新工科背景下建筑物理“双核三阶”研学模式的创新与实践

2024-12-31姚胜李雅妮袁景玉庞含笑葛凌孙学梅

大学教育 2024年21期

［摘要］在新工科建设的时代背景下，建筑物理发挥着促进建筑工程技术应用与建筑设计艺术创新相互渗透的桥梁和纽带作用。针对当前建筑学专业建筑物理课程教学中存在的“学生艺术性与技术性思维对立”“理论知识与建筑设计应用脱节”“发散式思维与创新实践能力缺失”三大主要问题，教学团队构建了建筑物理课程“双核三阶”研学模式，引入翻转课堂、课堂研讨、自主选题实验与研究性课程设计作业相结合的教学方法，实现研学融合，促使学生深入掌握、运用、拓展学科知识，培养学生在建筑工程中的知识应用和专业创新能力，训练学生严谨的科学逻辑思维，开阔学生的学科视野。实践证明，以人文化方式讲授理工课程的新思路、新方法以及将研究融入学习过程的研学融合教学新模式，可以使学生的学习积极性、课程参与度和创新实践能力显著提高，并为新工科背景下建筑技术类课程教学模式的探索提供新思路。

［关键词］建筑物理；教学模式；教学困境；双核三阶；研学融合

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）21-0027-06

新工科建设要求高校教育将行业新动向及时融入专业教学[1]，在课程建设上突出特色，注重技术与应用领域的创新协同[2]。金樾等[3]为培养新工科背景下具有科研创新精神的研究型建筑人才，提出了深入化、交叉化、协同化的技术类课程培养方式。黄岚等[4]围绕“三全育人”的要求，探讨了新工科背景下建筑物理课程的教学改革方法。宋恒玲等[5]通过对比建筑声学及热学的仿真案例及其程序设计，指出了编程设计思维对于新工科背景下建筑学教学和科研的重要性。赵颖杰和马一江[6]提出新工科教学改革的最终目标是全面评估学生的学习效果，同时提高学生学习的主观能动性，可以通过采用模块化教学、加强校企合作、推行顶岗实习模式等措施，增加对学生平时学习效果的评估。王承鑫等[7]针对当下实验中心建设和实验教学模式的不足，提出应建设跨学科综合实验中心以及完善实验课程体系，同时还需要提升实验教师的教学能力。

建筑物理是建筑学专业的重要基础课程，也是建筑学本科阶段最具系统性、理论性的课程，可以强化学生的数理逻辑和工程设计思维能力。该课程系统讲授建筑中传热、保温、防热、采光、降噪等物理过程的基本概念、原理和应用准则，培养学生理解我国建筑气候和自然环境基本国情、掌握建筑节能和“双碳”建筑设计理论，以及从科学技术角度把握建筑艺术设计方向的能力。除此之外，该课程还承担了在建筑学专业学习中训练学生的科学逻辑与发散求异思维，以及培养学生探究精神与工程技术创新实践能力的任务。因此，在新工科背景下，应充分挖掘建筑物理课程在数理科学与建筑工程相结合、工程技术与建筑艺术设计相互渗透方面的桥梁和纽带作用，特别是要明确其在建筑学专业人才培养中承担的“树科学之魂、立工程之本”的重要任务，这有助于高校更加科学高效地培养符合时代特征与发展需求的建筑学专业学生。

一、传统建筑物理教学中的矛盾

（一）建筑设计艺术性与技术性思维对立的矛盾

传统建筑学专业的生源以理工科学生为主，但部分院校存在偏重培养学生发散性艺术思维，忽视在处理工程技术问题时对学生进行数理逻辑思维能力训练的现象。在建筑设计过程中，建筑造型、色彩美感和建筑空间组合的适宜性，通常是建筑设计创意效果的最显著要素，对建筑艺术的把握能力高低是理工科学生能否顺利进入建筑设计领域的最大衡量标准，也是低年级学生建立建筑学专业思维过程中首先遇到的挑战。然而，在建筑设计主干课程的教学中，强调设计任务艺术性因素的比重远超技术性因素，导致部分学生对技术类课程缺乏兴趣，容易回避数理逻辑思维训练。在有限的教学课时和学生学习时间分配中，工程技术能力培养的课时被严重缩减，学生对以建筑物理为代表的技术类专业课程的重视程度也普遍偏低，主要表现为课堂参与度低、课外投入时间少，在考试和平时测验中可以明显看出学生对知识的理解掌握仅停留在记忆层面。究其原因，主要在于建筑物理等技术类课程偏重于理论知识的传授，对于建筑表现的深层科学依据和技术支持作用缺少挖掘和阐释，从而加深了学生对建筑学专业艺术性与技术性关系的固有误解，造成学生普遍逃避内容相对较为艰深的理论研究与逻辑思考。

（二）建筑物理理论知识学习与设计应用环节相互脱节的矛盾

学生根据培养计划的安排被动地学习各门课程，对建筑物理等技术类理论课程与建筑设计课程之间知识结构的联系认识不足，在完成建筑设计课程作业时没能有效应用建筑物理理论知识，难以深刻认识到建筑设计对室内物理环境的影响，从而忽视了对建筑物理课程的学习[8]。学生在设计初期缺少对建筑物理性能的统筹考虑，容易在方案设计接近完成时根据设计任务要求拼凑技术设计内容，造成方案的物理性能指标难以满足实际要求。例如，在方案不断修改调整的过程中，开窗面积不断变化，而由此造成的采光和太阳能的热量变化并未得到同步评估，等到方案定型，学生才发现窗口面积过小或过大，造成太阳能得热不足或冬季热损失增加等问题，而要解决该问题就必须重新修改方案，这样会使设计进程被完全打乱。究其原因，一是教师在建筑物理课程教学过程中未能将理论知识的学习与设计应用有机联系，学生难以做到融会贯通和学以致用；二是建筑物理课程教学中涉及的案例、工程应用方法并未对应同期的建筑设计课程内容。由此可见，学生对将建筑物理相关理论知识何时、如何运用到建筑设计中，以及对运用的效果如何进行科学、及时的评价缺少实践经验，这也是目前工科课程教学中普遍存在的问题之一。

（三）建筑物理理论的抽象性与其在工程应用中需要具象表达的矛盾

建筑物理作为建筑学专业基础理论课程，具备较为系统、科学的理论体系，抽象性较强，在建筑工程应用中体现其理论知识需要更加具象、灵活的表达方法，而传统教学实验难以满足此要求。实验是将理论具体体现并予以观察和理解的过程，是理工科专业学习的重要环节，但由于经费投入不足及教学课时限制，建筑物理课程的实验教学普遍存在设备数量少、更新速度慢、可用时间短等问题。同时，课程的理论知识教学与实验教学分别由不同教师负责，他们各自独立完成教学任务，容易造成理论与实践相脱节。部分高校的建筑物理课程实验教学强调以教师为中心，学生通常以被动接受知识为主，独立思考和自由探索的时间较少[9]，在实际操作中主要存在三方面问题：（1）实验课时少，实验内容不得不尽量精减；（2）实验采用统一模式，学生普遍沿用固定的步骤获得既定的结果，对于“为何如此”无暇思考；（3）实验仅限于验证部分核心知识，缺少探索性和研究性任务。这样就使教学实验的作用难以有效发挥，限制了学生对建筑物理课程的自主学习和深入探索[10]。要解决这一问题，必须从课堂教学方法、实验手段和内容更新两方面着手。

二、新工科背景下建筑物理教学新模式探索

在探索工程教育新理念、新结构、新模式，培养多元化、创新型卓越工程人才，设计与时俱进的创新型工程教育方案的新工科背景下[11]，建筑物理作为建筑学专业的基础课程，其在传统教学过程中存在的矛盾将阻碍实践创新和创新型人才的培养。因此，要加快建筑物理课程改革，加强实践创新、研学结合的课程体系建设，重塑建筑物理课程教育形态，探索理论应用于实践、实践孵化创新、创新反哺理论与实践的新型建筑物理课程教学理念与教学模式，以满足新工科背景下建筑人才培养的要求。

（一）研学融合教学理念

教育心理学家布鲁姆（Benjamin Bloom）认知思维目标理论中的六层次为记忆—理解—应用—分析—评价—创新，后三个均为研究性工作的核心方法，通过对以往案例和现状进行分析、对工程设计措施和手段进行评价，实现最终方案的创新，这正是建筑设计研究的主要过程（如图1所示）。将这一研究性过程移至课堂教学过程，一方面可以让学生摆脱记忆、理解、应用的低层次，以及常规化固有学习模式的束缚；另一方面也便于将目前国内建筑设计领域普遍以设计研究院形式运行的专业范式引入课堂。通过探索性、研究性的思考与论证，学生对理论知识及其应用方法融会贯通，从而真正掌握理论知识、培养设计应用能力，达到研学融合的目的。

（二） “双核三阶”研学模式

教学团队针对建筑学人才培养兼具艺术性和技术性的特点，基于建筑学教育的特殊性，确立建筑物理课程教学的两个核心任务：（1）引导学生尊重建筑设计中艺术创作创新的科学原理和技术支撑作用，即助力培养学生建筑设计的艺术创新能力；（2）突出建筑物理基础理论知识在工程中应用并实现技术美学的基本过程，即坚持技术应用与创新能力培养的根本目标。以上述两个核心任务为主线，教学团队构建了三层阶递进的教学模式，即“双核三阶”研学模式（如图2所示）。第一层阶：学，学生预习教学视频，结合雨课堂应用技术构建翻转课堂，减轻学生课外学习任务负担，增加课堂教学互动内容；第二层阶：用，以案例分析和研讨为主要形式，结合实验、模拟、演示手段，探讨和重构基础理论，在深入思考和理解的基础上掌握并运用知识和技能；第三层阶：拓，以自主选题实验和研究性课程设计作业的方式，推动探索性和研究性知识学习。三个层阶之间为递进关系，从形式化改革开始，通过案例式教学和研讨式教学带动学生深入思考，进而推动研究性学习模式的构建，从而达到研学融合的目的。

三、建筑物理“双核三阶”研学模式实践

将研学融合教学理念贯穿建筑物理教学全过程，让学生自主学习、自主构建知识体系、自主选题深入研究，使知识的获取与应用变抽象为具象，从而激发学生的学习兴趣，培养学生的探索精神，提高教学效率。

（一）重构基于翻转课堂的建筑物理课程体系

1.案例分析融合建筑艺术手法解构

学校建筑学专业人才培养方案描述的毕业生职业能力均属于工程技术范畴，与建筑物理、建筑构造、建筑材料等技术类课程密切相关（如图3所示）。本课程在案例式教学基础上，力求从建筑环境品质的物理属性角度对建筑艺术所涉及的相关特征进行技术性解构，使学生在尊重建筑艺术手法的同时，理解建筑技术在其中的支撑作用；使学生理解保温措施、开窗面积、建筑群围合程度等建筑物理特征从不同方面深刻影响着建筑外观的厚重感、轻盈感和封闭感；使学生明白若是设计违背技术要求，如在寒冷地区过度强调建筑体形复杂程度，带来的可能是畸零、寒瘦的观感，艺术性被严重削弱。例如，在讲授建筑日照与遮阳课程内容时，通过分析著名建筑师柯布西耶的作品，使学生在领略其序列化遮阳板给建筑立面带来的粗犷质感的同时，理解遮阳板尺寸、材料等相关技术要素对其审美效果所发挥的重要作用，体会建筑的艺术创作手法的独特性，从而打破专业学习中艺术与技术的对立壁垒，秉持更加开放的学习态度。

2.分布式内容设计

建筑学专业的核心目标是培养学生的建筑设计能力，所以建筑设计是主干课程，建筑物理等技术类基础课程则依据专业培养目标要求，围绕主干课展开教学。根据培养目标要求，建筑物理相关原理要应用于建筑设计系列课程作业，但在实际教学中，相关内容授课安排在不同学期，互相衔接存在错位，因此要紧密结合设计课程的各阶段作业要求及授课内容，采用分布式授课思路，将授课内容重新编排，以适应设计课程的进度要求，同时将课程知识与技能直接运用于设计实践，做到以设计实践带动理论知识的学习。相关经验可推广到其他课程，例如，建筑设计课程的幼儿园设计作业安排在前半学期，但后半学期才重点讲授建筑保温设计原理，因此可以采用模块化授课方式，根据建筑设计作业进度，将保温设计原理教学与幼儿园设计作业同步进行，并引导学生将保温设计原理运用于设计作业。

3.引入翻转课堂

为解决授课学时紧张、理论讲授时间不足、学生课外学习时间少的问题，教师可先录制理论授课视频，让学生在课前预习环节利用授课视频学习相关理论知识，课上通过提问、研讨和测验等方式，解决预习中遇到的问题。教师按知识点将建筑物理课程内容划分为28个知识模块，分别录制讲授视频，平均每个视频为14.5分钟。学生通过视频模块学习课程内容，带着疑问上课，课上进行讨论。同时，教师在课堂教学中探索以人文化方式讲授理工类课程的思路，在让学生预习理论知识和公式推导的基础上，针对学生亲身体验且具有感性认识的实际案例，与学生共同研讨具体的工程应用和品质改善问题，把枯燥的理论讲解转变为对环境品质进行体验与感受的描述，用学生极易接受和理解的思维及语言，剖析建筑对人的生活与社会发展的影响。除预习反馈、答疑解惑、引导启发等交流形式外，教师可将更多的精力聚焦于探究社会、经济、文化和建筑行业发展等根本问题在具体的建筑物理理论和应用技术创新方面的映射，在建筑工程实际案例中寻求课本知识的应用体现，使学生了解如何提升理论知识在实际工程中的应用效果，并通过对学生的提问甚至追问，启发学生就建筑设计项目具体细节进行深入思考与讨论。

（二）引入研究性学习方式

1.研究性学习流程

首先，在课堂教学中通过仪器测试、体验实验、软件模拟和仿真等手段，对基本概念和原理进行研究分析；将实验引入课堂，探讨计算公式的适用条件、参数取值范围和应用效果，着重强化学生的探索意识。其次，针对理论知识在实际应用中存在的问题，启发学生探寻问题产生的原因和解决思路。再次，根据同期建筑设计课程作业内容和进度，要求学生就项目所涉及的建筑物理环境性能要求，结合理论分析或实验测试，提出设计改进措施。最后，引导学生提出问题、分析问题、选择研究方法、处理与分析数据、进行结果讨论等，帮助学生树立严谨的科学态度，遵循规范的数理逻辑，探究问题的正确解决方法（如图4所示）。

2.开展自主选题实验、布置研究性课程设计作业

在教学实验环节，采用学生自由结组（通常4～5人）、自主选题的研究性实验方式。指导教师针对授课内容中的重要章节，给出实验设计框架与任务要求，引导学生以问题为导向，以实验测试数据为依据，对建筑设计问题进行研究并提出解决方法。各组自选/自拟题目，选择适宜的手段进行测试、分析、研究，完成实验研究报告。实验选题以日常生活最熟悉的宿舍楼、住宅楼、教学楼等为主要研究对象，让学生对它们的不同房间能耗、热舒适性及光环境等方面的问题，进行量化分析，找出原因，提出优化措施与设计策略，培养通过建筑设计改善建筑环境品质的意识和技能。

教师针对同期建筑设计课程作业进度的特定阶段，布置建筑物理课程设计作业，设定实现建筑功能品质的目标要求，指导学生通过对项目所在地气候的分析，获得建筑物理环境设计的基本参数，然后分析各项参数达到最优的建筑设计的环节与措施，特别要注意建筑日照、通风等前期规划环节需要解决的问题，以避免遗留到方案确定阶段。

3. 多重评价体系

学习效果评价是对学生的努力程度和学习进步情况进行评估的重要环节。建筑物理课程从六个方面评定学生的平时成绩：（1）预习完成情况；（2）课堂测验、投票和提问互动情况；（3）课外作业情况；（4）实验报告情况；（5）课程设计作业情况；（6）网络资源利用及额外学习收获情况。前两项根据雨课堂记录数据进行评分，后四项根据完成情况进行评分。学习效果评价在注重学生全程参与的同时，亦要考虑学生的情感体验[12]，因此针对实验报告和课程设计作业采用互评方式，由全体学生根据报告效果和自己的收获进行评分。在期末考试环节，试题着重考核学生对所学知识的理解、掌握情况和建筑设计应用能力，并突出考查学生运用所学知识实现建筑节能、践行“双碳”目标的意识和技能。试题主观题占60%，包括：（1）画图题，要求学生通过手绘设计方案，对某一设计案例中的建筑物理性能优化问题予以表达；（2）计算题，要求学生在分析设计要求的基础上，通过计算给出设计指标的具体数值；（3）简答题，要求学生就某一综合性应用问题，用知识点原理及工程设计应用方法给出解答。客观题占40%，包括单选题和填空题，考核学生对知识运用细节的注意程度。

四、结语

传统建筑物理课程教学的问题归根结底在于没有平衡建筑学专业艺术性与技术性的特点，没能使学生清楚地理解工程技术手段对建筑设计的直接影响。教学团队在新工科背景下重构课堂教学体系，提出“双核三阶”研学模式，以适应建筑学专业学生的学习特点，强化建筑物理教学与设计环节的衔接和联系，引导学生在研究中理解知识的应用，并对学习效果进行全面评价，给予学生正向反馈。以人文化方式讲授理工科课程及将研究融入学习过程的新思路、新方法、新模式，显著提高了学生的学习积极性、课程参与度和创新实践能力。本课程的改革与探索有助于提升学生处理工程技术问题的能力，同时训练学生的科学和逻辑思维，开阔学生的视野，训练学生适应社会变化的能力，在本领域具有推广价值和示范作用。

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