建筑照明研究生培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實踐

黨 睿，張鋒輝

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，對建筑照明的需求逐步提高，實際建設(shè)工作量普遍加大[1]，因此需要大量具備專業(yè)素質(zhì)的人才從事該領(lǐng)域的研究、設(shè)計和管理工作[2]。建筑照明作為建筑技術(shù)科學(xué)專業(yè)的重要方向之一，擔(dān)負(fù)著為社會培養(yǎng)該領(lǐng)域優(yōu)秀人才的任務(wù)[3]。但由于我國目前絕大部分高校尚未開設(shè)建筑技術(shù)科學(xué)的本科生教育，同時建筑照明涉及建筑設(shè)計、城市規(guī)劃、建筑物理、建筑電氣等多學(xué)科交叉，因此跨學(xué)科招收研究生成為本專業(yè)的一大特色。

1 照明人才培養(yǎng)存在的問題

天津大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)研究所在長期教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，在上述背景下的研究生培養(yǎng)存在如下問題：

第一，由于本專業(yè)研究生生源的學(xué)科背景多樣，既包括建筑學(xué)相關(guān)專業(yè)，也有土木工程、電氣工程、暖通空調(diào)等其他理工科專業(yè)，因此學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和思維方式存在較大差異，他們在學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題也不盡相同。但目前尚未根據(jù)這一學(xué)生特點采取差別化、有針對性的培養(yǎng)模式，以至于教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效率不甚理想。

第二，目前仍采用傳統(tǒng)的技能型、記憶型、被動式教學(xué)方法，這對于建筑照明這一以多學(xué)科知識綜合應(yīng)用和對最新技術(shù)把握為特點的專業(yè)來講，不利于對學(xué)生綜合分析、處理問題、知識更新等能力的培養(yǎng)，尤其不利于引導(dǎo)研究生打破現(xiàn)有思維范式，提高科技創(chuàng)新能力和設(shè)計水平[4]。

第三，教學(xué)模式仍以理論授課為主，而實驗設(shè)計能力、現(xiàn)場檢測能力、光環(huán)境評估能力等專項技能培養(yǎng)不足。尤其是作為重要工具的數(shù)字化模擬分析平臺，學(xué)生缺乏對各類型軟件的深入了解從而不知如何進(jìn)行選擇，不同專業(yè)背景學(xué)生遇到的學(xué)習(xí)困難區(qū)別較大，不能將數(shù)字模擬分析、實體模型實驗、現(xiàn)場參數(shù)檢測相結(jié)合，導(dǎo)致模擬的真實性和準(zhǔn)確性存在問題。

第四，雖然研究生能夠參與實際科研項目和工程設(shè)計工作，也可將所學(xué)基本理論知識應(yīng)用于實踐，但對于研究框架搭建、技術(shù)路線制定、關(guān)鍵問題分析等重要環(huán)節(jié)的把握能力欠缺，這些工作還需要由導(dǎo)師完成，學(xué)生只能解決具體技術(shù)問題，即仍停留在應(yīng)用層面，創(chuàng)新性明顯不足。而研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是高級專業(yè)人才，創(chuàng)新能力是其應(yīng)該具備的素質(zhì)，如何實現(xiàn)由應(yīng)用型向創(chuàng)新型人才的跨越，以及如何將創(chuàng)新性成果應(yīng)用于實踐項目是亟待解決的問題。

因此，基于學(xué)生專業(yè)背景和學(xué)科發(fā)展特點，調(diào)整和改革既有教學(xué)模式，對于培養(yǎng)高素質(zhì)建筑照明人才，使之更加適應(yīng)社會發(fā)展需求具有重要意義。

2 培養(yǎng)模式的創(chuàng)新

建筑照明專業(yè)研究生的學(xué)科背景可分為建筑學(xué)和理工科兩大類，兩類學(xué)生的知識體系、思維方式、專業(yè)技能存在很大差異。前者建筑學(xué)基礎(chǔ)好，思維活躍，想象力豐富，繪圖表現(xiàn)能力強，處理問題多采用定性分析和經(jīng)驗參照，但這類學(xué)生缺乏數(shù)學(xué)等理工科知識，邏輯分析和量化計算能力較差；后者邏輯思維能力強，有扎實的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，熟悉定量化研究方法和手段，但學(xué)生缺乏建筑學(xué)知識，空間想象力不足，繪圖和表現(xiàn)能力較差?；谏鲜鎏攸c，制定了如下四個階段的創(chuàng)新培養(yǎng)方案。

1)跨學(xué)科基本素質(zhì)培養(yǎng)。對學(xué)生進(jìn)行分階段、分專業(yè)的單項知識和技能培訓(xùn),使各專業(yè)背景的學(xué)生完成照明基礎(chǔ)知識儲備，形成初步跨學(xué)科知識體系。對于建筑學(xué)背景學(xué)生，該階段以加強邏輯思維能力和掌握科學(xué)定量化手段為重點，在培養(yǎng)過程中布置如照度和眩光等參數(shù)計算、現(xiàn)場光環(huán)境測試、實驗過程設(shè)計、指標(biāo)研究分析、照明數(shù)量和照明質(zhì)量評價等常用科學(xué)化定量手段和工具；對于理工科背景學(xué)生，由于在本科階段未接受過城市規(guī)劃和建筑學(xué)教育，對建筑物理中的光學(xué)部分更無深入了解，因此這類學(xué)生的培養(yǎng)重點為彌補城市和建筑基本知識，熟悉建筑光學(xué)基本內(nèi)容，了解燈光、城市、建筑間的相互關(guān)系，培養(yǎng)過程中布置城市道路、居住小區(qū)、建筑單體、簡單室內(nèi)空間的光環(huán)境設(shè)計，在設(shè)計過程中使學(xué)生熟悉照明指標(biāo)、照明方式、光源燈具等基礎(chǔ)知識以及照明設(shè)計的流程和主要方法，并了解照明設(shè)計中遇到的主要問題。

2)跨學(xué)科數(shù)字化應(yīng)用技能培養(yǎng)。數(shù)字化平臺在建筑照明的設(shè)計及研究中發(fā)揮著重要作用，其主要分為兩類：第一類是如Dialux等輔助設(shè)計平臺，通過計算機繪制布燈圖和照度模擬圖等，提高照明設(shè)計的效率和精確性；第二類是如Energy plus等研究分析平臺，通過對環(huán)境信息及能耗情況進(jìn)行模擬計算，為綠色照明研究提供科學(xué)依據(jù)。建筑技術(shù)科學(xué)研究所在研究生數(shù)字化應(yīng)用技能培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)存在如下兩個問題：首先，學(xué)生不同的專業(yè)背景使他們在學(xué)習(xí)過程中面臨著不同困難，建筑學(xué)背景學(xué)生對于前期的建筑分析、模型建立、空間光環(huán)境布局等過程操作較為順利，但后期的邊界條件設(shè)定、數(shù)值計算、參數(shù)分析等量化過程存在障礙，而理工科背景學(xué)生的情況剛好相反；其次，數(shù)字化平臺的關(guān)鍵是如何提高模擬的真實性和準(zhǔn)確性，而這必須結(jié)合現(xiàn)場檢測和模型實驗，通過檢測和實驗數(shù)據(jù)校正軟件參數(shù)設(shè)定值，經(jīng)優(yōu)化后達(dá)到準(zhǔn)確模擬效果，但目前學(xué)生對于這幾種手段的配合使用尚不能很好掌握。

針對上述問題，分別制定如下兩項數(shù)字化平臺應(yīng)用教學(xué)方法。首先，針對建筑類和理工類學(xué)生各自特點，以及在數(shù)字化平臺應(yīng)用中面臨的不同問題，以小組為單位進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究，每個小組均由兩類學(xué)生構(gòu)成，這樣可充分發(fā)揮學(xué)生各自的優(yōu)勢并彌補自身不足，以團(tuán)隊合作方式共同解決在建筑分析、模型建立、參數(shù)設(shè)置、模擬計算全流程學(xué)習(xí)中的問題，使研究生具備跨學(xué)科解決問題的技能，應(yīng)用多學(xué)科的研究方法、測試方法、試驗方法、分析放方法來解決實際問題。其次，以核心課程“建筑物理測試技術(shù)”為基礎(chǔ)進(jìn)行擴容，教學(xué)中加入數(shù)字化平臺應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容，使軟件模擬和現(xiàn)場測試有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生利用實測數(shù)據(jù)校正軟件參數(shù)和邊界設(shè)定值的能力，提高軟件模擬的真實性和精確性；同時基于“天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室”，讓學(xué)生掌握實驗室光學(xué)設(shè)備的操作技能及操作方法，進(jìn)而使他們具備通過實驗室實驗結(jié)果校正數(shù)字化模擬準(zhǔn)確性的能力。

3)跨學(xué)科思維培養(yǎng)。在完成單項技能的訓(xùn)練后，學(xué)生初步掌握了建筑照明所需要的跨專業(yè)知識體系雛型，能夠運用科學(xué)方法和手段解決常規(guī)問題。為了進(jìn)一步提高學(xué)生綜合能力，以應(yīng)對本領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜的科學(xué)問題，提出培養(yǎng)學(xué)生“一種思維，三種能力”，即跨學(xué)科邏輯思維和洞察力、思辨力、執(zhí)行力[5]?？鐚W(xué)科邏輯思維能夠幫助學(xué)生打破原有學(xué)科背景的思維束縛，從待解決問題出發(fā)，運用線性思維的深入性和發(fā)散思維的開闊性，多維度、多角度思考問題解決途徑，并選擇最佳方法深入研究并最終解決問題。洞察力、思辨力和執(zhí)行力是處理問題的三種必備能力，在跨學(xué)科思維的指導(dǎo)下，洞察是以多學(xué)科角度審視提出問題，思辨是以多學(xué)科知識體系究其根源，執(zhí)行是以多學(xué)科方法解決問題。

該階段培養(yǎng)方式以學(xué)生參加大中型綜合科研課題為主，跨學(xué)科思想體現(xiàn)在科研全過程的各個環(huán)節(jié)中：在科研啟動時，以跨學(xué)科的角度去審視和發(fā)現(xiàn)問題；在科研展開時，以解決問題為核心目標(biāo)，有機融合專項研究和跨學(xué)科綜合研究；在科研結(jié)題時，協(xié)調(diào)考慮各項研究結(jié)果，以跨學(xué)科思維找到最優(yōu)化解決方案。

4)跨學(xué)科實踐能力培養(yǎng)。在完成跨學(xué)科基本素質(zhì)、數(shù)字化應(yīng)用技能、思維方式的培養(yǎng)后，不同專業(yè)背景的學(xué)生已基本具備了從事照明設(shè)計和科研工作的能力，因此需要根據(jù)不同培養(yǎng)方向制定側(cè)重點不同的實踐能力教學(xué)計劃，使他們以基本素質(zhì)為基礎(chǔ)，以數(shù)字化應(yīng)用為手段，以思維方式為核心，通過實際項目訓(xùn)練提升跨學(xué)科實踐能力。

目前建筑照明方向的研究生培養(yǎng)類型分為兩種[6]。一種是專業(yè)型，即以專業(yè)實踐為導(dǎo)向，重視實踐和應(yīng)用，培養(yǎng)在照明設(shè)計中的高層次人才，目標(biāo)是為設(shè)計部門提供設(shè)計師，對于該類學(xué)生，側(cè)重工程實踐項目，使學(xué)生掌握從項目策劃、方案構(gòu)思、圖紙繪制、安裝施工、檢測驗收等照明工程完整體系，在滿足光環(huán)境使用功能的前提下，培養(yǎng)學(xué)生的方案創(chuàng)新能力、與甲方溝通能力、成本控制能力、團(tuán)隊協(xié)調(diào)能力，在該過程結(jié)束后，使學(xué)生成為能夠帶領(lǐng)團(tuán)隊完成實際項目的高水平設(shè)計師。另一種是學(xué)術(shù)型，即以學(xué)術(shù)研究為導(dǎo)向，偏重理論和實驗，培養(yǎng)在照明領(lǐng)域的科研人員，目標(biāo)是為攻讀博士打好基礎(chǔ)，為科研院所提供學(xué)術(shù)骨干，針對學(xué)術(shù)型研究生，側(cè)重于科學(xué)研究項目，使學(xué)生掌握從國內(nèi)外文獻(xiàn)跟蹤、關(guān)鍵問題提取、技術(shù)路線制定、實驗?zāi)M分析、研究成果凝練等科研全流程體系，著重培養(yǎng)研究生針對待解決科學(xué)問題、基于知識儲備和邏輯思維、制定科學(xué)可行的研究技術(shù)方案、通過實驗和模擬分析等手段解決問題的能力，使學(xué)生達(dá)到帶領(lǐng)研究小組完成某項科研課題的水平。

3 培養(yǎng)模式的實踐

通過上述方法，建筑照明方向培養(yǎng)的研究生在跨學(xué)科基本素質(zhì)、跨學(xué)科數(shù)字化應(yīng)用技能、跨學(xué)科思維、跨學(xué)科實踐能力四個方面均有較為明顯地提高，并且能夠綜合運用上述四種能力解決較為復(fù)雜的科學(xué)問題。

例如在國家自然科學(xué)基金《展陳照明中白光LED對中國書畫光照影響定量化研究》的科研實踐中，所要解決的問題是如何得到博物館展陳照明中白光LED對書畫類展品的量化影響，這是一個較為復(fù)雜的科學(xué)問題，而如何設(shè)計光照影響實驗作為關(guān)鍵點涉及到多學(xué)科交差，對素質(zhì)、技能、思維、實踐能力均有很高的要求。研究生在課題研究中，基于扎實的跨學(xué)科基本素質(zhì)，運用創(chuàng)新思維能力，逐步制定出“以組成白光LED的紅、黃、綠、藍(lán)四種主要單色光為實驗光源，長期照射書畫試件并周期性進(jìn)行試件色彩參數(shù)和微觀形貌參數(shù)測量”這一技術(shù)路線，通過數(shù)據(jù)分析確定白光LED對書畫類文物展品的量化影響。但在如何得到比較純凈的單色光問題上，學(xué)生們遇到了新的困難：激光是比較理想的方法，但價格高昂不易實現(xiàn)，單色LED雖然經(jīng)濟(jì)，但精度較低且不能得到任意顏色的單色光譜。最終科研小組經(jīng)過討論，以建筑光學(xué)、光譜學(xué)和色度學(xué)的跨學(xué)科思維方式，確定使用鹵鎢燈結(jié)合單色濾光片和紅外濾光片的方法，得到了滿足實驗要求的單色光譜。實驗所測數(shù)據(jù)分析也是整個研究的重要組成部分，需要將海量數(shù)據(jù)通過計算機擬合為各參數(shù)隨時間周期衰變曲線，并進(jìn)行大樣本綜合計算分析，這對跨學(xué)科數(shù)字化應(yīng)用技能要求很高，研究小組對任務(wù)進(jìn)行了明確分工，熟練運用計算機手段完成了數(shù)據(jù)分析任務(wù)。從事該項研究工作的兩名研究生，分別撰寫了《適用于中國脆弱文物照明的LED光源損傷度評估方法》[7]和《基于顯色性能和色彩保護(hù)的中國脆弱文物照明LED光譜優(yōu)化》[8]碩士學(xué)位論文，并均獲得了2019年度天津大學(xué)優(yōu)秀研究生畢業(yè)論文。

通過學(xué)生在該課題中的科研實踐表明，經(jīng)過新型教學(xué)方式培養(yǎng)出的研究生具備較好的跨學(xué)科基本素質(zhì)和跨學(xué)科數(shù)字化應(yīng)用技能，并能夠基于跨學(xué)科思維方式將所學(xué)知識在解決復(fù)雜科學(xué)問題過程中進(jìn)行實踐應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過對研究生跨學(xué)科教學(xué)方法的探索，提高和改善不同專業(yè)背景學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、操作技能和思維方式，使學(xué)生具備較為完善的知識結(jié)構(gòu)體系，能夠熟練運用專業(yè)技能解決實際問題。此基礎(chǔ)上著重培養(yǎng)他們對于新知識、新技術(shù)、新趨勢的判斷把握能力、對問題的綜合分析能力和創(chuàng)造性思維能力，使其具備進(jìn)行科學(xué)研究工作的知識、技能以及創(chuàng)新性思維方式。