大学物理教学实验室设计研究_赵婉雪.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 9 期 2023 年 9 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.9 Sep.2023 收稿日期:2023-04-12 基金项目:中国科学院大学课题（E1E58919）作者简介:赵婉雪（1998），女，河南开封，硕士研究生，主要研究方向为建筑与城市设计，。通信作者:王一钧（1982），女，辽宁阜新，博士，高级工程师，主要研究方向为科研建筑设计、建筑与城市设计，。引文格式:赵婉雪，王一钧，崔彤.大学物理教学实验室设计研究J.实验技术与管理,2023,40(9):267-274.Cite this article:ZHAO W X,WANG Y J,CUI T.Research on the design of university physics teaching laboratoryJ.Experimental Technology and Management,2023,40(9):267-274.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.09.038 大学物理教学实验室设计研究 赵婉雪1，王一钧1,2，崔 彤1,2,3（1.中国科学院大学 建筑研究与设计中心，北京 100190；2.中国建筑学会科研建筑学术委员会，北京 100044；3.中国中建设计研究院有限公司，北京 100037）摘 要：大学物理实验教学是一个多层次和循序渐进的体系，其研究与实践已进入建构主义教学、泛在化学习等新阶段。然而，大学物理教学实验室作为承载实验教学活动的关键空间，其设计方法仍相对滞后，相关研究主要从教学视角出发，缺乏建筑设计视角的可行性策略研究。该文通过梳理大学物理教学实验空间的历史发展演变，分析大学物理教学实验室中仪器的复杂性和教学方法与空间的矛盾性，挖掘传统物理教学实验室所面临的问题，以及现代教学实验中物与人、人与人之间交互行为的新特征。在归纳大学物理教学实验室分类的基础上，从实验仪器和教学场景两方面分别阐述了实验室空间的设计需求，分 3 个阶段提取大学物理教学实验室的设计策略，为物理教学实验室的业主、使用者、管理者和建筑师之间的沟通提供了有效的转译。关键词：物理实验室；教学实验室；实验室设计 中图分类号：TU244.5 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)09-0267-08 Research on the design of university physics teaching laboratory ZHAO Wanxue1,WANG Yijun1,2,CUI Tong1,2,3(1.Center of Architecture Research and Design,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.Committee of Architecture for Science-ASC,Beijing 100044,China;3.China Construction Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100037,China)Abstract:The teaching of physics experiments in universities and colleges is a multi-level and gradual system,and its research and practice have entered new stages such as constructivist teaching and ubiquitous learning.However,as a key space for carrying experimental teaching activities,the design methods of physics teaching laboratories in universities and colleges are relatively lagging behind,and related research is mostly conducted by experimental teachers from a teaching perspective,lacking feasibility strategy research from an architectural design perspective.This paper summarizes the historical development of experimental space in physics teaching,analyzes the complexity of instruments and the contradiction between teaching methods and space in physics teaching laboratories of universities and colleges,explores and analyzes the problems faced by traditional physics teaching laboratories,as well as the new characteristics of interactive behavior between objects and people in modern teaching experiments.On the basis of summarizing the classification of physics teaching laboratories in universities and colleges,this paper elaborates on the design requirements of laboratory space from two aspects:experimental instruments and teaching scenes.The design strategies of physics teaching laboratories are proposed in 3 stages,providing effective translation for communication between owners,users,managers,and architects of physics teaching laboratories.Key words:physics laboratory;teaching laboratory;laboratory design 268 实 验 技 术 与 管 理 国家在“十四五”规划中提出培养高质量人才和创新科学技术的目标1。物理实验教学是培养学生基本实验操作能力的必要过程，也是学生进行高水平科研工作的前提条件2。大学物理教学实验室作为物理实验教学的空间载体，其空间环境也应与时俱进。然而，由于物理学和建筑学学科存在壁垒，现有的物理教学实验室设计囿于既有样式，缺乏专业性和前瞻性。1 大学物理教学实验室发展演变 大学物理教学实验室的发展演变如表 1 所示。随着物理学科教育的成熟与发展，教学实验室也从简单易用的空间不断完善，呈现出符合教学实验特点的专业性和面向未来的灵活性等特质。1.1 初始阶段 17 世纪初，英国物理学家吉尔伯特和意大利物理学家伽利略等将实验论证的方法引入物理学研究中3。在此阶段，物理学实验对空间的需求较低，仪器储存与陈列、实验动作、公众演示 3 种功能分别在不同的场所进行。实验设备的展列由最初的“抛光良好，上漆精美的玻璃箱”4发展为专用的仪器用房，并诞生了以仪器集合为主的博物馆。由于实验的成功与否不受建筑空间与环境条件的限制，实验工作大多在学者 表 1 大学物理实验教学空间的发展演变 阶段 时间 形成原因 教学模式 空间特点 模式示意 初始阶段 1825 年以前 物理学发展水平较低，实验仪器简单 物理学教育通过图表和模型演示完成，无实验操作环节 无专门的物理实验空间，实验场所仅要求能够陈列仪器 发展阶段 18251886 年 物理学工作的突破需要新生力量的补充 学生进入实验室，教师讲授与学生操作相结合 有专门的物理实验空间，教室和实验室模式的叠加，但面积小，内含教师演示区 18861930 年 实验室制度化，工业社会对物理学相关从业人员的大量需求 选题为验证性实验，有详尽的步骤要求，学生照章行事 实验室面积大，无特定的教师演示区 改革阶段 19301960 年 物理学家开始探讨对现有实验教学方法进行改革 教师引导学生在动态的实验过程中理解物理原理完善了教学实验室的内部设施，包括讲授区、演示实验区的划分和水电设备的增补 1960 年1990 年教学改革的落地，高校中空间、资金和人力逐渐充裕 注重教师对学生的科研能力引导，培养学生独立思考和操作的习惯 使用开放实验室，作为教学和科研的过渡性实验空间 1990 年至今 计算机的使用对物理实验的重大意义；各高校推进实验室的建设与创新 学生通过情景化、社会化、虚拟化等多种方式进行实验学习 教学实验室内加入学术交流分区，实验室空间在标准单元的基础上进行灵活改造 注：学生实验区；教师讲授区；师生整体动线；教师独立动线。赵婉雪，等：大学物理教学实验室设计研究 269 的私人寓所和化学实验室中进行，并没有专门的物理实验空间。在市民中心、议会厅等公共厅堂空间进行物理实验的演示，加速了物理学成为实验科学的进程。1.2 发展阶段 18 世纪末，博物馆表现出物理实验的空间功能，物理学家在博物馆的地上部分展示实验仪器并向观客讲演，地下部分则供私人研究使用5。师生共同参与的实验模式使物理实验室从其他建筑类型中分化析出，并将教学功能加入物理实验室的设计任务中6，有助于教师在其中组织课题化的教学和研究。两次世界大战期间，为了使物理学工作在效率与规模上快速扩增，物理实验的教学推行按部就班的指南式操作程序7，物理教学实验室的建设也追求标准化、模块化的“工厂模式”8。其空间组织回应了物理实验的环境要求，热力学和磁学实验室位于建筑底层，声学、光学实验室位于建筑顶层，中部插入开放实验室。1.3 改革阶段 上世纪 70 年代，随着国家实验室、企业开发实验室等的建设发展，物理学科的实验建筑体系日益成熟，教学实验室和科研实验室分别走向相对独立的发展方向9。一方面，大学物理教学实验室须适应实验探索所需的信息化技术、精细化设备和跨学科互动场景；另一方面，物理实验教学方法全面改革，其多层次培养体系、以学生为中心的理念、鼓励交流的社会化趋势等，也不再与一成不变的传统布局相适配10。对教学成效的反思促使大学物理实验教师率先倡议了教学实验空间的改革11-12，但建筑师角色在该研究领域的缺位使得这些建议难以落实在具体的工程实践中。2 大学物理教学实验室现状 2.1 仪器设备复杂 物理实验一直以实验仪器为重心展开，物理实验室也被描述为“一种充斥着设备与用具的房屋类型”4。大学物理教学实验室的仪器设备同样体现出复杂多样性（表 2）。相对其他学科的实验室，物理教学实验室所用仪器设备数量多、更新速度快。通用仪器的损耗率高，专业仪器随课题组研究推进不断更新13。设备所需的建筑环境条件不同，在通风、减震、遮光、磁屏蔽等物理环境上均有额外要求。设备尺寸差异大，在基础实验教学中仪器所占空间相对均衡，多集中在 400 mm 300 mm200 mm 左右。随实验层次深入，从小尺寸的元件、中等尺寸的各类电表到大型尺寸的科研仪器，用具规格跨度较大。实验设备呈现出集成度增加和一体化趋势14，一方面，仪器体积增加对实验室空间的层高和改造可能性提出要求；另一方面，智能化的“黑箱式”操作不易使学生明晰仪器工作的原理，因此应留出供学生探讨仪器构成和自由组装设备的空间。2.2 教学方法与实验室空间矛盾 除了满足仪器设备需求外，物理教学实验室的特殊之处还在于其容纳的教学行为，现有的教学实验室未能依据师生行为提供人性化的设计。在低年级的实验课程中，理论教学和实验计划往往是割裂的，受限于师生人数的比例、学生的个体差异和传统实验室的封闭性，学生普遍反映实验学习的预期效果难以实现15。而在高年级实验学习中，知识传递方式发生转变，学生如何适应准科研、类科研的学习模式，以及掌握自主科研工作方法成为关键问题。表 2 实验仪器的差异性 实验门类 设备名称 设备的长、宽、高/mm 环境要求 振动和波 固定弦振动实验仪 900、100、大于 100 300、250、100 无特殊环境要求 电磁学 电子荷质比实验仪 350、300、150 无特殊环境要求 光学 光学平台 600、（6002 000）、6 000，可定制 遮光设施，稳定的温湿环境，减少气流 原子、分子物理 扫描隧道显微镜 2 000、1 500、2 000 隔绝振动和磁场干扰 真空技术和材料制备 水燃料氢氧机 1 200、900、1 200 会产生高温气焰，需单独放置；电解液对皮肤有腐蚀性 其他 虚拟仪器，需服务器机房 600、900、1 200（机柜）防热防潮，避开强磁场，需隔热降噪 传统的大学物理教学实验室存在以下问题：对不同类型物理实验缺乏针对性地空间设计；空间仅考虑实验设备的物理环境需求，忽视了人与物的关系和人与人的关系；实验器材储存空间不足且取用不便，实验室内部空间杂乱，增加了安全隐患；实验室的信息化程度低，无法支持多场景、泛在化的实验学习。3 大学物理教学实验课空间需求解析 3.1 大学物理教学实验室分类 明确物理实验的课程设置，包括使用人数、分组情况和实验内容的划分。在国内高校，通常为理工科非物理系学生开设基础物理实验，为物理系学生开设270 实 验 技 术 与 管 理 普通物理实验、近代物理实验和其他拓展实验，并强调实验内容的层次递进和学生综合实验能力的提升16。实验课程可从两个维度进行分类。按照实验教学的目的，可分为演示实验、验证性实验、设计性实验和研究性实验17（表 3）。该维度在设计中关注不同教学方式下师生的互动和行为状态，如演示实验学生主要通过观察来完成学习任务，适合连续性学习的空间设计。此外，不同的管理模式会对实验室产生影响，如设计性实验需要更多的时间、场地和仪器设备的选择。按照学生的学力层次划分实验课程，提供由浅入深的知识技能训练，可分为基础物理实验、综合物理实验和近代物理实验18。转译到实验室建筑空间中，其设计重点聚焦在随着实验难度的增加，实验设施从通用教学仪器（如电子示波器、分光计等）过渡到专用科研仪器（如扫描隧道显微镜、磁控溅射系统等），该变化导致环境条件的优先级变更，需要调整空间定位和主辅关系，并重新考虑学生与实验设施间的交互方式、时间、路径、频次等。3.2 教学实验室常用家具与设备 教学实验室的布局应充分考虑实验家具、设备与师生的交互，为提高教学实验室的使用率，每间实验室通常会安排不同的实验课程，因此应优先选择灵活 组合的实验家具，以支持仪器设备的便捷取用和更新。家具系统以实验台为主体，预留足够的水电点位和弱电接口，为物理仪器的大量用电需求和样品制备等基础操作提供保障。根据使用频率，设备的空间设计应结合操作半径、位置、高度和可移动性布置收纳空间，以改善实验室内的整洁程度，优化实验参与者的操作效率。教学实验室常用家具与设备如表 4 所示。3.3 实验室教学场景与功能组织 以实验目的分类有助于从教学方法入手，通过分析教学场景进行空间需求的转译。目前实验教学方法的研究已进入自主学习和社会化参与阶段，并衍生出实例式教学、随机通达教学等方向19。实例式教学需要在实验室设置真实有效的物理实例，教师根据学生的学习进度实时调整教学计划，这就要求实验室容留富余空间使教师与学生均有机会参与物理实验的设计与展示。随机通达教学对同一物理原理使用多种方式进行演绎，加深学生的理解程度。教学实验室也应跳出传统布局的局限，在满足仪器设备需求的前提下创设鼓励创新的空间场景（表 5）。在这些场景中，教师将成为教学环境的设计者、管理者，与学生平等对话。表 3 教学实验类型与空间 演示实验 验证性实验 设计性实验 研究性实验 对应课程 非正式学习；实验课程中的富裕时间 基础物理实验和部分综合物理实验部分综合物理实验 近代物理实验 设计要点 利用课堂上的空余时间和空间及非正式学习空间等“边角空间”满足实验教师便捷取用和更换仪器的需求；关注师生之间的良好互动和初学者的安全问题 开放管理模式的家具与设备选择，方便学生研讨和实验的空间设计 围绕重要仪器的布置设计实验参与者的空间；除实验参与者的流线外还需考虑仪器运输的流线 典型平面 注：试验台；储物柜；课桌；消防柜。表 4 教学实验室常用家具与设备 家具位置和设备取用动线 可移动性 取用仪器类型 落地柜 不能移动位置，内部隔板可调节 最大的储存空间，可放置较大或成组的实验仪器和书籍，如成组套件 底柜 可移动位置，内部隔板可调节，可结合排风 放置最常用的小型仪器，如光学器件、电路元件；放置个人物品和书写用具；可与排风功能结合 赵婉雪，等：大学物理教学实验室设计研究 271 续表 吊柜 不可移动位置，可灵活布置在各墙面 常与边台结合，增加边台上方的空间利用率，可放置该实验室中多个实验所需的通用仪器，如示波器 可移动置物架 可移动位置，置物架板可调节 钉板区可悬挂电路线等，置物架区可放置接头、万用电表等工具，需要留出足够宽的移动路径和停车位 台上置物架 可拆卸，置物架板可调节放置常用小型器件的收纳盒和通用仪表，增加实验台面的空间利用率 边台 C 框架边台不可移动，底柜可移动 可放置演示实验装置和较大或成组的实验仪器，减少从准备室搬运的不便 注：家具位置；设备取用动线。表 5 教学实验室功能组织 图解示意 空间特征 设计目的 传统教学实验室 由教学区、实验区、演示实验展示区和储藏区组成 满足教师的基础教学需要 支持实例创设 在传统布局的基础上增加实例创设与教学区，可根据教师实际需求灵活布置公共展示和研究讨论空间 教师可利用实例创设区进行多种教学方法的尝试 支持开放式实验 将教学区和演示实验区、实验成果展示区组团布置，作为开放实验室的内外过渡空间 允许学生在实验课程外进行物理实验探索，增加了教学实验室的利用率 支持社会化研讨 置入学术活动的交流空间、客座演讲和学生汇报功能空间 引入跨学科交流、校际交流，增加物理教学实验对于理工科非物理院系学生的吸引力 注：实验室动区；实验室静区；动区流线；静区流线；辅助流线。272 实 验 技 术 与 管 理 4 大学物理教学实验室空间设计 4.1 满足“物”的需求 明确实验室中实验仪器和家具特点，为师生提供更贴合实际操作场景的设计措施，包括符合实验教学习惯的专业性设计、自主可变的实用性设计和预防潜在风险的安全性设计。4.1.1 专业性 在实验室空间中，需要优先确定满足核心仪器特性的建筑条件，再根据使用者的生理需求和行为便利规划动线，并留出灵活周转的空间。如进行光物理实验的教学实验室应尽量避免灰尘对光学元件性能的影响20，因此储物空间与实验台的最短路径连接可以显著减少人员行走带来的灰尘对实验的扰动。4.1.2 实用性 实际使用的场景、课程人数的增加、实验更新等要求教学实验室保留一定的灵活性。在组团维度，需为不同背景的工作者设置空间的透明性，为跨部门的实验工作开展保留空间的通用性。在实验室单元中则可以通过预置湿性实验、通风设备和相关管道为未来 改造创造条件。实验台的构造，收纳家具和实验区域、仪器设备的组合设计，集成性的功能家具和一些构造策略也能提高实验室的可变性。4.1.3 安全性 各类实验仪器的操作要求繁多，实验行为相对其他教学行为更复杂，且学生对实验操作较为生疏，因此物理教学实验室具有安全隐患。然而，目前的大学物理教学实验室的应急防护系统设置不足，并且水电、通风等建筑设备上的安全措施仍不完善。为了解决这些问题，需要在建筑设计体系中考虑安全性，并从物理环境、设备设施、构造做法、标识系统、消防抗震等方面制定全面的教学实验室安全设计策略。4.2 关注“人”的需求 以参与者为中心设计物理教学实验空间，学习者的学习是连续的行为，泛在化的概念即指学习者能够在任意的时间和地点、以任意方式获取合适的学习资源或学习服务21。因此，大学物理教学实验室的设计应从单一实验单元的研究扩大，关注如何转化为开放性的空间连续体。从实验参与者的行为模式出发，变革实验单元和实验组团（表 6）。表 6 教学行为模式和空间类型 单向传输 双向传输 多向多边 行为模式 实验单元 教师指南式实验教学 学生讨论和观摩区域增加 适合多种实验教学形式的空间组织 实验组团 封闭性和单一性 实验室附属空间的开放性和多样性 立体的连续学习系统 赵婉雪，等：大学物理教学实验室设计研究 273 4.3 物理实验教学空间的整合 搭建连续的物理实验教学空间系统，该空间系统由各层级的锚点空间相互串联，实现从教学实验室到科研空间的过渡。首先，需要增加各锚点的多样性和密度。根据验证性、设计性和研究性这 3 种实验的主要目的和核心问题，分类归纳出每种实验所需的连续性学习空间和承载的主要内容（表 7）。例如，在学生进入研究性实验阶段时，应特别关注学生工位区域和导师办公室的衔接，以及同门之间传帮带情景的场所营造。其次，传统物理实验教学课堂受限于有限的空间、时间和设备，需要借助虚拟仿真技术进行辅助。为了解决线上实验教学中的问题，需要梳理并巩固实验室单元和锚点空间中的设施和服务。然后，在教学实验室中使用录播系统、虚拟桌面和多屏显示，及时收集学生的实验状况，方便实验教师对共性问题予以回应，学生也可通过回放查看教师演示时的细节，提高师生间的对话效率。最后，在锚点空间中适当配置显示屏、白板等设备，方便同一实验组的同学在课前和课后进行讨论，同时一些演示用仪器的展示和互动装置的陈列也将实验学习体验延续至实验室外。表 7 各类型实验的教学空间需求 实验类型 教学目标 实现途径 空间需求 验证性实验 课前安排不同院系的学生熟悉各类物理实验仪器 课后复习实验仪器操作 对物理学兴趣的激发和引导 学生操作虚拟仪器并讨论 自行观摩和仪器申请 课上和课下的展览、演示实验观看 局部扩大的交通空间 开放实验室演示区 演示实验厅 设计性实验 确定课题分配任务 调试仪器推敲方案 实验结果整理与汇报 文献查找和组队分工 仪器取用和组队研讨 学术报告和交流 围合式非正式学习空间 开放实验室实验区 开放实验室讨论区 研究性实验 前沿科研仪器的认知学习 科研方法的训练 课程成果的校内外交流 课题组内交流 课题组教学实验课 实验成果展览 科研实验室 科研实验室、工作室 演示实验厅 5 结语 物理教学实验的多样性和可变性要求有机地设计实验室空间。教学实验室不仅要满足不同类型物理实验的要求，还需要考虑“人-机”“人-人”关系，并体现在“物-空间”“人-空间”的联系上。（1）大学物理教学实验室的历史可分为初始、发展和改革 3 个阶段，分别呈现出简单易用、追求效率、兼顾人性化与专业性的空间特点。（2）大学物理教学实验室存在欠缺针对性设计和安全考虑,以及缺乏对当前实验教学方法的空间支持等问题。因此，需要从实验仪器设备和实验教学场景两方面入手解决。（3）大学物理教学实验室的设计策略应优先满足“物”的需求，并在此基础上关注“人”的需求，实现多种教学空间的组合与连续。从物与人的互动出发，以专业、实用和安全为原则，将实验室设计紧密地服务于教学实验一线工作者的实际需求。同时，从人与人的互动出发，打破“秧田式”布局，创造去中心化的单元模块和连续学习的路径系统，以满足情景教学和泛在学习的新导向。参考文献(References)1 中华人民共和国教育部.“十四五”规划和 2035 年远景目标纲 要 提 出 建 设 高 质 量 教 育 体 系 EB/OL.(2021-03-13)2023-04-05.http:/ of Education of the Peoples Republic of China.The 14th five year plan and the 2035 long range goals outline propose the construction of a high-quality education systemEB/OL.(2021-03-13)2023-04-05.http:/ Chinese)2 张凤琴，林晓珑，王逍.创新人才培养下的大学物理实验教学改革研究J.大学物理，2017,36(3):3639.ZHANG F Q,LIN X L,WANG X.Research on the teaching reform of college physics experiment under the cultivation of creative talentsJ.College 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