對“建筑光學”課程教學改革的思考

[摘 要] 通過對國內(nèi)外“建筑光學”教育情況、教學內(nèi)容、授課方式等方面的研究，結(jié)合內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院“建筑光學”的教學現(xiàn)狀和教學基礎，提出了以問題導入、理論講解、任務設定、實踐和光環(huán)境設計為主線的教學方法。一方面，考慮到課程的理論性，加入實踐實驗，充實理論的講解;另一方面，考慮到課程的綜合性，與課程之間的關聯(lián)性，將知識點進行更加系統(tǒng)化地總結(jié)，以期獲得更好的教學成果。

[關鍵詞] 建筑光學;教學方法;教學模式

[基金項目] 2019年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學校級項目“混合式教學示范課程——建筑光學”（2019030342）

[作者簡介] 蘇曉明（1982—），女（滿族），內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，工學博士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院教授，主要從事建筑光環(huán)境、綠色建筑研究。

[中圖分類號] C229.29 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）11-0057-04 ? ?[收稿日期] 2021-01-20

一、概述

“建筑光學”是高校建筑學建筑物理的主干課程之一，也是理論與實踐緊密結(jié)合的一門課程。建筑光環(huán)境的設計不單影響建筑設計的表達，相關研究表明，良好的建筑光環(huán)境亦有益于建筑使用者的心理及生理健康。同時，隨著綠色建筑設計理念的發(fā)展，綠色建筑光環(huán)境設計更是建筑設計環(huán)節(jié)必不可少的內(nèi)容，建筑師掌握一定的建筑光學知識以及建筑光學設計原則是十分必要的[1]。在綠色建筑設計中，光環(huán)境設計也不再是一個獨立的部分，在設計過程中越來越多地將光、熱與建筑節(jié)能相結(jié)合考慮，成為設備集成化的一部分，完善建筑設備以及建筑環(huán)境的使用。對比國內(nèi)外“建筑光學”的教學課程可以發(fā)現(xiàn)，“建筑光學”的教學在不斷完善的過程中已成為建筑學教學體系中的重要組成部分，“建筑光學”的教育也成為建筑師培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。與此同時，國際建筑光學技術的變革更新更是日新月異，相關理論與技術的研究也更新迅速，但與之相比，國內(nèi)高校針對新技術與新研究的教學內(nèi)容卻并沒有很及時地跟進與革新，教學內(nèi)容與教學方法更新速度相對比較滯后。因此，為了在教學過程中讓學生及時了解建筑光學的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術發(fā)展的最新進展、節(jié)約課時成本，在教學過程中適當?shù)貙鴥?nèi)外最新建筑光學研究進展結(jié)合在教學內(nèi)容中是必要的，這也是“建筑光學”課程教學改革的必然選擇。

本文以內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院“建筑光學”課程為例，分析目前“建筑光學”課程的教學現(xiàn)狀，討論“建筑光學”課程改革方法，以提高“建筑光學”課程教學效果、提升學生學習興趣、擴展學生視野、加強建筑光學在建筑設計中的應用為目的，提出可行的課程教學改革方案。

二、國內(nèi)外“建筑光學”教育研究

國外建筑天然采光及照明的研究起步較早，通過觀測與數(shù)據(jù)分析，建立了較為完善的天空模型。國際照明委員會，從20世紀就牽頭開始在世界范圍內(nèi)設置觀測站，用來觀測和分析世界各地的光氣候數(shù)據(jù)，為建筑采光設計和世界范圍內(nèi)不同光氣候條件下的天空模型建立提供有效的依據(jù)，并且國外在研究采光設計策略的同時也逐步重視對室內(nèi)光環(huán)境舒適度評價的研究。隨著近年來國外綠色建筑設計理論的發(fā)展和進步，采光與照明也越來越多地被納入整個建筑節(jié)能設備系統(tǒng)中進行研究和應用，基于此，國外高校的“建筑光學”教育也針對這些主題和技術更新設置中高級的課程，開設課程的時間比較靈活，會根據(jù)實踐與實景實驗環(huán)節(jié)進行調(diào)整，并且在理論學習的同時也注重理論研究在實踐環(huán)節(jié)中的應用[2]。

在我國高校中，“建筑光學”開設學時一般在26～32學時不等，開課方式有些學校采取“建筑光學”單獨開課，或?qū)⒔ㄖ鈱W作為“建筑物理”課程的一部分進行授課，上課時間集中，利用短時間集中授課的方式以講解建筑光學理論知識為主，而建筑光學知識的講授主要以教材為主，結(jié)合實際案例分析與實踐課程設計開展“建筑光學”課程較少，理論與實踐的結(jié)合主要通過課程中設置的實驗環(huán)節(jié)，但是實際的建筑光環(huán)境是復雜且多變的，更是難以單純依靠實驗儀器測評光環(huán)境進而開展建筑光環(huán)境設計，因此，實際的教學過程具有一定局限性。學習內(nèi)容停留在理論學習層面，與主干設計課程的脫節(jié)使學生學習興趣不高，這也直接導致“建筑光學”教學在長時間內(nèi)沒有新的教學方法的探索和突破。

三、“建筑光學”課程教學現(xiàn)狀

“建筑光學”課程是我國高校建筑學專業(yè)基礎課程之一，在教材選擇方面，主要以劉加平主編的《建筑物理》與柳孝圖主編的《建筑物理》高校教材中的建筑光學部分為主[3]，依據(jù)這兩本書的內(nèi)容，分別從天然采光方面，與建筑人工照明方面向?qū)W生講授建筑光學以及建筑光環(huán)境的基本知識。

作為建筑物理的一部分進行學習，有利于建筑光學部分與建筑物理其他部分學習內(nèi)容的銜接，但也因此，作為整體學習的一部分，在有限的教學課時中需要找到建筑物理學習中“全”與“深”的平衡，課程要點在“建筑物理”聲、光、熱等部分要分布均勻。因此，在有限的課時中，便只能求“全”舍“深”，這也是“建筑物理”各部分的教學內(nèi)容長時間偏重理論知識的學習，而無法深入到對“建筑物理”的研究層面的原因。

人從外界獲取的信息大部分是通過眼睛[4]，光也是更容易被獲取的環(huán)境要素。相比于“建筑物理”的其他部分，建筑光學部分有較多的圖片和案例可以欣賞，有較直觀的主觀感受[5]，并且在光學測量方面有豐富的儀器可以提供客觀的參數(shù)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的建筑光學模擬軟件也可以準確地模擬出建筑室內(nèi)光環(huán)境的日照參數(shù)及采光參數(shù)，豐富的主觀評價手段及客觀測量方法在一定程度上有助于學生對建筑光學知識的理解。但同時，“建筑光學”課程中也涉及復雜的建筑采光及照明的公式計算與主觀評價方法，相關軟件模擬也要求對基礎參數(shù)有一定了解和敏感度，建筑光環(huán)境的模擬也需要了解參數(shù)的設置背景與參數(shù)修正的方法。這就要求學生不只要掌握建筑光學的相關理論知識，還要掌握相關實驗設置的光氣候概況與材料概況，即建筑光環(huán)境的影響因素。

對比國內(nèi)外建筑光學設計的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，國外的建筑光學研究起步較早，在建筑光環(huán)境主觀評價與光環(huán)境模擬、關注光環(huán)境健康的基礎上，對建筑光學的研究更多地結(jié)合建筑節(jié)能以及建筑設備一體化進行研究，隨著國內(nèi)近些年綠色建筑設計理念以及技術的發(fā)展，這也必將是國內(nèi)建筑光學研究的發(fā)展趨勢。

四、“建筑光學”課程教學方法研究

針對以上課程教學現(xiàn)狀中存在的問題，內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院“建筑光學”課程主要通過以下幾個方面進行課程改革。

（一）教材建設

本課程在教材建設方面，改變了原來使用單一教材的局面，啟用了一本核心、兩本輔助、多本參考的教材系統(tǒng)。

“建筑光學”與“建筑聲學”“建筑熱工學”合稱為“建筑物理”，是建筑學專業(yè)學生必修的一門基礎課。其中，核心教材《建筑物理》主要用于掌握建筑光學的核心內(nèi)容，并適當選用前沿的中英文相關科研與技術文獻作為輔助教材，用于知識的補充講解和課堂練習。課程以國內(nèi)《建筑物理》（四校合編）為核心，在整體的教材建設改革中，需要在核心教材的基礎上完成對知識點深入與知識點外延拓展的過程，這不僅需要傳統(tǒng)教材作為基礎，更需要對輔助教材的合理選擇，在一定程度上也需要通過學生自主選擇來完成教材的拓展與深化。

（二）授課方式

在針對教材的改革以及對傳統(tǒng)教學過程的枯燥、單調(diào)進行的改進，擬通過以下幾個方面對課程的講授方式進行改革和優(yōu)化。

第一，教學方法、手段與過程。結(jié)合內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院“建筑光學”的教學現(xiàn)狀和教學基礎，通過對“建筑光學”課程進行混合式、多元式的教學改革，發(fā)揮“線上+線下”式教學模式、實際案例的資源優(yōu)勢，充分調(diào)動學生在“建筑光學”課程中的學習積極主動性與自主探索性，在提升學生專業(yè)技能的同時也更注重學生全方位學習能力的培養(yǎng)。形成“線上+線下”資源綜合利用的教學方法，“課上+課下”持續(xù)學習的學習風氣[6]。針對教學內(nèi)容設計系統(tǒng)性的學生實踐內(nèi)容。

第二，“建筑光學”實驗的改革。內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院“建筑光學”課程自課程設計之初就是以理論講授為主，經(jīng)過第一次改革后，原來2學時的理論課調(diào)整為1.5學時的理論教學和0.5學時的實踐教學，另外增加了兩次的專題實驗課。在以往的授課過程中，建筑光學實驗環(huán)節(jié)也一直是“建筑光學”教學的重要部分，但是建筑光學實驗長期以來是以建筑光學實驗室的實驗內(nèi)容為主，這也造成建筑光學實驗內(nèi)容單一的問題[7]。因為實驗室精準的參數(shù)設置，實驗結(jié)果是可以預判的，重復多次的可預判結(jié)果在一定程度上也使實驗結(jié)果脫離了實際。因此，建筑光學實驗的部分，應當以建筑光學實驗室實驗為基礎，將實驗部分擴展到不同類型的實際建筑環(huán)境中。并針對教學內(nèi)容將實驗的時間選擇為全年的典型氣象日，通過實驗積累大量的實驗數(shù)據(jù)，用于建筑光環(huán)境的分析。選擇實際建筑光環(huán)境為實驗對象可以豐富實驗內(nèi)容，與傳統(tǒng)實驗室實驗的“可控性”相比，實際建筑光環(huán)境實驗的“不可控”與實驗結(jié)果的“不可預知”更符合建筑現(xiàn)狀。

建筑光學實驗這一部分既不同于理論，也在一定程度上有別于實踐，所以建筑光學實驗應當作為一個獨立的部分進行教學的優(yōu)化和改革，也應當作為“建筑光學”教學改革的一部分得到重視。

第三，增強案例分析與光環(huán)境設計環(huán)節(jié)。建筑光學有較強的主觀體驗性，建筑光環(huán)境的評價在初期是需要經(jīng)驗與技術手段的，而在教學環(huán)節(jié)中，將建筑光學知識應用于建筑設計更是一個需要積累的過程，所以在以“建筑光學”的思路進行建筑設計之初，可以通過案例分析幫助學生對建筑光學基礎知識作用于建筑進行理解，并且可以通過案例分析完成對建筑光環(huán)境的主觀評價，相比于直接講解建筑光學基礎知識，案例分析可以將書本的內(nèi)容結(jié)合實際案例，讓學生形成更主觀、更直接的對于建筑光環(huán)境的理解。

目前，我校的“建筑光學”課程沒有相應的光環(huán)境設計環(huán)節(jié)，建筑光學基礎知識與實驗環(huán)節(jié)與光環(huán)境設計結(jié)合不緊密，因此，在基礎知識學習與實踐環(huán)節(jié)之后，要主動引導學生思考，將所學光學知識用于建筑設計，可通過個人或小組合作的形式，結(jié)合課程專題設計，讓學生對特定建筑設計方案的光環(huán)境進行初步設計[8]，完成由理論到實踐轉(zhuǎn)化的全過程，真正完成一個建筑光學單元的學習。

第四，以建筑光學模擬軟件為實踐作補充和檢驗。現(xiàn)有的Ecotect、Radiance和Daysim等建筑光環(huán)境模擬軟件可以精確地模擬、渲染建筑室內(nèi)光環(huán)境，是分析和設計建筑光環(huán)境的主要方法之一，可以用于探究采光影響因素的影響規(guī)律。但這些軟件卻很少應用于“建筑光學”課程中。建筑光學實驗所得的數(shù)據(jù)的數(shù)字化內(nèi)容在光學層面是“不可視”的，數(shù)據(jù)也不能直接反應光環(huán)境的優(yōu)劣，因此，數(shù)據(jù)需要通過相關模擬軟件的轉(zhuǎn)譯才能作為實際的設計策略應用于建筑設計之中。

軟件模擬是研究建筑光環(huán)境的一種重要手段，馬特奧·奧米（Matteo Iommi）[9]在《馬里奧·里多爾菲的Ex GIL意大利馬切拉塔理性主義建筑中的自然光，原建筑的虛擬重建和日光分析》中根據(jù)建筑師里多爾菲（Mario Ridolfi）設計的意大利馬塞拉塔建筑的室內(nèi)采光水平、原有的組成和內(nèi)部分布，進行了分析和評價。為了評估和表示室內(nèi)自然光的水平進行的模擬，涉及對原始建筑的大小、建筑構(gòu)件尺寸和內(nèi)部分布的三維虛擬重建，利用先進的太陽能照明設計工具，根據(jù)ISO/CIE標準，采用國際技術照明計算，進行采光模擬。最后，將得到的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果與現(xiàn)行監(jiān)管標準進行了比較和評價。國內(nèi)近年來也越來越多的利用模擬軟件對窗洞口尺寸、建筑材料反射系數(shù)、空間參數(shù)等數(shù)據(jù)進行調(diào)整，進而進行影響因素分析和優(yōu)化設計。可以看出，軟件模擬可以充分結(jié)合主客觀因素對建筑光環(huán)境進行全面的分析和評價，可以充分應用于建筑光環(huán)境的案例分析、實驗設計與課程設計當中[9]。

因此，在解決相關理論與主干設計課程結(jié)合不緊密以及實驗設計結(jié)果不可視的問題上，建筑光學模擬軟件在教學過程中的引入可以為此提供一個新的解決思路。

（三）改革目標

在師資培養(yǎng)方面，通過教師團隊的密切合作，完成教學內(nèi)容研究、教學方法研究、混合模式教學應用研究，教學資源準備整理優(yōu)化等環(huán)節(jié)，從多方面提升本團隊成員的素質(zhì)。這將主要體現(xiàn)在相關教學研究項目的申請、教學教改論文的發(fā)表、教學質(zhì)量的提升、教學方法在其他課程中的推廣應用等。

在學生培養(yǎng)方面，讓絕大部分學生掌握建筑光學基本理論知識與時間設計手法，并能夠應用在相應的案例分析與建筑設計中;拓寬學生的國際視野，通過課上講授讓學生對行業(yè)內(nèi)先進、實時的技術與科研動態(tài)有一定的了解;學生團隊合作能力實現(xiàn)提升，部分小組形成穩(wěn)定團隊，在大創(chuàng)等競賽中持續(xù)組隊;學習興趣高漲，結(jié)課后仍有同學繼續(xù)深入學習。

五、結(jié)語

與國外的“建筑光學”教育與技術發(fā)展環(huán)境相比，國內(nèi)高校的“建筑光學”教育無論是在教材更新方面還是教學內(nèi)容方面都有一定的差距。而營造良好的建筑光環(huán)境是建筑師進行建筑設計時必要完成的目標之一，結(jié)合教育的個人需求以及社會需求兩方面，提升“建筑光學”教學品質(zhì)與教學效果，有助于學生專業(yè)眼光的擴展與學習方法的深化。豐富的案例分析、實驗設計、實踐課程與光環(huán)境設計環(huán)節(jié)能夠使學生加深對建筑光學知識的理解，為建筑設計以及理論研究提供一個全新的視角和方法，能夠為培養(yǎng)今后合格的建筑師打下堅實的基礎。這要求教師在組織和計劃教學活動之初就要充分考慮到教學內(nèi)容理論與實踐的銜接與創(chuàng)新性培養(yǎng)，要用嚴謹?shù)恼n程設計邏輯與合理的教學手段激發(fā)、培養(yǎng)學生對“建筑光學”課程的興趣，實現(xiàn)在“建筑光學”教學過程中的“寓教于樂”（樂趣）、“寓教于踐”（實踐）、“寓教于時”（時下行業(yè)熱點），“建筑光學”的教學才能取得突破、取得良好的效果。

參考文獻

[1]陳仲林，嚴永紅.建筑光學教育研究[J].高等建筑教育，2008（2）：1-3.

[2]翟會芳，嚴永紅.建筑光學啟蒙教育的探索——MIT建筑系“熒光閃爍”工作坊的啟示[J].照明工程學報，2019，30（5）：151-156.

[3]孫嶠.建筑物理課程教學模式的改革與探索[J].高等建筑教育，2009，18（6）：63-65.

[4]王建華，陸風華.“建筑物理”光學實驗改革初探[J].太原理工大學學報（社會科學版），2001（S1）：113-114.

[5]劉培杰.淺談建筑物理光環(huán)境的“教”與“學”[A].中國建筑學會建筑物理分會.城市化進程中的建筑與城市物理環(huán)境：第十屆全國建筑物理學術會議論文集[C].中國建筑學會建筑物理分會，2008：3.

[6]葛堅，李效軍.建筑光學多媒體教學改革初探[J].高等建筑教育，2000（3）：28-29.

[7]李冰，梁光勇.建筑光學實驗的教學改革探討[J].亞太教育，2016（20）：283-284.

[8]張家瞳.融于建筑設計課程的建筑物理教學探討[J].居業(yè)，2019（7）：24-26.

[9]Iommi M. The Natural Light in the Italian Rationalist Architecture of Ex G.I.L. of Mario Ridolfi in Macerata. The Virtual Reconstruction and the Daylight Analysis of the Original Building[J]. Energy & Buildings， 2016，113（8）：30-38.

Reflections on the Teaching Reform of Architectural Optics Course

SU Xiao-ming

（School of Architecture， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China）

Abstract： Based on the research of domestic and foreign architectural optics education， teaching content and teaching methods， and combined with the teaching status and teaching basis of Architectural Optics course in the School of Architecture of Inner Mongolia University of Technology， this paper puts forward the teaching method of taking problem introduction， theoretical explanation， task setting， practice and light environment design as the main line. On the one hand， considering the theoretical nature of this course， practice experiments are added to enrich the theoretical explanation. On the other hand， considering the comprehensiveness of this course and its relevance to other courses， the author has summarized the knowledge points in a more systematic way in order to obtain better teaching results.

Key words： ?Architectural Optics; teaching method; teaching model