对“建筑光学”课程教学改革的思考

[摘 要] 通过对国内外“建筑光学”教育情况、教学内容、授课方式等方面的研究，结合内蒙古工业大学建筑学院“建筑光学”的教学现状和教学基础，提出了以问题导入、理论讲解、任务设定、实践和光环境设计为主线的教学方法。一方面，考虑到课程的理论性，加入实践实验，充实理论的讲解;另一方面，考虑到课程的综合性，与课程之间的关联性，将知识点进行更加系统化地总结，以期获得更好的教学成果。

[关键词] 建筑光学;教学方法;教学模式

[基金项目] 2019年度内蒙古工业大学校级项目“混合式教学示范课程——建筑光学”（2019030342）

[作者简介] 苏晓明（1982—），女（满族），内蒙古呼伦贝尔人，工学博士，内蒙古工业大学建筑学院教授，主要从事建筑光环境、绿色建筑研究。

[中图分类号] C229.29   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）11-0057-04    [收稿日期] 2021-01-20

一、概述

“建筑光学”是高校建筑学建筑物理的主干课程之一，也是理论与实践紧密结合的一门课程。建筑光环境的设计不单影响建筑设计的表达，相关研究表明，良好的建筑光环境亦有益于建筑使用者的心理及生理健康。同时，随着绿色建筑设计理念的发展，绿色建筑光环境设计更是建筑设计环节必不可少的内容，建筑师掌握一定的建筑光学知识以及建筑光学设计原则是十分必要的[1]。在绿色建筑设计中，光环境设计也不再是一个独立的部分，在设计过程中越来越多地将光、热与建筑节能相结合考虑，成为设备集成化的一部分，完善建筑设备以及建筑环境的使用。对比国内外“建筑光学”的教学课程可以发现，“建筑光学”的教学在不断完善的过程中已成为建筑学教学体系中的重要组成部分，“建筑光学”的教育也成为建筑师培养的重要环节。与此同时，国际建筑光学技术的变革更新更是日新月异，相关理论与技术的研究也更新迅速，但与之相比，国内高校针对新技术与新研究的教学内容却并没有很及时地跟进与革新，教学内容与教学方法更新速度相对比较滞后。因此，为了在教学过程中让学生及时了解建筑光学的国内外研究现状与技术发展的最新进展、节约课时成本，在教学过程中适当地将国内外最新建筑光学研究进展结合在教学内容中是必要的，这也是“建筑光学”课程教学改革的必然选择。

本文以内蒙古工业大学建筑学院“建筑光学”课程为例，分析目前“建筑光学”课程的教学现状，讨论“建筑光学”课程改革方法，以提高“建筑光学”课程教学效果、提升学生学习兴趣、扩展学生视野、加强建筑光学在建筑设计中的应用为目的，提出可行的课程教学改革方案。

二、国内外“建筑光学”教育研究

国外建筑天然采光及照明的研究起步较早，通过观测与数据分析，建立了较为完善的天空模型。国际照明委员会，从20世纪就牵头开始在世界范圍内设置观测站，用来观测和分析世界各地的光气候数据，为建筑采光设计和世界范围内不同光气候条件下的天空模型建立提供有效的依据，并且国外在研究采光设计策略的同时也逐步重视对室内光环境舒适度评价的研究。随着近年来国外绿色建筑设计理论的发展和进步，采光与照明也越来越多地被纳入整个建筑节能设备系统中进行研究和应用，基于此，国外高校的“建筑光学”教育也针对这些主题和技术更新设置中高级的课程，开设课程的时间比较灵活，会根据实践与实景实验环节进行调整，并且在理论学习的同时也注重理论研究在实践环节中的应用[2]。

在我国高校中，“建筑光学”开设学时一般在26～32学时不等，开课方式有些学校采取“建筑光学”单独开课，或将建筑光学作为“建筑物理”课程的一部分进行授课，上课时间集中，利用短时间集中授课的方式以讲解建筑光学理论知识为主，而建筑光学知识的讲授主要以教材为主，结合实际案例分析与实践课程设计开展“建筑光学”课程较少，理论与实践的结合主要通过课程中设置的实验环节，但是实际的建筑光环境是复杂且多变的，更是难以单纯依靠实验仪器测评光环境进而开展建筑光环境设计，因此，实际的教学过程具有一定局限性。学习内容停留在理论学习层面，与主干设计课程的脱节使学生学习兴趣不高，这也直接导致“建筑光学”教学在长时间内没有新的教学方法的探索和突破。

三、“建筑光学”课程教学现状

“建筑光学”课程是我国高校建筑学专业基础课程之一，在教材选择方面，主要以刘加平主编的《建筑物理》与柳孝图主编的《建筑物理》高校教材中的建筑光学部分为主[3]，依据这两本书的内容，分别从天然采光方面，与建筑人工照明方面向学生讲授建筑光学以及建筑光环境的基本知识。

作为建筑物理的一部分进行学习，有利于建筑光学部分与建筑物理其他部分学习内容的衔接，但也因此，作为整体学习的一部分，在有限的教学课时中需要找到建筑物理学习中“全”与“深”的平衡，课程要点在“建筑物理”声、光、热等部分要分布均匀。因此，在有限的课时中，便只能求“全”舍“深”，这也是“建筑物理”各部分的教学内容长时间偏重理论知识的学习，而无法深入到对“建筑物理”的研究层面的原因。

人从外界获取的信息大部分是通过眼睛[4]，光也是更容易被获取的环境要素。相比于“建筑物理”的其他部分，建筑光学部分有较多的图片和案例可以欣赏，有较直观的主观感受[5]，并且在光学测量方面有丰富的仪器可以提供客观的参数数据，现有的建筑光学模拟软件也可以准确地模拟出建筑室内光环境的日照参数及采光参数，丰富的主观评价手段及客观测量方法在一定程度上有助于学生对建筑光学知识的理解。但同时，“建筑光学”课程中也涉及复杂的建筑采光及照明的公式计算与主观评价方法，相关软件模拟也要求对基础参数有一定了解和敏感度，建筑光环境的模拟也需要了解参数的设置背景与参数修正的方法。这就要求学生不只要掌握建筑光学的相关理论知识，还要掌握相关实验设置的光气候概况与材料概况，即建筑光环境的影响因素。

对比国内外建筑光学设计的发展可以发现，国外的建筑光学研究起步较早，在建筑光环境主观评价与光环境模拟、关注光环境健康的基础上，对建筑光学的研究更多地结合建筑节能以及建筑设备一体化进行研究，随着国内近些年绿色建筑设计理念以及技术的发展，这也必将是国内建筑光学研究的发展趋势。

四、“建筑光学”课程教学方法研究

针对以上课程教学现状中存在的问题，内蒙古工业大学建筑学院“建筑光学”课程主要通过以下几个方面进行课程改革。

（一）教材建设

本课程在教材建设方面，改变了原来使用单一教材的局面，启用了一本核心、两本辅助、多本参考的教材系统。

“建筑光学”与“建筑声学”“建筑热工学”合称为“建筑物理”，是建筑学专业学生必修的一門基础课。其中，核心教材《建筑物理》主要用于掌握建筑光学的核心内容，并适当选用前沿的中英文相关科研与技术文献作为辅助教材，用于知识的补充讲解和课堂练习。课程以国内《建筑物理》（四校合编）为核心，在整体的教材建设改革中，需要在核心教材的基础上完成对知识点深入与知识点外延拓展的过程，这不仅需要传统教材作为基础，更需要对辅助教材的合理选择，在一定程度上也需要通过学生自主选择来完成教材的拓展与深化。

（二）授课方式

在针对教材的改革以及对传统教学过程的枯燥、单调进行的改进，拟通过以下几个方面对课程的讲授方式进行改革和优化。

第一，教学方法、手段与过程。结合内蒙古工业大学建筑学院“建筑光学”的教学现状和教学基础，通过对“建筑光学”课程进行混合式、多元式的教学改革，发挥“线上+线下”式教学模式、实际案例的资源优势，充分调动学生在“建筑光学”课程中的学习积极主动性与自主探索性，在提升学生专业技能的同时也更注重学生全方位学习能力的培养。形成“线上+线下”资源综合利用的教学方法，“课上+课下”持续学习的学习风气[6]。针对教学内容设计系统性的学生实践内容。

第二，“建筑光学”实验的改革。内蒙古工业大学建筑学院“建筑光学”课程自课程设计之初就是以理论讲授为主，经过第一次改革后，原来2学时的理论课调整为1.5学时的理论教学和0.5学时的实践教学，另外增加了两次的专题实验课。在以往的授课过程中，建筑光学实验环节也一直是“建筑光学”教学的重要部分，但是建筑光学实验长期以来是以建筑光学实验室的实验内容为主，这也造成建筑光学实验内容单一的问题[7]。因为实验室精准的参数设置，实验结果是可以预判的，重复多次的可预判结果在一定程度上也使实验结果脱离了实际。因此，建筑光学实验的部分，应当以建筑光学实验室实验为基础，将实验部分扩展到不同类型的实际建筑环境中。并针对教学内容将实验的时间选择为全年的典型气象日，通过实验积累大量的实验数据，用于建筑光环境的分析。选择实际建筑光环境为实验对象可以丰富实验内容，与传统实验室实验的“可控性”相比，实际建筑光环境实验的“不可控”与实验结果的“不可预知”更符合建筑现状。

建筑光学实验这一部分既不同于理论，也在一定程度上有别于实践，所以建筑光学实验应当作为一个独立的部分进行教学的优化和改革，也应当作为“建筑光学”教学改革的一部分得到重视。

第三，增强案例分析与光环境设计环节。建筑光学有较强的主观体验性，建筑光环境的评价在初期是需要经验与技术手段的，而在教学环节中，将建筑光学知识应用于建筑设计更是一个需要积累的过程，所以在以“建筑光学”的思路进行建筑设计之初，可以通过案例分析帮助学生对建筑光学基础知识作用于建筑进行理解，并且可以通过案例分析完成对建筑光环境的主观评价，相比于直接讲解建筑光学基础知识，案例分析可以将书本的内容结合实际案例，让学生形成更主观、更直接的对于建筑光环境的理解。

目前，我校的“建筑光学”课程没有相应的光环境设计环节，建筑光学基础知识与实验环节与光环境设计结合不紧密，因此，在基础知识学习与实践环节之后，要主动引导学生思考，将所学光学知识用于建筑设计，可通过个人或小组合作的形式，结合课程专题设计，让学生对特定建筑设计方案的光环境进行初步设计[8]，完成由理论到实践转化的全过程，真正完成一个建筑光学单元的学习。

第四，以建筑光学模拟软件为实践作补充和检验。现有的Ecotect、Radiance和Daysim等建筑光环境模拟软件可以精确地模拟、渲染建筑室内光环境，是分析和设计建筑光环境的主要方法之一，可以用于探究采光影响因素的影响规律。但这些软件却很少应用于“建筑光学”课程中。建筑光学实验所得的数据的数字化内容在光学层面是“不可视”的，数据也不能直接反应光环境的优劣，因此，数据需要通过相关模拟软件的转译才能作为实际的设计策略应用于建筑设计之中。

软件模拟是研究建筑光环境的一种重要手段，马特奥·奥米（Matteo Iommi）[9]在《马里奥·里多尔菲的Ex GIL意大利马切拉塔理性主义建筑中的自然光，原建筑的虚拟重建和日光分析》中根据建筑师里多尔菲（Mario Ridolfi）设计的意大利马塞拉塔建筑的室内采光水平、原有的组成和内部分布，进行了分析和评价。为了评估和表示室内自然光的水平进行的模拟，涉及对原始建筑的大小、建筑构件尺寸和内部分布的三维虚拟重建，利用先进的太阳能照明设计工具，根据ISO/CIE标准，采用国际技术照明计算，进行采光模拟。最后，将得到的数据和仿真结果与现行监管标准进行了比较和评价。国内近年来也越来越多的利用模拟软件对窗洞口尺寸、建筑材料反射系数、空间参数等数据进行调整，进而进行影响因素分析和优化设计。可以看出，软件模拟可以充分结合主客观因素对建筑光环境进行全面的分析和评价，可以充分应用于建筑光环境的案例分析、实验设计与课程设计当中[9]。

因此，在解决相关理论与主干设计课程结合不紧密以及实验设计结果不可视的问题上，建筑光学模拟软件在教学过程中的引入可以为此提供一个新的解决思路。

（三）改革目標

在师资培养方面，通过教师团队的密切合作，完成教学内容研究、教学方法研究、混合模式教学应用研究，教学资源准备整理优化等环节，从多方面提升本团队成员的素质。这将主要体现在相关教学研究项目的申请、教学教改论文的发表、教学质量的提升、教学方法在其他课程中的推广应用等。

在学生培养方面，让绝大部分学生掌握建筑光学基本理论知识与时间设计手法，并能够应用在相应的案例分析与建筑设计中;拓宽学生的国际视野，通过课上讲授让学生对行业内先进、实时的技术与科研动态有一定的了解;学生团队合作能力实现提升，部分小组形成稳定团队，在大创等竞赛中持续组队;学习兴趣高涨，结课后仍有同学继续深入学习。

五、结语

与国外的“建筑光学”教育与技术发展环境相比，国内高校的“建筑光学”教育无论是在教材更新方面还是教学内容方面都有一定的差距。而营造良好的建筑光环境是建筑师进行建筑设计时必要完成的目标之一，结合教育的个人需求以及社会需求两方面，提升“建筑光学”教学品质与教学效果，有助于学生专业眼光的扩展与学习方法的深化。丰富的案例分析、实验设计、实践课程与光环境设计环节能够使学生加深对建筑光学知识的理解，为建筑设计以及理论研究提供一个全新的视角和方法，能够为培养今后合格的建筑师打下坚实的基础。这要求教师在组织和计划教学活动之初就要充分考虑到教学内容理论与实践的衔接与创新性培养，要用严谨的课程设计逻辑与合理的教学手段激发、培养学生对“建筑光学”课程的兴趣，实现在“建筑光学”教学过程中的“寓教于乐”（乐趣）、“寓教于践”（实践）、“寓教于时”（时下行业热点），“建筑光学”的教学才能取得突破、取得良好的效果。

参考文献

[1]陈仲林，严永红.建筑光学教育研究[J].高等建筑教育，2008（2）：1-3.

[2]翟会芳，严永红.建筑光学启蒙教育的探索——MIT建筑系“荧光闪烁”工作坊的启示[J].照明工程学报，2019，30（5）：151-156.

[3]孙峤.建筑物理课程教学模式的改革与探索[J].高等建筑教育，2009，18（6）：63-65.

[4]王建华，陆风华.“建筑物理”光学实验改革初探[J].太原理工大学学报（社会科学版），2001（S1）：113-114.

[5]刘培杰.浅谈建筑物理光环境的“教”与“学”[A].中国建筑学会建筑物理分会.城市化进程中的建筑与城市物理环境：第十届全国建筑物理学术会议论文集[C].中国建筑学会建筑物理分会，2008：3.

[6]葛坚，李效军.建筑光学多媒体教学改革初探[J].高等建筑教育，2000（3）：28-29.

[7]李冰，梁光勇.建筑光学实验的教学改革探讨[J].亚太教育，2016（20）：283-284.

[8]张家瞳.融于建筑设计课程的建筑物理教学探讨[J].居业，2019（7）：24-26.

[9]Iommi M. The Natural Light in the Italian Rationalist Architecture of Ex G.I.L. of Mario Ridolfi in Macerata. The Virtual Reconstruction and the Daylight Analysis of the Original Building[J]. Energy & Buildings， 2016，113（8）：30-38.

Reflections on the Teaching Reform of Architectural Optics Course

SU Xiao-ming

（School of Architecture， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China）

Abstract： Based on the research of domestic and foreign architectural optics education， teaching content and teaching methods， and combined with the teaching status and teaching basis of Architectural Optics course in the School of Architecture of Inner Mongolia University of Technology， this paper puts forward the teaching method of taking problem introduction， theoretical explanation， task setting， practice and light environment design as the main line. On the one hand， considering the theoretical nature of this course， practice experiments are added to enrich the theoretical explanation. On the other hand， considering the comprehensiveness of this course and its relevance to other courses， the author has summarized the knowledge points in a more systematic way in order to obtain better teaching results.

Key words：  Architectural Optics; teaching method; teaching model