体验式建筑物理实验课程教学改革研究*

陈豫川

(贵州大学建筑与城市规划学院 贵州 贵阳 550025)

随着经济的发展和人们环境保护意识和绿色节能意识的逐渐提高，关注居住环境舒适度已成为社会发展的主流.发挥“十四五”规划对于生态文明建设的指导作用建设人与自然和谐共生的现代化建筑环境，大力推进绿色可持续性发展新格局.时代背景下绿色生态的发展理念需要依托建筑物理科学与技术来推进[1].建筑技术介入建筑设计的思想应深化到本科教学中，渗透到学生的潜意识，通过学习、分析、讨论、具体项目运用等环节，提升学生未来职业生涯中的职业素质和专业技术能力[2].作为高校建筑学专业的必修课程，建筑物理主要研究建筑声学、建筑热工、建筑光学3个领域[3].建筑物理实验课程无论是对学生的成长还是对现代建筑的可持续性发展都举足轻重.由此，为了助力建筑教育的时代性发展，必须在专业的教育中重视建筑物理实验的教学.以提升学生主动性、创造性为目的，加强理论知识和实践技能的综合训练，着重人才培养和社会服务相结合[2].

1 建筑物理实验课程问题分析

在国家高校事业高速发展的背景下，当前传统的建筑物理实验教学的培养与社会需求的发展出现了不均衡状态，传统教学满足不了建筑行业日益对专业技术人才的需求.主要体现在以下两个方面：

一方面由于实验教学模式单一导致教学质量不佳.建筑物理传统实验偏向于进行验证性实验为主，同时辅以演示性实验，这就导致其与课程设计联系不够密切，缺乏相应的研讨自学和交流过程.传统实验内容只是单一测量建筑声学、建筑光学、建筑热学的某个参数，以独立的单个实验为研究对象，忽略了不同实验之间的相互关系以及缺乏实验综合性探讨；而且教学多是统一安排教学时间，实验地点也是局限于建筑物理实验室，这种实验教学方式仅仅是为了验证实验，学生被动地接受实验方法和实验结果[3]，很难在实验中有机会进行独立思考和拓展探索；同时传统实验教学中的实验仪器与设备由于种类单一、陈旧演练，导致实验过程缺乏创新性.

另一方面由于实验内容枯燥导致学生缺乏学习主动性.建筑物理实验有很多理论知识较抽象而且脱离生活，难免让学生感到枯燥，并且传统实验内容缺乏创新性和时代性，限制了学生实验创新能力的培养，必然会影响到课程的教学质量；作为课堂教学的引导者和设计者，实验教师缺少有效利用地域性特征开展实验教学，导致所学知识实际运用率不高[4]；多数学生在建筑设计中习惯性忽视将建筑实验内容运用到建筑以及周边环境的物理问题，导致毕业后在工作中常出现一些不必要的增加能耗和物理环境处理的问题，从而影响生活环境和生态环境.因此，顺应时代发展改革更新教学方式与教学内容，以学生为中心重视社会适用性开展实验教学，通过改革教学模式来协调理论教学与实验教学成为实验教学改革急需解决的现状.

2 体验式建筑物理实验教学模式

结合高校建筑物理实验课程意在培养学生利用建筑物理理论知识分析和解决建筑环境的能力.课程的改革要结合师资力量、学生素质和教学方式等情况，构建可操作性、可持续性发展的实验模式.体验式教学作为一种综合性的实践教学方式，在多维的实验环境下，引导学生用自身感知去理解、分析、验证和运用实验教学内容[5].

2.1 体验式实验改革目标

针对实验课程、大学生挑战者杯竞赛、大学生创新创业项目、建筑类竞赛等不同需求，构建综合性、创新性和设计性的体验式实验，激发学生兴趣和主动性[6]，打造多元化实验教学模式和时代性教学内容[7].体验式探索实验教学主要以锻炼学生独立自主设计实验的能力和社会实践的能力为目的，而实施的探究性的实验教学；同时构建多学科交叉共同发展实验内容，探索时代性的教学新方法.多学科、多技术的综合运用不仅能影响建筑物理等建筑设计主干课程，而且更加有利于学生建筑方案的设计能力提升和学科之间的发展；近年来，生态建筑、绿色建筑、可持续性发展建筑等理念离不开建筑技术，以建筑学和物理学理论为基础的专业实验知识更应该学以致用，适应社会发展需求[8].实验改革目标提出的建筑物理实验课程应该与绿色生态思想融合并且关联建筑设计课程，结合当地自然条件和气候特征进行实际项目研究[5].

2.2 体验式实验改革内容

根据上述改革目标，构建与实际建筑环境有关的实验内容.以城中村热环境测量的体验式实验为例，通过实验数据和自身感知验证热工学理论，探究不同功能建筑存在的热工差异，并提出改善措施.让学生运用技术手段解决具体实验中的建筑物理内容.主要进行以下几个方面的实验内容改革：

首先，设计多学科交叉内容，影响建筑设计课程.根据学科发展和时代需求，进行实验教学内容从单一数据测定到综合性建筑环境评价的改革.以学科之间的基础概念和理论为指导，互相渗透、互相影响.比如对于本次城中村热环境测量实验内容，首先开展背景调研、基地周边环境分析、道路分析、气候特征、地理特征、人文特征、调查问卷、居住情况等前期基础工作.引入地理学、人文学、城乡规划学、生态学等有关专业，共同串联起探究城中村建筑的热环境认知实验学习，深入拓展城中村建筑热环境测试实验的背景调研，培养学生建筑方案设计的逻辑和全面思考的能力.

其次，构建感官体验实验，鼓励参与自主设计.本次实验教学改革选择学校周边的城中村建筑作为实验对象，学生可以切身感知室内的声、光、热等物理环境及其变化，与体验式教学理念完全契合[5].城中村作为实际的生活体验和实验空间，可以让学生更加直观地去体验、观察、分析平时生活的物理环境.在学生实验测量的同时亲身感知和分析环境[3].以学生为主体的体验式实验改革，在教师的前提引导下，学生进行独立自主的实验方案设计、差异化的实验对象选择、实验步骤及相应仪器的选择[9].针对学生制定的实验方案设计、实施过程制定和实验结果分析等进行以过程性评价为主的考核方式.实验注重考查学生的实验设计与操作能力，以及在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力，尤其是利用实验数据进行深入思考和探究[4].

最后，顺应建筑发展趋势，发展地域实验特色.根据学科发展和地域性特点，在本次改革的内容设计中，增设顺应时代发展和地域性特色的实验内容，鼓励学生研究本地方建筑的地域性特色让实验更贴近现代建筑发展趋势.比如城中村热环境实验改革的内容指导学生在项目前期自行选择城中村内感兴趣的实验目标，基于当地气候适应性分别对咖啡厅、餐厅、宾馆、理发店和民居等不同功能建筑空间的室内热环境进行实验，进一步感知和了解室内外气候因素对建筑热环境的影响，同时鼓励学生对于建筑防晒、太阳能利用、风压和热压影响的通风状况等问题进行独立思考.研究因为地域性和气候性影响的建筑特征，拓展与探索建筑物理技术在设计中的应用性，推动绿色节能思想的有效实施.因此，顺应现代建筑设计发展的趋势，设计实施建筑热环境参数测定与热舒适方向实验内容[10].

2.3 体验式实验改革实施

本次城中村体验式实验教学改革项目共有本科三年级学生55人参与，自由组合为10个小组，分别对毗邻本校的花溪朝阳村进行实验研究.根据小组选定的不同城中村测量目标，开始进行综合性体验式建筑物理实验探索，针对城中村建筑热环境测试实验，以实施流程图作实验指导,如图1所示.

图1 体验式实验实施流程图

对于此次深入城中村实验场地进行体验式和沉浸式的实验，实验负责老师需带领学生进行基本理论学习、提供测试所需仪器并指导学生建筑热环境测试的各个步骤和阶段.学生以小组为单位进行实验安全与仪器使用守则学习，然后开展选定的城中村建筑热环境参数测试并记录和分析.通过对于高校周边城中村建筑的认知和室内外热环境的研究，结合当地的实际情况以区域特征、气候特征、人文特征等为出发点，以节约能源、减少环境污染与破坏为原则，构建区域的建筑物理实验方案与措施[11].在改革实验教学模式下，形成以学生为主体、自主设计实验方案的体验式实验，发挥学生的自主创新能力和专业能力进行自行操作仪器、环境前期分析、独立分析实验结果并提出解决环境问题的方法建议等步骤[12].体验式实验教学培养学生自主思考和主动探究问题的能力.学生进行环境认知，感性认知，地域性分析，根据自己对实验的理解和个人能力，可以在每一步骤中自行设计添加相关内容，从而进行数据收集、整理和分析.

实验改革实施过程中对室内环境参数的感性认识、室内热环境参数的常规测量方法、室内环境分布状况等问题可以采取不同的实验方法， 基于更新的教学内容采用多种实验教学手段让学生在实验过程中提高动手动脑能力.比如对于室内温湿度测量可以采用的方法有干球温度法、湿球温度法或黑球温度法等.测试内容不仅有室内空气流速，室内辐射热，室内光照强度，室内噪声等，部分同学还利用软件进行了室外太阳辐射和环境周边微气候分析.如图2所示小组用ecotect软件对朝阳村区域进行全年平均太阳辐射模拟，结果分析出，由于该区域建筑密度较大相当一部分太阳辐射被建筑物所吸收，吸收的太阳辐射会对建筑的室内热环境造成影响.

图2 朝阳村区域太阳辐射模拟

如图3所示的小组用depthmap软件对朝阳村道路空间人流量进行模拟分析,研究人体热量对周边微气候的影响.这些不同的实验方法提升了学生专业能力和生态环境意识，增强处理实际问题的能力.

图3 朝阳村人流量模拟分析

在实验过程中，学生不仅要独立完成实验，而且针对不同的环境业主采取相对应的协调方式，因此体验式的物理实验改革模式，不仅让学生自主学习、实验创新能力提高了，而且社会沟通能力也得到了锻炼.对于不同的城中村实验研究对象，学生将会面对很多无法在传统实验教学方式上遇到的现场处理情况，这也使得各实验小组的测量过程和测量结果都没有唯一答案.比如对城中村的某咖啡屋通过确定室内测量点(如图4)，开展测量数据和自身感知结合记录和使用者的主观评价，研究该咖啡厅的室内热环境情况.结合实验测量数据和自身感知理性分析，提炼影响建筑室内热环境实验结果的主观和客观因素(如图5)，针对测试对象存在的问题，提出相应的改善措施，以及研究如何在相应的建筑设计中实践这些知识[13].实验小组对测试结果进行总结建议提出自然通风降温设计、建筑朝向的选择、建筑群的布局、房间开口与自然通风、导风设计、强化自然通风设计等措施.完成了对环境的直观认识，以技术为支撑解决环境问题.

图4 剖面测点分布图

图5 建筑采光通风的热情况分析

3 体验式实验教学意义分析

体验式教学是顺应时代的一种创新性教学模式，学生通过实际测量和自身感知以体验式生动且深刻的感官刺激转变枯燥且抽象的理论知识的学习方式[14].经初步统计，此次体验式实验改革效果良好，主要体现在以下几个方面：

第一,学生理论知识和专业技能的提升.实践结果表明在体验式教学模式下通过亲身经历去感知、领悟、体会专业的建筑物理实验知识，不仅让学生根据自己的能力及兴趣选择挑战自我的自主设计实验内容，而且课内外相结合的实验教学模式促进了学生的个性发展，调动了学生的学习积极性，提升了实验教学质量[15].城中村实验各小组的科研报告思考逻辑清晰而且实验报告对社会问题的思考各有特色，大部分学生实验结束后对于各类实验仪器和相关软件的使用技巧均有显著提升.体验式实验改革可以作为学生参加全国类专业技能大赛的前期培训基础，锻炼学生不同课程交叉学习的能力，让学生在科研创新能力和社会实践能力方面有明显提升[16].同时，培养学生对于建筑热环境的感知能力和提高学生对于建筑结构、材料和建造的认知修养，建立了本科教学与硕士科研课程内容的相互关系，培养了学生在建筑设计中对建筑技术的分析和解决问题的能力，帮助学生更加熟练地将专业技术知识运用到实际工作中.

第二，促进多学科交叉发展，提升教师教学创新改革能力.教师对多学科、多实验空间协同实施的实验改革创新，有利于学科多维发展.多学科共同合作的探讨，突破了体验空间和实验空间的局限，提升了教学创新能力，促进了后续开展声、光、热共同协作的体验式教学项目.积极响应了社会对专业技术和学科发展的要求[14].建筑物理实验在促进当代建筑学科发展方面承担了辅助与支撑的重要功能[17]，教师将相应的科研成果和实验教学研究成果推广应用到具体教学中，以科研促教学，不断开展本科建筑物理实验教学的改革，并及时进行评估和检验，因此得到了良好的实验教学效果[18].学科之间很好的发展与融合也提高了实验教学效率.

第三，指导地域性现代居住建筑绿色节能的发展.针对绿色建筑理念对建筑设计不断提出时代性要求，建筑设计需要更加深入思考建筑技术知识的运用[18].改革针对于建筑学科的发展融入相应的地域性特色，适应时代发展和社会需求.将建筑技术运用到建筑设计的同时，也将地域性特征的实验发现结果影响建筑的发展(见图6).课堂教学的最终目的是将理论运用到实际生活环境当中，深入浅出的实验内容，引导学生将绿色节能意识体现在具体的实验设计中.实验研究的城中村室内外热环境旨在创造健康舒适的室内热环境，在确保该地区居民的日常活动舒适状态下维护人体的健康.

图6 体验式实验改革探索路径图

4 结束语

本文重视实验教学以学生为中心，采用体验式物理实验改革教学模式在提升教学质量上发挥了积极作用.然而对于体验式实验教学方法的思考与尝试尚处于探索阶段，之后需要随时代发展需求更新实验教学方法和内容，为更优化的创造性教学模式提供可能.此次城中村居住建筑的实验体验条件有限，下一步将会结合声、光、热实验融合共同探索物理实验的体验式教学优化改革.同时,在今后的实验教学中不断引入先进的、有效的实验教学方法，将综合性的实验运用到地域性的现代建筑或传统建筑等实验项目.促进建筑物理实验教学创新与改革的同时也影响了对现代建筑行业发展的探索.