建筑与科教融合 让学生成为城市导览员

陈染 毛澄洁 马亮

漫步在城市中，我们看到一座座样式不同的建筑出现在身边，有的高大雄伟，有的优美秀丽，有的庄严肃穆，有的充满生活气息。建筑被称为“第三艺术”，其意义不仅是遮风避雨，更是科学、工程和人文艺术的结合，它为城市赋予了不同的风格。建筑是城市的灵魂，它让城市更有特色，更有味道。

对于教师而言，建筑更为科技教育提供了取之不尽的题材。在中小学阶段，关于建筑的内容被分散到语文、美术、地理、物理等学科中，学生对于建筑的认识是分散的，不够深入的。而科技教育为我们提供了跨学科整合的机会，通过探究和创造，学生能够更深入探索建筑中的科学和技术，感悟建筑中的艺术和人文。

建筑作为科技教育的主题优势有很多。首先是建筑资源丰富，各地科技教师都可以开发出具有当地特色的課程;其次，建筑探索的切入点非常多，即使同一个建筑也可以通过不同角度认识;第三，建筑本身就融合了科学技术、人文和艺术，为我们设计跨学科活动提供了天然的条件;最后，建筑课程的开展组织形式丰富，可以到建筑现场进行外出探索，也可以在实验室内展开研究。

中国具有丰富的建筑资源，这为我们设计课程提供了数不胜数的题材。中国幅员辽阔，历史悠久，每个地方都有不同的自然条件和人文传统，从而造就了独具特色的中国传统建筑体系。从恢弘大气的紫禁城，到优雅婉约的苏州园林;从烈烈寒风的蒙古包，到淅淅细雨的吊脚楼;从庄严肃穆的布达拉宫，到喧嚣热闹的福建土楼;从朴实无华的西北窑洞，到雕龙画凤的广式民居，中国传统建筑有太多值得我们了解和探究的地方。随着这几十年来中国的经济腾飞，中国也成为伟大建筑师挥洒创意的地方，一批现代的、先锋的、实验的建筑出现在我们的城市中，鸟巢、广州塔、东方明珠、苏州博物馆、大兴机场……这些知名的建筑更是体现了现代建筑的顶尖水平，也很值得科技教师组织开展探究活动。各地的科技教师可以因地制宜，选择当地特色的建筑作为课程探究的主题。

除了有丰富的建筑资源，建筑主题科技教育课程的探究切入点同样非常丰富。建筑不仅仅是一项工程本身，更融合了科学、技术、人文、数学等学科，我们可以从中选取某个有特色的角度切入，设计切合主题的探究课程。以天坛作为对象，我们可以将回音壁作为切入点，探究回音壁的传声原理;以故宫作为对象，我们可以将斗拱结构作为切入点，探究故宫抗震的原理;以广州塔作为对象，我们可以将双曲面外观作为切入点，探素数学在设计工程建设中的应用;以上海环球金融中心作为对象，我们可以将“上海之眼”作为切入点，探索高层建筑如何抗击台风。

科技教育强调跨学科的重要性，而在建筑中往往融合了多项学科，这也很值得让我们从不同角度探索。例如，斗拱是中国传统建筑中最有特色、最具标志性的结构之一，从物理角度看，斗拱最基本的作用是承重，同时还兼有抗震的作用;从文化角度看，斗拱的大小、粗细都体现了森严的等级制度;从美术角度看，斗拱精美的雕花很好地装饰了建筑;从生物角度看，斗拱为雨燕等生物提供了藏身之所，是人与自然和谐相处的典范。在设计建筑主题的课程中，我们一定要注意将各个学科整合起来，让学生对建筑有更宽广、更深刻的认识。

开展建筑类主题科技教育的优势还在于活动组织形式的多样，既可以外出实践参观调查，也可以在课堂中组织探究。建筑就在我们身边，我们可以把课堂搬到要探索的建筑中，通过讲解员对建筑的历史和故事的讲解，对建筑形成基本的认知。在课程开展探究的过程中，我们还可以在主管单位的协调下，组织学生到实地对所需的数据进行测量。我们也可以把课堂搬到实验室，通过模型的制作、测试和改进，对建筑形成更深入的认识。

现在，越来越多的教师探索如何将科技教育与建筑结合起来。近期“科技学堂”上线的微课“数码探古建”正是一门专门探讨传统建筑主题科技教育设计思路的课程。“数码探古建”是数字科学家团队与北京市东城区青少年科技馆共同开发的课程，旨在引导学生利用数码设备对中国传统建筑进行数据采集和整理分析，通过实物建模的方式体验中国传统建筑中的科学问题。课程通过问题形成、证据获取、科学人文解析、拓展反思的课程教学模式让学生探索古建筑中的科学。下面我们简单介绍“数码探古建”中的一个课例“古建窗牖与现代建筑采光对比测试”，了解如何开展好建筑主题的科技教育课程。

“古建窗牖与现代建筑采光对比测试”课程通过光照强度测试仪等仪器探究纸、绢、帛、毛玻璃、玻璃等材质的采光性，帮助学生了解和认识传统四合院窗牖等传统建筑元素知识及现代建筑的采光设计方法。

问题形成阶段，教师播放古建窗牖与现代建筑明窗的视频，让学生认识到中国传统建筑与现代建筑的区别。在这个过程中，学生形成问题“是什么原因造成东西方居住的巨大差异”，并讨论可能的原因，形成初步假设。

获取证据环节，学生需要设计实验，以验证假设。我们首先通过测量数据发现传统建筑和现代建筑的区别，学生使用米尺和测距仪测量出传统建筑和现代建筑的空间高度，以及传统建筑的窗牖和门户的高度、宽度，以及现代建筑明窗设计的高度、宽度数据，并记录在表格中。通过数据对比，发现传统建筑与现代建筑的差别。

初步了解了传统建筑与现代建筑的区别后，我们需要用光照强度测试仪、推拉力测试仪、压力机压差仪、红外线测温仪、便携式温度计、笔试温度计等仪器获取数据。需要测量的数据有：同一样式窗牖的不同材质（毛玻璃、玻璃、宣纸、毛边纸、纱帛等材料）在同一光照下的光照数值，现代玻璃制品在同一光照下的光照数值，不同材料在同一风力条件下的拉力和压力系数，不同样式的窗牖（工字格、步步高升、冰裂纹）在同一材质下的光照数值，以及不同采光材质在同一光照条件下的空气气温、湿度数值。

完成了数据的测量，我们进入科学及人文解析环节。通过对传统建筑的窗牖和现代建筑的明窗采光的初步认识，我们发现传统建筑中窗犏材质的光照系数远远低于现代玻璃材质，这也是传统建筑室内昏暗的原因。我们还发现由于传统建筑的受力所限，窗牖被设计成菱格状，这一方面增加了建筑的美感，另一方面也影响了室内采光。而东西方对于采光系统的设计思想不同，传统建筑的开窗面积小于现代建筑，造成传统建筑的室内昏暗，空寂感强，现代建筑明亮，跃动感强。东西方文化在处理人与自然的问题和人居空间的关系上有着明显的差异，也造成了东西方建筑采用了不同的采光方式。

最后一个环节是拓展反思。在这个环节，我们可以引导学生进一步反思课程，形成新的问题。例如，我们可以请学生思考传统建筑与现代建筑除了采光之外还有哪些新的值得探究的点;可以思考传统建筑室内采光不好与建筑外形有哪些可能的关联;还可以让学生查找相关的书籍或资料，看看传统的窗牖还使用了哪些采光材料，如果能够获取材料，我们还可以进一步测试它的采光度如何。如果条件允许，我们还可以让学生携带相关仪器，到故宫、颐和园、北海公园等古建筑群里进行实地测量，也可以走访民国时期的西式建筑，并进行实地测量，进一步从窗牖的角度了解西式建筑对中国建筑的渐进式影响。

在“数码探古建”课程中，我们还可以看到更多将建筑与科技教育融合起来的案例，科技教师也要挖掘我国丰富的建筑资源，让学生不再做城市的观光客，而成为城市的导览员。