開放式研究性建筑物理實驗的教學(xué)探索與實踐

黃凌江+李中奇

摘要：建筑物理實驗是建筑物理教學(xué)的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生解決設(shè)計問題，提高科研能力的重要途徑。文章從教學(xué)方法層面探討了開放式研究性建筑物理實驗?zāi)Ｊ降慕虒W(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程和教學(xué)目標，并介紹了部分實驗教學(xué)案例。文章最后分析了建筑物理實驗的定位、研究性實驗與基礎(chǔ)性實驗的關(guān)系，以及開放式實驗教學(xué)中需要進一步解決的問題。

關(guān)鍵詞：開放式研究性實驗；建筑物理實驗；實驗教學(xué)

中圖分類號：G6420文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）06012107建筑物理實驗課程是建筑學(xué)專業(yè)實踐體系的主要組成部分，《高等學(xué)校建筑學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中規(guī)定的4個單元36項實驗項目中，建筑物理實驗占到3個單元22項[1]。目前在以建筑設(shè)計主導(dǎo)的建筑學(xué)教學(xué)中，學(xué)生對建筑物理等技術(shù)類課程存在著熱情不高，學(xué)習(xí)態(tài)度被動等情況[2-4]。其主要原因一方面在于建筑物理的概念、原理抽象，在建筑設(shè)計中較難直接應(yīng)用；另一方面在于教學(xué)方式主要采取課堂講授的方式，學(xué)生主動參與性較低。與理論課程不同，實驗課程應(yīng)以動手實踐的方式開展，提供發(fā)揮學(xué)生主觀能動性的條件。但是建筑物理實驗教學(xué)中往往以規(guī)定性的基礎(chǔ)實驗為主，《高等學(xué)校建筑學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》對研究性實驗也未作明確要求。基礎(chǔ)性實驗對實驗各方面均作了明確的規(guī)定，注重訓(xùn)練學(xué)生的實驗操作能力，但存在著學(xué)生按部就班完成實驗報告，實驗結(jié)論千篇一律，難以調(diào)動學(xué)生的主動參與性等情況。同時也導(dǎo)致實驗教學(xué)與建筑設(shè)計等主干課程教學(xué)脫鉤現(xiàn)象嚴重。

但許多院校已經(jīng)意識到研究性實驗的重要性并提出了相應(yīng)的教學(xué)思路，包括加強實驗中對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[5-6]，由單一的驗證性實驗向設(shè)計性和綜合性轉(zhuǎn)化[7]。作者在長期教學(xué)實踐中也對建筑物理及研究性實驗的教學(xué)進行了探索[8-9]。不同院校的實驗教學(xué)內(nèi)容和重點雖不相同，但目的都是探索如何提高學(xué)生在建筑物理實驗課程中的興趣和主動性，更好地與建筑設(shè)計教學(xué)相結(jié)合并為設(shè)計教學(xué)服務(wù)。在研究性實驗中，開放式實驗教學(xué)是一種可以充分發(fā)揮學(xué)生在實驗中主觀能動性的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性和獨立思考、分析問題的科研能力。越來越多的實驗教學(xué)中提出將開放實驗引入建筑物理教學(xué)的重要性[10-11]。文章介紹了武漢大學(xué)建筑系開放式研究性建筑物理實驗的教學(xué)實踐以及部分實驗案例。

一、開放式研究性實驗教學(xué)特點

基礎(chǔ)性實驗對實驗選題、內(nèi)容和方法等均作了明確的規(guī)定并給出了完整的實驗方案，實驗選題多為驗證性實驗，學(xué)生對實驗的結(jié)果有一定預(yù)知，不同人的實驗結(jié)果也大同小異，需要學(xué)生自主思考和探索的內(nèi)容非常少，同時在教學(xué)中對實驗內(nèi)容、地點和儀器設(shè)備的限制較多。

相對而言，開放式的實驗強調(diào)實驗內(nèi)容的開放，學(xué)生根據(jù)自己感興趣的現(xiàn)象確定實驗選題，學(xué)生自行擬定研究計劃并設(shè)計實驗方案等實驗內(nèi)容，通過不同的實驗手段獲得實驗數(shù)據(jù)。同時場地及儀器設(shè)備應(yīng)較為靈活地向?qū)W生開放，學(xué)生可以根據(jù)實驗的需要使用儀器設(shè)備和實驗場所。研究性實驗中實驗不是目的，而是一種手段。在建筑學(xué)專業(yè)中用以探索不同物理因素對建成環(huán)境的作用以及不同設(shè)計對建筑物理性能的影響，同時強調(diào)用研究的方法進行實驗設(shè)計并對實驗數(shù)據(jù)進行分析，逐漸形成采用科學(xué)實驗推進建筑設(shè)計的方法（表1）。開放式研究性實驗的目的是培養(yǎng)學(xué)生通過實驗的方式探索和研究問題的能力。其中開放式是為研究性實驗提供更為合適的教學(xué)形式。開放式研究性實驗將學(xué)習(xí)主動權(quán)交給學(xué)生，將固定的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鞯膶W(xué)習(xí)，延伸了學(xué)生進行實驗學(xué)習(xí)的內(nèi)容、時間和空間范圍，提供了更為靈活的學(xué)習(xí)條件。學(xué)生可以有更多的機會接觸和利用所需的實驗室資源，也擁有更大的學(xué)習(xí)自主性。

黃凌江，等開放式研究性建筑物理實驗的教學(xué)探索與實踐

為滿足開放實驗的進行，需要提供有利的實驗條件。首先是實驗指導(dǎo)，要求學(xué)生將實驗的時間安排預(yù)先告知教師以便教師有針對性地指導(dǎo)，同時各實驗小組通過郵件等方式就實驗中遇到的問題隨時與教師進行溝通。第二是儀器設(shè)備等資源的使用，教學(xué)中盡可能地共享實驗資源，數(shù)量較多的小型儀器如照度計、手持式溫濕度計和風(fēng)速儀等分發(fā)給實驗小組使用并在小組之間流轉(zhuǎn)。大型儀器設(shè)備實行預(yù)約使用，做到實驗場地和儀器的開放式使用。表1基礎(chǔ)性實驗與開放式研究性的對比實驗類型實驗?zāi)康慕虒W(xué)重點教學(xué)指導(dǎo)實驗選題實驗方案時間及場地儀器設(shè)備基礎(chǔ)性驗證性為主訓(xùn)練實驗技能規(guī)定時間規(guī)定規(guī)定教學(xué)計劃有限制使用開放式研究性探索性為主培養(yǎng)通過實驗探索

和研究的能力不定時自由選題自行制定較多地開放共享二、開放式研究性實驗教學(xué)組織

（一）實驗教學(xué)組織

實驗教學(xué)組織分為四個步驟。

首先是實驗準備階段。這一階段重點訓(xùn)練學(xué)生儀器設(shè)備的操作能力和基本實驗技能，包括培訓(xùn)所有學(xué)生掌握各種實驗儀器設(shè)備的工作原理和使用方法，熟悉熱光聲基礎(chǔ)實驗的內(nèi)容、過程、基本實驗方法和實驗操作的基礎(chǔ)知識。這一階段是常規(guī)實驗教學(xué)內(nèi)容，也是開放式研究性實驗的基礎(chǔ)。

第二步由學(xué)生以小組為單位自主提出實驗選題和實驗方案并在小組內(nèi)討論，確定之后按一定的格式規(guī)范提交實驗研究計劃，包括實驗?zāi)康摹嶒灧椒ā⑦M度安排等。選題需要體現(xiàn)對某一具體問題的探索和研究。這一部分容易出現(xiàn)選題過大，驗證性實驗簡單以及實驗方案不可行等情況，需要教師對實驗選題和實驗方案進行指導(dǎo)，提出意見和建議。

第三步，對通過的實驗選題計劃進行開展。實驗室需要準備和校準各實驗儀器設(shè)備，對于小型儀器，每一個儀器指定一名學(xué)生專人負責(zé)不同實驗小組之間的流轉(zhuǎn)；對需要使用大型設(shè)備的實驗小組，會對每組一名學(xué)生進行專門的操作和安全培訓(xùn)。根據(jù)預(yù)約安排使用時間，如需要在正常工作以外的時間使用，則由各小組之前指定的學(xué)生專門負責(zé)操作和管理，并對每次使用情況做好記錄。

第四步指導(dǎo)學(xué)生對實驗完成后的所得數(shù)據(jù)進行整理和分析并得出實驗結(jié)論。從實驗數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律驗證假設(shè)。結(jié)論部分是實驗的結(jié)果也是關(guān)鍵，這部分重點在于幫助學(xué)生根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)判斷所其能否支持實驗的假設(shè)，能得出什么樣的結(jié)論以及與所學(xué)理論是否吻合等問題。同時也要注意實驗數(shù)據(jù)不符合建筑物理原理的情況。這種情況需要和學(xué)生一起從實驗數(shù)據(jù)、實驗方法及操作等各個方面分析可能的原因。

（二）實驗教學(xué)重點

開放式研究性實驗教學(xué)的重點在于實驗選題和實驗方案設(shè)計。

實驗選題是發(fā)現(xiàn)和提出問題，是整個實驗過程中最重要也是難度最大的部分。自主進行實驗選題可培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力和創(chuàng)新能力。選題來源應(yīng)多樣，包括對生活學(xué)習(xí)空間的建筑物理環(huán)境分析，建筑設(shè)計課程中遇到的問題，查閱文獻后發(fā)現(xiàn)的問題，以及建筑物理中某個具體的問題。在這部分，教師不要對選題進行干預(yù)，但會幫助學(xué)生從較模糊的想法凝練出可行的實驗問題，同時培養(yǎng)學(xué)生閱讀文獻并通過文獻學(xué)習(xí)的能力。最后教師對選題內(nèi)容進行把關(guān)，淘汰過于簡單，不具備實驗條件或缺乏意義的選題。

實驗設(shè)計是教學(xué)過程中關(guān)鍵和復(fù)雜的一部分，首先要求學(xué)生熟悉已有儀器設(shè)備的功能和使用條件，之后要確定實驗方案，包括實驗對象、實驗材料、實驗方法、天氣條件、時間及地點等。確定實驗中的相關(guān)參數(shù)、變量和評價指標，明確實驗?zāi)康摹Ｈ绾瓮ㄟ^一定的實驗步驟和方法，采集到所需要的數(shù)據(jù)也是保證實驗成功的關(guān)鍵。由于建筑學(xué)的本科學(xué)生對科研方法尚未進行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，因此這部分需要教師的專門指導(dǎo)，所需時間也最長。

（三）實驗選題及開展情況分析

根據(jù)開放式研究性實驗的要求，在教學(xué)實踐中學(xué)生根據(jù)自己的觀察和設(shè)計中的問題提出了豐富的實驗選題，圖1列出了自主的實驗選題，并與《高等學(xué)校建筑學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》要求的基礎(chǔ)性實驗進行了對比。

從實驗選題可以看出，實驗選題涉及不同的方面，包括物理環(huán)境認知，不同構(gòu)造及材料的熱、光及聲性能。物理環(huán)境認知方面關(guān)注了不同空間的室內(nèi)熱環(huán)境，窗洞口形式對室內(nèi)采光的影響，不同空間形式對聲傳播的影響；構(gòu)造方面關(guān)注了墻體構(gòu)造的傳熱、遮光罩的角度；材料方面關(guān)注了不同性質(zhì)材料的透光及隔聲性能。部分選題關(guān)注了與建筑物理環(huán)境相關(guān)的社會問題，如廣場舞噪聲的傳播距離與聲壓級。大部分自主選題與建筑物理環(huán)境基礎(chǔ)性實驗具有關(guān)聯(lián)性，但部分與具有一定專業(yè)性的實驗沒有關(guān)聯(lián)，如駐波管法測材料吸聲系數(shù)。由于選題的開放性，學(xué)生一般會選取自己感興趣的問題，以保證之后實驗時間安排的充足性。

實驗的場地和對象主要以校園和學(xué)校內(nèi)的建筑為主，這是學(xué)生最了解的生活學(xué)習(xí)環(huán)境，同時也便于隨時開展實驗和監(jiān)測實驗。實驗一般在5周內(nèi)完成，實驗時間不受實驗課時的限制。研究性實驗設(shè)計的選題與專業(yè)基礎(chǔ)性實驗密切相關(guān)，基礎(chǔ)性實驗可以看成是研究性實驗的先期訓(xùn)練和組成部分，學(xué)生通過基礎(chǔ)性實驗掌握各種實驗方法、原理和數(shù)據(jù)整理分析技能，而研究性實驗選題包括了不同的基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容。在實驗方法上，除了采用各基礎(chǔ)性實驗的方法外，大部分小組都針對不同建筑物理環(huán)境進行了問卷調(diào)查，從主客觀兩方面加深對建筑物理環(huán)境的理解和體會。在課程中專門對問卷調(diào)查的方法進行了講授并提供熱環(huán)境問卷范例。實驗的考核評分以實驗報告為準，同組學(xué)生獲得同樣的分數(shù)。其中，實驗選題占30%，實驗方案設(shè)計占25%，實驗數(shù)據(jù)分析占30%，實驗結(jié)論分析占10%，實驗報告格式占5%。

三、實驗教學(xué)案例

文章選取兩個有代表性的實驗案例具體介紹，分別為“遮陽百葉材料和角度對室內(nèi)熱光環(huán)境的影響分析”和“不同空氣間層構(gòu)造形式的傳熱”。

（一）“遮陽百葉材料和角度對室內(nèi)熱光環(huán)境的影響分析”實驗

實驗案例一的選題希望了解遮陽百葉的變化對室內(nèi)采光系數(shù)的影響。該選題的研究性體現(xiàn)在通過實驗確定百葉遮陽構(gòu)件的不同角度和材料對遮陽和采光效果的影響，并由學(xué)生自行確定校園內(nèi)一處西側(cè)開窗的房間作為實驗地點。在教學(xué)指導(dǎo)中首先分析遮陽百葉對采光系數(shù)有關(guān)的各種影響因素，包括遮陽板的材料、角度、出挑寬度、間距等。之后確定以材料和角度作為研究變量，選擇“白色KT板”和“半透明鍍膜塑料板”兩種材質(zhì)，夾角選擇60°、30°、0°，并規(guī)定了出挑寬度和百葉間距為固定量。然后，指導(dǎo)學(xué)生確定實驗方案，所需的遮陽構(gòu)件由學(xué)生制作完成（圖2），由實驗室提供照度計、輻射計及溫濕度記錄儀等儀器設(shè)備，并由學(xué)生自行選擇合適的天氣開展實驗。

實驗設(shè)計上分為三組實驗進行，分別A組（對照組）、B組（白色KT板）和C組（透明鍍膜塑料板）。其中對照組不設(shè)遮陽板，選擇近似全云天的中午，測量所取測點的照度； B組采用白色KT板制成的百葉遮陽板模型，測量時間及天氣條件均與對照組相同。出挑寬度150 mm，百葉間距150 mm，分別測量與地面水平夾角為60°、30°、0°三種情況下的測點照度。C組采用半透明鍍膜塑料板制成的百葉遮陽板模型，測量時間及天氣條件均與A組相同。

圖2學(xué)生制作實驗用遮陽模型實驗小組對實驗數(shù)據(jù)進行了橫向和縱向的對比分析。通過數(shù)據(jù)對比，可以清晰地了解不同遮陽材料、角度對室內(nèi)采光和遮陽的影響，這個過程訓(xùn)練了學(xué)生處理大量數(shù)據(jù)并進行不同層面分析的能力。實驗小組最后得出結(jié)論，對西側(cè)開有玻璃窗的房間而言，加設(shè)遮陽構(gòu)件能明顯減少太陽輻射，改善室內(nèi)熱環(huán)境；遮陽構(gòu)件最好選擇光線透射率較低的白色不透明材料；若只考慮室內(nèi)熱環(huán)境，則遮陽板與水平線角度越大越好。但實際應(yīng)用中，遮陽板應(yīng)與室內(nèi)光環(huán)境綜合考慮，結(jié)合光學(xué)實驗的數(shù)據(jù)得出，60°左右的角度采光均勻性最好，因此，60°白色KT板是此次實驗中對室內(nèi)物理環(huán)境改善效果最好的遮陽板。

該實驗使用的儀器設(shè)備為小型手持式儀器，在實驗過程中由學(xué)生負責(zé)保管使用，實驗結(jié)束后流轉(zhuǎn)給其他實驗小組。

圖3實驗案例一部分分析數(shù)據(jù)（二）“不同空氣間層構(gòu)造形式的傳熱”實驗

實驗案例二的選題為不同空氣間層構(gòu)造形式對建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響，包括結(jié)構(gòu)材料、有無間層、間層是否貼鋁箔等。該選題的研究性體現(xiàn)在探索夏熱冬冷地區(qū)，空氣間層兩側(cè)為不同材料以及在單側(cè)不穩(wěn)定傳熱條件下墻體試件的傳統(tǒng)能力和表面溫度波動情況，為夏熱冬冷地區(qū)空氣間層墻體的設(shè)計提供參考。實驗首先在教師指導(dǎo)下確定構(gòu)造的種類并確定實驗方案，包括試驗周期、構(gòu)造類型、熱箱的輸入溫度、表面溫度和間層溫度的數(shù)據(jù)采集處理等，之后小組以武漢夏季溫度最高的五天作為典型溫度，以七種不同構(gòu)造作為研究變量（圖4），所需的墻體構(gòu)造由學(xué)生和專業(yè)的泥瓦工協(xié)同制作完成（圖5）。

圖5學(xué)生和工人制作實驗構(gòu)件實驗小組選擇實驗狀況穩(wěn)定的同一天數(shù)據(jù)，對七種構(gòu)造的內(nèi)表面溫度進行對比分析。通過數(shù)據(jù)對比，可以清晰地了解圍護結(jié)構(gòu)不同材料、間層構(gòu)造對室內(nèi)溫度的影響，培養(yǎng)了學(xué)生篩選、整合數(shù)據(jù)并進行不同層面分析的能力。最后實驗小組對七種圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能作出了綜合評價，圖6為部分數(shù)據(jù)分析。

圖6實驗案例二部分分析數(shù)據(jù)實驗小組最后得出結(jié)論：空氣間層能降低圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，提高隔熱性能；相同厚度空氣間層紅磚的隔熱性能優(yōu)于混凝土砌塊，磚在室外側(cè)隔熱效果更好；在空氣間層貼鋁箔對圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能有明顯提升；空氣間層單側(cè)貼鋁箔時，鋁箔靠近室外一側(cè)隔熱效果更好；空氣間層雙側(cè)貼鋁箔時室內(nèi)熱舒適度最高。

該實驗需要使用的冷熱箱和熱流溫度測試儀屬于大型固定設(shè)備，教師要對實驗小組的一名學(xué)生進行專門的實驗設(shè)備操作培訓(xùn)，并實地指導(dǎo)前幾次實驗。等學(xué)生完全掌握設(shè)備操作后，在非上班時間將實驗室交由學(xué)生使用，并對每次實驗做好實驗日志記錄。

上述兩個實驗選題都是針對某一個具體問題的探索性實驗，教師在選題、實驗方案和儀器操作方面給予指導(dǎo)，整個實驗過程由學(xué)生自主安排。實驗基本達到了預(yù)期目的，通過實驗學(xué)生掌握了研究建筑變量和建筑熱工及物理環(huán)境的基本方法，并能對實驗數(shù)據(jù)進行分析和解讀，得出指導(dǎo)建筑設(shè)計的結(jié)論。同時，提高了學(xué)生對特殊情況的處理能力和實驗數(shù)據(jù)的分析和判斷能力。

四、結(jié) 語

通過開放式研究性實驗教學(xué)，取得了一定的教學(xué)成果，主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生初步掌握了通過實驗方法對某類問題進行研究探索的能力，在近年建筑學(xué)專業(yè)本科生申報國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃中，建筑物理實驗數(shù)量有所增加，其中一項選題入選國家級計劃，多項入選校級計劃。（2）對建筑設(shè)計教學(xué)的促進。學(xué)生在課程設(shè)計和參加各類綠色建筑設(shè)計競賽時，逐漸形成通過建筑物理實驗對有關(guān)設(shè)計問題進行研究的風(fēng)氣，并依據(jù)實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果推進設(shè)計。

建筑物理實驗課在建筑學(xué)教育中的不同定位會起到不同的教學(xué)效果。開放式研究性實驗成為解決建筑設(shè)計中物理環(huán)境問題的途徑，是建筑物理理論知識與建筑設(shè)計之間的橋梁。但是其與基礎(chǔ)性實驗也密不可分，兩者在教學(xué)中應(yīng)密切銜接。一方面學(xué)生通過基礎(chǔ)性實驗掌握實驗設(shè)計和實驗方法，是開展研究性實驗的前提。另一方面研究性實驗包含了不同的基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容。開放式實驗適合研究性實驗教學(xué)，突破了時間空間和實驗選題的限制，是一種可以更好發(fā)揮學(xué)生主動性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的實驗教學(xué)方式。但是在實踐探索過程中還存在一些需要解決的問題，如在實驗時間和場地分散的情況下，教師如何更好地進行實驗指導(dǎo)，實驗室管理和工作時間之外的開放如何協(xié)調(diào)，選題合理但實驗結(jié)果不理想的實驗如何進行評價和考核等，需要在實踐中進一步探索和總結(jié)。

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Exploration and practice of open and exploratory building

physics experiment teaching

HUANG Lingjiang， LI Zhongqi

（Department of Architecture， Wuhan University， Wuhan 430072， P. R. China）

Abstract： Building physics experiment is an important part of building physics teaching， and it is a scientific approach for solution of design problems and an opportunity to improve their scientific research ability. We researched on the open and exploratory building physics experiment teaching from aspects of teaching contents， teaching process and teaching goals， and also introduced typical experimental cases. Finally， we analyzed the positioning of building physics experiment， the relationship between exploratory experiments and basic experiments， and problems that need to be further addressed in teaching practice.

Keywords： open and exploratory experiment； building physics experiment； experiment teaching