建筑能耗模擬課程體驗(yàn)式教學(xué)研究

劉大龍 王穩(wěn)琴

摘要：為解決研究生建筑能耗模擬教學(xué)中或偏重理論知識(shí)講述，或偏重軟件操作實(shí)踐的問(wèn)題，選擇一些難度適中、易于手算的建筑能耗計(jì)算方法，讓學(xué)生自己動(dòng)手將其程序化并應(yīng)用于模擬分析。以體驗(yàn)方式構(gòu)建理論與實(shí)踐的橋梁，深化學(xué)生對(duì)模擬技術(shù)的理解，使學(xué)生在夯實(shí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，具備解決實(shí)踐問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：建筑能耗模擬；體驗(yàn)式教學(xué)；能耗計(jì)算理論；軟件操作

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2018）05-0148-06

一、建筑能耗模擬課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和圖像處理能力，可以高效地進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，同時(shí)能將計(jì)算過(guò)程和結(jié)果以圖形的方式呈現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)了抽象問(wèn)題具體化、圖像化，是解決復(fù)雜科學(xué)和工程問(wèn)題的有效工具，在科研和工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。建筑能耗模擬技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、綠色建筑評(píng)價(jià)、生態(tài)建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被大量使用[1-2]。在建筑物理教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)字技術(shù)在物理環(huán)境設(shè)計(jì)和計(jì)算中的應(yīng)用[3]。模擬技術(shù)被越來(lái)越多的學(xué)科所重視，如何提高模擬課程教學(xué)效果，是很多學(xué)科在模擬課程教學(xué)方面都面臨的迫切問(wèn)題。

建筑能耗模擬課程是西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院為建筑技術(shù)科學(xué)專業(yè)碩士研究生開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課。其教學(xué)目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)建筑能耗計(jì)算原理，使用模擬計(jì)算軟件，獨(dú)立開(kāi)展模擬計(jì)算分析。特別是碩士研究生的模擬課，不僅培養(yǎng)學(xué)生操作軟件的動(dòng)手能力，而且培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)模擬方案、客觀準(zhǔn)確分析模擬結(jié)果等綜合性能力。目前，建筑能耗模擬的教學(xué)中采用的教材以及研究論文，不是講述能耗計(jì)算的普適性原理和公式[4]，就是介紹軟件操作方法、案例分析[5]。在一些研究生的能耗模擬研究中，也主要是以原理、機(jī)理、方法宏觀層面的內(nèi)容為主，對(duì)其軟件的核心算法、運(yùn)行機(jī)制研究很少[6-7]。

針對(duì)該課程的這一特征，傳統(tǒng)的傳輸式教學(xué)方式在長(zhǎng)期的教學(xué)活動(dòng)中暴露出對(duì)學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)嚴(yán)重不足的問(wèn)題。因此，需采用新的教學(xué)方式以彌補(bǔ)、改善在模擬綜合能力培養(yǎng)中存在的尖銳問(wèn)題。

二、體驗(yàn)式教學(xué)方式在建筑能耗模擬教學(xué)中的可行性分析

教學(xué)方式是影響教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)不同性質(zhì)的課程應(yīng)采用不同的教學(xué)方式。體驗(yàn)式教學(xué)方式能為具有實(shí)踐性、應(yīng)用性課程的教學(xué)帶來(lái)深刻的變革，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，以及在實(shí)踐工作中分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

體驗(yàn)式教學(xué)最早由美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)組織行為學(xué)教授David Kolb在20世紀(jì)70年代提出，其核心思想是“學(xué)習(xí)是經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為知識(shí)的過(guò)程，知識(shí)源于掌握經(jīng)驗(yàn)和轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合體”[8]。體驗(yàn)式教學(xué)的本質(zhì)特征是符合 “螺旋上升、不斷深入”的學(xué)習(xí)規(guī)律[9]，強(qiáng)調(diào)的是以學(xué)習(xí)者為中心的自主學(xué)習(xí)，而傳統(tǒng)教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是教師為中心的知識(shí)傳遞，反對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)以教師為中心、課堂為中心、教材為中心，主張教學(xué)應(yīng)以學(xué)生為中心、活動(dòng)為中心、經(jīng)驗(yàn)為中心[10]。凡是以活動(dòng)開(kāi)始的，先行后知的，都可作為“體驗(yàn)式教學(xué)”。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，體驗(yàn)式教學(xué)不是簡(jiǎn)單的教學(xué)方式改變，而是將認(rèn)識(shí)過(guò)程與情意過(guò)程融合與統(tǒng)一。體驗(yàn)式教學(xué)方式是基于對(duì)經(jīng)驗(yàn)的重視和強(qiáng)化，是以學(xué)生為中心的教學(xué)組織方式，能滿足對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、分析能力以及綜合能力的培養(yǎng)需求，這些正是建筑能耗模擬課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

模擬課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括兩部分：模擬的計(jì)算理論和模擬軟件的使用?，F(xiàn)存主要問(wèn)題是，主流的模擬軟件大部分由國(guó)外軟件廠商編制，即使有國(guó)內(nèi)成熟的軟件，其軟件運(yùn)行機(jī)制和流程都是黑箱，因此教學(xué)中很難把模擬理論和軟件的使用相對(duì)應(yīng)，造成模擬理論與軟件操作的嚴(yán)重脫節(jié)。課程講授中，如果偏重理論，會(huì)造成學(xué)生對(duì)軟件操作能力的不足，而偏重軟件使用，則會(huì)造成模擬方案設(shè)計(jì)欠缺，及對(duì)軟件模擬結(jié)果分析不足。因此，亟需為學(xué)生創(chuàng)建模擬理論到操作軟件的橋梁，讓學(xué)生深入理解模擬的本質(zhì)內(nèi)涵是計(jì)算分析，而不是簡(jiǎn)單的軟件操作。

體驗(yàn)式教學(xué)方式的核心是發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性，通過(guò)學(xué)生參與的教學(xué)活動(dòng)，以體驗(yàn)方式強(qiáng)化能耗模擬知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)增長(zhǎng)，以親自參與的方式搭建理論和操作之間的橋梁。學(xué)生的具體參與方式為：選取較為簡(jiǎn)單的模擬理論，通過(guò)自己手動(dòng)演算或者編程的方式，來(lái)完成一個(gè)特定問(wèn)題的模擬分析。建筑技術(shù)科學(xué)是一門特殊的學(xué)科，沒(méi)有本科專業(yè)，其碩士研究生的本科專業(yè)背景眾多，包括暖通、土木甚至計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，因此，應(yīng)充分利用學(xué)生的本科專業(yè)背景，發(fā)揮其特長(zhǎng)。教學(xué)中，對(duì)學(xué)生按照不同專業(yè)背景進(jìn)行分組，保證每組既有建筑相關(guān)專業(yè)學(xué)生，又有軟件素養(yǎng)高的相關(guān)專業(yè)學(xué)生。以小組為單位，有人負(fù)責(zé)理論學(xué)習(xí)，有人負(fù)責(zé)計(jì)算或編程。

三、建筑能耗模擬課程引入體驗(yàn)式教學(xué)的案例分析

建筑能耗模擬被安排在研一第二學(xué)期，學(xué)生已學(xué)習(xí)了建筑能耗計(jì)算的相關(guān)理論，為進(jìn)行理論演算奠定了基礎(chǔ)。在2015—2016學(xué)年第二學(xué)期的建筑能耗模擬課程上開(kāi)展此次教學(xué)改革，將18位學(xué)生分為2組，小組1選題為非穩(wěn)態(tài)傅里葉傳熱計(jì)算模型，小組2選題為二維結(jié)構(gòu)性熱橋的線傳熱系數(shù)計(jì)算。每個(gè)小組分別由擅長(zhǎng)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)編程的學(xué)生組成。經(jīng)過(guò)5周的課堂和課后工作，2個(gè)小組都提交了計(jì)算分析報(bào)告和軟件編制說(shuō)明。2個(gè)小組編制的軟件如圖1、圖2所示。小組1采用C++語(yǔ)言編制了帶有交互界面的軟件，其計(jì)算參數(shù)可以自由輸入，小組2采用C語(yǔ)言編制了無(wú)界面的文本運(yùn)行程序，其運(yùn)行參數(shù)在程序中固定。

（一） 小組1的計(jì)算過(guò)程分析

傅里葉傳熱計(jì)算模型是解決墻體導(dǎo)熱傳熱計(jì)算問(wèn)題的有效方法，采用該方法可在已知墻體兩側(cè)空氣溫度情況下，計(jì)算墻體兩側(cè)的壁面溫度，為墻體傳熱計(jì)算以及熱舒適分析等方面奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但通常工程計(jì)算所采用的穩(wěn)態(tài)方法忽略了氣溫和墻體溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，因此必須采用非穩(wěn)態(tài)方法來(lái)研究傅里葉的墻體導(dǎo)熱計(jì)算模型。

根據(jù)建筑熱工原理，墻體導(dǎo)熱傳熱的傅立葉定理一維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式如式1所示。

四、結(jié)語(yǔ)

建筑能耗模擬是一門實(shí)踐性強(qiáng)，同時(shí)理論要求也較高的課程，常規(guī)填鴨式教學(xué)模式難以滿足教學(xué)目標(biāo)的需求，注重實(shí)踐特征的體驗(yàn)式教學(xué)模式鼓勵(lì)學(xué)生更多地參與教學(xué)活動(dòng)，以其所具備的啟發(fā)性、能動(dòng)性、探索性卓有成效地激發(fā)了學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。在此次教學(xué)嘗試中，學(xué)生通過(guò)參與理論方法梳理、手動(dòng)演算、程序化設(shè)計(jì)和編程等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，系統(tǒng)地理解了模擬方法，深化了對(duì)模擬技術(shù)的認(rèn)識(shí)，撥開(kāi)了模擬軟件神秘的面紗，提高了學(xué)生運(yùn)用模擬方法分析問(wèn)題的能力。

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Abstract： To solve the problem of emphasizing too much on theoretical knowledge or software operation practice in the teaching of building energy consumption simulation for graduate students， some building energy consumption calculation methods with moderate difficulty and easy for written calculation were chosen to be programmed and applied in simulation analysis by students. Through the bridge between theory and practice constructed by experiential teaching， students could deepen their understanding of simulation technology. On the basis of consolidating their theoretical knowledge， students have the ability to solve practical problems.

Key words： building energy consumption simulation； experiential teaching； theory of energy consumption calculation； software operation

（責(zé)任編輯 周 沫）