建筑能耗模擬課程體驗式教學研究

劉大龍 王穩琴

摘要：為解決研究生建筑能耗模擬教學中或偏重理論知識講述，或偏重軟件操作實踐的問題，選擇一些難度適中、易于手算的建筑能耗計算方法，讓學生自己動手將其程序化并應用于模擬分析。以體驗方式構建理論與實踐的橋梁，深化學生對模擬技術的理解，使學生在夯實理論知識的基礎上，具備解決實踐問題的能力。

關鍵詞：建筑能耗模擬；體驗式教學；能耗計算理論；軟件操作

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0148-06

一、建筑能耗模擬課程教學現狀分析

動態模擬技術借助計算機強大的計算和圖像處理能力，可以高效地進行復雜計算，同時能將計算過程和結果以圖形的方式呈現給用戶，實現了抽象問題具體化、圖像化，是解決復雜科學和工程問題的有效工具，在科研和工程領域得到了越來越廣泛的應用。建筑能耗模擬技術在建筑節能設計、綠色建筑評價、生態建筑設計等領域被大量使用[1-2]。在建筑物理教學中，應加強計算機科學和數字技術在物理環境設計和計算中的應用[3]。模擬技術被越來越多的學科所重視，如何提高模擬課程教學效果，是很多學科在模擬課程教學方面都面臨的迫切問題。

建筑能耗模擬課程是西安建筑科技大學建筑學院為建筑技術科學專業碩士研究生開設的專業選修課。其教學目標就是培養學生依據建筑能耗計算原理，使用模擬計算軟件，獨立開展模擬計算分析。特別是碩士研究生的模擬課，不僅培養學生操作軟件的動手能力，而且培養學生獨立設計模擬方案、客觀準確分析模擬結果等綜合性能力。目前，建筑能耗模擬的教學中采用的教材以及研究論文，不是講述能耗計算的普適性原理和公式[4]，就是介紹軟件操作方法、案例分析[5]。在一些研究生的能耗模擬研究中，也主要是以原理、機理、方法宏觀層面的內容為主，對其軟件的核心算法、運行機制研究很少[6-7]。

針對該課程的這一特征，傳統的傳輸式教學方式在長期的教學活動中暴露出對學生綜合實踐能力培養嚴重不足的問題。因此，需采用新的教學方式以彌補、改善在模擬綜合能力培養中存在的尖銳問題。

二、體驗式教學方式在建筑能耗模擬教學中的可行性分析

教學方式是影響教學效果的重要環節，針對不同性質的課程應采用不同的教學方式。體驗式教學方式能為具有實踐性、應用性課程的教學帶來深刻的變革，強化培養學生的實際操作能力，以及在實踐工作中分析問題與解決問題的能力。

體驗式教學最早由美國凱斯西儲大學組織行為學教授David Kolb在20世紀70年代提出，其核心思想是“學習是經驗轉化為知識的過程，知識源于掌握經驗和轉化經驗的結合體”[8]。體驗式教學的本質特征是符合 “螺旋上升、不斷深入”的學習規律[9]，強調的是以學習者為中心的自主學習，而傳統教學強調的是教師為中心的知識傳遞，反對傳統教學以教師為中心、課堂為中心、教材為中心，主張教學應以學生為中心、活動為中心、經驗為中心[10]。凡是以活動開始的，先行后知的，都可作為“體驗式教學”。與傳統教學相比，體驗式教學不是簡單的教學方式改變，而是將認識過程與情意過程融合與統一。體驗式教學方式是基于對經驗的重視和強化，是以學生為中心的教學組織方式，能滿足對學生動手能力、分析能力以及綜合能力的培養需求，這些正是建筑能耗模擬課程的培養目標。

模擬課程的教學內容主要包括兩部分：模擬的計算理論和模擬軟件的使用。現存主要問題是，主流的模擬軟件大部分由國外軟件廠商編制，即使有國內成熟的軟件，其軟件運行機制和流程都是黑箱，因此教學中很難把模擬理論和軟件的使用相對應，造成模擬理論與軟件操作的嚴重脫節。課程講授中，如果偏重理論，會造成學生對軟件操作能力的不足，而偏重軟件使用，則會造成模擬方案設計欠缺，及對軟件模擬結果分析不足。因此，亟需為學生創建模擬理論到操作軟件的橋梁，讓學生深入理解模擬的本質內涵是計算分析，而不是簡單的軟件操作。

體驗式教學方式的核心是發揮學生能動性，通過學生參與的教學活動，以體驗方式強化能耗模擬知識的經驗增長，以親自參與的方式搭建理論和操作之間的橋梁。學生的具體參與方式為：選取較為簡單的模擬理論，通過自己手動演算或者編程的方式，來完成一個特定問題的模擬分析。建筑技術科學是一門特殊的學科，沒有本科專業，其碩士研究生的本科專業背景眾多，包括暖通、土木甚至計算機應用專業，因此，應充分利用學生的本科專業背景，發揮其特長。教學中，對學生按照不同專業背景進行分組，保證每組既有建筑相關專業學生，又有軟件素養高的相關專業學生。以小組為單位，有人負責理論學習，有人負責計算或編程。

三、建筑能耗模擬課程引入體驗式教學的案例分析

建筑能耗模擬被安排在研一第二學期，學生已學習了建筑能耗計算的相關理論，為進行理論演算奠定了基礎。在2015—2016學年第二學期的建筑能耗模擬課程上開展此次教學改革，將18位學生分為2組，小組1選題為非穩態傅里葉傳熱計算模型，小組2選題為二維結構性熱橋的線傳熱系數計算。每個小組分別由擅長理論計算和計算機編程的學生組成。經過5周的課堂和課后工作，2個小組都提交了計算分析報告和軟件編制說明。2個小組編制的軟件如圖1、圖2所示。小組1采用C++語言編制了帶有交互界面的軟件，其計算參數可以自由輸入，小組2采用C語言編制了無界面的文本運行程序，其運行參數在程序中固定。

（一） 小組1的計算過程分析

傅里葉傳熱計算模型是解決墻體導熱傳熱計算問題的有效方法，采用該方法可在已知墻體兩側空氣溫度情況下，計算墻體兩側的壁面溫度，為墻體傳熱計算以及熱舒適分析等方面奠定堅實基礎。但通常工程計算所采用的穩態方法忽略了氣溫和墻體溫度的動態變化規律，因此必須采用非穩態方法來研究傅里葉的墻體導熱計算模型。

根據建筑熱工原理，墻體導熱傳熱的傅立葉定理一維非穩態計算公式如式1所示。

四、結語

建筑能耗模擬是一門實踐性強，同時理論要求也較高的課程，常規填鴨式教學模式難以滿足教學目標的需求，注重實踐特征的體驗式教學模式鼓勵學生更多地參與教學活動，以其所具備的啟發性、能動性、探索性卓有成效地激發了學生對該課程學習的主觀能動性。在此次教學嘗試中，學生通過參與理論方法梳理、手動演算、程序化設計和編程等環節的訓練，系統地理解了模擬方法，深化了對模擬技術的認識，撥開了模擬軟件神秘的面紗，提高了學生運用模擬方法分析問題的能力。

參考文獻：

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[11]ISO.ISO10211-2：2001 Thermal bridges in building construction， calculation of heat flows and surface temperature， Part 2： Linear thermal bridges[S].2001.

Abstract： To solve the problem of emphasizing too much on theoretical knowledge or software operation practice in the teaching of building energy consumption simulation for graduate students， some building energy consumption calculation methods with moderate difficulty and easy for written calculation were chosen to be programmed and applied in simulation analysis by students. Through the bridge between theory and practice constructed by experiential teaching， students could deepen their understanding of simulation technology. On the basis of consolidating their theoretical knowledge， students have the ability to solve practical problems.

Key words： building energy consumption simulation； experiential teaching； theory of energy consumption calculation； software operation

（責任編輯 周 沫）