建筑物理光环境教学的模式创新与内容更新

边 宇,马 源,遇大兴

(1. 华南理工大学 建筑学院，广东 广州 510640；2. 广东工业大学 建筑与城规学院，广东 广州 510090)

引言

建筑技术科学是建筑学的二级学科，其核心是建筑物理学，其中包括建筑光学即以建筑光环境为主要研究对象的部分。建筑技术科学研究如何通过城市规划与建筑设计等措施来使城市与建筑具有舒适、健康、适用、安全的环境，对于提高建筑内在品质，满足功能要求，节约能源和资源以及保护环境均具有重要意义[1]。建筑光环境需通过照明营造，当前照明行业面临着人才培养缺乏专业以及相关光环境知识有待进一步系统化、专业化等问题。很多人呼吁改革建筑学教育，促进建筑技术科学人才的培养[1]，想必其中包括照明领域的人才。这些现状更加突显了建筑物理光环境教学模式创新与内容更新的必要。建筑物理光环境是全国高校建筑学专业学生必修的一门专业基础课，也是建筑学专业教育体系中唯一一门涉及天然光和人工照明内容的技术类课程[2]。当前光环境课程践行的教学模式仅由课堂讲授与课后基础实验的组成，这种模式在一定程度上限制了学生们对于照明知识的深入理解以及应用，相比较而言实验性教学方法更加契合建筑物理课程的自身特点，强调应用于动手能力也有助于照明人才的培养；此外，从当前人工照明以及天然光照明技术与理论发展现状水平反观当前建筑物理光环境方面的授课内容，也可以认识到存在范畴的偏差以及内容有更新的必要。

1 反思传统教学，探索创新模式

当今，学生的学习方法、接受知识的途径已经不再是读书、笔记、课后作业；行业的发展更新了职业岗位对于用人的实际要求，相应地，学生们也自觉选择了更新自己的技能、更加注重新知识、实际能力的学习；作为教授方有必要顺应这种趋势，积极主动地探索新的教学模式，提升教学效果。

长期以来建筑物理光环境的教学始终处于尴尬的境地：学生在建筑设计全过程中都会涉及到光环境的问题，无论是自然采光还是人工照明，可是学生对于光环境专业理论的学习态度却很消极，加之设计图纸上表达困难，因此设计课程作业往往缺少光与照明的设计内容[2]。面对这种现象应该如何应对？传统的方法主要通过在课堂上选择部分照明设计、采光设计案例，但这种教学方式是否真的有助于提高学生对于光环境的理解，在未来从事设计时可以较好地实施光环境的设计？再比如新近提出的“光景学”理论框架[3]，如何令青年学生体会“光景”的妙处？恐怕单教授案例还是不够的，对于光的感受有必要让学生身处其间，直接接触照明的材料(如：窗、灯具、模拟环境、多媒体、虚拟现实设备等)，当前大多数高校并不缺这些硬件条件，缺的是应用这些设施条件的理念与恰当方式。当然1个年级学建筑学的人数约80人左右(以华南理工大学建筑学院为例)，如此数量的学生不可能同时开展接触体验与实操感受，这就有必要通过分组进行教学，合理安排授课与实操体验的课时。

为进一步强化学生对基础理论的理解，加强动手能力培养，对建筑物理教学进行改革，我们建议建筑物理光环境课程在授课伊始，如：讲授光的基本属性以及“光通量”、“发光强度”、“照度”、“亮度”等基础的概念时就突破现在的讲课式教学模式，在讲解的同时直接让学生们感受光环境诸指标的测量方式，如此也有助于提升认知程度，令学生知道什么是“照度”也知道如何测量“照度”，经过测试也就知道了500 lx大概是一个什么光亮程度。对于建筑采光即天然光照明方面的问题更是如此，很多学生背熟了采光系数(DF)的定义，但终究不知如何使用DF开展采光分析，也不会计算DF。现在高校学生人手一台电脑的现象普遍，因此也有必要在教学时尝试讲授一些专业领域常用的分析软件的操作方法，这些内容并不复杂也不会占用太多课时但往往是学生们喜闻乐见的环节。2018年上半年我们承担了华南理工大学的教学改革课题，在本科生中选择了部分对光环境学习有兴趣的学生开展了创新性实验教学，在原课时范围内取得了良好的教学效果，学生反馈的结果是十分积极与良好的。

据此，我们认为必须尽快更新教学内容，建立教学体系，加快实验室建设，探索出符合现代专业教育需求、强化实验性设计的建筑物理光环境教学模式。

2 确立实验教学，搭建实验平台

实验教学不仅可以激发学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解，培养他们的观察能力和分析能力，还有助于培养他们实事求是严肃认真的科学态度。因此，随着教学改革的不断深入，加大实验教学所占比重提高实验教学质量也就势在必行，建筑光环境实验教学是建筑学专业教育的重要环节，它可以加强建筑光学知识与建筑设计理念及技巧的融合并促使学生自觉地将其运用到建筑设计的创作之中；同时，通过对建筑光学原理的运用与对实验测试数据的整理和分析，可以强化学生的逻辑思维能力而在建筑光学实验教学中增设以学生为主体的有一定规模的综合性设计性实验，则有利于培养其创造性学习能力和实际动手能力，为他们创新能力的提高提供良好的实践平台[4]。

实验教学有别于理论教学，它要求学生通过操作和观察，发现问题并对其进行分析判断和推理，从而获得解决问题的方法，体现了创造性思维的基本过程主观能动性是学生作为学习主体的首要特征，是人的创新性素质的重要内容。因此，如果要在实验教学的过程中培养学生的创新性素质，就应该以学生为主体，让他们带着问题去做实验，通过自己的努力解决实际工程中出现的问题。如上，有必要建立以实验教学为基础的教学体系，为此我们建立搭建三个实验平台，也可据此将原先的建筑物理光环境实验分为以下三个实验进行。

1)建筑光环境基础实验平台。对于通用光环境的认知以及测量内容整合到这个平台上来，避免以往单纯授课式的讲述，比如之前不少学生询问如何测量视野范围内亮度的分布？这个问题是建筑光环境设计时常常需要面对的问题，也并不是一个复杂的事情，但现在建筑物理实验中并未包含这个内容，与此相似的情况还有许多。此外，光环境领域出现了不少已然被学术界认可的新理论知识，这些知识时效性强，在开展实际设计工作时用得到，因此有必要将之融合进该平台，比如通过HDR图像开展环境亮度测量就是适合本科生的[5]。总结之，该平台上应具有的处了传统上常用的手持照度计、瞄点式亮度计，还应具备数码相机、测试附件以及相应的软件用于采集HDR图像并开展亮度分析，以及彩色照度计、便携光谱测试仪用于色温、显色性、色坐标的测试，必要的测试场景也应具备。概括地，该平台应具有整合主流光度学测量、眩光测试、色度学测量的能力，并通过实验教学平台将如上涉及的光环境基础知识教授给学生，于2018年上半年我们开展的实验教学课程，突破了以往的建筑物理教学模式，借助建筑光学实验室平台开展教学收到了极好的效果。

2)建筑照明体验与搭建平台。人工照明的学习以及应用是建筑物理光环境课程以及照明人才培养的重要内容，这部分内容实用性极强，在建筑领域内的应用并不要求高级理论分析，这些知识课堂教学效果难于言述。比如：对于不同类型电光源的介绍，讲的再多不如让学生们实际点亮典型光源，直接观察其效果。这也就是建议构建“建筑照明体验与搭建平台”的原因。该平台中应包括不同种类的电光源、调光装置、同一类光源不同的色温、受控可变的颜色、不同配光的灯具以及若干实际灯具以及可用于实验的建筑构件，尤其对于LED光源应该给予重视。在这个平台上，可教授学生电光源的知识、直接认知光源搭配灯具的照明效果、并可根据具体情况布置相应的场景令学生尝试照明设计方面的实践，一并对于常见的照明计算以及渲染软件进行简要介绍。

3)面向采光分析的模型测试平台。建筑采光也是目前越发受到重视的内容，照明设计师对于天然光环境的掌控能力也在设计职业中有一定要求。有关建筑采光设计的内容在课堂上主要通过分析既有案例的方法开展教学，除此之外并不其他方式，但仅仅分析案例不利于深入了相关知识，“面向采光分析的模型测试平台”的作用就在此处凸显。采光设计的一个主要问题就是如何获知设计方案的采光表现，这是设计师们拿不准、对于采光分析有需求的地方。以采光系数为例，如果令学生亲自动手在实验环境中测量采光系数，这对于掌握这一指标将有很好的效果。比如：机场采光设计中对于天窗的分析就可以通过该平台进行开展，加强对于大空间建筑采光设计的认识[6]。该平台应该包括：人工天空(模拟全云天)、日晷仪(或其他遮阳分析仪器)、不同的透光材料以及适用的照度计等。该平台除了提供物理模型的测试分析外，还有必要开展软件分析方面的教学介绍丰富获取相关采光指标的手段。

3 稳固基础知识，更新教学内容

现在广泛使用的建筑物理教材的主要知识内容通常成熟于2000年前，其中光学部分的相关内容均为本领域经典的知识，但由于编撰较早有些知识点已经显得陈旧可以做适当淡化，有些近些年出现的新理论、新技术、新产物还未被收入其中。学而无用的陈旧知识能够派上多少用场？其中值得注意的几点如下：

1)光环境测试中应增加对于色坐标、显色性指数、色温，使用HDR图像测量环境亮度等测量内容；现行的光环境基础理论内容稍显不足，尚不足以应对工程设计中常常遇到的问题，适当增加基础方面的讲授是有必要的。

2)照明板块。电光源部分应着重介绍LED等新光源，详细介绍其特点、表现、产品以及应用案例，对于一些已然淘汰的光源弱化其所占内容。对于照明设计部分的原则与方法应该给予重视，将照明设计的新理念、新做法及时教授于学生。

3)建筑采光板块。在计算机使用已然普及的今天，有必要摒弃一些陈旧的不易用的计算分析方法。对于采光系数的介绍也有必要详细地指出其利弊，并增加对于动态采光分析方面的教授，动态采光分析在国际上以及成为采光分析的主流。有条件的，也应适当介绍相关常见分析软件与节能相关的算法[7]。

4)更新过时的以工业建筑为主要分析对象的案例，挑选更为合适的新建案例开展教学。现在不少案例对象以工业厂房为例，已然不甚符合当前以各类型民用建筑为主要设计对象的实际情况。近些年，国内外新建改扩建了一大批优秀的案例，这些案例有必要及时于学生进行讲述，透过表象让学生们认知其工程做法，增加学习效果。

4 结语

建筑物理光环境部分授课量不多但却极为重要，是建筑学院内唯一能够系统接触照明知识的课程，这对于教授、传播照明方面的知识，甚至是培养未来的懂照明或专业从事照明的人才具有不可替代的作用。当前正在使用的模式与内容已然显示出不能跟上时代发展的意面，因此有必要从教学模式以及教学内容等方面进行改革与更新，如此方才有助于照明知识的传播以及照明人才的培养。

在实验室进行多种的光参数测量、熟悉常规灯具、光照场景的视觉体验，学生动手制作光艺术装置、检验自己设计的建筑方案的采光表现，这些实验性教学模式为他们提供技术上强有力的支持，更加有助于掌握相关理论知识。这种实验性教学模式的创新，经过我们的教学实践，的确使学生们对艺术背后的技术问题不再望而生畏，也进一步巩固了学生对于理论知识的掌握水平。

教学内容应体现出本专业基础的和部分较新的理论并将有益的实践经验相关内容囊括其中，且新理论新成果有助于启发学生的创新思维，发现其潜在的创新能力。更新内容的作用将体现在建筑物理光环境课程的各个教学环节之中，包括理论讲解、实验项目、实验操作、数据处理等，如本文提出了更新四个方面内容的建议，是基于多年教学后的体会，也是顺应时代发展的做法，这些工作是应该去做的。我们所在的教学组已经在着手相关工作，计划出版可用于教学的著作，传播建筑光学知识。