专业更名背景下的特色课程建设探讨——以《节能建筑计算与仿真》为例

周军莉，任志刚，王乾坤，周 晋

（1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

专业更名背景下的特色课程建设探讨
——以《节能建筑计算与仿真》为例

周军莉1，任志刚1，王乾坤1，周 晋2

（1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

节能建筑计算与仿真为我校原建筑节能专业，现建筑环境与能源应用工程专业的重要课程，具有内容多，基础广，应用强的特点。作为国内首批开设该课程的高校，针对该课程进行了教学研究问卷调查，并在已有调查结果及教学经验基础上，梳理了该课程教学内容及教学方式，提出了系统的课程建设方案。教学内容可分为节能规范，软件总结，软件原理，案例学习四部分，教学方式上可采用横向比较——各类规范、软件比较，纵向联系——与前期专业课程及后期毕业设计联系的授课方法，并在最终考核中将软件实际操作纳入评分体系。该课程建设可大力促进本学科发展专业特色，统一教学科研资源，并增强学生就业竞争力。

建筑；仿真；课程；调查；建设

随着我国建筑节能及绿色建筑工作的蓬勃发展，建筑节能设计、建筑节能施工图设计审查已成为建筑设计中不可缺少的重要环节。[1][2]建筑系统模拟是建筑节能分析与图纸节能审查所能使用的主要方法，而建筑环境模拟则成为绿色建筑星级申报及评估的重要手段。[3]在建筑及环境控制领域，已经出现了大量的建筑环境及系统模拟软件，如Fluent、Ecotect，DeST等。这些软件可辅助设计师在建筑前期阶段进行环境分析及节能方案选择，并在后期阶段进行节能评估，完成图纸节能审查功能。

2010年，我校在国内率先开设了建筑节能技术与工程专业（全国仅7所），并于同年国内首次专业招生。本专业受到了各级领导部门的关注与爱护，依次取得国家特色专业建设点、湖北省战略新兴（支柱）产业人才培养计划等荣誉称号。2012年，教育部规定，建筑节能技术与工程、建筑环境与设备工程（暖通空调）、建筑设施智能技术合并成为建筑环境与能源应用工程专业。在此专业更名背景下，建筑节能依然是本学科特色发展目标，《节能建筑计算与仿真》是本专业的核心特色课程，也是本专业需要培养的基本专业技能。

2013年，我校在全国高校中率先开设了本门课程。该课程学习目标旨在培养学生对建筑进行环境和系统模拟的能力，从而进行能耗分析或节能方案评估、优化、审查。课程具有内容多，基础广，应用强的特点，而国内并没有统一规划的教材和教学大纲。因此无论是教学内容还是教学方法，该课程都急需系统建设。在已培训3届学生基础上，本文对该课程进行了调研分析，并进而结合教学经验及调查结果，提出了系统的课程建设方案。

一、课程调研及结果分析

2015年9-12月，本文借助相关调查网站进行了有关《节能建筑计算与仿真》本科课程的教学研究问卷调查。问卷主要集中于收集整理行业人士对于本课程开设内容及授课方法的建议。

（一）调查基本结果

调查共计回收107份有效反馈，其中63%反馈者为暖通空调专业（建筑环境与能源应用工程专业）人士，27.1%为建筑节能专业人士，其他专业占9%左右。反馈者中工作多年者占49.53%，熟悉建筑节能模拟工作者为34.58%，如下图1，图2所示。因此，可以认为该反馈信息具有较好的代表性。

如图3所示，48.6%的反馈者认为本门课程重要，31.78%的反馈者认为本门课程非常重要。这与本学科最初对本门课程的定性相符。

图1：反馈者工作年限分布

图2：反馈者对建筑节能模拟工作的熟悉程度分布

图3：对本门课程的重要性反馈

图4：反馈结果中软件重要性排列

作者根据教学经验，初步将课程内容分为四部分：建筑节能规范分析，国际建筑能耗及建筑环境模拟软件总结分析，软件计算原理，具体软件学习及案例分析。下文中简称为：规范，总结，原理，案例。

从调查数据可知，反馈者认为四部分内容都很重要。但相比较而言，四大部分内容的重要性排序分别为：规范，总结，案例，原理。由此可见，由于一些建筑节能强制性条文的实施，因此在建筑节能相关工作中，人们最先关注的是建筑节能规范。只有对规范熟悉，才可能对设计及节能状况有整体性的了解。其次，在常用的软件方面，从业人士也希望能在学校全面接触，进行基础学习。而软件计算原理，则只是为具体软件而分析服务的。

在针对具体软件学习的调查中，DeST和EnergyPlus均获得57.94%的投票率，可见两软件在从业人士中的巨大影响力。其次，其他软件按重要性大小依次可排为：PKPM建筑节能软件，Ecotec，Anysy（Fluent）等，如图4所示。

此外，从反馈者留言中可看出，绝大部分反馈者都认为上机锻炼非常重要。在课程内容方面，有专业人士认为在软件模拟中应要重点讲述边界条件取值的合理性，因为边界条件跟计算结果直接强相关，也是工程作弊的源头，要做到每个边界条件的设置都有理有据，不能凭经验。该反馈信息也提示了授课人员在讲解软件操作过程中，需要介绍一些影响结果的设置问题。如在Fluent等流场数值模拟软件中，无论是边界条件，还是网格划分、所选取的湍流模型等，都会影响最终数值模拟结果。

还有反馈者提出，既然叫《节能建筑计算与仿真》就应该围绕什么是节能建筑、实现节能建筑的技术途径、在设计阶段如何计算。模拟仿真是计算方法之一，故需要一个案例为例，把某个软件学会使用。由于本专业设置课程除本门课程外，还设置了《建筑节能》课程及《建筑节能课程设计》等实践课程。因此，该反馈信息也提示了本门授课者需要熟悉其他节能课程的授课内容，能够做到内容与其他课程连贯。而软件操作方面，最好是固定建筑模型，以一个案例为基础进行展开讲解。

有关课程课时偏少和内容较多的问题，一些反馈者认为本门课程应着重讲述基本原理然后通过简单案例带学生入门，发挥学生自主学习的能力。也有专业人士提出：在实际工程设计中，节能计算相关内容是由建筑学专业人来完成。能耗分析相关的方案设计、方案比较目前在实际工程中需结合绿建、建筑规划进行的，综合性、系统性非常强，不是单一暖通专业基本知识所能解决的。因此，该课程是绿建理念的一个基础环节，也只能是入门。而且目前的能耗分析软件众多，很难面面俱到，如果开课的可行方法就是只针对其中一种软件开展实际操作演练。结合反馈意见，本课程可拟定DeST软件为最主要的学习对象，该软件可在网络免费下载。

（二）专业及工作年限背景对比

由于反馈者中多是暖通空调专业和建筑节能专业人士，因此从调查数据中，还可以看出两者专业的一些差异。

暖通空调专业人士中工作多年者占67.65%，而建筑节能专业中工作多年者仅占10.34%。这是因为暖通空调专业历史悠久，而建筑节能专业则是新兴专业。但是，即便是建筑节能专业人士，其中也有24.14%的人员对建筑节能及模拟工作不熟悉，而非常熟悉者仅仅占3.45%。暖通空调专业人士中不熟悉者占11.76%，非常熟悉者占17.65%。这些数据说明在目前的暖通空调行业中，熟悉建筑节能工作的人较多，而建筑节能专业毕业人员中，部分人员参加了其他工作种类。这也是为什么目前建筑节能专业会并入建筑环境与能源环境 （暖通空调专业）的原因。

若限定工作年限选项，分析调查结果，则可知：

1.对刚开始参加工作的反馈者而言，55.56%反馈者对建筑节能模拟工作一般熟悉，只有22.22%反馈者对建筑节能工作非常熟悉。认为课程内容重要性排序为：案例，总结，规范，原理。他们认为值得学习的软件是：PKPM建筑节能软件，DeST，Ecotect和EnergyPlus。

2.对已经工作多年的反馈者而言，39.62%反馈者对建筑节能模拟工作熟悉，20.75%反馈者非常熟悉。其中52.83%反馈人员认为本门课程重要，22.64%人员认为本门课程非常重要。课程内容重要性排列：规范，总结，原理，案例。他们认为值得学习的软件是DeST，EnergyPlus，Ecotect，和Ansys。

由此可见，随着工作年限的增长，行业人员对建筑节能模拟工作逐步熟悉，而其需求也从最初的具体软件学习阶段过渡到了对规范的重视及实施。这从一方面也说明了，在目前不同专业综合进行建筑节能工作的背景下，熟悉规范，及由规范进行对比是最为重要的步骤。

值得注意的是，若限定反馈者为暖通空调专业背景，工作多年，及对建筑节能工作非常熟悉的调查人群，则显示授课内容重要性排列为：原理，规范，总结，案例；认为本科阶段需要认真学习的软件为：DeST，Ansys和Ecotect。这也说明了具有暖通空调专业背景的人员，在从事建筑节能工作中，可能大多从事的是直接软件计算及模拟工作。因此，也可以认为，工作多年的具有暖通空调专业背景的建筑节能从业人士，已经掌握了一些节能及模拟软件的基本操作方法，但他们也深刻意识到了软件计算结果的不确定性，希望对软件计算原理有进一步的深刻了解。

二、课程建设

根据针对该课程展开的教学调查及近几年的教学实践经验，本文对该课程的教学方法，教学内容等问题进行了初步的探索研究。

根据上述调查结果，可拟定24总课时中，相关节能标准规范6学时，各类软件总结4学时，软件原理4学时，具体软件学习10学时（上机），课内外学时比例为1∶2。

（一）教学内容和教学方式

针对课程“内容多，基础广，应用强”的特点，在教学中应用“多比较，常联系，重实践”的授课方式，增强学生学习积极性。

标准规范中需要介绍的内容包括：标准基本知识，标准性质，我国气候分区。[4]所需要了解的建筑节能标准分为：综合篇，外墙篇，保温及相关材料篇，[5]同时，又可分为：目标层标准，通用层标准，专用标准。[6]在该授课环节中，为激发学生学习兴趣，宜以学生家乡为团队分组。学生初步分析比较国家、各省市建筑节能设计标准和规范，教师辅助予以深化展开。如通过《公共建筑节能设计标准》与《山东省公共建筑节能设计标准》之间的比较，可了解国家对于不同热工分区下节能设计标准的不同；通过《山东省居住建筑节能设计标准》与《山东省公共建筑节能设计标准》之间的比较，可了解不同类型建筑对节能要求的不同需求。

在软件总结部分，如图5所示，可将建筑环境分为四类：声、光、热、风环境，并介绍相应的模拟软件。其中热环境模拟部分为重点，包括模拟室温状况及空调能耗状况。在众多能耗软件中，又按照功能可分为：基于建筑热过程模拟的建筑能耗模拟软件和基于建筑节能标准审核的一致性评估软件。[7]在该授课环节中，应总结建筑风环境/热环境模拟软件Fluent、声环境模拟CadnaA.、光环境模拟Ecotect、能耗模拟eQUEST，DeST，PKPM能耗评估等各类软件，如图6所示。教师可结合实际案例介绍各类软件在建筑节能工作以及绿色建筑设计工作中的具体应用。

计算原理部分可以清华大学开发的DeST软件为基础进行介绍，[8]并与国际流行计算方法作比较。[7][9][10]本门课程与其他课程联系紧密，如图7所示。在该授课环节中，需要总结重要知识点，结合传热学等基础科目以及节能软件应用市场、能耗研究方向，对各知识点进行纵向、横向对比联系学习。如对于建筑的热过程分析中，可主要针对墙体非稳态热传递方程进行求解，结合传热学、流体力学知识介绍处理非线性方程的差分方法，并比较介绍能耗模拟中所采用的宏观法以及风环境模拟软件中的微观法。而在软件设置原理方面，则需要结合暖通空调课程及建筑节能课程讲解具体的系统配置，以及各种建筑节能技术。

图5：建筑环境模拟目标

图6：建筑环境模拟的工具软件

图7：该课程与其他主干课程之间的联系

结合本院购置软件类别，具体软件学习中可介绍4类软件：Fluent，[11]Ecotect，[12]DeST，[8]PKPM建筑节能评估BEIE，[13][14]其中DeST为重点学习对象。拟定采用上机操作学习方式，引导学生熟悉软件操作步骤和方法。部分内容可结合教师特长，指定本学科不同教师作为课外指导老师。

通过本门课程的学习，学生们将熟悉DeST软件，并可在一定程度上进行流场模拟。从短期目标来看，这些技能都将辅助学生在毕业设计中分析动态空调负荷及大空间气流组织，进而提出合适的空调方案。而从长远来说，则可增加本科生的就业竞争能力，在建筑节能行业中提升本校口碑。

（二）考核方式

由于本课程中的重要学习部分是软件模拟，因此传统笔试方法并不适合于本门课程。本课程考试成绩可初步拟定由以下两部分决定：平时成绩、报告成绩。平时成绩为平时考勤成绩，报告成绩包括每位学生总结分析的建筑节能规范以及具体案例软件模拟操作报告。

三、可解决的问题

该课程的系统建设及创新，可解决如下问题：

（一）专业发展问题

截止至2015年5月，开设本专业的高校共计183所，包括具有悠久历史的土建老八校。[15]早在2013年，高等学校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会指出：各高校要通过本专业科研团队建设，促进本专业本科教学，创建特色课程，形成精品课程体系。[16]2014年5月，在青岛召开的第六届高等学校建筑环境与能源应用工程专业负责人会议上，专业指导委员会也指出：具体学科的知识体系应为在专业规范的基本要求（共性要求）上，发展学科特色（个性设置）。

因此，唯有抓住国家建筑节能蓬勃发展机会，在传统暖通空调专业基础上进行革新，精炼并强化自身的建筑节能专业特色，才有可能在上述高校中脱颖而出，确立自身地位。

（二）课程内容多，基础广，应用性强的问题

节能建筑计算与仿真模拟软件繁多，需要择优重点学习掌握。本课程将总结国际流行软件，包括风、热环境模拟，声模拟，光模拟，能耗模拟各类软件，分析各类软件功能、优点，使用环境。课程改革后，授课对象将对所有软件的主要功能、应用条件有较为清晰的认识。

在建筑环境模拟软件中，其计算方法原理涉及数值流体力学、数值传热学等基础内容，而建筑系统模拟中，建筑空调设备方案、运行调控则直接与暖通空调等主干课相关。只有在授课中多比较，常联系，才能建立不同课程之间的联系，从而加深学生对学科体系内容理解。

建筑模拟计算软件的应用与上机操作密切相关，只有改变教学模式，加强实践，增加上机课时比例，才能真正培养学生软件应用能力。

（三）教学科研资源统一问题

我院已购置的软件包括Fluent，Ecotect，PKPM建筑节能评估软件。上述软件仅为教师及研究生使用，本科生尚未有机会涉及。课程建设创新后将结合专业科研资源与本科教学工作，达到资源深度、有效利用的目的，另一方面，通过上述软件学习，可增强学生对专业发展方向及科研方向的了解。

（四）学生就业竞争力问题

随着国家政策方面对绿色建筑数量的提升及国家对建筑节能评估、审查各类规则的完善，计算与仿真在建筑节能设计中所起的作用日益增大。而从我校建筑节能毕业班的就业协议中可知，1/2人员毕业均从事建筑节能工作。对该课程的系统建设及应用，可大力增强我校学生的就业竞争力及实际工作操作能力。

四、结语

在专业更名背景下，本学科所确定的发展目标为建筑节能方向。《节能建筑计算与仿真》成为本专业的特色课程，也成为本专业需要培养的基本学科技能。

针对该课程的教学内容和教学方法，本文收集整理了107份有效反馈答卷，分析了行业人士对本门课程的理解，对教学内容、教学方法的具体建议。从反馈数据中可知，80%的调查者认为本门课程重要或非常重要。本文将教学内容分为四部分：建筑节能规范分析，国际建筑能耗及建筑环境模拟软件总结分析，软件计算原理，具体软件学习及案例分析。调查数据显示这样的设置是非常合理的。但是对于工作多年的行业人士而言，他们希望学习规范，并掌握软件计算原理，而对于刚参加工作的行业人士而言，他们则更希望掌握具体软件操作技巧，及熟悉规范。

在已有调查结果及教学经验基础上，本文梳理了本门课程教学内容及教学方式，对其进行了细化。确定了四部分主体教学内容的授课学时比例，提出了“多比较，常联系，重实践”的教学方式：在各类规范、软件学习方面进行横向比较，在与前期专业课程及后期毕业设计之间建立联系，并加大上机操作课时，以DeST软件为重点，联合其他流场模拟软件，结合教师特长设立课外指导教师。其中。该课程系统建设后，可达到发展我校专业特色、统一教学科研资源、增强学生就业竞争力等目标。

当然，一门课程的建设不是一蹴而就，而是慢慢完善的过程。我系将进一步努力，争取早日完善教学讲义得以出版，也希望能得到各位同行的批评指正。

[1]莫志刚.建筑节能设计审查的思考[J].建材与装饰，2015，（17）：42-43.

[2]董孟能，吕忠，冷艳锋等.重庆加强建筑节能设计审查[J].建设科技，2008，（9）：32-34.

[3]任佳.建筑环境模拟：提供绿色建筑方案[N].中国建设报,2013-09-02，（5）.

[4]建筑节能管理及建筑节能工程施工质量验收[EB].百度文库.http: //wenku.baidu.com/view/22210a6c87c24028915fc3fe.html.2014-07.

[5]全国建筑节能现行规范、规程、标准汇编目录[EB].百度文库.http: //wenku.baidu.com/view/67a9a46283c4bb4cf7ecd15c.html.2014-06.

[6]杨仕超.我国建筑节能标准体系的探讨 [J].工程建设标准化. 2014，（2）：46-49.

[7]于美静,王宏伟.建筑节能计算机模拟软件的研究[J].区域供热. 2007，（3）：69-72.

[8]清华大学DeST开发组.建筑环境系统模拟分析方法:DeST.中国建筑工业出版社，2006.

[9]黄俊鹏，李峥嵘.建筑节能计算机评估体系研究 [J].暖通空调，2004，34（11）：30-35.

[10]周欣，燕达，洪天真等.建筑能耗模拟软件空调系统模拟对比研究[J].暖通空调，2014，44（4）：113-122，131.

[11]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社于，2008-09.

[12]云朋.ECOTECT建筑环境设计教程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007-07.

[13]许浩天，祝健.PKPM软件在建筑能效测评中的应用[J].建筑热能通风空调，2014，33（5）：78-80.

[14]中国建筑科学研究院.PKPM节能软件操作手册[Z].

[15]全国设置建筑环境与能源应用工程专业院校名单及联系人[EB].中国建筑环境与能源应用工程专业教育网.http://www.chinabeee. com/professional-college/59-2015-09-23-09-22-45.html.2015-09.

[16]高等学校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会.高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2013-03.

湖北省教学研究项目：面向战略性新兴产业发展需求的建筑节能技术与工程新专业建设研究与实践（2011016）；武汉理工大学重点教学研究项目：建筑环境与能源应用工程专业节能建筑计算与仿真课程创新与改革研究及实践（w2014005）

周军莉（1977-），女，武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授，博士，主要从事建筑环境模拟方面的教学与科研研究。