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    可持续性景观设计的科学效益及其对教育的影响

    关键词:风景园林;户外学习环境;STEM教育;校园环境;景观绩效

    Key words:landscape architecture; outdoor learning environments; STEM education; school environments; landscape performance

    摘要:近年来,人们试图将风景园林归类为科学、技术、工程与数学范畴(STEM,斯泰姆)。为此,特引用美国风景园林基金会景观绩效系列(LPS)作为斯泰姆的教学实例[1]。事实上,一些景观绩效系列个案研究表明,通过对美国中小学进行户外学习空间的开发与合理的校园景观设计,可以对其斯泰姆教育给予支持。我们对3所学校的景观绩效进行了多方面研究。这些学校包括华盛顿特区的西德威尔友谊中学(Sidwell Friends School)、布伦特小学(Brent Elementary School)及新泽西的杨柳学校(Willow School)。3所学校均展示了如何对校园进行合理的设计,使其既能满足教学目标的需要,又能解决环境与技术问题。通过校园改造,引导师生接触一些科学过程与技术方法,从而确保斯泰姆教育的实现。对3所学校获得的益处进行了记录。

    Abstract:Recent efforts to classify landscape architecture as a science, technology, engineering and math (STEM) discipline cite the Landscape Architecture Foundation's Landscape Performance Series (LPS) as examples of the STEM foundation of the discipline (Cairns & Rotar, 2015). In fact, some LPS case studies show how K-12 school landscapes can be designed to support STEM education through the development of outdoor learning spaces. Constructed wetlands can provide a foundation for studying hydrology, wetland ecology, and water quality treatment. Vegetable gardens can be used to teach plant biology, soil chemistry, and nutrition. Rain gardens can be used to teach habitat, plant communities, and the importance of pollinators. Three schools were studied for multiple dimensions of landscape performance including the extent to which learning opportunities were documented as benefiting all levels of education, including STEM. These included the Sidwell Friends School and Brent Elementary School in Washington, DC and the Willow School in New Jersey. Each school demonstrated how schoolyards can be designed to meet the needs of teaching objectives while addressing the environmental and technical needs of the school sites. For example, the Sidwell Friends School constructed wetlands in their middle school courtyard to treat both stormwater and wastewater immediately outside the classroom windows. The children are taught how the systems function, have class assignments that physically engage the wetlands, and even lead over 75% of the public tours of the site (over 10,000 visitors from 2006 to 2012). At the Willow School, about 250 students throughout the school year participate in school gardening by planting, watering and harvesting fruits and vegetables. An estimated 1% of the school's food is grown in the school gardens and adjacent fruit trees. An average of 280 pounds of compost is collected by the school's recycling program per month which is added to the student maintained vegetable garden. These opportunities are made available by designing them into the schoolyard landscapes. The interventions enable STEM education by intentionally making the scientific processes and technical solutions accessible to students and teachers. The full set of measurable benefits for each school will be described in this paper including the ways in which students and teachers use the schoolyards for educational purposes.

    内容:风景园林是一门艺术与科学相结合的综合学科[2]。风景园林师不仅为人们创造园林空间,还利用最新的理论知识与技术解决复杂的问题。科学在风景园林中的重要性已被许多风景园林师(学者)所阐述,加勒特·埃克博[3]就是其中之一,甚至有人建议将风景园林改为风景园林科学[4]。近年来,为了满足一系列的环境、社会与技术挑战,科学在风景园林中的作用日益显著。
    美国风景园林师协会(ASLA)阐明了风景园林是如何通过斯泰姆思想与教育产生联系的。美国早已将提高中小学的斯泰姆教育作为其教育事业的优先事项之一[5],支持斯泰姆教育发展,并对其做出承诺。
    安全与健康的校园环境是孩子们学习、玩耍与发展的关键。因此,美国正努力建设新校区,改造老校区。并于2011年颁布了第一个国家级校园选址指导方针,次年对外宣布了第一批“绿丝带学校”。在美国约13万所学校中[6],仅有248所“绿丝带学校”(不到1%)。因此在2015年,美国提出“绿丝带学校计划”,旨在增加“绿丝带学校”的数量。
    2011年,马里兰州对该州的高中毕业生提出环境素养要求,这也是美国第一个做出如此要求的州。马里兰州环境与户外教育协会[7]表示,“一个具备环境素养的人,无论是独处或与他人一起,都能对环境做出明智的判断,并能更加积极地参与公民生活”。
    对户外学习空间的深入研究表明:动手能力、研究性学习会对学生的表现产生影响。利伯曼与胡迪[8]对“以环境为学习背景”的教育模式(EIC)进行了研究。这种学习模式将周边环境、户外空间视为加强对自然环境认知与欣赏的机会。数据表明,学生在环境教育模式下的学习要比在传统模式下更为有效。事实上,在没有老师的干预下,学生也会主动学习[9]。研究人员发现,在学校投入更多精力的学生,会更关心老师对他们的看法,并积极参与一些活动。这样的学生更有可能按时出勤,完成他们的家庭作业[10]。总之,户外学习可以创造平和、主动的学习环境,这种环境可以使学生与他们所在的学习环境产生更加紧密的联系,让学生对自己的教育与学术成就更加重视。
    这些均表明了风景园林师在将学校传统教育转变为斯泰姆教育过程中将发挥重要作用,这对风景园林师而言是巨大的机遇。本文的目的是展示学校是如何利用其校园环境来支撑教育发展的。为了说明风景园林是如何将艺术与科学相结合以实现斯泰姆教育,我们选取了一些案例分析,用以量化布伦特小学[11]、西德威尔友谊中学[12]与杨柳学校[13]的社会、经济、生态的景观绩效效益,并对其进行记录。

    1  方法
    我们实测计算了3所学校的环境、社会与经济景观效益。环境效益包括热岛减少、碳汇、雨水渗透等,其数据来源于一手资料、二手资料与一些建模工具。通过校园景观改造前后的数据对比,对社会效益进行量化。这些数据包括考试成绩、出勤率、家长与教师的满意度以及入学等候名单,其余数据通过对父母、学校工作人员及风景园林师的采访获得。

    2  环境效益
    2.1  热岛效应
    使用4只无线温度计,测量布伦特小学的地表与空气温度。这些温度计被分别放置在2个地方(沥青操场和雨水花园各放置2个)。测量于2012年7月1日9:00开始,17:00点结束。地表温度的测量是通过直接放置在地面上的传感器实现的,而周围空气温度的测量则是将传感器放置在离地面61cm的木柱上。
    2.2  雨水渗透
    雨水花园或屋顶绿化的体积计算是将其区域面积与深度相乘所得。根据马里兰州环境部(MDOE)标准,典型的雨水花园土壤覆盖层有大约40%的持水能力(MDOE,2010版),屋顶绿化的孔隙度为34%~38%[14]。
    借助等高线平面图,我们计算出了集水区的总面积;使用WinTR-55水文模型,计算出雨水花园一年一遇到百年一遇的暴雨量,测量结果见表1。
    2.3  森林效益
    借助国家森林效益计算工具(http://www.treebenefits.com/calculator/),对胸径均为7.62cm的唐棣(Amelanchier canadensis)与朴树(Celtis occidentalis)进行测量,测量结果见表2。
    2.4  碳汇
    草坪割草机排放结果见表3[15]:
    马力为23hp的割草机,以每5.6km/h的速度运行,1h可完成6 879.7m2的土地作业(www.cubcadet.com)。鉴于布伦特小学景观改造后,约减少575.8m2的草坪。因此,每次草坪修剪需5min。
    假设草坪每星期修剪一次,草坪草生长季节为3—10月,则所需总耗能为:
    5min×35w= 2h55min~3h
    23hp×3h= 69hp-hr
    由表3(1hp=0.746kw),计算出以下结果:
     69hp-hr×0.746 = 51.47kw-hr
    甲烷烃+氧化氮:51.47kw x 16.1g/kw= 828.67g
    一氧化碳:51.47kw-hr x 610g/kw-hr= 31397g
    2.5  水循环
    塞维尔友谊中学的流量仪表记录了现场处理的废水量。学校的废水处理系统是一个“闭环系统”。换句话说,净化后的废水会被学校卫生间循环利用。通过记录废水离开沉淀池后的水泵工作时间,对废水进行数据收集。这些数据由Lucid团队发布在网站上(http://buildingdashboard.com/clients/sidwell/)。
    循环水的流量数据来源于该校的数据信息网,并由Lucid团队进行计算。通过记录水泵将地下储水池的净化水运送到学校卫生间所使用的时间,借助水泵每分钟可输送的流量规格说明书,将水泵运行的总时间转化为输送的总流量。

    3  社会效益
    3.1  学校入学成绩与入学需求
    综合评估系统(CAS)是每年给予哥伦比亚特区3~5年级学生的一个标准化测试。我们从哥伦比亚特区公立学校计分署(DCPS)获得这项数据[16]。此外,区外学生的入学需求数据也来自该区公立学校办公室[17-19]。
    3.2  满意度与参与度
    社区满意度与家长参与度是通过特区公立学校每2年对家长与校董的调查问卷得出[20]。据该区公立学校称,社区满意度通过对样本数量为0~100的受访代表评测得出,它代表了家长与学校员工对学校整体的满意度。家长参与度的样本调查数量同样也是0~100,它代表了家长参与学校活动并与校方沟通的质量与频率(DCPS 2011-12)。
    3.3  其他环境教育数据
    我们仔细研究了3所案例学校的“绿丝带学校计划”的实施,以获得一些诸如户外学习机会、斯泰姆教育及环境教育的结果。

    4  案例研究结果
    4.1  布伦特小学
    布伦特小学位于华盛顿特区的东南部,曾被可持续场地倡议组织授予一星级标准。该校全年积极参与校园再设计与养护工作,学生家长与老师想要创造一些户外学习环境,让学生受到更正式的环境教育,并在健康的户外环境中培养孩子。改造的第一阶段于2010年完成,包括除去不透水的柏油操场表面、草坪和传统种植,代之以户外课堂、蝴蝶园、雨水花园及屋顶绿化。
    4.2  景观绩效结果
    可持续景观的设计方法创造了许多环境和经济效益。环境效益包括以下方面。
    ·通过拆除133.6m2的柏油操场表面,代之以雨水花园。可以将此地的地表温度和空气温度分别减少23°F和9°F(图1)。
    ·雨水花园一年可储蓄40.9m3的雨量(占5年一遇雨量的82%)。
    ·通过在雨水花园中种植10棵乡土树种,改善当地小气候环境(表2)。
    ·用无须修剪的户外课堂(包含新月形座墙、滞留池、互动乐器等)取代近576.0m2的草坪,每年可减少0.83kg的甲烷烃与31.40kg的一氧化碳排放。
    ·入学需求增加了191%(图2)。
    ·提高学生出勤率(图3)、家长参与度与社区满意度(图4)。
    虽然这个初步调查不能直接将景观改善与社会效益联系起来,但景观设计仍是其他活动规划时的焦点。这一改造的直接经济效益是政府对该校拨出近30万美元的经费以资助本项目的实施。此外,学校于2012年通过一些募捐活动,得到超过17 000美元的赞助金。
    4.3  STEM教育
    借助一个650m2的户外自然课堂,学校每周可为学生提供一定时间的户外课堂教学。16个班级利用它学习艺术、英语、音乐及科学等课程。
    新型的可持续景观设计增加了校园中的户外教育机会。每一处基址的改进设计都是为了给师生提供新的学习机会。3个屋顶绿化展现出了传统屋顶与“绿色”屋顶的不同之处,老师和学生可以对2种屋顶的雨水总量进行收集,然后比较两者的差异,从而学到一些室内屋顶绿化的知识。另外,借助蔬菜花园,有利于老师指导学生如何种植蔬菜,教授他们食物的来源与如何建立健康的饮食习惯等。
    图5是经过景观改造后的综合评估(CAS)结果,表明在布伦特小学阅读能力显著提高的学生数量增加了46%。
    4.4  西德威尔友谊中学
    西德威尔友谊中学(5~8年级)是位于美国华盛顿特区的一所私立学校。它是第一所被绿色建筑分级评估体系(LEED)评为铂金级的绿丝带学校。学校环境涉及屋顶绿化、户外教室、生物池、蝴蝶草甸、水池、菜园、人工湿地等。节水设计通过闭环污水处理系统和地下蓄水池收集屋面径流将其存储,并在夏季为生物池供水。
    4.5  景观绩效结果
    ·现场处理污水并回收用于学校厕所,每年可减少1 203 416L废水进入下水道。
    ·现场污水处理系统可处理并回收学校100%的污水,进而平均每月可减少32 176L的水消耗。
    ·回收巴尔的摩港码头18.88m3的绿色木材和宾夕法尼亚州仓库约77.5t的石材,用于建设户外甲板等,可减少超过100t 废料进入垃圾填埋场。
    ·建设790m2的屋顶绿化可收集中学1年68%的雨量(37 150L)。
    ·向参观者介绍雨污水现场处理方式、屋顶绿化及乡土植物的种植,可提升环保意识和管理能力。至今,已有超过10 000人次参观了该地,其中就有75%的参观团是由8年级学生带领的。
    4.6  科学、技术、工程和数学教育(STEM)
    西德威尔友谊中学学生学习了太阳能电池板绿色工程,并核查了雨水湿地即“生物池”中的动植物。学校网站(http://www.sidwell.edu/about_sfs/environmental-stewardship/wildlife-sightings/index.aspx)记录了动植物多样性变化的周年性文件,包括2个栖息地内39种动物及昆虫的踪迹。西德威尔友谊中学已被国家野生动物联盟认证为校园栖息地。据学校档案管理员罗兰·哈登伯格所述, 从2006年9月至2012年7月已有10 446人次参观了学校教学大楼,其中平均每年就有24位8年级学生带领75%的参观团。中学参观团将探索景观可持续特征及内置环境。导游则会讲解污水系统、屋顶绿化和雨水收集的功能及优点。
    “8年级理科生了解如何节约能源,消除雨水径流,减少水污染,使用可再生材料和提供健康舒适的楼内环境和适合野生动物的自然生境的方式。”他们研究校园的蜂群,识别了68种蜜蜂,并用“谷歌地球”标注蜜蜂栖息地。
    4.7  杨柳学校
    杨柳学校(学龄前~8年级)位于新泽西州137 593m2的乡村,是一所绿丝带学校,旨在培养学生建立与自然的关系。通过保护自然资源,学生了解到生态和谐的重要性。2003年,校园改善如蔬果园、太阳能电池板、人工湿地、蓄水池和生态沼泽地等可持续景观。可持续森林管理正在修复自然栖息地和贫化土壤。
    4.8  景观绩效结果
    ·从1 254m2的屋顶收集雨水,储存于冲洗学校厕所的189 271L的蓄水池中,平均每年可收集1 420 665L雨水,节约2 230美元。
    ·2011年,通过人工湿地和砂滤器处理1 438 456L污水,可增加地下水补给。
    ·种植、灌溉和采摘果蔬可供250名学生参加一学年的园艺活动。学校有1%的食物来自于学校花园。养护蔬菜园可平均每月收集127kg的堆肥。几乎所有学生都会在学校堆填有机废物。
    ·景观项目课程平均每年可使250名学生从事可持续教育。当学生列出绿色建筑环保特征时,82%都涉及雨水收集、堆肥、花园或湿地。当被问及雨水收集问题时,86%的学生认为沥青和混凝土不是周围建筑最优处理雨水的材料。
    4.9  科学、技术、工程和数学教育(STEM)
    杨柳学校学生通过参加校园收获庆典来学习景观课程。
    每年2年级科学课会对学校人工湿地开展实地调查。调查结果会显示过去9年里湿地动物所增加的数量和品种(图6)。英语课通过污水处理系统如何运转的简短说明和图表(图7)帮助学生想象运转步骤和功能。学生还能深入学习保温水箱、化粪池系统、植物床、沙床和渗透床的环保特征。
    他们运用再生材料来维持自然资源的价值,尤其是3年级学生还收集全年的堆肥和废料。5年级学生通过化学测试检测拉里坦河上游的水质。中学生则记录校内8种植物数量和质量的变化。通过所积累的知识,学生就能带领学生、家长、教职工的参观团。

    5  3所学校案例研究的比较分析
    3所学校在环境、校园规模、预算及设计意图上都有其明显特征及差异(表4)。西德威尔友谊中学和布伦特小学均位于哥伦比亚特区。后者是一所预算有限的公立学校,它在2013—2014学年有359位学生[21],其学校操场占地约4 047m2。而前者是一所占地60 701m2,拥有268名学生并资金雄厚的私立学校[21]。它拥有400万美元预算用于建设中学教学大楼、屋顶绿化、户外教室、生物池、蝴蝶草甸和人工湿地。
    由于布伦特小学预算有限,其设计着重于低维护成本方案。操场维护由教师、家长志愿团体组成,从而每年可节约17 000美元。布伦特小学的设计通过雨水花园、户外教室和草甸池,借以提供生态相关的教育机会。其设计方案可用于相似预算有限的校园绿化建设。
    西德威尔友谊中学充裕的预算着重于节水设计。除了绿色屋顶、生物池、蓄水池,它还建有华盛顿特区的首个人工污水湿地。先进的雨水处理技术是学生学习环境工程部分课程的绝好机会。蝴蝶草甸、菜园和太阳能电池板也充实了环境科学及保护课程。
    杨柳学校位于新泽西州的乡村,学生最少,2013—2014学年仅招收了133名学生[21]。尽管预算仅500万美元,但它的校园面积却有137 593m2。基于不同的环境规模,学校设计有许多不同的特征和意向。“回归自然”设计公司强调要恢复原生森林栖息地、集成建筑和其他森林景观特征。该公司网站陈述,森林是“对于自主深入学习的最多样化机会”(回归自然)。
    3所学校间有诸多相似之处。通过渗透和植物修复技术,3所学校都解决了雨水问题。水文、生物、养分循环和生态土壤等措施为教师提供了开设科学课程的机会。绿色基础设施的雨水处理方式不同于传统的灰色基础设施(水泥管),它们可移动、可存储并对水质和环境效益几乎没有影响。
    虽然布伦特小学和西德威尔友谊中学的城市条件限制了高质量栖息地,但授粉栖息地可为户外课提供教育机会。最后,环境管理是共同的主题。爱护环境是杨柳学校设计的驱动因素,也是布伦特小学和西德威尔友谊中学的改造要点。

    6  讨论和结论
    运用科学方法总结景观绩效结果是风景园林一项不断拓宽的研究领域。景观设计能修复环境,提升社会和经济效益。
    公立和私立学校是社区最大的地块之一。自然系统若被替换成人力结构,则将改变其功能。学校标准建设包括高效引导雨水至当地小溪、河流的大型防渗停车场及屋顶。一旦野生动物栖息地所在的乡土植物群落替换成外来乔木、灌木和地被植物,当地自然系统将会对社区造成负面影响。作为教育机构,学校可展示新型可持续建筑做法,学校教职员工也可与学生分享实践经验。综上所述,通过现场处理雨水,过滤再循环灰水和黑水,收集雨水,减少水消耗,使用可循环材料,种植乡土植物、营造植物群落并减少空气污染,学校可与风景园林师合作建设可持续社区。
    学校和风景园林师也可参与建设综合社区。学校场地修缮项目可使教师、家长、专家和学生共同填写资助申请,资助将用于景观改善、维护学校操场并制定景观课程。
    教育将不只在室内进行。目前,户外环境是教育福利之一。教师利用校园场地为英语、科学、数学、美术和音乐课制定教案。他们组合雨水花园、菜园、蝴蝶/授粉花园、人工湿地、生物池和景观渗透床等设计方案,用于科学、技术、工程和数学教育(STEM)。马里兰州是美国首个高中毕业需考核环境素养的州,并且许多州也已将环境教育标准纳入课程。
    高效学校景观建设集成始于2012年的绿丝带学校计划。低于0.2%的美国学校已被评为绿丝带学校。近10万所美国公立学校则有潜力成为绿丝带学校[22]。风景园林师具有将这些学校转变为可持续景观社区的能力。

    注:文中图片均由作者绘制。


    参考文献:
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    (编辑/金花)