新工科下程序设计思维对建筑学教学的作用

2021-04-02宋恒玲武勇高力强石家庄铁道大学建筑与艺术学院河北石家庄510640

安徽建筑 2021年3期

宋恒玲，武勇，高力强（石家庄铁道大学建筑与艺术学院，河北石家庄 510640）

1 引言

2017年2月教育部发出《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，旨在促进新工科相关专业的发展。作为多学科融合的一门学科，建筑学的升级改造对新工科建设具有重要意义。

建筑设计离不开物理环境（声、光、热）的分析，在教学中通过仿真软件，例如COMSOL建立接近真实物理环境的模型，得到更为直观和较为准确的结果，有助于加深学生对建筑科学的理解。在科研活动中，仿真软件应用已非常广泛，例如在建筑热环境研究领域中，采用COMSOL软件对热桥处理进行模拟，探索如何更好地提高建筑结构节能。此外，还可以采用COMSOL软件对建筑光环境和声环境进行模拟。刘国强等通过建立多层材料圆柱形空腔结构覆盖层的COMSOL有限元模型，验证并对圆柱形空腔吸声覆盖层低频进行吸声特性数值仿真分析。除了COMSOL软件，Odeon，CATT和Raynoise等软件在建筑声学中应用也非常广泛，如Bistafa S R，Bradley J S采用Odeon对简单矩形教室进行模拟计算，指出Odeon对声学参量的计算结果与实测结果的主观阈值的平均值处于刚好能察觉差异之内。国内的学者关于Odeon软件在模拟和实测方面的研究，也做了一些相关的工作。

2 现状与存在的问题

2018年教育部发文《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5号）和《教育部办公厅关于开展2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知》（教高厅函〔2018〕45号）精神，对于仿真教学项目的建设给予了重视。通过在实验教学项目中现代信息技术的融入，可以拓展实验教学内容的广度和深度，提升实验教学的质量和水平。

虽然许多院校在建筑学的研究生教学上开设了仿真课程，但有所不足的是，研究生虽然掌握了仿真技能，但对于仿真中原理和计算方法未有足够的认识，造成了建筑学专业学生在仿真创新方面存在不足。因此，物理模型的理解，程序设计思维的融入，对于新工科下建筑学教学提出一个新的建设思路。

3 新工科视域下以程序设计思维为导向的课程教学改革

3.1 建模中的程序设计思维

程序设计思维一个重要组成是算法，即解决现实问题的方法，包括着对物理情景的理解和逻辑结构的建立，文章通过热学仿真软件COMSOL和声学仿真软件Odeon案例，对建模中所包含的程序设计思维进行阐述。

图1是Odeon内置的报告厅声场分析案例。仿真时，首先在建好的几何模型中设置声源的参数，包括声源的声功率和指向性等；其次，通过布置吸声材料确定声场中各表面的吸声系数；最后，选取有代表性的受声点对声场进行分析。

图1 报告厅声场分析

图2是COMSOL内置的地暖房间中温度分布的案例，在仿真时设置热源的功率，传热系数，物理场的接口和房间大小。通过比较仿真案例参数设置和程序设计输入和输出，可以看到程序设计思维和建筑仿真建模的相似之处，见表1所示。

图2 地暖房间中温度分布

从表1中可以看到，仿真方法和程序设计思路有相类似之处，通过输入初始值（热功率或声功率），确定边界条件(吸热系数或吸声系数)，采用适当的计算方法和手段（辐射换热或声线法），得到可靠的仿真结果（温度或声压级）。即模型仿真建立在程序设计思维基础之上，通过加强同学的程序设计思维，对于仿真的学习有促进作用。

比较仿真方法和程序设计思路表1

3.2 问卷调查

针对石家庄铁道大学2017级建筑物理学生，对建筑物理和仿真课程兴趣、难度、重要性进行问卷调查。兴趣程度，难度和重要性以分值表示，评分标准见表2所示。

仿真课程兴趣、难度、重要性和考试成绩评分标准表2

问卷提出关于建筑物理和仿真课程兴趣，难度，重要性6个问题，分别以Q1，Q2…Q6表示，见附录。由于问卷在考试成绩已知后进行，具有客观性，同时采用实名和匿名方式同时进行，其中实名29人，匿名6人。对35名同学的每个项目得分进行统计分析，并用Origin进行数据处理，见图1，可以看到Q1到Q6的得分平均值分布情况。

从图3中可以看到建筑物理课程和仿真存在一定的相关性，即仿真的学习需要对建筑物理有深刻的理解。多数同学认为仿真和建筑物理比较重要（得分均值3.66＞3，3.83＞3），并且感兴趣（3.91＞3，4.51＞3），然而对于难度，建筑物理为中等（3.11≈3），仿真课程则比较难（2.57＜3），因此，通过灌输程序设计思维可以帮助同学们更好地掌握仿真的能力。

图3 项目类别

4 结论

通过仿真软件中建筑热工和声学模型建立和编程设计流程的比较，可以看到，编程设计思维对于新工科下建筑学教学和科研有指导意义。对本科建筑学的仿真学习情况的问卷调查和采用Origin软件进行数据处理，进一步强化了程序设计思维对于建筑学教学和科研的重要性。不足之处，对于问卷中不同类别的相关性需要作出进一步研究。

附录

针对2017级建筑学学生仿真软件学习情况调查问卷

Q1是否对仿真软件如ODEON,COMSOL感兴趣？

A非常感兴趣 B感兴趣 C中等

D较差 E不感兴趣

Q2是否认为仿真软件难以掌握？

A非常容易 B比较容易 C中等

D比较难 E很难

Q3是否认为学习仿真软件比较重要？

A非常重要 B比较重要 C中等

D不太重要 E不重要

Q4是否对建筑物理感兴趣？