节能优质的LED光源。
  • IC恒流无频闪控制电源,使用小格栅防眩技术,
  • 灯体采用透光材料,全向出光,营造健康舒适均匀的教室光环境。

声环境

提起教育空间里的声学需求,有很多人有这样的疑问:声学真的有那么重要吗?或者说,在教育建筑里,声学真的那么重要吗?我们在教育建筑的设计里关注很多问题,我们关注预算工期,甚至我们关注绿色建筑健康建筑,关注建筑的可持续发展,却很少有人关注教育空间的声学环境。

而教室作为教学的主要场所,教室里任何一个角落的学生是否都可以听清楚老师的教学内容,对于教育效率甚至是教育公平都是至关重要的。而面对国内学校教室大、人数多的现状,我们需要从设计角度为学生提供一个良好的声学环境。

而声环境包括降低室内噪声和增加背景音乐以促进全脑学习两个方面,前者着重处理教室的背景噪声级和混响时间两项重要参数,后者则致力于创造全立体声的轻松学习氛围。

现行的《中小学校设计规范GB 50099-2011》对不同教学用房的隔声标准做了明确规定(普通教室的空气声隔声要大于45dB),同时《民用建筑隔声设计规范GB50118》也要求普通教室的背景噪声级低于45dBA,混响时间低于0.8s。

不同场所适合的混响时间示意图:美国标准ANSI要求教室RT≤0.6s,国标GB50118要求教室RT≤0.8s

然而,2014-2015的学校建筑室内环境研究中心项目对中小学校声环境现状的调研却显示:

  •  57%[80/140]的教室不满足《民用建筑隔声设计规范GB50118》对背景噪声级的要求;

  • 69%[96/140]的教室不满足规范对混响时间的要求,而安装了吸声天花的教室100%则都可以满足混响时间的要求。

采用降噪系数0.7的吸声天花可以降低70%的混响时间,降低7分贝的背景噪声

高性能的吸声天花是通过声音在多孔材料中传播所产生的内摩擦效应,将声能转化成热能、来实现吸声的目地,它们都拥有从材料内外表面间相连通的空腔,而与材料表面的粗糙平整度关系并不大。

普通教室采用吸声天花后可以让语言清晰度更高,学生听得更清楚,注意力更集中,长期的学习成绩可以得到显著提升;而老师也可以轻松授课,大大降低咽喉炎的发病率。下面这段在印度拍摄的视频,完整客观地记录了普通教室安装吸声天花后对声环境的提升,及老师学生对改造前后的亲身感受,非常值得借鉴与推广。

在减少噪声影响的同时,若能根据教室的空间特性,合理布置音箱,在偏重语言、逻辑等偏重左脑的课程教授过程中,增加背景音乐,促进学生全脑操作,帮助学生的大脑和神经系统更好地整合和处理信息,从而实现更加轻松高效的学习。

空气环境

空气环境包含环境的温度、湿度、污染物颗粒浓度、二氧化碳浓度等多项指标,好的空气环境能给人们带来舒适感,对学习、工作的效率提升帮助很大。

现在的学校教室一般都会配置分体空调,通过对温度、湿度、风速、平均辐射温度的设定,大体可维持较为舒适的热环境;污染物颗粒浓度越发成为人们日益关注的指标,很多空调设备厂家也在致力于研究有过滤装置的新风系统,以实现雾霾条件下基本健康的室内环境,使用新风系统的同时也可以降低二氧化碳浓度。

然而,对于雾霾并没有那么严重的很多城市而言,普通教室的二氧化碳浓度却是一个长期存在的问题,尤其是当45名甚至更多的学生同在一间教室里上完一节课之后,并且室外闷热无风的情况下,室内空气的低含氧量将直接导致学生们下一节课学习效率的骤降。

本文试图探讨的正是针对此问题,除新风系统之外的简单廉价的解决方案——安装排风扇等机械通风装置。

我们借助ANSYS风环境计算软件,对46人的普通教室一节课产生的二氧化碳浓度进行估算,然后通过软件模拟,在课间10分钟借助排风扇的运行把二氧化碳浓度降到合格标准。

从教室的横截面演示课间10分钟二氧化碳浓度的降低过程

从教室的纵截面演示课间10分钟二氧化碳浓度的降低过程

从教室的0.9米标高截面演示课间10分钟二氧化碳浓度的降低过程

从教室的2.7米标高截面演示课间10分钟二氧化碳浓度的降低过程

并且,借助软件的模拟,可以看到顶部装排风扇要比在侧墙装排风扇会使室内空气的流通更均匀、高效

侧墙装排风扇的通风模拟

顶部装排风扇的通风模拟

同时,机械通风还能较好地解决学生对室内污染物的暴露

在许多建成不久就投入使用的中小学、或者一些假期经翻新改造后的旧教室,室内装修或桌椅等家具会产生VOCs(挥发性有机化合物),SVOCs(半挥发有机化合物)等对人体有害的室内污染物,采用机械通风能显著降低污染物的浓度,大大减轻对学生老师的健康危害。

我们要如何改变普通教室的现状呢?

以教室为例,提高语言清晰度其实非常简单,有很多做法。

像是铺地毯,做软包,英国很多学校都是这样做的,但是在中国,考虑到经济性的因素,只要采用降噪技术不低于0.7%的吸声天花,就可以降低70%的混响时间和9分贝的背景噪声级。

而现在更多学校正在采用一种借助一体化天花系统,集成解决普通教室的光环境、声环境和空气环境的改善,为提升学生在视觉、听觉等全感官系统的体验创建更为合适的物质空间环境,从而帮助学生更为轻松高效地学习。

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