建筑物理教学方法分析

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发布时间：2020-09-08 10:15:53  更新时间：2020-09-08 10:15:53

　　建筑物理是建筑学专业必修的一门专业基础课，也是该专业重要的技术平台课，是体现建筑空间环境特征的技术理论支撑。建筑空间环境品质的提高和控制是建筑设计重点关注的功能特征，是建筑技术理论在建筑设计创作中的实践体现，建筑设计作品则是反映空间环境物理参数适宜性和舒适性的建筑实体。建筑物理实验是建筑物理课的重要组成部分，以实验为基础的建筑物理的教学方法，是在理论教学的基础上同步进行相关实验，培养学生定性理解环境参数与建筑空间物理特征的关系并能将其应用于实践的能力。基于实验数据，学生能够将实测的环境参数及其计算结果应用于建筑创作中，对建筑空间的环境特性进行综合评价;能够以实测数据为评价指标对既有建筑节能改造方案的可行性和能效性进行评判，提高建筑设计的创新性和适用性。

　　1引言

　　“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，发展科学技术文化，促进社会主义现代化建设”。[1]建筑学本科教育的任务是培养具有创新能力的建筑设计专业人才。建筑设计不仅是创造外形，更是基于一种社会关系的建筑空间表达。建筑空间设计的重点在于研究人与环境的关系，空间物理环境的基本属性应反映人的需求，尤其在21世纪经济水平的迅速发展以及建筑技术快速发展的推动下，人们对建筑空间环境的健康性、舒适性和满足高工作效率的需求日益增强。基于科学发展及技术创新的时代人居环境品质的要求，建筑设计及人居空间环境建设应该符合节能环保、绿色生态、健康可持续的发展趋势，建筑设计应以“提升建筑室内环境品质和建筑质量，降低用能需求，提高能源利用效率，推动可再生能源建筑应用，引导建筑逐步实现近零能耗”[2]为创新方向和设计目标。建筑学专业本科生的培养也遵循这一基本目标。建筑物理课程即是提升和评价建筑设计空间环境性能的技术理论课，而基于实验基础上的建筑物理的教学方法则是以培养建筑学专业本科学生科研素养及自主探索能力，形成以实验为基础的、提高学生学习主动性的实践性教学方法。

　　2建筑物理课在建筑学专业教育中的重要性2.1建筑学专业的培养目标和要求

　　建筑学本科教育应遵从“教育坚持为社会主义现代化建设服务，为人民服务，与生产劳动和社会实践相结合，培养德智体美全面发展的社会主义建设者和接班人”的教育方针。[1]注重专业技能和实践相结合的教育，以培养符合时代需求的、具有建筑技术发展的创新型和实践型的复合型专业技术人才是我校建筑学专业教育的宗旨。基于实践基础上的理论教学模式，不仅培养学生将扎实的专业知识与设计实践相结合的能力，更注重培养其创造性思维、国际视野、社会责任感、团队协作及文化传承的理念。该教学过程即是专业知识与实践技能融会贯通和深化的过程，也是团队精神在专业领域的提升过程。该教学模式符合当前人居环境可持续发展对创新型建筑设计人才的专业性需求，也符合社会可持续发展的时代要求。

　　2.2建筑物理在建筑设计中的重要性

　　建筑空间物理环境品质和环境控制是建筑技术的重点分支，建筑技术是建筑设计创作和发展的立足之本，健康、舒适的室内环境是提升建筑能效的前提，是设计创作以建筑实体的形式对空间特性和功能要求的表达。建筑物理实验就是基于实测基础上的、对建筑空间环境的物理参数和指标进行分析和评价的技术基础课。该课程既是建筑学专业学生必修的一门重要专业基础课程，也是该专业的重要技术平台课程，是体现建筑空间环境特色的技术理论。作为建筑设计的技术理论支撑，建筑物理课的基本内容为建筑的可持续设计、建筑空间品质的提升、人居环境的优化提供理论支撑，建筑物理实验的实践过程则为建筑空间环境品质评价提供实践判定的依据。随着我国《近零能耗建筑节能标准》(GB/T51350-2019)的实施，建筑的被动设计将以节能减排、提升建筑室内环境水平为主要评判标准。建筑环境既要满足舒适和高效的需求，又要降低建筑能耗和减小环境污染，以最小的能源消耗和环境污染代价实现建筑环境的可持续发展，这是新时代下社会层面对建筑学专业学生提出的要求和挑战(图1)。[3]2.3实验教学的必要性建筑物理实验是建筑物理教学的重要组成部分，是建筑学专业教育的一个重要的实践环节，通过实践性教学过程使建筑物理课程的教学理论得以强化并渗透于建筑设计实践的重要途径和过程。建筑物理实验教学的主要目的在于通过亲自操作建筑热环境、光环境、声环境测试和模拟实验，让学生感受并理解建筑物与建筑形式、建筑空间及建筑构造的关系，加深建筑物理学知识与建筑设计理论和技巧的融合。[4]该课程在以理论为主要教学内容的基础上结合实验操作，将建筑物理的基础理论及实验参数融会贯通地渗透到建筑设计环节中。以建筑节能改造或节能型建筑设计为例，在初步方案阶段，学生首先应根据既定气候特征和场地条件，以室内外环境参数及建筑能效值为约束性指标，重点考虑该建筑空间对物理环境品质的基本要求，通过被动式设计降低建筑冷热需求和提升主动式能源系统的能效达到超低能耗，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适室内环境，并充分利用构造和材料在建筑节能中的优势，以使其设计符合建筑空间的功能和环境品质的目标要求。从而培养学生对设计技能、专业理论知识、实验操作等专业技能和理论知识的整合能力以及理论与实践相结合的能力。在当前我国推行建筑(公共建筑、严寒和寒冷地区居住建筑、夏热冬冷地区居住建筑、夏热冬暖地区居住建筑等)设计向低能耗、近零能耗以及零能耗建筑方向发展的大趋势下，建筑物理作为建筑学专业一门重要的技术支撑课程，更应结合实验性实践教学，充分利用环境参数的分析结果和主动技术措施指导建筑设计创作。

　　3基于实验基础上的理论教学模式

　　3.1建筑物理课程的教学现状及存在的问题

　　建筑物理课程作为建筑学专业的一门基础课，具有较强的理论性、综合性与实践性以及多学科交叉渗透的特点。[5]如何将建筑物理的基本原理和理论应用到建筑设计的各个环节，以指导建筑设计的空间环境品质的优化和提高?这是当前建筑学专业本科教育重点关注的课题和专业培养重点研究的方向，即从社会需求和行业发展的角度进行建筑设计创作是当前建筑学本科专业教育和职业培养的发展模式。在建筑学专业人才培养和教学安排中，建筑物理实验课大都安排在理论教学结束之后，具体学期安排和课时分配，每个学校根据各自的培养方案有所不同。我校根据专业培养方案，将建筑物理理论部分(热工、声、光)分别安排在第6、第7个学期，而实验课则安排在第7个学期的后几周。这在一定程度上存在着部分理论教学与实验实践相脱节的现象，在上实验课之前学生需要花较多的时间重新对与实验相关的理论部分，尤其对涉及的计算公式、参数和指标分析等部分的章节内容要进行重点梳理和复习。这必然会降低学生参与实验的主动性和积极性，弱化了通过实验课的实践性教学强化理论知识的目的，影响建筑物理及实验教学的综合效果。目前，建筑物理课程的教学通常采用通识教育方式，主要以课堂集中授课方式传授知识，其理论知识由浅到深，逻辑思维严密。由于课时数很少，为了完成教学大纲规定的任务，往往形成教师向学生单向灌输知识的现象，这不能发挥学生学习的主动性，使建筑物理课教学效果达不到要求。[6]由于缺乏将实践性实验教学及其结果与设计创作相结合的过程，学生在建筑设计创作中不能很好地将建筑物理的概念和相关技术参数的影响因子灵活地运用其中，建筑物理的技术理论也不能在设计作品中得以体现，同样也存在建筑技术理论课程的教学不能与建筑设计很好的衔接问题，无法达到实践性创作的目标。而实践性创作的目的是使设计的建筑空间环境的能效指标符合相应的标准、满足人居环境的品质要求，即通过热工设计、风环境设计、光环境设计及声环境设计等被动设计，辅助供暖系统、空调系统等主动设计，使室内环境品质和建筑能效指标符合设计的目标要求。基于实验基础上的建筑物理课的教学目的是使学生能够将建筑技术理论充分与设计相结合、以系统的思维能力来发现人居环境中的问题，在充分理解技术理论的基础上结合物理实验的操作和实践过程对设计的建筑空间环境品质进行定性或半定性分析，采用合理的技术手段和设计方案加以优化。这也是本校建筑学专业本科专业教育的主导方向和重点。

　　3.2基于实验基础上的建筑物理课的教学方法

　　建筑学专业是一个实践性很强的工科专业，具有明确的工程教育目标。[7]《中华人民共和国高等教育法》规定“本科教育应当使学生比较系统地掌握本学科、专业必须的基础理论、基础知识，掌握本专业必要的基本技能、方法和相关知识，具有从事本专业实际工作和研究工作的初步能力”。[1]培养具有较强实践能力、专业素养和创新能力的新时代专业人才是当前建筑学教育的主要内容和任务，也是我校建筑学本科生专业教育遵从的教育原则和培养标准。在合理制定培养方案和教育目标的基础上，配合相应的课程设置、教学内容和课时分配，并经过一系列的专题设计和创作设计，将技术理论融合到建筑作品中，以此培养适应现代建筑业发展需要的、具有扎实的专业理论知识和较强的动手实践和设计能力的高级建筑工程设计人才。建筑物理实验是一门综合性较强的实践课程，包括对实验仪器的认识、使用和试验方法的掌握、实验对象或试验场地的选择、数据的获取方式和途径以及处理和分析过程。基于实验基础上的建筑物理课程的教学模式，重在培养学生通过实践操作并将获得的参数应用于设计之中的能力。通过实验操作，使学生对所测环境进行客观评价和理性认知，并理解实测数据所反映的现实意义及其在建筑设计中的指导作用。只有在实验课程中参与整个操作才能在设计创作中加以灵活应用，将各种环境参数根据设计空间的功能要求渗透其中并加以评价和分析，才能创作出环境优化的建筑空间和优秀的被动设计作品，以满足人图1-日照在建筑设计中的作用们对具有优良的环境品质的建筑的要求。以热工部分的室内外热湿环境测试为例，该部分的热湿环境实验，要求学生掌握影响建筑室内外热湿环境的基本要素、热湿环境参数的测量及数据整合，会与标准值或要求值进行比较分析等基本操作。在实验前期准备阶段，应根据建筑设计的目标和功能要求，结合实验操作要求选择实验地点、确定测试项目、参数的获取及处理方式、指标分析及判断标准等内容。实验结束后，如果实测值与标准指标值之间存在较大差异，要能找出造成这种差异的各种可能性及其原因，并根据影响因子的大小调整测试方法、内容，对比分析后再对设计方案加以优化。例如，要测试某个时间段内某一区域的室内外温湿度环境参数，根据测试目标、测试要求及参数的性质，可选择不同的测试时段和实验参数：测量早、中、晚室内温、湿度，以理解室外气温对室内热湿环境的影响;①测量同一时间不同朝向的室内温、湿度，以理解太阳辐射对室内热湿环境的影响;②测量同一时间、同一朝向的不同围护结构的房间，以理解围护结构对室内热湿环境的影响;③测量某一朝向(尤其是南向)房间室内窗帘拉开前后的温、湿度，以理解遮阳设施对室内热湿环境的影响。同时，还可以结合已有条件，测试采用各种被动法改善热湿环境的建筑内的热湿状况以及与人体热舒适性调查分析实验相结合，以理解热湿环境对人体舒适性的重要作用等，图2、图3为建筑热工实验教学现场。基于实验基础上的建筑物理课的教学过程，注重理论教学与实验教学的紧密结合及课时设置的紧凑性和连贯性。通过实验教学的实践过程提高学生学习该课程的主动性和积极性，强化学生理论结合实践的过程和动手操作能力;培养学生团队合作的精神，对利于促进学生健康的个性品质和社会适应能力的提高。通过对实验数据和相关参数的计算、分析及其对设计方案的影响分析过程，能够进一步强化对理论知识的理解和掌握，使学生对建筑空间的环境品质评价指标和评判依据有更深刻的认知，并在建筑设计创造中有意识地加以渗透和体现。基于实验基础上的理论教学也将促使任课教师提升自身专业素养、教学能力和教学经验，并能与时俱进、潜移默化地推进建筑技术理论与建筑设计实践相结合的教学模式的改革尝试。能够进一步促进建筑学本科教育在教学内容、教学方法、教学进度和教学效果上的提升和优化。

　　4实验基础上的理论教学目标与教学过程

　　4.1教学目标

　　建筑学专业的专业教育目的就是通过技术教育与设计教育相结合的教学实施过程，使学生能够将技术理论知识应用于建筑设计之中，并通过实验实践过程将实验数据处理与分析的结果渗透到空间环境品质的分析和评价中，这既是建筑学专业本科教育的基本要求，也是建筑学人才培养必须达到的教育目标。建筑学专业本科教育的专业教育主要包括建筑设计、建筑技术、建筑相关知识和建筑师执业知识共四大块，其中建筑物理是建筑技术课程中的一门重要的基础课。基于实验基础上的建筑物理教学模式，注重建筑物理技术对建筑设计的理论指导和指标性评价。适宜的人居环境是当前社会对建筑空间的基本要求，环境品质的评价需要以实测数据作为标准和比较的依据，室内外环境品质的优化和提升也须借助实测数据加以论证和判断，并以数据处理的结果为依据进行分析和评估，两者相辅相成才能创造出适宜的人居环境。因此，在完善和充实建筑物理课程教学内容、细化实验过程的基础上，还应结合建筑设计课程的教学进度及教学内容，相应调整实验设置，以使建筑物理实验的实践性过程和结果参与并渗透到建筑设计的方案形成、阶段修改以及物理环境空间优化分析的整个过程中。首先，结合已完成的设计作品，通过相关模块的实验操作和数据分析，对建筑空间的能效、日照、采光、通风等物理环境品质进行分析。然后，把实验过程的环境特征参数及数据处理和性能性分析的方法引入建筑设计的方案整合中，并将实验数据作为实测地区(区域)建筑空间优化的评价依据，在建筑设计方案完成并确定后，组织学生把影响建筑功能的实验参数引入已完成的作品中，从声、光、热、能效、通风等环境特征入手，以建筑室内环境参数和能效指标为性能目标，对该空间的环境品质进行综合评价，为建筑设计方案的多样性和创新性提供数据支撑。通过对设计方案空间环境的技术分析和指标评价，就建筑设计中存在的问题和不足，通过调整平面布置、总平面布局以及材料选择或结构选型、构造做法等措施，对设计方案做进一步的修改和完善，直至达到预定的功能目标和设计要求。通过多次对方案的空间环境分析和功能优化，使学生更熟练地掌握建筑物理的技术理论知识，更深入地理解实验数据及评价指标在建筑空间环境设计中的重要性。培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，既提升了学生的专业技能和创作能力，也提高本科教学效率，达到复合型人才培养的专业教育目的。[7]建筑物理及建筑物理实验课程与建筑设计的关系及其在建筑学本科生专业教育中的作用见图4。

　　4.2教学实施

　　基于实验基础上的教学过程是培养学生动手能力的重要环节。通过建筑物理实验教学，将建筑物理的基础理论和技术分析渗透到建筑设计创作中，使建筑学专业的专业基础课程的理论知识通过建筑设计创作加以体现和实践。培养学生积极参与实验操作的主动性，并能借助实验参数对其设计作品的适宜性进行评价和分析，并能促进学生将彼此独立的各课程理论融入到建筑设计各环节的能力。以近零能耗建筑设计为例。近零能耗建筑设计，应在建筑布局、朝向、体形系数和使用功能等方面，体现节能理念和可持续发展的特点，并注重与气候的适应性。通过使用保温隔热性能更高的非透明围护结构、保温隔热性能高的外窗、无热桥的设计与施工技术，提高建筑整体气密性，降低供暖需求。通过使用遮阳、自然通风、夜间免费制冷等技术，降低建筑在过渡季和供冷季的供冷需求。该部分的实验教学涉及实验测试，不论采取哪种方式和途径进行测试，反馈到具体工程的设计中，其功能性评价目标为室内环境参数，即室内环境参数均应满足较高的热舒适水平，以影响建筑物室内环境的其中一项重要指标的气密性而言，建筑的气密性关系到室内热是环境质量、空气品质、隔声性能，对建筑能耗的影响至关重要，是近零能耗建筑重要技术指标。气密性需要在建筑建成后利用压差法或示踪气体法等方法进行实际检测，设计师应该整体考虑建筑的气密性，尤其对关键节点的气密性的保证进行专项设计，以保证建筑整体气密性的实现。基于实验基础上的建筑物理教学模式，通过实验强化了理论教学的实施过程，加深了学生对理论知识的理解，提高学生以理论指导设计实践的能力。通过实验，培养学生从建筑能效性、舒适性、声、光等环境特征的控制指标对设计方案进行分析的思维习惯和分析能力。更为重要的是，能在一定程度和范围内促进师生间的互动与交流，有助于提升教学效果，增进本专业相关课程教师之间的教学合作，交流与沟通，有利于教师个人业务能力和教学水平的提高。

　　5结语

　　建筑物理是建筑设计作品成为城市可持续建设的一门重要理论支撑课，也是创作出品质优化、绿色节能、环境友善建筑作品的理论依据。建筑物理课程的教学内容应紧扣节能减排的战略目标，使建筑空间的物理环境更符合社会发展的需求。建筑物理实验课作为建筑学本科专业教育中的主要实验类课程，通过该实践教学过程及实验参数的处理、分析与评价，将建筑物理的技术理论与建筑设计相关专题相结合，在建筑的被动设计和可持续性分析中，充分利用实践过程所获得的对空间环境的认知和理解，对建筑设计空间的环境品质进行评价和修正。以实验为基础的建筑物理教学方法有助于该课程体系的完善与提高;通过建筑空间物理环境的专项设计，将建筑物理实验的实践过程渗透到建筑设计的不同阶段，对建筑设计的空间环境进行定性分析，有利于提高建筑设计的创新性以及提高建筑设计的功能性目标要求。同时，通过各专业任课老师之间的沟通交流与协同教学，有利于多种教学资源的整合和多学科之间的交叉合作，有助于提高教学质量和教学效率，有助于学生的学术能力、专业技能和综合素养的提升，促进培养目标的顺利完成。

　　参考文献：

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　　[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.近零能耗建筑技术标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

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　　[5]张武满，张迎晨.基于设计性试验提升本科生自主创新能力—以土木工程材料实验课程教学改革为视角[J].高等建筑教育，2019，28(1)：106~109.

　　[6]陈仲林.建筑物理多媒体教学研究[J]高等建筑教育，2008，17(1)：124~126.

　　[7]周燕，王江萍.基于复合型人才培养的风景园林专业研究生教学模式研究[J].中国建筑教育，2016：24~29.

　　作者：蒙慧玲

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