基于学生创新能力培养的绿色建筑设计教学实践

巩新枝 邓星 金樾 刘娜

摘  要：文章针对“新工科”背景下我国建筑类本科专业的教育现状和存在的问题，对绿色建筑设计课程的教学内容、教学方法及考核方式进行了教改实践，提出“理论-实测-设计-模拟”的教学模式，为培养和提升建筑类专业学生绿色建筑设计思维和创新能力提供有益的借鉴和参考。

关键词：“新工科”;绿色建筑设计;创新能力培养;教学改革

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：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

在世界范圍内新一轮的科技革命和产业变革推动下，各国都在积极寻求科技升级和产业转型，创新已成为全球经济发展和增长的核心驱动力。创新驱动下的以新技术、新业态、新产业为特点的新经济及战略性新兴产业的格局逐渐展露，对满足新兴产业和新经济的工程人员的能力有了新的要求和内容。在此背景下，“复旦共识”提出我国高校要加快建设和发展以新经济、新产业为基础的“新工科”。“新工科”建设旨在培养满足未来新产业需要的，具有创新能力、动态适应能力、高素质的各类学科交叉复合型卓越工程科技人才，这也是今后我国工程教育发展的新方向[1]。

建筑类学科作为工程学科中的重要学科，在面临我国产业的转型升级，尤其是互联网、BIM技术和人工智能等高新技术的冲击影响下，急需针对当前和未来产业的发展进行转型、改造和升级，培养适应社会需求的具有创新能力的，多学科交叉的复合型人才[2]。随着绿色建筑的快速发展，绿色建筑设计已经逐渐成为国际建筑学领域的重要发展方向之一[3]。然而我国绿色建筑教育与市场建设量还存在一定的滞后情况，现有培养体系下建筑行业从业人员和广大学生的相关培养和教育无法满足产业转型升级的需求。目前，除重点高校（清华大学、同济大学、东南大学、天津大学、西安建筑科技大学、华南理工大学等）由于师资优势设置了较为系统的绿色建筑课程外，许多一般高校还没有设置专门的绿色建筑介绍课程，依然处于绿色建筑设计教学的探索阶段，还存在着诸如教材选择偏重技术而与设计实践结合不够，模拟软件应用与现场实测教学内容设置不足等问题[4]。因此，如何系统进行绿色建筑设计课程教学，如何有效地培养和提升建筑类专业学生关于绿色建筑的设计思维和创新能力，是建筑类专业教改研究与实践的一个重要方向。

根据新工科建设背景，本文针对绿色建筑设计课程教学内容，对教学方法及课程考核方式进行了改革探索与实践，在教授课程经典理论知识的基础上，引入建筑物理环境测试实验台及相关模拟软件，通过“理论-实测-设计-模拟”相结合的绿色建筑设计结构，培养并提升学生的绿色设计思维及创新能力;通过阶段性考核为主的考核方式，验证教学与学习成果。

二、绿色建筑设计课程教改实践

（一）绿色建筑设计课程教学内容的教改实践

笔者于2013年开始先后在武汉理工大学和桂林理工大学从事绿色建筑设计课程的教学工作，到目前为止已经过六轮教学实践，积累了一定的教学经验和体会。笔者结合在国外攻读建筑节能博士学位期间的课程学习内容以及担任本科生、研究生绿色建筑相关课程助理教师积累的教学经验，根据建筑类学生的特点，在设计课题和制定任务书时注意把握适当的建筑面积，功能不过于复杂，让学生能有更多的精力投入到环境分析、多方案比较与技术深化当中去。课程以独立式小型建筑的绿色设计为研究对象，在教学中分为“理论-实测-设计-模拟”四个阶段及“理论基础-技术实验-设计实践”三个部分进行。

理论基础部分以教师专题授课为主，按照讲座的形式，分为10讲。主要内容包括：（1）绿色建筑背景、现状及发展;（2）建筑室内热环境与人体热舒适;（3）气候与热工计算方法;（4）建筑规划与节能;（5）建筑单体与节能;（6）天然采光与人工照明;（7）可再生资源与太阳能利用;（8）建筑通风与遮阳;（9）绿色建筑评价体系;（10）软件模拟应用与指导。

技术实验和设计实践部分以学生为主，教师讲授穿插为辅，主要分为3个阶段：

（1）讲授调研分析和资料收集的方法，使学生学会收集基地环境、气象资料，并进行方案初步构思、总体生态节能构思;讲授室内热环境测验的方法，使学生通过现场实测理解建筑节能的途径。

（2）结合案例讲授绿色建筑设计中采用的被动式技术措施和主动式技术措施，结合课程设计使学生学会合理利用被动式设计和主动式设计，包括日照、采光、遮阳、自然通风、围护结构热工性能、建筑材料、给水排水、暖通空调、建筑电气技术、可再生能源利用等方面。

（3）讲授计算机模拟软件及分析工具在绿色建筑设计中的作用，结合学生专题汇报和课后学习使学生学会运用相应软件、工具进行日照分析、采光分析、能耗分析等，结合课堂讨论使学生学会利用评价标准对自己的设计作品进行绿色星级建筑评价。

（二）绿色建筑设计课程教学方法的教改实践

为了培养建筑类学生绿色建筑设计的思维方式，增强创新设计的能力，培养学生的独立思考能力和以问题研究为基本出发点的研究型设计思路，本课程从教学内容、选址设置、教学方式、辅助手段等四个方面进行了一系列具体的教改探索与实践。

1. 教学内容：建筑设计与绿色技术相结合

绿色建筑设计应从建筑自身出发，通过被动式设计手法，合理布置建筑朝向和周围环境，巧妙处理内部空间和外部形体，恰当选择建筑材料和结构、构造，在此基础之上，再加以合适的主动式技术，以求通过最低的能耗和对环境最小的伤害获得舒适的室内热环境。建筑类学科传统的专业学习侧重于建筑自身设计，缺乏设计与技术融合的思维、相关的被动式及主动式节能系统知识，更缺乏對不同技术手法与节能效果之间关系的判断能力。因此，为提高建筑类学生的绿色建筑设计思维能力，本课程改革在原有教学内容上不仅增加了系统的技术专题，还增设了室内热环境和室内热舒适度现场实测环节。

2. 选址设置：自主选择热工气候分区

传统的设计课程中，设计题目的选址及设计内容通常是全班统一的，这样的好处是对课程的教学内容及进度容易把控，学生的各种设计方案之间便于比较。然而绿色建筑设计与当地气候条件、自然环境等因素密切相关，限制选址会在很大程度上限制学生自主创新能力的培养和对不同热工设计分区条件下绿色建筑设计的学习。

有鉴于此，选址设置不限定具体的热工设计分区及城市，学生可以根据熟悉程度自主选择项目场址，同时必须对选址所在地区进行详细论证（包括当地气象条件及场地周边情况等），并在课堂上进行公开答辩。

3. 教学方式：单向与多向相结合

传统的设计课程或理论课程，主要采用教师与学生一对一或一对多的“单向”教学方式。在这种方式下，教师是输出，学生是输入，学生的思维很容易局限于教师个人的思维，并缺乏自主学习的主观能动性。

因此，本课程教改实践中，采用了“单向与多向”相结合的教学方式。表现在：

课程初期，教师采用以“启发式”为主的教学方式，由教师为学生集中讲解绿色建筑的相关背景知识及最新的设计手法和技术策略以帮助学生建立正确清晰的绿色建筑基本概念;再通过“双向”互动的方式，启发引导学生对不同热工设计分区适宜的绿色技术进行自主分析总结。

课程中期，主要目标是引导学生深入探索绿色建筑的各种技术手法，掌握模拟分析方法，并对技术进行适宜的选择和利用。主要采取“多向”的课堂组织形式，由教师拟定设计四个阶段的进度要求，（1）资料调研与选址分析;（2）初步方案构思与方案比较;（3）被动式设计与节能分析、计算;（4）主动式技术与模拟分析为主线依次开展。每个阶段要求学生结合PPT、软件分析工具就各自的设计方案进行汇报，并进行学生与教师之间、学生与学生之间的“一对一”、“一对多”等多种方式的现场答辩，教师对每个学生的设计均给予总结点评。点评中指出的问题需要在下阶段汇报开始之前进行修改说明。

课程后期，主要目标是完善设计方案，检查教学成果。教学回归到以“一对一”为主的教学模式，要求学生根据课程前期所学的绿色建筑评价标准，对自己的绿色建筑进行星级评定，并进行课堂汇报考核。

4.辅助手段：建筑性能实测与模拟技术的分析、运用与实践

绿色建筑设计的目标是在满足使用者舒适度的前提下使建筑消耗最低的能耗。节能效果与当地气候条件和使用者情况密切相关。因此对建筑室内热环境和使用者热舒适度的调研实测很有必要。本课程依托学院节能重点实验室的平台，指导学生运用温湿度测试仪、风速仪、太阳辐射仪、黑球温度仪等仪器设备对校园内的学生宿舍、教学楼进行热环境及热舒适度的实测和分析，使学生对绿色建筑设计充分直观的认知。

运用建筑性能模拟技术能够在设计的各阶段为设计师提供数据支撑，推动设计的科学化与合理化。已开发的建筑性能模拟软件很多，然而大多难以短期内被本科学生掌握。本课程要求学生学会使用基础易学的软件及分析工具，比如运用excel计算窗墙比和围护结构传热系数，天正日照工具分析大寒日、冬至日房间日照时数，Ecotect软件分析房间采光、通风（见图1）等;同时引导学有余力的学生课后自学稍微复杂的绿色建筑性能模拟软件，比如运用DeST或Equest软件模拟建筑室内热环境等（见图2）。本课程教改发现，模拟软件的引入，不仅起到辅助验证绿色建筑设计方案预期效果的作用，而且激发了学生从科学角度进行分析的积极性，并培养了学生的自学能力。

（三）绿色建筑设计课程考核方式的教改实践

在“新工科”及市场对创新人才需求的背景下，绿色建筑设计课程改革与探索借鉴并引进国外先进的教学方法和考核体系，对传统的以最终考试成绩为主要评价标准即“一考定成绩”的考核方式进行改革。本课程注重师生课堂互动，注重学生课后学习能力培养，通过本课程学习为学生建立一套系统的绿色建筑设计方法体系，培养学生的独立思考能力。

本课程考核方式由课程设计图纸（30%）、课堂阶段作业（50%）和平时成绩（20%）三部分组成。其中最主要的是课堂阶段作业部分，占总成绩的50%，按设计进程分为5个阶段，每阶段成绩各占10%;课程结束后要求学生完成绿色建筑设计图纸。旨在让学生对每次课都需要全力投入并在课余进行大量阅读和学习，也能避免一考定成绩、临时抱佛脚也能拿高分的现象。

三、结束语

总的来说，我国传统的建筑类本科生教育存在的重理论轻实践、重基础轻创新、模式单一、跨学科复合型人才短缺等一系列问题，不再适合“新工科”背景下产业转型升级需求及新经济的发展。绿色建筑设计作为建筑类学科重要课程之一，也应探索更加国际化的视野、科学有效的教学方法、全面多元的考核评价方式，通过“理论-实测-设计-模拟”循序渐进的教学手段，引导学生建立正确的设计理念，培养设计与技术融合的绿色建筑设计思维，提升学生的创新能力和自主学习能力。

值得注意的是：建筑类学科偏技术专业的学生有一定的模拟软件应用及主动式技术方面的基础，因此本课程在教学过程中可侧重于建筑设计自身及被动式设计方面的讲授，在设计实践阶段可侧重于软件模拟分析方面的考核;偏设计专业学生有扎实的建筑设计功底及一定的被动式设计方面的基础，因此本课程在教学过程中可侧重于被动式设计及主动式技术方面的讲授，在设计实践阶段可侧重于绿色建筑被动式设计方面的考核。

参考文献：

[1]学术动态.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2]苏宝胜.“新工科”背景下民办高校专业建设与教学改革——以青岛滨海学院土木工程专业建设为例[J].教育观察，2017，6：72-74.

[3]刘煜，刘京华，李静，等.提升绿色建筑创新设计能力的教改探索与实践[J].高等建筑教育，2013，22（6）：137-142.

[4]田真.结合建筑性能模拟的绿色建筑与节能课程教学实践与思考[J].建设科技，2018，371（11）：13-17.