建筑照明研究生培養模式的創新與實踐

黨 睿，張鋒輝

(天津大學建筑學院，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

引言

隨著我國經濟社會的快速發展，對建筑照明的需求逐步提高，實際建設工作量普遍加大[1]，因此需要大量具備專業素質的人才從事該領域的研究、設計和管理工作[2]。建筑照明作為建筑技術科學專業的重要方向之一，擔負著為社會培養該領域優秀人才的任務[3]。但由于我國目前絕大部分高校尚未開設建筑技術科學的本科生教育，同時建筑照明涉及建筑設計、城市規劃、建筑物理、建筑電氣等多學科交叉，因此跨學科招收研究生成為本專業的一大特色。

1 照明人才培養存在的問題

天津大學建筑學院建筑技術科學研究所在長期教學實踐中發現，在上述背景下的研究生培養存在如下問題：

第一，由于本專業研究生生源的學科背景多樣，既包括建筑學相關專業，也有土木工程、電氣工程、暖通空調等其他理工科專業，因此學生的知識結構和思維方式存在較大差異，他們在學習過程中所遇到的問題也不盡相同。但目前尚未根據這一學生特點采取差別化、有針對性的培養模式，以至于教學效果和學生學習效率不甚理想。

第二，目前仍采用傳統的技能型、記憶型、被動式教學方法，這對于建筑照明這一以多學科知識綜合應用和對最新技術把握為特點的專業來講，不利于對學生綜合分析、處理問題、知識更新等能力的培養，尤其不利于引導研究生打破現有思維范式，提高科技創新能力和設計水平[4]。

第三，教學模式仍以理論授課為主，而實驗設計能力、現場檢測能力、光環境評估能力等專項技能培養不足。尤其是作為重要工具的數字化模擬分析平臺，學生缺乏對各類型軟件的深入了解從而不知如何進行選擇，不同專業背景學生遇到的學習困難區別較大，不能將數字模擬分析、實體模型實驗、現場參數檢測相結合，導致模擬的真實性和準確性存在問題。

第四，雖然研究生能夠參與實際科研項目和工程設計工作，也可將所學基本理論知識應用于實踐，但對于研究框架搭建、技術路線制定、關鍵問題分析等重要環節的把握能力欠缺，這些工作還需要由導師完成，學生只能解決具體技術問題，即仍停留在應用層面，創新性明顯不足。而研究生的培養目標是高級專業人才，創新能力是其應該具備的素質，如何實現由應用型向創新型人才的跨越，以及如何將創新性成果應用于實踐項目是亟待解決的問題。

因此，基于學生專業背景和學科發展特點，調整和改革既有教學模式，對于培養高素質建筑照明人才，使之更加適應社會發展需求具有重要意義。

2 培養模式的創新

建筑照明專業研究生的學科背景可分為建筑學和理工科兩大類，兩類學生的知識體系、思維方式、專業技能存在很大差異。前者建筑學基礎好，思維活躍，想象力豐富，繪圖表現能力強，處理問題多采用定性分析和經驗參照，但這類學生缺乏數學等理工科知識，邏輯分析和量化計算能力較差；后者邏輯思維能力強，有扎實的數學物理基礎，熟悉定量化研究方法和手段，但學生缺乏建筑學知識，空間想象力不足，繪圖和表現能力較差。基于上述特點，制定了如下四個階段的創新培養方案。

1)跨學科基本素質培養。對學生進行分階段、分專業的單項知識和技能培訓,使各專業背景的學生完成照明基礎知識儲備，形成初步跨學科知識體系。對于建筑學背景學生，該階段以加強邏輯思維能力和掌握科學定量化手段為重點，在培養過程中布置如照度和眩光等參數計算、現場光環境測試、實驗過程設計、指標研究分析、照明數量和照明質量評價等常用科學化定量手段和工具；對于理工科背景學生，由于在本科階段未接受過城市規劃和建筑學教育，對建筑物理中的光學部分更無深入了解，因此這類學生的培養重點為彌補城市和建筑基本知識，熟悉建筑光學基本內容，了解燈光、城市、建筑間的相互關系，培養過程中布置城市道路、居住小區、建筑單體、簡單室內空間的光環境設計，在設計過程中使學生熟悉照明指標、照明方式、光源燈具等基礎知識以及照明設計的流程和主要方法，并了解照明設計中遇到的主要問題。

2)跨學科數字化應用技能培養。數字化平臺在建筑照明的設計及研究中發揮著重要作用，其主要分為兩類：第一類是如Dialux等輔助設計平臺，通過計算機繪制布燈圖和照度模擬圖等，提高照明設計的效率和精確性；第二類是如Energy plus等研究分析平臺，通過對環境信息及能耗情況進行模擬計算，為綠色照明研究提供科學依據。建筑技術科學研究所在研究生數字化應用技能培養過程中發現存在如下兩個問題：首先，學生不同的專業背景使他們在學習過程中面臨著不同困難，建筑學背景學生對于前期的建筑分析、模型建立、空間光環境布局等過程操作較為順利，但后期的邊界條件設定、數值計算、參數分析等量化過程存在障礙，而理工科背景學生的情況剛好相反；其次，數字化平臺的關鍵是如何提高模擬的真實性和準確性，而這必須結合現場檢測和模型實驗，通過檢測和實驗數據校正軟件參數設定值，經優化后達到準確模擬效果，但目前學生對于這幾種手段的配合使用尚不能很好掌握。

針對上述問題，分別制定如下兩項數字化平臺應用教學方法。首先，針對建筑類和理工類學生各自特點，以及在數字化平臺應用中面臨的不同問題，以小組為單位進行學習與研究，每個小組均由兩類學生構成，這樣可充分發揮學生各自的優勢并彌補自身不足，以團隊合作方式共同解決在建筑分析、模型建立、參數設置、模擬計算全流程學習中的問題，使研究生具備跨學科解決問題的技能，應用多學科的研究方法、測試方法、試驗方法、分析放方法來解決實際問題。其次，以核心課程“建筑物理測試技術”為基礎進行擴容，教學中加入數字化平臺應用相關內容，使軟件模擬和現場測試有機結合，培養學生利用實測數據校正軟件參數和邊界設定值的能力，提高軟件模擬的真實性和精確性；同時基于“天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室”，讓學生掌握實驗室光學設備的操作技能及操作方法，進而使他們具備通過實驗室實驗結果校正數字化模擬準確性的能力。

3)跨學科思維培養。在完成單項技能的訓練后，學生初步掌握了建筑照明所需要的跨專業知識體系雛型，能夠運用科學方法和手段解決常規問題。為了進一步提高學生綜合能力，以應對本領域內復雜的科學問題，提出培養學生“一種思維，三種能力”，即跨學科邏輯思維和洞察力、思辨力、執行力[5]。跨學科邏輯思維能夠幫助學生打破原有學科背景的思維束縛，從待解決問題出發，運用線性思維的深入性和發散思維的開闊性，多維度、多角度思考問題解決途徑，并選擇最佳方法深入研究并最終解決問題。洞察力、思辨力和執行力是處理問題的三種必備能力，在跨學科思維的指導下，洞察是以多學科角度審視提出問題，思辨是以多學科知識體系究其根源，執行是以多學科方法解決問題。

該階段培養方式以學生參加大中型綜合科研課題為主，跨學科思想體現在科研全過程的各個環節中：在科研啟動時，以跨學科的角度去審視和發現問題；在科研展開時，以解決問題為核心目標，有機融合專項研究和跨學科綜合研究；在科研結題時，協調考慮各項研究結果，以跨學科思維找到最優化解決方案。

4)跨學科實踐能力培養。在完成跨學科基本素質、數字化應用技能、思維方式的培養后，不同專業背景的學生已基本具備了從事照明設計和科研工作的能力，因此需要根據不同培養方向制定側重點不同的實踐能力教學計劃，使他們以基本素質為基礎，以數字化應用為手段，以思維方式為核心，通過實際項目訓練提升跨學科實踐能力。

目前建筑照明方向的研究生培養類型分為兩種[6]。一種是專業型，即以專業實踐為導向，重視實踐和應用，培養在照明設計中的高層次人才，目標是為設計部門提供設計師，對于該類學生，側重工程實踐項目，使學生掌握從項目策劃、方案構思、圖紙繪制、安裝施工、檢測驗收等照明工程完整體系，在滿足光環境使用功能的前提下，培養學生的方案創新能力、與甲方溝通能力、成本控制能力、團隊協調能力，在該過程結束后，使學生成為能夠帶領團隊完成實際項目的高水平設計師。另一種是學術型，即以學術研究為導向，偏重理論和實驗，培養在照明領域的科研人員，目標是為攻讀博士打好基礎，為科研院所提供學術骨干，針對學術型研究生，側重于科學研究項目，使學生掌握從國內外文獻跟蹤、關鍵問題提取、技術路線制定、實驗模擬分析、研究成果凝練等科研全流程體系，著重培養研究生針對待解決科學問題、基于知識儲備和邏輯思維、制定科學可行的研究技術方案、通過實驗和模擬分析等手段解決問題的能力，使學生達到帶領研究小組完成某項科研課題的水平。

3 培養模式的實踐

通過上述方法，建筑照明方向培養的研究生在跨學科基本素質、跨學科數字化應用技能、跨學科思維、跨學科實踐能力四個方面均有較為明顯地提高，并且能夠綜合運用上述四種能力解決較為復雜的科學問題。

例如在國家自然科學基金《展陳照明中白光LED對中國書畫光照影響定量化研究》的科研實踐中，所要解決的問題是如何得到博物館展陳照明中白光LED對書畫類展品的量化影響，這是一個較為復雜的科學問題，而如何設計光照影響實驗作為關鍵點涉及到多學科交差，對素質、技能、思維、實踐能力均有很高的要求。研究生在課題研究中，基于扎實的跨學科基本素質，運用創新思維能力，逐步制定出“以組成白光LED的紅、黃、綠、藍四種主要單色光為實驗光源，長期照射書畫試件并周期性進行試件色彩參數和微觀形貌參數測量”這一技術路線，通過數據分析確定白光LED對書畫類文物展品的量化影響。但在如何得到比較純凈的單色光問題上，學生們遇到了新的困難：激光是比較理想的方法，但價格高昂不易實現，單色LED雖然經濟，但精度較低且不能得到任意顏色的單色光譜。最終科研小組經過討論，以建筑光學、光譜學和色度學的跨學科思維方式，確定使用鹵鎢燈結合單色濾光片和紅外濾光片的方法，得到了滿足實驗要求的單色光譜。實驗所測數據分析也是整個研究的重要組成部分，需要將海量數據通過計算機擬合為各參數隨時間周期衰變曲線，并進行大樣本綜合計算分析，這對跨學科數字化應用技能要求很高，研究小組對任務進行了明確分工，熟練運用計算機手段完成了數據分析任務。從事該項研究工作的兩名研究生，分別撰寫了《適用于中國脆弱文物照明的LED光源損傷度評估方法》[7]和《基于顯色性能和色彩保護的中國脆弱文物照明LED光譜優化》[8]碩士學位論文，并均獲得了2019年度天津大學優秀研究生畢業論文。

通過學生在該課題中的科研實踐表明，經過新型教學方式培養出的研究生具備較好的跨學科基本素質和跨學科數字化應用技能，并能夠基于跨學科思維方式將所學知識在解決復雜科學問題過程中進行實踐應用。

4 結語

通過對研究生跨學科教學方法的探索，提高和改善不同專業背景學生的知識結構、操作技能和思維方式，使學生具備較為完善的知識結構體系，能夠熟練運用專業技能解決實際問題。此基礎上著重培養他們對于新知識、新技術、新趨勢的判斷把握能力、對問題的綜合分析能力和創造性思維能力，使其具備進行科學研究工作的知識、技能以及創新性思維方式。