基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的綠色建筑設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

鞏新枝 鄧星 金樾 劉娜

摘? 要：文章針對(duì)“新工科”背景下我國建筑類本科專業(yè)的教育現(xiàn)狀和存在的問題，對(duì)綠色建筑設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式進(jìn)行了教改實(shí)踐，提出“理論-實(shí)測(cè)-設(shè)計(jì)-模擬”的教學(xué)模式，為培養(yǎng)和提升建筑類專業(yè)學(xué)生綠色建筑設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新能力提供有益的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：“新工科”;綠色建筑設(shè)計(jì);創(chuàng)新能力培養(yǎng);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）08-0032-03

Abstract： In this paper， the current situation and existing problems of architecture undergraduate education for the "New Subject" are claimed. In order to cultivate and upgrade the innovation capacity of students， teaching practice and exploration of the green building design course in terms of teaching content， teaching methods and assessment methods are carried out. The teaching mode of " theory- survey- design- simulation" is also discussed.

Keywords： "New Subject"; green building design; innovation capacity development; teaching innovation

一、概述

在世界范圍內(nèi)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革推動(dòng)下，各國都在積極尋求科技升級(jí)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，創(chuàng)新已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增長的核心驅(qū)動(dòng)力。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的格局逐漸展露，對(duì)滿足新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)的工程人員的能力有了新的要求和內(nèi)容。在此背景下，“復(fù)旦共識(shí)”提出我國高校要加快建設(shè)和發(fā)展以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)的“新工科”。“新工科”建設(shè)旨在培養(yǎng)滿足未來新產(chǎn)業(yè)需要的，具有創(chuàng)新能力、動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力、高素質(zhì)的各類學(xué)科交叉復(fù)合型卓越工程科技人才，這也是今后我國工程教育發(fā)展的新方向[1]。

建筑類學(xué)科作為工程學(xué)科中的重要學(xué)科，在面臨我國產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，尤其是互聯(lián)網(wǎng)、BIM技術(shù)和人工智能等高新技術(shù)的沖擊影響下，急需針對(duì)當(dāng)前和未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的具有創(chuàng)新能力的，多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才[2]。隨著綠色建筑的快速發(fā)展，綠色建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為國際建筑學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一[3]。然而我國綠色建筑教育與市場(chǎng)建設(shè)量還存在一定的滯后情況，現(xiàn)有培養(yǎng)體系下建筑行業(yè)從業(yè)人員和廣大學(xué)生的相關(guān)培養(yǎng)和教育無法滿足產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求。目前，除重點(diǎn)高校（清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、天津大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等）由于師資優(yōu)勢(shì)設(shè)置了較為系統(tǒng)的綠色建筑課程外，許多一般高校還沒有設(shè)置專門的綠色建筑介紹課程，依然處于綠色建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的探索階段，還存在著諸如教材選擇偏重技術(shù)而與設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)合不夠，模擬軟件應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不足等問題[4]。因此，如何系統(tǒng)進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)，如何有效地培養(yǎng)和提升建筑類專業(yè)學(xué)生關(guān)于綠色建筑的設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新能力，是建筑類專業(yè)教改研究與實(shí)踐的一個(gè)重要方向。

根據(jù)新工科建設(shè)背景，本文針對(duì)綠色建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，對(duì)教學(xué)方法及課程考核方式進(jìn)行了改革探索與實(shí)踐，在教授課程經(jīng)典理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，引入建筑物理環(huán)境測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)及相關(guān)模擬軟件，通過“理論-實(shí)測(cè)-設(shè)計(jì)-模擬”相結(jié)合的綠色建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)并提升學(xué)生的綠色設(shè)計(jì)思維及創(chuàng)新能力;通過階段性考核為主的考核方式，驗(yàn)證教學(xué)與學(xué)習(xí)成果。

二、綠色建筑設(shè)計(jì)課程教改實(shí)踐

（一）綠色建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容的教改實(shí)踐

筆者于2013年開始先后在武漢理工大學(xué)和桂林理工大學(xué)從事綠色建筑設(shè)計(jì)課程的教學(xué)工作，到目前為止已經(jīng)過六輪教學(xué)實(shí)踐，積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。筆者結(jié)合在國外攻讀建筑節(jié)能博士學(xué)位期間的課程學(xué)習(xí)內(nèi)容以及擔(dān)任本科生、研究生綠色建筑相關(guān)課程助理教師積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)建筑類學(xué)生的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)課題和制定任務(wù)書時(shí)注意把握適當(dāng)?shù)慕ㄖ娣e，功能不過于復(fù)雜，讓學(xué)生能有更多的精力投入到環(huán)境分析、多方案比較與技術(shù)深化當(dāng)中去。課程以獨(dú)立式小型建筑的綠色設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，在教學(xué)中分為“理論-實(shí)測(cè)-設(shè)計(jì)-模擬”四個(gè)階段及“理論基礎(chǔ)-技術(shù)實(shí)驗(yàn)-設(shè)計(jì)實(shí)踐”三個(gè)部分進(jìn)行。

理論基礎(chǔ)部分以教師專題授課為主，按照講座的形式，分為10講。主要內(nèi)容包括：（1）綠色建筑背景、現(xiàn)狀及發(fā)展;（2）建筑室內(nèi)熱環(huán)境與人體熱舒適;（3）氣候與熱工計(jì)算方法;（4）建筑規(guī)劃與節(jié)能;（5）建筑單體與節(jié)能;（6）天然采光與人工照明;（7）可再生資源與太陽能利用;（8）建筑通風(fēng)與遮陽;（9）綠色建筑評(píng)價(jià)體系;（10）軟件模擬應(yīng)用與指導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)踐部分以學(xué)生為主，教師講授穿插為輔，主要分為3個(gè)階段：

（1）講授調(diào)研分析和資料收集的方法，使學(xué)生學(xué)會(huì)收集基地環(huán)境、氣象資料，并進(jìn)行方案初步構(gòu)思、總體生態(tài)節(jié)能構(gòu)思;講授室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)驗(yàn)的方法，使學(xué)生通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)理解建筑節(jié)能的途徑。

（2）結(jié)合案例講授綠色建筑設(shè)計(jì)中采用的被動(dòng)式技術(shù)措施和主動(dòng)式技術(shù)措施，結(jié)合課程設(shè)計(jì)使學(xué)生學(xué)會(huì)合理利用被動(dòng)式設(shè)計(jì)和主動(dòng)式設(shè)計(jì)，包括日照、采光、遮陽、自然通風(fēng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、建筑材料、給水排水、暖通空調(diào)、建筑電氣技術(shù)、可再生能源利用等方面。

（3）講授計(jì)算機(jī)模擬軟件及分析工具在綠色建筑設(shè)計(jì)中的作用，結(jié)合學(xué)生專題匯報(bào)和課后學(xué)習(xí)使學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用相應(yīng)軟件、工具進(jìn)行日照分析、采光分析、能耗分析等，結(jié)合課堂討論使學(xué)生學(xué)會(huì)利用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自己的設(shè)計(jì)作品進(jìn)行綠色星級(jí)建筑評(píng)價(jià)。

（二）綠色建筑設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法的教改實(shí)踐

為了培養(yǎng)建筑類學(xué)生綠色建筑設(shè)計(jì)的思維方式，增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和以問題研究為基本出發(fā)點(diǎn)的研究型設(shè)計(jì)思路，本課程從教學(xué)內(nèi)容、選址設(shè)置、教學(xué)方式、輔助手段等四個(gè)方面進(jìn)行了一系列具體的教改探索與實(shí)踐。

1. 教學(xué)內(nèi)容：建筑設(shè)計(jì)與綠色技術(shù)相結(jié)合

綠色建筑設(shè)計(jì)應(yīng)從建筑自身出發(fā)，通過被動(dòng)式設(shè)計(jì)手法，合理布置建筑朝向和周圍環(huán)境，巧妙處理內(nèi)部空間和外部形體，恰當(dāng)選擇建筑材料和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，在此基礎(chǔ)之上，再加以合適的主動(dòng)式技術(shù)，以求通過最低的能耗和對(duì)環(huán)境最小的傷害獲得舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。建筑類學(xué)科傳統(tǒng)的專業(yè)學(xué)習(xí)側(cè)重于建筑自身設(shè)計(jì)，缺乏設(shè)計(jì)與技術(shù)融合的思維、相關(guān)的被動(dòng)式及主動(dòng)式節(jié)能系統(tǒng)知識(shí)，更缺乏對(duì)不同技術(shù)手法與節(jié)能效果之間關(guān)系的判斷能力。因此，為提高建筑類學(xué)生的綠色建筑設(shè)計(jì)思維能力，本課程改革在原有教學(xué)內(nèi)容上不僅增加了系統(tǒng)的技術(shù)專題，還增設(shè)了室內(nèi)熱環(huán)境和室內(nèi)熱舒適度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)。

2. 選址設(shè)置：自主選擇熱工氣候分區(qū)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程中，設(shè)計(jì)題目的選址及設(shè)計(jì)內(nèi)容通常是全班統(tǒng)一的，這樣的好處是對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度容易把控，學(xué)生的各種設(shè)計(jì)方案之間便于比較。然而綠色建筑設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)貧夂驐l件、自然環(huán)境等因素密切相關(guān)，限制選址會(huì)在很大程度上限制學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和對(duì)不同熱工設(shè)計(jì)分區(qū)條件下綠色建筑設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。

有鑒于此，選址設(shè)置不限定具體的熱工設(shè)計(jì)分區(qū)及城市，學(xué)生可以根據(jù)熟悉程度自主選擇項(xiàng)目場(chǎng)址，同時(shí)必須對(duì)選址所在地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)論證（包括當(dāng)?shù)貧庀髼l件及場(chǎng)地周邊情況等），并在課堂上進(jìn)行公開答辯。

3. 教學(xué)方式：?jiǎn)蜗蚺c多向相結(jié)合

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程或理論課程，主要采用教師與學(xué)生一對(duì)一或一對(duì)多的“單向”教學(xué)方式。在這種方式下，教師是輸出，學(xué)生是輸入，學(xué)生的思維很容易局限于教師個(gè)人的思維，并缺乏自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

因此，本課程教改實(shí)踐中，采用了“單向與多向”相結(jié)合的教學(xué)方式。表現(xiàn)在：

課程初期，教師采用以“啟發(fā)式”為主的教學(xué)方式，由教師為學(xué)生集中講解綠色建筑的相關(guān)背景知識(shí)及最新的設(shè)計(jì)手法和技術(shù)策略以幫助學(xué)生建立正確清晰的綠色建筑基本概念;再通過“雙向”互動(dòng)的方式，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同熱工設(shè)計(jì)分區(qū)適宜的綠色技術(shù)進(jìn)行自主分析總結(jié)。

課程中期，主要目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生深入探索綠色建筑的各種技術(shù)手法，掌握模擬分析方法，并對(duì)技術(shù)進(jìn)行適宜的選擇和利用。主要采取“多向”的課堂組織形式，由教師擬定設(shè)計(jì)四個(gè)階段的進(jìn)度要求，（1）資料調(diào)研與選址分析;（2）初步方案構(gòu)思與方案比較;（3）被動(dòng)式設(shè)計(jì)與節(jié)能分析、計(jì)算;（4）主動(dòng)式技術(shù)與模擬分析為主線依次開展。每個(gè)階段要求學(xué)生結(jié)合PPT、軟件分析工具就各自的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行匯報(bào)，并進(jìn)行學(xué)生與教師之間、學(xué)生與學(xué)生之間的“一對(duì)一”、“一對(duì)多”等多種方式的現(xiàn)場(chǎng)答辯，教師對(duì)每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)均給予總結(jié)點(diǎn)評(píng)。點(diǎn)評(píng)中指出的問題需要在下階段匯報(bào)開始之前進(jìn)行修改說明。

課程后期，主要目標(biāo)是完善設(shè)計(jì)方案，檢查教學(xué)成果。教學(xué)回歸到以“一對(duì)一”為主的教學(xué)模式，要求學(xué)生根據(jù)課程前期所學(xué)的綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)自己的綠色建筑進(jìn)行星級(jí)評(píng)定，并進(jìn)行課堂匯報(bào)考核。

4.輔助手段：建筑性能實(shí)測(cè)與模擬技術(shù)的分析、運(yùn)用與實(shí)踐

綠色建筑設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足使用者舒適度的前提下使建筑消耗最低的能耗。節(jié)能效果與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和使用者情況密切相關(guān)。因此對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境和使用者熱舒適度的調(diào)研實(shí)測(cè)很有必要。本課程依托學(xué)院節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用溫濕度測(cè)試儀、風(fēng)速儀、太陽輻射儀、黑球溫度儀等儀器設(shè)備對(duì)校園內(nèi)的學(xué)生宿舍、教學(xué)樓進(jìn)行熱環(huán)境及熱舒適度的實(shí)測(cè)和分析，使學(xué)生對(duì)綠色建筑設(shè)計(jì)充分直觀的認(rèn)知。

運(yùn)用建筑性能模擬技術(shù)能夠在設(shè)計(jì)的各階段為設(shè)計(jì)師提供數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)設(shè)計(jì)的科學(xué)化與合理化。已開發(fā)的建筑性能模擬軟件很多，然而大多難以短期內(nèi)被本科學(xué)生掌握。本課程要求學(xué)生學(xué)會(huì)使用基礎(chǔ)易學(xué)的軟件及分析工具，比如運(yùn)用excel計(jì)算窗墻比和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，天正日照工具分析大寒日、冬至日房間日照時(shí)數(shù)，Ecotect軟件分析房間采光、通風(fēng)（見圖1）等;同時(shí)引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生課后自學(xué)稍微復(fù)雜的綠色建筑性能模擬軟件，比如運(yùn)用DeST或Equest軟件模擬建筑室內(nèi)熱環(huán)境等（見圖2）。本課程教改發(fā)現(xiàn)，模擬軟件的引入，不僅起到輔助驗(yàn)證綠色建筑設(shè)計(jì)方案預(yù)期效果的作用，而且激發(fā)了學(xué)生從科學(xué)角度進(jìn)行分析的積極性，并培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。

（三）綠色建筑設(shè)計(jì)課程考核方式的教改實(shí)踐

在“新工科”及市場(chǎng)對(duì)創(chuàng)新人才需求的背景下，綠色建筑設(shè)計(jì)課程改革與探索借鑒并引進(jìn)國外先進(jìn)的教學(xué)方法和考核體系，對(duì)傳統(tǒng)的以最終考試成績?yōu)橹饕u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即“一考定成績”的考核方式進(jìn)行改革。本課程注重師生課堂互動(dòng)，注重學(xué)生課后學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，通過本課程學(xué)習(xí)為學(xué)生建立一套系統(tǒng)的綠色建筑設(shè)計(jì)方法體系，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

本課程考核方式由課程設(shè)計(jì)圖紙（30%）、課堂階段作業(yè)（50%）和平時(shí)成績（20%）三部分組成。其中最主要的是課堂階段作業(yè)部分，占總成績的50%，按設(shè)計(jì)進(jìn)程分為5個(gè)階段，每階段成績各占10%;課程結(jié)束后要求學(xué)生完成綠色建筑設(shè)計(jì)圖紙。旨在讓學(xué)生對(duì)每次課都需要全力投入并在課余進(jìn)行大量閱讀和學(xué)習(xí)，也能避免一考定成績、臨時(shí)抱佛腳也能拿高分的現(xiàn)象。

三、結(jié)束語

總的來說，我國傳統(tǒng)的建筑類本科生教育存在的重理論輕實(shí)踐、重基礎(chǔ)輕創(chuàng)新、模式單一、跨學(xué)科復(fù)合型人才短缺等一系列問題，不再適合“新工科”背景下產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求及新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。綠色建筑設(shè)計(jì)作為建筑類學(xué)科重要課程之一，也應(yīng)探索更加國際化的視野、科學(xué)有效的教學(xué)方法、全面多元的考核評(píng)價(jià)方式，通過“理論-實(shí)測(cè)-設(shè)計(jì)-模擬”循序漸進(jìn)的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)設(shè)計(jì)與技術(shù)融合的綠色建筑設(shè)計(jì)思維，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力。

值得注意的是：建筑類學(xué)科偏技術(shù)專業(yè)的學(xué)生有一定的模擬軟件應(yīng)用及主動(dòng)式技術(shù)方面的基礎(chǔ)，因此本課程在教學(xué)過程中可側(cè)重于建筑設(shè)計(jì)自身及被動(dòng)式設(shè)計(jì)方面的講授，在設(shè)計(jì)實(shí)踐階段可側(cè)重于軟件模擬分析方面的考核;偏設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生有扎實(shí)的建筑設(shè)計(jì)功底及一定的被動(dòng)式設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)，因此本課程在教學(xué)過程中可側(cè)重于被動(dòng)式設(shè)計(jì)及主動(dòng)式技術(shù)方面的講授，在設(shè)計(jì)實(shí)踐階段可側(cè)重于綠色建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)方面的考核。

參考文獻(xiàn)：

[1]學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài).“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2]蘇寶勝.“新工科”背景下民辦高校專業(yè)建設(shè)與教學(xué)改革——以青島濱海學(xué)院土木工程專業(yè)建設(shè)為例[J].教育觀察，2017，6：72-74.

[3]劉煜，劉京華，李靜，等.提升綠色建筑創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的教改探索與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2013，22（6）：137-142.

[4]田真.結(jié)合建筑性能模擬的綠色建筑與節(jié)能課程教學(xué)實(shí)踐與思考[J].建設(shè)科技，2018，371（11）：13-17.