PBL教學法在建筑物理實驗教學中的應用

周 琴，張九紅，陳 沈

(東北大學 a.江河建筑學院;b.遼寧省城市與建筑數字化技術重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

建筑物理實驗課程是建筑學專業技術教育的重要環節，其主要目的在于：通過親自操作建筑熱光聲環境的測試和模擬實驗，讓學生感受并理解建筑物理環境與建筑的形式、空間和設計構造之間的關系，以加深建筑物理知識與建筑設計的融合并將其應用于建筑設計創作之中[1].

在建筑學教學中，設計課程作為貫穿大學5年的主要課程，是學生掌握技術最重要的課程. 如果建筑物理實驗服務于建筑設計課程，則可以激發學生主動探索物理環境與建筑設計之間關系的興趣，增強本科生實驗設計和科學研究的能力，為學生進行建筑設計和參加創新競賽打下基礎. 傳統的建筑物理實驗以演示性或驗證性實驗項目為主，很難做到讓學生有針對性地將建筑物理環境與建筑設計相融合，故在建筑物理實驗教學中引入PBL教學法，能夠充分調動學生的主觀能動性，從而取得更好的教學效果.

1 PBL教學法概述

PBL(Problem-based learning)教學模式是指以提出并解決問題作為學習手段，以小組合作作為學習基本單位，以學生作為學習主體的教學方法. PBL教學法最早起源于20世紀50年代的醫學教育[2]，在高等教育的理論教學中已被廣泛推廣[3]，但在實驗教學中的應用還處于探索初期.

PBL教學法具有以下特點[4-7]：

a.以問題為學習的起點，以學生為學習主體，激發學生的學習熱情，變被動學習為主動學習；

b.教師在教學中起引導和解惑的作用，解決學生在自學中遇到的困難，對教師要求較高；

c.除了傳統的考試(在實驗教學中為實驗報告)，更推薦采用匯報形式評價教學成果，可將評價納入學習環節，以評促學.

PBL教學法以解決問題作為學習的目的，教學內容圍繞單點問題展開，該教學形式非常適合于以實驗項目為單位的實驗教學. 在實驗教學中引入了PBL教學法，以受教學生作為研究對象，采用對比組的方法研究，對PBL教學法的必要性、實施情況以及學生的學習積極性、知識掌握程度等方面進行了調查[8-9]，發現PBL教學法對提高學生的學習興趣和積極性有較好的效果，普遍認為PBL教學法可很好地應用于實驗教學. 采用PBL教學法的學生在實驗內容考核上的成績也明顯優于傳統實驗教學法的學生. 由此可見，PBL教學法可以用于實驗教學，而針對不同的實驗項目，如何合理利用PBL教學法，形成合適的教學方案是需要解決的問題.

2 PBL教學法在實驗教學中的實施方案

傳統的實驗教學一般分為3個環節，如圖1所示，稱為驗證性實驗. 教師是實驗的主體，學生按照教師安排好的實驗步驟進行實驗操作，得出統一的實驗結果，這樣的實驗教學缺乏將實驗結論與建筑設計相融合的過程[10-11].

圖1 傳統的建筑物理實驗流程圖

采用PBL教學法后，將驗證型實驗變為設計型綜合性實驗，將傳統的3個教學環節拓展為5個教學環節,如圖2所示.

圖2 基于PBL教學法的建筑物理實驗流程圖

a.第一環節與傳統實驗教學的第一環節相對應，補充實驗設計的相關內容，為學生制訂正確的實驗方案打好基礎.

b.第二環節中學生提出問題，并基于問題制訂實驗方案，教師進行審核. 該環節是PBL教學改革的關鍵，學生是學習的主體，教師對學生提出的問題和實驗方案起到引導和審核的作用. 學生可以根據自己的建筑設計提出感興趣的問題，將實驗與設計課相結合，利用建筑物理學原理輔助建筑設計. 該環節對于教師的要求較高，教師既要審定學生提出的問題是否合理，又要判定根據現有條件，學生的實驗方案是否切實可行.

c.第三環節是學生修改實驗方案，教師進行二次審核，是對第二環節的補充.

d.第四環節是開展實驗. 由學生根據實驗方案自主開展實驗，實驗過程中需要教師持續跟進.

e.第五環節是實驗評價環節. 采用小組匯報的形式進行考核，要求教師給出的成績與學習效果相符，使評價更加客觀[12].

3 建筑熱環境參量測定實驗教學案例

3.1 實驗簡介

建筑熱環境參量測定實驗是建筑熱工學中的基本實驗項目，實驗操作簡單，多為演示性實驗. 實驗的目的：使學生了解建筑熱環境參量測定的基本內容，初步掌握常用儀器儀表的性能和使用方法，明確各項測定應達到的目的，并對影響生理感受的熱環境值有定量的認知[13]. 實驗儀器有溫濕度測定儀、黑球輻射儀、風速測定儀. 實驗內容為溫度的測定、空氣相對濕度的測定、氣流速度的測定、室內平均輻射溫度的測定.

3.2 課堂實錄

3.2.1 同一建筑室內典型位置的熱環境差異

提出問題：不同功能的房間，其“冷熱”情況不同，是真的如此嗎？

實驗結果：測得不同功能空間的熱環境參量，根據

PMV=[0.303e-0.036M+0.027 5]{M-W-3.05×[5.7-0.007(M-W)-2.33φ]-

0.42(M-W-58.2)-0.017 3M(5.867-2.33φ)-0.001 4M(34-ta)-

教學提高：重點探究實驗結果與建筑設計之間的關系，通過定量對比，學生可以直觀地感受到不同空間中熱環境參量的不同，并從建筑設計的角度分析其成因及是否合理.

例如：對于展覽廳，從實驗結果可知，其全天的溫、濕度遠低于其他空間，其原因為：空間功能需求方面，展覽廳主要用于展覽與游憩，并考慮與中庭的景觀滲透，決定了其具有通透、寬闊的空間特點. 為使展覽廳更加寬闊，通透感更強，圍護結構大范圍采用玻璃幕墻，而玻璃幕墻對于溫度和濕度的保持能力較差，故該區域熱舒適度系數較低，屬于偏冷區域，同時考慮到展覽廳不是教師及學生長期活動的空間，一般逗留時間不會超過0.5 h，并且會穿著外衣，故雖然展覽廳溫度較低，仍處于可以接受的范圍內.

3.2.2 開窗通風對冬季供暖房間環境熱參量的影響

根據世界銀行的定義，困境兒童(orphans and vulnerable children)指18歲以下的未成年人，由于各種原因，缺少或很可能缺少適當的照料和保護，并且易受傷害的兒童。從根本上看，與成年人相比，所有的兒童都更易受傷害。但是，有一些兒童，因為環境的因素，比其他的兒童更易受到傷害。而且，兒童期的不利事件，對兒童的影響特別大，可能對他們的一生產生影響。處于困境的兒童，可能面對惡性循環：生活中的一個困境事件的出現，可能導致兒童進一步落入更為困難的境地。

提出問題：冬季供暖房間需要開窗通風嗎？如果需要，開多少扇窗，開多長時間合適？

實驗設計：實驗地點選擇學生宿舍，測試時間段為18：30-20：30，每隔15 min測量1次測試點的相對濕度、室內空氣溫度、室內平均輻射溫度等數據，測量結束后等待室內熱環境參量還原，改變開窗數量重復實驗. 開窗通風寢室及測點示意圖如圖3所示.

(a)

實驗結果：兼顧對熱舒適度及通風效果的考慮，得出北向宿舍冬季合適的通風策略為開2扇窗，通風15～20 min為宜.

教學提高：重點在于將實驗內容和學生實際生活緊密聯系起來，解決學生感興趣的問題. 北方高校宿舍冬季大多依靠輻射換熱器集中供暖，學生為了維持宿舍室溫而減少或者取消開窗，導致室內空氣質量差. 因此實驗小組以學生寢室開窗通風策略為研究課題，探究合適的開窗方式與通風時間. 學生根據實驗結果，進行數據分析，查閱《ASHRAE：55-2017人類居住熱環境條件標準》等文獻，加深了對PMV-PPD熱舒適指標的理解與認識，得出實驗結論，并增強了自主研究能力和團隊合作能力.

其他課堂實錄如圖4所示.

圖4 課堂實錄

3.3 PBL實驗教學實施難點與解決方案

PBL實驗教學存在以下困難：

a.實驗時間分散. 以往每個實驗項目的時間和地點較為固定和集中，而在進行PBL實驗教學改革后，各小組的實驗時間從實驗設計到實驗過程都比較分散，實驗課時間安排上難度增加.

b.教師與學生工作量增大. 以往教師只需備1次課，就可以教授所有學生，在進行PBL實驗教學改革后，驗證性實驗變為設計型綜合性實驗，教師需要對每個實驗方案進行檢查和修改，并對每個實驗小組單獨指導，工作量大幅增加. PBL教學改革下的實驗教學是以學生為主體，需要學生主動參與，并自己提出問題，查閱資料，設計實驗方案，最后進行實驗匯報，學生花費的時間和精力也大幅增加.

c.制訂的實驗方案需切實可行. 制訂實驗方案是整個PBL教學改革中難度最大的部分，可以看到學生提出的問題能夠探究建筑物理環境與建筑設計之間的關系，但是由于缺乏設計實驗的理論基礎和經驗以及對儀器設備不夠了解等原因，學生的實驗方案往往不能滿足要求.

對應于PBL實驗教學改革實施中的困難，可以參考以下解決途徑：

a.利用線上教學. 將第一教學環節錄制成教學視頻發給學生，讓學生自學，學生線上提交實驗方案，教師線上批閱和修改；而線下教學在后續兩個教學環節開展，這樣可以減少實驗課的分散度，靈活利用時間，降低實驗教學的組織難度.

b.政策上鼓勵和傾斜，并合理設置PBL實驗教學的數量和內容. 學校或學院應當鼓勵將PBL實驗教學作為實驗教學改革項目，在實驗學時系數、資金支持、績效評定上給予傾斜和幫助，并增加教師工作量的補償，以激發教師的積極性. 考慮到PBL實驗教學項目會占用學生大量時間和精力，所以實驗項目不宜超過總實驗項目數量的50%，同時應增加PBL實驗教學的分數占比，讓學生的付出與成績成正比.

c.提高學生設計實驗的水平. 在PBL教學法實施的第一學年，教師和學生在實驗方案修改上都花費了非常多的精力，而在第二學年線上授課時，添加了實驗設計的相關理論，學生提交的實驗方案可行性大幅度提升，因此，進行實驗設計的理論學習是提高學生設計實驗水平的有效手段.

4 PBL教學的效果評價

PBL教學法在東北大學江河建筑學院建筑物理實驗課上應用已有2年時間[18]，對建筑系2017級和2018級120余名學生進行問卷調查，結果表明：100%的學生認為PBL教學法可以更好地探究建筑物理環境與建筑設計的關系，對于建筑設計課程具有啟發意義；100%的學生認為PBL教學法可以加深其對實驗項目的理解，學到更多的知識，教學效果優于普通實驗教學；95%的學生認為PBL教學法增加的工作量是可以接受的；78%的學生承認PBL教學法的實驗結果可以利用在創新競賽中；只有51%的學生接受所有實驗項目都采用PBL教學法.

5 結束語

PBL教學改革后的建筑物理實驗可以服務于建筑設計課程，讓學生自覺地將建筑物理知識應用到建筑設計中，并且為創新競賽項目提出創造性的想法，使學生掌握實驗設計和數據處理的基本原理，為其以后進行科學研究打下基礎. PBL實驗教學改革也可以應用于建筑物理實驗課程中的聲學和光學實驗項目，在進行充分的教案累計后，可大范圍推廣. 但需要注意，PBL實驗教學占用教師與學生更多的時間和精力，還需要采取多項措施，激發教師與學生的積極性，才能真正發揮其優勢.