體驗式建筑物理實驗課程教學改革研究*

陳豫川

(貴州大學建筑與城市規(guī)劃學院 貴州 貴陽 550025)

隨著經濟的發(fā)展和人們環(huán)境保護意識和綠色節(jié)能意識的逐漸提高，關注居住環(huán)境舒適度已成為社會發(fā)展的主流.發(fā)揮“十四五”規(guī)劃對于生態(tài)文明建設的指導作用建設人與自然和諧共生的現代化建筑環(huán)境，大力推進綠色可持續(xù)性發(fā)展新格局.時代背景下綠色生態(tài)的發(fā)展理念需要依托建筑物理科學與技術來推進[1].建筑技術介入建筑設計的思想應深化到本科教學中，滲透到學生的潛意識，通過學習、分析、討論、具體項目運用等環(huán)節(jié)，提升學生未來職業(yè)生涯中的職業(yè)素質和專業(yè)技術能力[2].作為高校建筑學專業(yè)的必修課程，建筑物理主要研究建筑聲學、建筑熱工、建筑光學3個領域[3].建筑物理實驗課程無論是對學生的成長還是對現代建筑的可持續(xù)性發(fā)展都舉足輕重.由此，為了助力建筑教育的時代性發(fā)展，必須在專業(yè)的教育中重視建筑物理實驗的教學.以提升學生主動性、創(chuàng)造性為目的，加強理論知識和實踐技能的綜合訓練，著重人才培養(yǎng)和社會服務相結合[2].

1 建筑物理實驗課程問題分析

在國家高校事業(yè)高速發(fā)展的背景下，當前傳統的建筑物理實驗教學的培養(yǎng)與社會需求的發(fā)展出現了不均衡狀態(tài)，傳統教學滿足不了建筑行業(yè)日益對專業(yè)技術人才的需求.主要體現在以下兩個方面：

一方面由于實驗教學模式單一導致教學質量不佳.建筑物理傳統實驗偏向于進行驗證性實驗為主，同時輔以演示性實驗，這就導致其與課程設計聯系不夠密切，缺乏相應的研討自學和交流過程.傳統實驗內容只是單一測量建筑聲學、建筑光學、建筑熱學的某個參數，以獨立的單個實驗為研究對象，忽略了不同實驗之間的相互關系以及缺乏實驗綜合性探討；而且教學多是統一安排教學時間，實驗地點也是局限于建筑物理實驗室，這種實驗教學方式僅僅是為了驗證實驗，學生被動地接受實驗方法和實驗結果[3]，很難在實驗中有機會進行獨立思考和拓展探索；同時傳統實驗教學中的實驗儀器與設備由于種類單一、陳舊演練，導致實驗過程缺乏創(chuàng)新性.

另一方面由于實驗內容枯燥導致學生缺乏學習主動性.建筑物理實驗有很多理論知識較抽象而且脫離生活，難免讓學生感到枯燥，并且傳統實驗內容缺乏創(chuàng)新性和時代性，限制了學生實驗創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，必然會影響到課程的教學質量；作為課堂教學的引導者和設計者，實驗教師缺少有效利用地域性特征開展實驗教學，導致所學知識實際運用率不高[4]；多數學生在建筑設計中習慣性忽視將建筑實驗內容運用到建筑以及周邊環(huán)境的物理問題，導致畢業(yè)后在工作中常出現一些不必要的增加能耗和物理環(huán)境處理的問題，從而影響生活環(huán)境和生態(tài)環(huán)境.因此，順應時代發(fā)展改革更新教學方式與教學內容，以學生為中心重視社會適用性開展實驗教學，通過改革教學模式來協調理論教學與實驗教學成為實驗教學改革急需解決的現狀.

2 體驗式建筑物理實驗教學模式

結合高校建筑物理實驗課程意在培養(yǎng)學生利用建筑物理理論知識分析和解決建筑環(huán)境的能力.課程的改革要結合師資力量、學生素質和教學方式等情況，構建可操作性、可持續(xù)性發(fā)展的實驗模式.體驗式教學作為一種綜合性的實踐教學方式，在多維的實驗環(huán)境下，引導學生用自身感知去理解、分析、驗證和運用實驗教學內容[5].

2.1 體驗式實驗改革目標

針對實驗課程、大學生挑戰(zhàn)者杯競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、建筑類競賽等不同需求，構建綜合性、創(chuàng)新性和設計性的體驗式實驗，激發(fā)學生興趣和主動性[6]，打造多元化實驗教學模式和時代性教學內容[7].體驗式探索實驗教學主要以鍛煉學生獨立自主設計實驗的能力和社會實踐的能力為目的，而實施的探究性的實驗教學；同時構建多學科交叉共同發(fā)展實驗內容，探索時代性的教學新方法.多學科、多技術的綜合運用不僅能影響建筑物理等建筑設計主干課程，而且更加有利于學生建筑方案的設計能力提升和學科之間的發(fā)展；近年來，生態(tài)建筑、綠色建筑、可持續(xù)性發(fā)展建筑等理念離不開建筑技術，以建筑學和物理學理論為基礎的專業(yè)實驗知識更應該學以致用，適應社會發(fā)展需求[8].實驗改革目標提出的建筑物理實驗課程應該與綠色生態(tài)思想融合并且關聯建筑設計課程，結合當地自然條件和氣候特征進行實際項目研究[5].

2.2 體驗式實驗改革內容

根據上述改革目標，構建與實際建筑環(huán)境有關的實驗內容.以城中村熱環(huán)境測量的體驗式實驗為例，通過實驗數據和自身感知驗證熱工學理論，探究不同功能建筑存在的熱工差異，并提出改善措施.讓學生運用技術手段解決具體實驗中的建筑物理內容.主要進行以下幾個方面的實驗內容改革：

首先，設計多學科交叉內容，影響建筑設計課程.根據學科發(fā)展和時代需求，進行實驗教學內容從單一數據測定到綜合性建筑環(huán)境評價的改革.以學科之間的基礎概念和理論為指導，互相滲透、互相影響.比如對于本次城中村熱環(huán)境測量實驗內容，首先開展背景調研、基地周邊環(huán)境分析、道路分析、氣候特征、地理特征、人文特征、調查問卷、居住情況等前期基礎工作.引入地理學、人文學、城鄉(xiāng)規(guī)劃學、生態(tài)學等有關專業(yè)，共同串聯起探究城中村建筑的熱環(huán)境認知實驗學習，深入拓展城中村建筑熱環(huán)境測試實驗的背景調研，培養(yǎng)學生建筑方案設計的邏輯和全面思考的能力.

其次，構建感官體驗實驗，鼓勵參與自主設計.本次實驗教學改革選擇學校周邊的城中村建筑作為實驗對象，學生可以切身感知室內的聲、光、熱等物理環(huán)境及其變化，與體驗式教學理念完全契合[5].城中村作為實際的生活體驗和實驗空間，可以讓學生更加直觀地去體驗、觀察、分析平時生活的物理環(huán)境.在學生實驗測量的同時親身感知和分析環(huán)境[3].以學生為主體的體驗式實驗改革，在教師的前提引導下，學生進行獨立自主的實驗方案設計、差異化的實驗對象選擇、實驗步驟及相應儀器的選擇[9].針對學生制定的實驗方案設計、實施過程制定和實驗結果分析等進行以過程性評價為主的考核方式.實驗注重考查學生的實驗設計與操作能力，以及在實驗過程中發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力，尤其是利用實驗數據進行深入思考和探究[4].

最后，順應建筑發(fā)展趨勢，發(fā)展地域實驗特色.根據學科發(fā)展和地域性特點，在本次改革的內容設計中，增設順應時代發(fā)展和地域性特色的實驗內容，鼓勵學生研究本地方建筑的地域性特色讓實驗更貼近現代建筑發(fā)展趨勢.比如城中村熱環(huán)境實驗改革的內容指導學生在項目前期自行選擇城中村內感興趣的實驗目標，基于當地氣候適應性分別對咖啡廳、餐廳、賓館、理發(fā)店和民居等不同功能建筑空間的室內熱環(huán)境進行實驗，進一步感知和了解室內外氣候因素對建筑熱環(huán)境的影響，同時鼓勵學生對于建筑防曬、太陽能利用、風壓和熱壓影響的通風狀況等問題進行獨立思考.研究因為地域性和氣候性影響的建筑特征，拓展與探索建筑物理技術在設計中的應用性，推動綠色節(jié)能思想的有效實施.因此，順應現代建筑設計發(fā)展的趨勢，設計實施建筑熱環(huán)境參數測定與熱舒適方向實驗內容[10].

2.3 體驗式實驗改革實施

本次城中村體驗式實驗教學改革項目共有本科三年級學生55人參與，自由組合為10個小組，分別對毗鄰本校的花溪朝陽村進行實驗研究.根據小組選定的不同城中村測量目標，開始進行綜合性體驗式建筑物理實驗探索，針對城中村建筑熱環(huán)境測試實驗，以實施流程圖作實驗指導,如圖1所示.

圖1 體驗式實驗實施流程圖

對于此次深入城中村實驗場地進行體驗式和沉浸式的實驗，實驗負責老師需帶領學生進行基本理論學習、提供測試所需儀器并指導學生建筑熱環(huán)境測試的各個步驟和階段.學生以小組為單位進行實驗安全與儀器使用守則學習，然后開展選定的城中村建筑熱環(huán)境參數測試并記錄和分析.通過對于高校周邊城中村建筑的認知和室內外熱環(huán)境的研究，結合當地的實際情況以區(qū)域特征、氣候特征、人文特征等為出發(fā)點，以節(jié)約能源、減少環(huán)境污染與破壞為原則，構建區(qū)域的建筑物理實驗方案與措施[11].在改革實驗教學模式下，形成以學生為主體、自主設計實驗方案的體驗式實驗，發(fā)揮學生的自主創(chuàng)新能力和專業(yè)能力進行自行操作儀器、環(huán)境前期分析、獨立分析實驗結果并提出解決環(huán)境問題的方法建議等步驟[12].體驗式實驗教學培養(yǎng)學生自主思考和主動探究問題的能力.學生進行環(huán)境認知，感性認知，地域性分析，根據自己對實驗的理解和個人能力，可以在每一步驟中自行設計添加相關內容，從而進行數據收集、整理和分析.

實驗改革實施過程中對室內環(huán)境參數的感性認識、室內熱環(huán)境參數的常規(guī)測量方法、室內環(huán)境分布狀況等問題可以采取不同的實驗方法， 基于更新的教學內容采用多種實驗教學手段讓學生在實驗過程中提高動手動腦能力.比如對于室內溫濕度測量可以采用的方法有干球溫度法、濕球溫度法或黑球溫度法等.測試內容不僅有室內空氣流速，室內輻射熱，室內光照強度，室內噪聲等，部分同學還利用軟件進行了室外太陽輻射和環(huán)境周邊微氣候分析.如圖2所示小組用ecotect軟件對朝陽村區(qū)域進行全年平均太陽輻射模擬，結果分析出，由于該區(qū)域建筑密度較大相當一部分太陽輻射被建筑物所吸收，吸收的太陽輻射會對建筑的室內熱環(huán)境造成影響.

圖2 朝陽村區(qū)域太陽輻射模擬

如圖3所示的小組用depthmap軟件對朝陽村道路空間人流量進行模擬分析,研究人體熱量對周邊微氣候的影響.這些不同的實驗方法提升了學生專業(yè)能力和生態(tài)環(huán)境意識，增強處理實際問題的能力.

圖3 朝陽村人流量模擬分析

在實驗過程中，學生不僅要獨立完成實驗，而且針對不同的環(huán)境業(yè)主采取相對應的協調方式，因此體驗式的物理實驗改革模式，不僅讓學生自主學習、實驗創(chuàng)新能力提高了，而且社會溝通能力也得到了鍛煉.對于不同的城中村實驗研究對象，學生將會面對很多無法在傳統實驗教學方式上遇到的現場處理情況，這也使得各實驗小組的測量過程和測量結果都沒有唯一答案.比如對城中村的某咖啡屋通過確定室內測量點(如圖4)，開展測量數據和自身感知結合記錄和使用者的主觀評價，研究該咖啡廳的室內熱環(huán)境情況.結合實驗測量數據和自身感知理性分析，提煉影響建筑室內熱環(huán)境實驗結果的主觀和客觀因素(如圖5)，針對測試對象存在的問題，提出相應的改善措施，以及研究如何在相應的建筑設計中實踐這些知識[13].實驗小組對測試結果進行總結建議提出自然通風降溫設計、建筑朝向的選擇、建筑群的布局、房間開口與自然通風、導風設計、強化自然通風設計等措施.完成了對環(huán)境的直觀認識，以技術為支撐解決環(huán)境問題.

圖4 剖面測點分布圖

圖5 建筑采光通風的熱情況分析

3 體驗式實驗教學意義分析

體驗式教學是順應時代的一種創(chuàng)新性教學模式，學生通過實際測量和自身感知以體驗式生動且深刻的感官刺激轉變枯燥且抽象的理論知識的學習方式[14].經初步統計，此次體驗式實驗改革效果良好，主要體現在以下幾個方面：

第一,學生理論知識和專業(yè)技能的提升.實踐結果表明在體驗式教學模式下通過親身經歷去感知、領悟、體會專業(yè)的建筑物理實驗知識，不僅讓學生根據自己的能力及興趣選擇挑戰(zhàn)自我的自主設計實驗內容，而且課內外相結合的實驗教學模式促進了學生的個性發(fā)展，調動了學生的學習積極性，提升了實驗教學質量[15].城中村實驗各小組的科研報告思考邏輯清晰而且實驗報告對社會問題的思考各有特色，大部分學生實驗結束后對于各類實驗儀器和相關軟件的使用技巧均有顯著提升.體驗式實驗改革可以作為學生參加全國類專業(yè)技能大賽的前期培訓基礎，鍛煉學生不同課程交叉學習的能力，讓學生在科研創(chuàng)新能力和社會實踐能力方面有明顯提升[16].同時，培養(yǎng)學生對于建筑熱環(huán)境的感知能力和提高學生對于建筑結構、材料和建造的認知修養(yǎng)，建立了本科教學與碩士科研課程內容的相互關系，培養(yǎng)了學生在建筑設計中對建筑技術的分析和解決問題的能力，幫助學生更加熟練地將專業(yè)技術知識運用到實際工作中.

第二，促進多學科交叉發(fā)展，提升教師教學創(chuàng)新改革能力.教師對多學科、多實驗空間協同實施的實驗改革創(chuàng)新，有利于學科多維發(fā)展.多學科共同合作的探討，突破了體驗空間和實驗空間的局限，提升了教學創(chuàng)新能力，促進了后續(xù)開展聲、光、熱共同協作的體驗式教學項目.積極響應了社會對專業(yè)技術和學科發(fā)展的要求[14].建筑物理實驗在促進當代建筑學科發(fā)展方面承擔了輔助與支撐的重要功能[17]，教師將相應的科研成果和實驗教學研究成果推廣應用到具體教學中，以科研促教學，不斷開展本科建筑物理實驗教學的改革，并及時進行評估和檢驗，因此得到了良好的實驗教學效果[18].學科之間很好的發(fā)展與融合也提高了實驗教學效率.

第三，指導地域性現代居住建筑綠色節(jié)能的發(fā)展.針對綠色建筑理念對建筑設計不斷提出時代性要求，建筑設計需要更加深入思考建筑技術知識的運用[18].改革針對于建筑學科的發(fā)展融入相應的地域性特色，適應時代發(fā)展和社會需求.將建筑技術運用到建筑設計的同時，也將地域性特征的實驗發(fā)現結果影響建筑的發(fā)展(見圖6).課堂教學的最終目的是將理論運用到實際生活環(huán)境當中，深入淺出的實驗內容，引導學生將綠色節(jié)能意識體現在具體的實驗設計中.實驗研究的城中村室內外熱環(huán)境旨在創(chuàng)造健康舒適的室內熱環(huán)境，在確保該地區(qū)居民的日常活動舒適狀態(tài)下維護人體的健康.

圖6 體驗式實驗改革探索路徑圖

4 結束語

本文重視實驗教學以學生為中心，采用體驗式物理實驗改革教學模式在提升教學質量上發(fā)揮了積極作用.然而對于體驗式實驗教學方法的思考與嘗試尚處于探索階段，之后需要隨時代發(fā)展需求更新實驗教學方法和內容，為更優(yōu)化的創(chuàng)造性教學模式提供可能.此次城中村居住建筑的實驗體驗條件有限，下一步將會結合聲、光、熱實驗融合共同探索物理實驗的體驗式教學優(yōu)化改革.同時,在今后的實驗教學中不斷引入先進的、有效的實驗教學方法，將綜合性的實驗運用到地域性的現代建筑或傳統建筑等實驗項目.促進建筑物理實驗教學創(chuàng)新與改革的同時也影響了對現代建筑行業(yè)發(fā)展的探索.