普通教室如何改造升級：從光、聲、空氣環境優化開始

今天的課堂利用昨天的工具來教育孩子，目的是要我們的孩子面對未來的世界。當代學生們的學習方式與學習理念與以往有很大的不同，學校更關注學生的素質教育與全面發展，更注重學習能力的培養。

而縱觀國內學校建設，很多熱門公辦學校，過多的生源使得學校沒有條件採用小班化教學，每間教室需要容納45名甚至更多的學生，「面對這樣學生高密度的教學環境，物質空間場所可以做哪些升級改造來幫助學生更輕鬆高效地學習呢」？

在回答這個問題之前，我們可以先來看看 「學習」這個行為是如何發生的？學習其實是一個非常複雜的過程，包括「輸入——整合/處理——輸出」三個基本步驟。

其中「輸入」主要藉助感官系統來完成，至少包括視覺、聽覺和觸覺的介入；

而「整合與處理」則需要藉助大腦和神經系統的共同參與，是一個內化的過程，其中以前庭為主的平衡覺則對此起了重要的支持作用；

「輸出」則主要依靠運動系統來完成，需要身體各個肌肉群的深度參與，良好的輸出是表明「學會了」的重要指征。當人們感受到所處環境的安全時，學習的行為就會自然而然地順暢發生。

這三個步驟當然與學生自身的生理基礎密切相關，但如果仔細分析一下，就不難發現：「學習行為發生的物質空間環境的品質對「輸入」這第一個步驟的影響至關重要」。

「當教室的光照充足、柔和且穩定，聲音的傳播清晰而無混雜、空氣清新、環境溫度舒適時」，學生能夠更輕鬆地看到、聽到和感覺到，也就更容易將自身能量聚焦在「整合/處理」和「輸出」這後兩個步驟，那麼學習行為自然可以輕鬆高效地發生了。

學習需要專心致志。課業越難，我們越容易分心，因此有能力保持不受干擾很重要。學生需要空間，能避免不必要的干擾和刺激源，以防打斷專註狀態。教學設備匱乏、聲效欠佳、外來噪音、採光不足等因素，足以造成不良的教學效果。

而上述這些性能指標正是物質空間的光環境、聲環境和空氣環境所關注的方面。

光環境

「光環境包含教室的採光和照明兩個方面」，前者是關於如何有效利用自然光線，後者是藉助人工照明更好實現教室光線的充足、柔和及穩定。

現行的「《中小學校設計規範GB 50099-2011》」對不同教學用房的「採光係數和窗地面積比」的最低值有明確規定，倡導以北向窗為主要採光面，以獲取相對穩定的自然光照環境；教室前端側窗窗端牆的長度要達到1.00m以避免黑板眩光；窗間牆寬度要小於1.20m，以避免暗角，形成教室明亮、連續的自然光照環境。

然而，不同地區的學校在不同季節，不同朝向的普通教室，從早到晚單靠建築本身常常會面臨光照過強或者過弱兩個基本問題。過強時，需要遮陽；過弱時，需要人工照明。

「遮陽分為建築外遮陽和建築內遮陽兩種」。

外遮陽是指我們常常藉助南側走廊或者窗戶外的遮陽構件來實現對過強光線的遮擋，「這是在學校規劃或者建築設計階段就解決了的，基本不在本文關於投入使用後「教室升級改造」的討論範圍」；

「內遮陽則是教室採用的各種內置遮陽簾」，可根據教室的具體朝向狀況採用可調節的遮光百頁，或者通過訂製兩種不同遮光強度的窗帘來實現至少三種不同的遮光度：弱遮光簾、強遮光簾、疊加後的超強遮光簾。

人工照明則注重教室光線的局部或全面加強，「著重處理黑板的平均照度、課桌面的照度及照度均勻度」，使之滿足國家規範的規定；考慮對學生視力的保護，即在所有燈具滿足顯色指數大於80、色溫處於4500k-5500k之間的基礎上，控制其光頻閃效應、眩光值和藍光成份，以降低對學生視覺疲勞的影響，有效保護學生視力健康，實現照明光環境的舒適；

參考中小學設計規範：其中規定主要用房桌面或地面的照明設計值不應低於表9.3.1的規定，其照度均勻度不應低於0.7且不應產生眩光。主要用房的照明功率密度值及對應照度值應符合表9.3.2的規定及現行國家標準《建築照明設計標準》GB 50034的有關規定。

「教室照明中，黑板照明是重點照明區域」。但為了節省開支，多數教室沒有給黑板設置燈具，甚至有20%的家長也覺得黑板本來姓「黑」沒有必要或無所謂對黑板進行單獨照明。

那麼，如何要營造一個良好的「黑板照明」？

• 1、垂直照度

黑板是學生注意力的集中點,它需要較高的垂直照度，需「滿足國家標準值≥500lux」。

• 2、照度均勻度

由於黑板作為展示知識重點的區域，因此其光線分布越均勻，視覺感受越舒服，照度均勻度≥0.8。

• 3、眩光

反射眩光、直射眩光是黑板照明中極易出現的問題。為消除黑板照明中的眩光影響，需要滿足以下3個條件：

• 黑板照明通過黑板面的反射光不進入學生的眼睛；
• 黑板照明的光源不直接進入學生的眼睛；
• 老師不感到黑板照明晃眼。

• 4、合理的照明設計

為了避免反射眩光、直射眩光等問題的出現，黑板燈的安裝位置及角度需進行專業的照明設計，以下為黑板燈布置圖。

• 5、單獨控制開關

為了便於黑板的光線根據不同授課環境而變化，因此建議黑板照明需單獨控制開關。

通過改造前後的對比照片，可以清楚看到教室照明環境的改善，實測各項指標可切實達到國家標準的規定。

隨著教學環境的改進，照明技術的發展，採光達標已經是教室照明的最低要求，更進一步要考慮到的是視力保護、節能環保的指標。

良好的教室照明設計應滿足以下標準要求：

1、保證視覺目標水平和垂直照度要求。滿足桌面平均照度值不低於300lx，其照度均勻度不應低於0.7。

2、滿足顯色指數大於80，良好的眩光控制(眩光值UGR<19)，減少光幕反射，保護視力，提高視功能和可見度水平。

3、要引導學生把注意力集中到教學或演示區域，同時保證色溫處於4500K-5500K之間，以達到創造舒適的照明光環境。

4、滿足學生之間面對面交流的要求，亮度的分布要合理，滿足平均照度值300lx，照度均勻度不應低於0.7。

5、照明控制應適應不同的演示和教學情境，並考慮自然光的影響。

6、教室照明還應做到安全、可靠，方便維護與維修，並與環境協調。

優質的照明燈具也很重要：

• 全護眼教室燈具採用高效節能優質的LED光源。
• IC恆流無頻閃控制電源，使用小格柵防眩技術，
• 燈體採用透光材料，全向出光，營造健康舒適均勻的教室光環境。

聲環境

提起教育空間里的「聲學需求」，有很多人有這樣的疑問：聲學真的有那麼重要嗎？或者說，在教育建築里，聲學真的那麼重要嗎？我們在教育建築的設計里關注很多問題，我們關注「預算」、「工期」，甚至我們關注「綠色建築」、「健康建築」，關注建築的可持續發展，卻很少有人關注教育空間的聲學環境。

而教室作為教學的主要場所，教室里任何一個角落的學生是否都可以聽清楚老師的教學內容，對於教育效率甚至是教育公平都是至關重要的。而面對國內學校教室大、人數多的現狀，我們需要從設計角度為學生提供一個良好的聲學環境。

而聲環境包括降低室內雜訊和增加背景音樂以促進全腦學習兩個方面，前者著重處理教室的背景雜訊級和混響時間兩項重要參數，後者則致力於創造全立體聲的輕鬆學習氛圍。

現行的《中小學校設計規範GB 50099-2011》對不同教學用房的隔聲標準做了明確規定（普通教室的空氣聲隔聲要大於45dB），同時《民用建築隔聲設計規範GB50118》也要求普通教室的背景雜訊級低於45dBA，混響時間低於0.8s。

不同場所適合的混響時間示意圖：美國標準ANSI要求教室RT≤0.6s，國標GB50118要求教室RT≤0.8s

然而，2014-2015的學校建築室內環境研究中心項目對中小學校聲環境現狀的調研卻顯示：

• 57%[80/140]的教室不滿足《民用建築隔聲設計規範GB50118》對背景雜訊級的要求；

• 69%[96/140]的教室不滿足規範對混響時間的要求，而安裝了吸聲天花的教室100%則都可以滿足混響時間的要求。

採用降噪係數0.7的吸聲天花可以降低70%的混響時間，降低7分貝的背景雜訊

「高性能的吸聲天花」是通過聲音在多孔材料中傳播所產生的內摩擦效應，將聲能轉化成熱能、來實現吸聲的目地，它們都擁有從材料內外表面間相連通的空腔，而與材料表面的粗糙平整度關係並不大。

普通教室採用吸聲天花後可以讓語言清晰度更高，學生聽得更清楚，注意力更集中，長期的學習成績可以得到顯著提升；而老師也可以輕鬆授課，大大降低咽喉炎的發病率。

在減少雜訊影響的同時，若能根據教室的空間特性，合理布置音箱，在偏重語言、邏輯等偏重左腦的課程教授過程中，增加背景音樂，促進學生全腦操作，幫助學生的大腦和神經系統更好地整合和處理信息，從而實現更加輕鬆高效的學習。

我們要「如何改變普通教室的現狀」呢？

以教室為例，提高語言清晰度其實非常簡單，有很多做法。

像是鋪地毯，做軟包，英國很多學校都是這樣做的，但是在中國，考慮到經濟性的因素，只要「採用降噪技術不低於0.7%的吸聲天花」，就可以降低70%的混響時間和9分貝的背景雜訊級。

而現在更多學校正在採用一種藉助一體化天花系統，集成解決普通教室的光環境、聲環境和空氣環境的改善，為提升學生在視覺、聽覺等全感官系統的體驗創建更為合適的物質空間環境，從而幫助學生更為輕鬆高效地學習。

空氣環境

「空氣環境包含環境的溫度、濕度、污染物顆粒濃度、二氧化碳濃度等多項指標」，好的空氣環境能給人們帶來舒適感，對學習、工作的效率提升幫助很大。

「現在的學校教室一般都會配置分體空調」，通過對溫度、濕度、風速、平均輻射溫度的設定，大體可維持較為舒適的熱環境；污染物顆粒濃度越發成為人們日益關注的指標，很多空調設備廠家也在致力於研究有過濾裝置的新風系統，以實現霧霾條件下基本健康的室內環境，使用新風系統的同時也可以降低二氧化碳濃度。

然而，「對於霧霾並沒有那麼嚴重的很多城市而言，普通教室的二氧化碳濃度卻是一個長期存在的問題」，尤其是當45名甚至更多的學生同在一間教室里上完一節課之後，並且室外悶熱無風的情況下，室內空氣的低含氧量將直接導致學生們下一節課學習效率的驟降。

本文試圖探討的正是針對此問題，除新風系統之外的簡單廉價的解決方案——安裝排風扇等機械通風裝置。

我們藉助ANSYS風環境計算軟體，對46人的普通教室一節課產生的二氧化碳濃度進行估算，然後通過軟體模擬，在課間10分鐘藉助排風扇的運行把二氧化碳濃度降到合格標準。

從教室的橫截面演示課間10分鐘二氧化碳濃度的降低過程

從教室的縱截面演示課間10分鐘二氧化碳濃度的降低過程

從教室的0.9米標高截面演示課間10分鐘二氧化碳濃度的降低過程

從教室的2.7米標高截面演示課間10分鐘二氧化碳濃度的降低過程

並且，藉助軟體的模擬，「可以看到頂部裝排風扇要比在側牆裝排風扇會使室內空氣的流通更均勻、高效」。

側牆裝排風扇的通風模擬

頂部裝排風扇的通風模擬

同時，「機械通風還能較好地解決學生對室內污染物的暴露」。

「在許多建成不久就投入使用的中小學、或者一些假期經翻新改造後的舊教室」，室內裝修或桌椅等傢具會產生VOCs（揮發性有機化合物），SVOCs（半揮發有機化合物）等對人體有害的室內污染物，採用機械通風能顯著降低污染物的濃度，大大減輕對學生老師的健康危害。

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