專業更名背景下的特色課程建設探討
——以《節能建筑計算與仿真》為例

周軍莉，任志剛，王乾坤，周 晉

（1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

專業更名背景下的特色課程建設探討
——以《節能建筑計算與仿真》為例

周軍莉1，任志剛1，王乾坤1，周 晉2

（1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

節能建筑計算與仿真為我校原建筑節能專業，現建筑環境與能源應用工程專業的重要課程，具有內容多，基礎廣，應用強的特點。作為國內首批開設該課程的高校，針對該課程進行了教學研究問卷調查，并在已有調查結果及教學經驗基礎上，梳理了該課程教學內容及教學方式，提出了系統的課程建設方案。教學內容可分為節能規范，軟件總結，軟件原理，案例學習四部分，教學方式上可采用橫向比較——各類規范、軟件比較，縱向聯系——與前期專業課程及后期畢業設計聯系的授課方法，并在最終考核中將軟件實際操作納入評分體系。該課程建設可大力促進本學科發展專業特色，統一教學科研資源，并增強學生就業競爭力。

建筑；仿真；課程；調查；建設

隨著我國建筑節能及綠色建筑工作的蓬勃發展，建筑節能設計、建筑節能施工圖設計審查已成為建筑設計中不可缺少的重要環節。[1][2]建筑系統模擬是建筑節能分析與圖紙節能審查所能使用的主要方法，而建筑環境模擬則成為綠色建筑星級申報及評估的重要手段。[3]在建筑及環境控制領域，已經出現了大量的建筑環境及系統模擬軟件，如Fluent、Ecotect，DeST等。這些軟件可輔助設計師在建筑前期階段進行環境分析及節能方案選擇，并在后期階段進行節能評估，完成圖紙節能審查功能。

2010年，我校在國內率先開設了建筑節能技術與工程專業（全國僅7所），并于同年國內首次專業招生。本專業受到了各級領導部門的關注與愛護，依次取得國家特色專業建設點、湖北省戰略新興（支柱）產業人才培養計劃等榮譽稱號。2012年，教育部規定，建筑節能技術與工程、建筑環境與設備工程（暖通空調）、建筑設施智能技術合并成為建筑環境與能源應用工程專業。在此專業更名背景下，建筑節能依然是本學科特色發展目標，《節能建筑計算與仿真》是本專業的核心特色課程，也是本專業需要培養的基本專業技能。

2013年，我校在全國高校中率先開設了本門課程。該課程學習目標旨在培養學生對建筑進行環境和系統模擬的能力，從而進行能耗分析或節能方案評估、優化、審查。課程具有內容多，基礎廣，應用強的特點，而國內并沒有統一規劃的教材和教學大綱。因此無論是教學內容還是教學方法，該課程都急需系統建設。在已培訓3屆學生基礎上，本文對該課程進行了調研分析，并進而結合教學經驗及調查結果，提出了系統的課程建設方案。

一、課程調研及結果分析

2015年9-12月，本文借助相關調查網站進行了有關《節能建筑計算與仿真》本科課程的教學研究問卷調查。問卷主要集中于收集整理行業人士對于本課程開設內容及授課方法的建議。

（一）調查基本結果

調查共計回收107份有效反饋，其中63%反饋者為暖通空調專業（建筑環境與能源應用工程專業）人士，27.1%為建筑節能專業人士，其他專業占9%左右。反饋者中工作多年者占49.53%，熟悉建筑節能模擬工作者為34.58%，如下圖1，圖2所示。因此，可以認為該反饋信息具有較好的代表性。

如圖3所示，48.6%的反饋者認為本門課程重要，31.78%的反饋者認為本門課程非常重要。這與本學科最初對本門課程的定性相符。

圖1：反饋者工作年限分布

圖2：反饋者對建筑節能模擬工作的熟悉程度分布

圖3：對本門課程的重要性反饋

圖4：反饋結果中軟件重要性排列

作者根據教學經驗，初步將課程內容分為四部分：建筑節能規范分析，國際建筑能耗及建筑環境模擬軟件總結分析，軟件計算原理，具體軟件學習及案例分析。下文中簡稱為：規范，總結，原理，案例。

從調查數據可知，反饋者認為四部分內容都很重要。但相比較而言，四大部分內容的重要性排序分別為：規范，總結，案例，原理。由此可見，由于一些建筑節能強制性條文的實施，因此在建筑節能相關工作中，人們最先關注的是建筑節能規范。只有對規范熟悉，才可能對設計及節能狀況有整體性的了解。其次，在常用的軟件方面，從業人士也希望能在學校全面接觸，進行基礎學習。而軟件計算原理，則只是為具體軟件而分析服務的。

在針對具體軟件學習的調查中，DeST和EnergyPlus均獲得57.94%的投票率，可見兩軟件在從業人士中的巨大影響力。其次，其他軟件按重要性大小依次可排為：PKPM建筑節能軟件，Ecotec，Anysy（Fluent）等，如圖4所示。

此外，從反饋者留言中可看出，絕大部分反饋者都認為上機鍛煉非常重要。在課程內容方面，有專業人士認為在軟件模擬中應要重點講述邊界條件取值的合理性，因為邊界條件跟計算結果直接強相關，也是工程作弊的源頭，要做到每個邊界條件的設置都有理有據，不能憑經驗。該反饋信息也提示了授課人員在講解軟件操作過程中，需要介紹一些影響結果的設置問題。如在Fluent等流場數值模擬軟件中，無論是邊界條件，還是網格劃分、所選取的湍流模型等，都會影響最終數值模擬結果。

還有反饋者提出，既然叫《節能建筑計算與仿真》就應該圍繞什么是節能建筑、實現節能建筑的技術途徑、在設計階段如何計算。模擬仿真是計算方法之一，故需要一個案例為例，把某個軟件學會使用。由于本專業設置課程除本門課程外，還設置了《建筑節能》課程及《建筑節能課程設計》等實踐課程。因此，該反饋信息也提示了本門授課者需要熟悉其他節能課程的授課內容，能夠做到內容與其他課程連貫。而軟件操作方面，最好是固定建筑模型，以一個案例為基礎進行展開講解。

有關課程課時偏少和內容較多的問題，一些反饋者認為本門課程應著重講述基本原理然后通過簡單案例帶學生入門，發揮學生自主學習的能力。也有專業人士提出：在實際工程設計中，節能計算相關內容是由建筑學專業人來完成。能耗分析相關的方案設計、方案比較目前在實際工程中需結合綠建、建筑規劃進行的，綜合性、系統性非常強，不是單一暖通專業基本知識所能解決的。因此，該課程是綠建理念的一個基礎環節，也只能是入門。而且目前的能耗分析軟件眾多，很難面面俱到，如果開課的可行方法就是只針對其中一種軟件開展實際操作演練。結合反饋意見，本課程可擬定DeST軟件為最主要的學習對象，該軟件可在網絡免費下載。

（二）專業及工作年限背景對比

由于反饋者中多是暖通空調專業和建筑節能專業人士，因此從調查數據中，還可以看出兩者專業的一些差異。

暖通空調專業人士中工作多年者占67.65%，而建筑節能專業中工作多年者僅占10.34%。這是因為暖通空調專業歷史悠久，而建筑節能專業則是新興專業。但是，即便是建筑節能專業人士，其中也有24.14%的人員對建筑節能及模擬工作不熟悉，而非常熟悉者僅僅占3.45%。暖通空調專業人士中不熟悉者占11.76%，非常熟悉者占17.65%。這些數據說明在目前的暖通空調行業中，熟悉建筑節能工作的人較多，而建筑節能專業畢業人員中，部分人員參加了其他工作種類。這也是為什么目前建筑節能專業會并入建筑環境與能源環境 （暖通空調專業）的原因。

若限定工作年限選項，分析調查結果，則可知：

1.對剛開始參加工作的反饋者而言，55.56%反饋者對建筑節能模擬工作一般熟悉，只有22.22%反饋者對建筑節能工作非常熟悉。認為課程內容重要性排序為：案例，總結，規范，原理。他們認為值得學習的軟件是：PKPM建筑節能軟件，DeST，Ecotect和EnergyPlus。

2.對已經工作多年的反饋者而言，39.62%反饋者對建筑節能模擬工作熟悉，20.75%反饋者非常熟悉。其中52.83%反饋人員認為本門課程重要，22.64%人員認為本門課程非常重要。課程內容重要性排列：規范，總結，原理，案例。他們認為值得學習的軟件是DeST，EnergyPlus，Ecotect，和Ansys。

由此可見，隨著工作年限的增長，行業人員對建筑節能模擬工作逐步熟悉，而其需求也從最初的具體軟件學習階段過渡到了對規范的重視及實施。這從一方面也說明了，在目前不同專業綜合進行建筑節能工作的背景下，熟悉規范，及由規范進行對比是最為重要的步驟。

值得注意的是，若限定反饋者為暖通空調專業背景，工作多年，及對建筑節能工作非常熟悉的調查人群，則顯示授課內容重要性排列為：原理，規范，總結，案例；認為本科階段需要認真學習的軟件為：DeST，Ansys和Ecotect。這也說明了具有暖通空調專業背景的人員，在從事建筑節能工作中，可能大多從事的是直接軟件計算及模擬工作。因此，也可以認為，工作多年的具有暖通空調專業背景的建筑節能從業人士，已經掌握了一些節能及模擬軟件的基本操作方法，但他們也深刻意識到了軟件計算結果的不確定性，希望對軟件計算原理有進一步的深刻了解。

二、課程建設

根據針對該課程展開的教學調查及近幾年的教學實踐經驗，本文對該課程的教學方法，教學內容等問題進行了初步的探索研究。

根據上述調查結果，可擬定24總課時中，相關節能標準規范6學時，各類軟件總結4學時，軟件原理4學時，具體軟件學習10學時（上機），課內外學時比例為1∶2。

（一）教學內容和教學方式

針對課程“內容多，基礎廣，應用強”的特點，在教學中應用“多比較，常聯系，重實踐”的授課方式，增強學生學習積極性。

標準規范中需要介紹的內容包括：標準基本知識，標準性質，我國氣候分區。[4]所需要了解的建筑節能標準分為：綜合篇，外墻篇，保溫及相關材料篇，[5]同時，又可分為：目標層標準，通用層標準，專用標準。[6]在該授課環節中，為激發學生學習興趣，宜以學生家鄉為團隊分組。學生初步分析比較國家、各省市建筑節能設計標準和規范，教師輔助予以深化展開。如通過《公共建筑節能設計標準》與《山東省公共建筑節能設計標準》之間的比較，可了解國家對于不同熱工分區下節能設計標準的不同；通過《山東省居住建筑節能設計標準》與《山東省公共建筑節能設計標準》之間的比較，可了解不同類型建筑對節能要求的不同需求。

在軟件總結部分，如圖5所示，可將建筑環境分為四類：聲、光、熱、風環境，并介紹相應的模擬軟件。其中熱環境模擬部分為重點，包括模擬室溫狀況及空調能耗狀況。在眾多能耗軟件中，又按照功能可分為：基于建筑熱過程模擬的建筑能耗模擬軟件和基于建筑節能標準審核的一致性評估軟件。[7]在該授課環節中，應總結建筑風環境/熱環境模擬軟件Fluent、聲環境模擬CadnaA.、光環境模擬Ecotect、能耗模擬eQUEST，DeST，PKPM能耗評估等各類軟件，如圖6所示。教師可結合實際案例介紹各類軟件在建筑節能工作以及綠色建筑設計工作中的具體應用。

計算原理部分可以清華大學開發的DeST軟件為基礎進行介紹，[8]并與國際流行計算方法作比較。[7][9][10]本門課程與其他課程聯系緊密，如圖7所示。在該授課環節中，需要總結重要知識點，結合傳熱學等基礎科目以及節能軟件應用市場、能耗研究方向，對各知識點進行縱向、橫向對比聯系學習。如對于建筑的熱過程分析中，可主要針對墻體非穩態熱傳遞方程進行求解，結合傳熱學、流體力學知識介紹處理非線性方程的差分方法，并比較介紹能耗模擬中所采用的宏觀法以及風環境模擬軟件中的微觀法。而在軟件設置原理方面，則需要結合暖通空調課程及建筑節能課程講解具體的系統配置，以及各種建筑節能技術。

圖5：建筑環境模擬目標

圖6：建筑環境模擬的工具軟件

圖7：該課程與其他主干課程之間的聯系

結合本院購置軟件類別，具體軟件學習中可介紹4類軟件：Fluent，[11]Ecotect，[12]DeST，[8]PKPM建筑節能評估BEIE，[13][14]其中DeST為重點學習對象。擬定采用上機操作學習方式，引導學生熟悉軟件操作步驟和方法。部分內容可結合教師特長，指定本學科不同教師作為課外指導老師。

通過本門課程的學習，學生們將熟悉DeST軟件，并可在一定程度上進行流場模擬。從短期目標來看，這些技能都將輔助學生在畢業設計中分析動態空調負荷及大空間氣流組織，進而提出合適的空調方案。而從長遠來說，則可增加本科生的就業競爭能力，在建筑節能行業中提升本校口碑。

（二）考核方式

由于本課程中的重要學習部分是軟件模擬，因此傳統筆試方法并不適合于本門課程。本課程考試成績可初步擬定由以下兩部分決定：平時成績、報告成績。平時成績為平時考勤成績，報告成績包括每位學生總結分析的建筑節能規范以及具體案例軟件模擬操作報告。

三、可解決的問題

該課程的系統建設及創新，可解決如下問題：

（一）專業發展問題

截止至2015年5月，開設本專業的高校共計183所，包括具有悠久歷史的土建老八校。[15]早在2013年，高等學校建筑環境與設備工程學科專業指導委員會指出：各高校要通過本專業科研團隊建設，促進本專業本科教學，創建特色課程，形成精品課程體系。[16]2014年5月，在青島召開的第六屆高等學校建筑環境與能源應用工程專業負責人會議上，專業指導委員會也指出：具體學科的知識體系應為在專業規范的基本要求（共性要求）上，發展學科特色（個性設置）。

因此，唯有抓住國家建筑節能蓬勃發展機會，在傳統暖通空調專業基礎上進行革新，精煉并強化自身的建筑節能專業特色，才有可能在上述高校中脫穎而出，確立自身地位。

（二）課程內容多，基礎廣，應用性強的問題

節能建筑計算與仿真模擬軟件繁多，需要擇優重點學習掌握。本課程將總結國際流行軟件，包括風、熱環境模擬，聲模擬，光模擬，能耗模擬各類軟件，分析各類軟件功能、優點，使用環境。課程改革后，授課對象將對所有軟件的主要功能、應用條件有較為清晰的認識。

在建筑環境模擬軟件中，其計算方法原理涉及數值流體力學、數值傳熱學等基礎內容，而建筑系統模擬中，建筑空調設備方案、運行調控則直接與暖通空調等主干課相關。只有在授課中多比較，常聯系，才能建立不同課程之間的聯系，從而加深學生對學科體系內容理解。

建筑模擬計算軟件的應用與上機操作密切相關，只有改變教學模式，加強實踐，增加上機課時比例，才能真正培養學生軟件應用能力。

（三）教學科研資源統一問題

我院已購置的軟件包括Fluent，Ecotect，PKPM建筑節能評估軟件。上述軟件僅為教師及研究生使用，本科生尚未有機會涉及。課程建設創新后將結合專業科研資源與本科教學工作，達到資源深度、有效利用的目的，另一方面，通過上述軟件學習，可增強學生對專業發展方向及科研方向的了解。

（四）學生就業競爭力問題

隨著國家政策方面對綠色建筑數量的提升及國家對建筑節能評估、審查各類規則的完善，計算與仿真在建筑節能設計中所起的作用日益增大。而從我校建筑節能畢業班的就業協議中可知，1/2人員畢業均從事建筑節能工作。對該課程的系統建設及應用，可大力增強我校學生的就業競爭力及實際工作操作能力。

四、結語

在專業更名背景下，本學科所確定的發展目標為建筑節能方向。《節能建筑計算與仿真》成為本專業的特色課程，也成為本專業需要培養的基本學科技能。

針對該課程的教學內容和教學方法，本文收集整理了107份有效反饋答卷，分析了行業人士對本門課程的理解，對教學內容、教學方法的具體建議。從反饋數據中可知，80%的調查者認為本門課程重要或非常重要。本文將教學內容分為四部分：建筑節能規范分析，國際建筑能耗及建筑環境模擬軟件總結分析，軟件計算原理，具體軟件學習及案例分析。調查數據顯示這樣的設置是非常合理的。但是對于工作多年的行業人士而言，他們希望學習規范，并掌握軟件計算原理，而對于剛參加工作的行業人士而言，他們則更希望掌握具體軟件操作技巧，及熟悉規范。

在已有調查結果及教學經驗基礎上，本文梳理了本門課程教學內容及教學方式，對其進行了細化。確定了四部分主體教學內容的授課學時比例，提出了“多比較，常聯系，重實踐”的教學方式：在各類規范、軟件學習方面進行橫向比較，在與前期專業課程及后期畢業設計之間建立聯系，并加大上機操作課時，以DeST軟件為重點，聯合其他流場模擬軟件，結合教師特長設立課外指導教師。其中。該課程系統建設后，可達到發展我校專業特色、統一教學科研資源、增強學生就業競爭力等目標。

當然，一門課程的建設不是一蹴而就，而是慢慢完善的過程。我系將進一步努力，爭取早日完善教學講義得以出版，也希望能得到各位同行的批評指正。

[1]莫志剛.建筑節能設計審查的思考[J].建材與裝飾，2015，（17）：42-43.

[2]董孟能，呂忠，冷艷鋒等.重慶加強建筑節能設計審查[J].建設科技，2008，（9）：32-34.

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[4]建筑節能管理及建筑節能工程施工質量驗收[EB].百度文庫.http: //wenku.baidu.com/view/22210a6c87c24028915fc3fe.html.2014-07.

[5]全國建筑節能現行規范、規程、標準匯編目錄[EB].百度文庫.http: //wenku.baidu.com/view/67a9a46283c4bb4cf7ecd15c.html.2014-06.

[6]楊仕超.我國建筑節能標準體系的探討 [J].工程建設標準化. 2014，（2）：46-49.

[7]于美靜,王宏偉.建筑節能計算機模擬軟件的研究[J].區域供熱. 2007，（3）：69-72.

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[16]高等學校建筑環境與設備工程學科專業指導委員會.高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2013-03.

湖北省教學研究項目：面向戰略性新興產業發展需求的建筑節能技術與工程新專業建設研究與實踐（2011016）；武漢理工大學重點教學研究項目：建筑環境與能源應用工程專業節能建筑計算與仿真課程創新與改革研究及實踐（w2014005）

周軍莉（1977-），女，武漢理工大學土木工程與建筑學院副教授，博士，主要從事建筑環境模擬方面的教學與科研研究。