建筑物理實驗教學反思和聲學實驗教改實踐

王春苑, 歐陽金龍, 任嘉友, 榮 琪

(四川大學 建筑與環境學院, 四川 成都 610065)

建筑物理實驗教學反思和聲學實驗教改實踐

王春苑, 歐陽金龍, 任嘉友, 榮 琪

(四川大學 建筑與環境學院, 四川 成都 610065)

為了提高建筑物理實驗教學質量,在總結一些院校的教改經驗后,深刻反思了傳統的建筑物理實驗教學模式,并決定優先在聲學方面開展實驗教學改革。通過購置更適合的測試設備和建設可變混響時間空間,創造了更好的實驗教學平臺。在此基礎上完善了原有實驗教學內容,并確立了一個集驗證性實驗、認知性實驗和設計性實驗為一體的綜合性實驗,即室內混響時間設計實驗項目。另外,也優化了實驗教學組織、教學手段和考核方式。

建筑聲學； 實驗教學； 可變混響時間； 聲學設計

建筑物理是建筑學專業一門非常重要的基礎技術課程,包括建筑熱工學、建筑光學、建筑聲學三大部分。建筑設計中的科技含量越來越多,很多建筑創作以建筑技術的創新為突破點,當前生態建筑、綠色建筑、可持續發展建筑等理念都離不開建筑物理的支持。建筑學學生只有學懂并運用好建筑物理知識,才能創建出舒適、健康、安全和節能的建筑環境[1]。

1 建筑物理實驗教學現存的問題

實驗是建筑物理教學中一個重要環節,可以鞏固和加深學生對抽象理論知識的理解,培養其實踐動手能力,并促進學生自覺將建筑物理知識運用到建筑設計的創作之中。然而,我國很多建筑院校中,對建筑學學生設計能力的培養,過于強調形象思維能力和藝術創造力,不免產生忽視建筑工程技術的傾向[2],普遍對建筑物理實驗教學的重視和支持程度不足。

(1) 實驗內容多而課時少。權威的建筑物理及實驗教材[3-4]中包含了20多個實驗項目,這么多實驗內容都作為本科生實驗課開出來是不現實的。因總學時和實驗條件的限制,實驗課時一般設置為16～32學時不等,各院校只能從中選擇一些聲、光、熱方面的實驗。學生人數又比較多,只能分批進行實驗，難以達到滿意的教學效果[5]。

(2) 經費需求多而投入少。根據本科教學評估要求,建筑物理實驗教學需投入大量實驗設備。由于建筑物理在整個專業課程體系中處于專業基礎課或專業拓展課程的位置,普通院校一般不會投入大量經費購置大批先進、貴重的設備,一些新辦建筑學專業院校的實驗設施嚴重不足,甚至完全沒有。由于時間和設備數量有限,學生的動手操作機會很少,很多實驗只能觀看演示。儀器數量相對多一點的照度計、溫濕度計和聲級計,僅可供學生進行簡單的測試讀數[5]。

(3) 實驗平臺要求特殊而實驗空間普通。建筑物理實驗的高端實驗平臺,如建筑環境倉、聲學實驗室(混響室、消聲室等)、專業照明演示實驗室[6]等,需要大量投入資金來建設。即使有了充足的經費,也需要場地的支持,這在我國很多院校中是很難實現的,畢竟大面積的實驗用地是非常寶貴的資源。這些實驗平臺還有非常特殊的要求(如層高、隔振、防噪等),須在設計之初就加以考慮。大多數院校的建筑物理實驗教學只是在普通房間內將就進行,難以為學生提供更好的平臺用于自主進行綜合性、設計性等實驗。

因種種條件限制,使得很多院校在建筑物理教學中,實驗部分內容存在“走過場”,甚至不開設實驗的現象[7]。即使按照教學評估要求完成了實驗教學任務,也很難取得滿意的教學效果,從而也使這門重要的技術專業課越來越不受學生的重視[5]。

2 傳統建筑物理實驗教學的反思

2.1 實驗教學環境與實驗設備

我校建筑系2006年遷入江安校區才有建筑物理實驗室,才得以開展相關實驗教學。建筑物理實驗室由系館大樓一層4間普通房間組成,總面積約150 m2,分設熱工、光學、聲學實驗空間,實驗教學基本都在這4間房間內進行。實驗室毫無特色,與專業教室、辦公室等并無區別,層高統一為4.2 m,只是多了一些實驗設備及設施。這不利于建筑物理基本知識和原理的闡釋,妨礙了實驗教學[8]的開展。

在實驗室建設之初,利用“523實驗室工程”購置了一批總價不到60萬元的實驗教學設備。這些國產設備性能一般,僅能滿足普通的實驗需求。2009年以前這些設備只用于本科實驗教學,使用率不高,長期閑置易導致電子設備老化、損壞。如果實驗教學期間內受損設備無法及時維修,就會影響正常的實驗教學。

2.2 實驗教學組織與教學內容

一直以來,我校建筑學本科教學計劃中分別設置了建筑物理理論課和實驗課,都安排在三年級下學期,48學時理論課、32學時實驗課。理論課按照熱工、光學、聲學的順序依次進行；而實驗課的開課時間,雖然在實驗課教師的要求下盡量推遲,但根據教務處的安排,也必須從第6或第8周開始,每次4學時,延續8周。

實驗課程選用劉加平的《建筑物理實驗》教材,綜合考慮實驗設備、教學環境、課時、學生人數、師資配備等條件限制,選擇性地開設3個熱工、2個光學、3個聲學共8個必做實驗項目。實驗項目數量能夠滿足本科教學評估要求,但基本上都是驗證性或演示性實驗。這些實驗內容雖然可以培養學生的基本測試技能,但也存在一些問題,例如實驗內容與建筑設計的實際相脫離,學生難以將實驗應用在工程實際[8-9]。也開設了一些選做實驗,如建筑采光效果實測、照明效果實測、交通噪聲實測等實驗,但感興趣的學生極少。

每學年至少65名學生,由于實驗空間與設備的限制,實驗教學只好分組分批同時交叉進行。在研究生助教的輔助下,同時在4個房間內分別開展4個實驗項目。正常實驗教學期間,每位學生分2次共8個學時完成這8個實驗項目。因此時學生還沒有學習完理論知識,就只能“走過場”地進入實驗環節,這給實驗教學帶來了極大的困難。

2.3 實驗教學手段與考核方式

實驗教學方式和考核方式與其他學科的實驗課程并無二致。因學時、設備、教學空間等限制,實驗課程的教學過程也只能是預習—實驗—寫報告。預習時,教師集中將實驗目的、實驗原理、實驗步驟、注意事項,甚至是實驗結果及分析要求一一講述。實驗時,教師按前期講授要求布置任務,助教利用儀器進行示范操作,學生按照要求被動地實施實驗操作并記錄數據,整個過程按部就班。實驗后,學生按照要求,對記錄數據進行處理和分析,并編寫和提交實驗報告?？己朔绞揭仓荒芡ㄟ^實驗報告評判成績,考查學生是否按照要求很好地做記錄、處理并分析實驗結果。

建筑物理是理論與實際結合緊密的課程,應用性較強。傳統教學模式主要強調課堂及實驗教學,學生欠缺對實際工程的處理能力[1]。這種模式雖然在熟悉基本的建筑物理測試儀器、理解相關概念方面對學生有一定的幫助,但大多數學生反映內容單一、面窄,不能充分發揮主觀能動性,實驗結果也是脫離實際、千篇一律,感受不深刻。這種模式很難激發和考查學生的實踐能力和創新精神,在無形中抑制了學生的學習熱情,對培養學生的實踐能力有很大的局限性[10]。

我校建筑物理實驗教學在“硬件”和“軟件”方面都存在著嚴重的不足,但由于專業知識和實際資源條件的限制,我們優先在聲學方面進行了一些實驗教學改革探索。

3 聲學實驗教學平臺的搭建

建筑聲學與熱工、光學相比,理論抽象、公式較多,但是聲音每個參數的變化都可以通過聽覺系統感受得到,這就便于將聲音物理量的變化和人的生理感覺聯系起來。如果在教學中讓學生建立起這種聯系,就便于學生感受和理解建筑聲學中的各個公式、廳堂音質設計和聲環境設計中所用各種材料及構造的意義,同時可以提高學生動手操作的能力[11]?；谝陨系脑O想,在梳理已有的教學資源及實驗教學狀況之后,優先完善建筑聲學實驗教學平臺,主要是利用機會購置合適的實驗設備和改善實驗教學空間。

3.1 實驗設備的購置

實驗教學中,選擇合適的實驗設備是關鍵,精度不一定要很高。性價低廉的設備也許會影響實驗結果和教學效果,但最貴、最先進的設備也不一定最好[12]。合適的實驗教學設備應滿足3個條件:

(1) 能夠非常形象地闡述抽象的原理,有利于學生對書本理論知識的理解。

(2) 測試所需時間不能太長,通常越省時越受歡迎。學生在有限學時內可完成更多的實驗項目，而節省的時間又有利于學生去深入分析測試結果、去探索和創新。

(3) 操作簡便,性能穩定,經久耐用。有利于實驗教學的順利開展,畢竟學生人數多,不能保證每位學生都會按正確的規程操作；也有利于打破教學時間的限制,教師可以放心地借給學生,方便他們自主地進行實驗。

廳堂音質和建筑聲環境設計中,混響時間、吸聲、隔聲等是非常重要的概念和應用技術。室內混響時間測量、吸聲材料吸聲系數測量、建筑隔墻現場隔聲測量、樓板撞擊聲隔聲測量等是各院校選擇較多的聲學實驗教學項目。為了開展這幾個實驗項目,我校在2006年購置了建筑聲學測試系統、駐波管測試系統、聲級計等國產設備,總價約20萬元。經多年實驗教學實踐,發現原有建筑聲學測試系統和駐波管測試系統不適合聲學實驗教學。

建筑聲學測試系統由電腦、聲源、聲學分析軟件等組成,可以測試室內混響時間,但只有1/2倍頻程無1/3倍頻程,且一次只能測試一個頻率段,還缺乏直觀的聲壓級衰減曲線,不能演示混響時間的形成原理,這樣的設備不適合實驗教學。由于混響時間還是影響建筑隔聲實驗的重要參數,因此,利用我?！?85工程”實驗室建設項目購置了更適合的建筑聲學測試系統。

新的建筑聲學測試系統可一次性測試出1/3倍頻程的所有頻率,測試時間可以減少至原有設備的1/6,而且數據量更多、結果更準確,最重要的是可以顯示出這些頻率的聲壓級(Lp)衰減曲線,如圖1所示。這個系統非常智能化,也適合于工程測量隔墻隔聲量,利用雙通道聲級計測得聲壓級差和受聲室混響時間等數據,直接計算出測試結果,更方便、省時。但正因為其過于智能化,學生無法在實驗過程中掌握基本聲學儀器——聲級計的使用方法,無法理解影響隔聲的各種因素,故建筑隔聲實驗教學中,只利用這個系統測試混響時間。

圖1 新建筑聲學測試系統混響時間測試各頻率聲壓級衰變曲線

駐波管測試系統用于吸聲材料吸聲系數測試實驗,占地面積小、易操作。因場地、經費等限制,許多院校采用這種方法。但駐波管法的理論性太強,且與吸聲材料在實際工程中吸聲狀況不一致,導致測試結果無法直接用于工程設計,也不適合建筑學學生對吸聲與混響時間關系的感性認識。畢竟,開設實驗教學的主要目的是為建筑設計課程提供技術支撐,而不是要求學生掌握深奧的物理原理和儀器使用方法[2]。然而,提高這個實驗項目的教學效果,依靠設備購置是無法實現的，因此,要繼續申請經費改造聲學實驗空間。

3.2 教學環境的改善

開展聲學實驗教學的最佳場所是專業聲學實驗室,混響室內極長與消聲室內極短混響時間的對比,可以加深學生對混響時間的感性認識；且而利用混響室法測試材料或結構的吸聲系數可直接用于工程設計中,也有助于學生理解吸聲對控制混響時間的作用。我校建筑學專業還沒有形成雄厚的學科實力,難以獲得足夠的經費和場地建設專業實驗室。

建筑物理實驗室的4間房間中,2間作為聲學實驗教學空間,3個必做聲學實驗項目在這2間內進行,實驗教學效果差強人意。為了改善聲學實驗教學環境,經綜合考慮,將其中1間聲學實驗室房間改造成可變混響時間空間。利用活動式吸聲結構模塊的安裝或拆卸,可控制該房間中高頻混響時間在0.3～2.4 s范圍內變化。吸聲結構安裝前、后照片如圖2所示。學生在同一空間內將親身感受到混響時間的變化,加上定量化的測試,還可計算出室內吸聲量及吸聲結構的吸聲系數,加深他們對混響時間、吸聲及它們之間關系的認識和理解。這個空間為學生創設了一個理論聯系實際的平臺。

圖2 可變混響時間空間內吸聲結構安裝前、后照片

4 聲學實驗教學的改革

4.1 教學組織的優化

建筑物理的理論授課與實驗教學的同時進行,對教學質量產生了不利影響。為了改變這種狀況,教學計劃中適時對建筑物理及實驗的教學組織進行了改革。將建筑物理及實驗課程(共80學時)統一后又分解成建筑物理Ⅰ(32學時)和建筑物理Ⅱ(48學時)。建筑聲學及實驗統一被安排到建筑物理Ⅱ課程中,理論課約16學時,實驗課約12學時。具體學時及進度安排由教師自主決定,先理論后實驗或交叉進行,但必須保證各實驗項目開展前相關理論授課已經完成,這樣才能通過實驗加深學生對理論知識的理解。

4.2 教學內容的更新

充分利用聲學實驗教學平臺更新教學內容,不再局限于權威的建筑物理實驗教材。在可變混響時間空間內,通過增加或減少吸聲材料,不僅可以控制混響時間,還可以控制與之相關的反射聲強度、聽聞環境等,而新的建筑聲學測試系統可快速地定量化測試出室內混響時間。因此,結合建筑聲學理論知識內容,完善了已有實驗項目,并開發出新的實驗項目。教學內容的更新主要有以下幾方面:

(1) 室內混響時間測試改在房間Ⅱ內進行,要求學生分別測試吸聲結構安裝前、后的混響時間,并感受室內的聽聞狀況的變化。這有利于學生理解混響時間與吸聲的關系、混響時間對聽聞環境的影響等。

(2) 改用混響室法測試吸聲材料吸聲系數,要求學生在房間Ⅱ內定量化測試與分析多孔吸聲材料吸聲特性、空腔對吸聲性能影響、空間吸聲體作用等。這有利于學生理解不同吸聲材料或結構的吸聲頻率特性。

(3) 增設了室內混響時間的設計項目。按照廳堂(音樂廳、劇場、電影院、報告廳等)聲學設計要求和過程,教師預先給出房間Ⅱ或其他房間的混響時間及頻率特性要求,要求學生進行該房間的聲學設計。學生首先需要測量出房間尺寸、不同情況下的混響時間、各種吸聲材料或結構的吸聲系數；再根據混響時間公式計算出吸聲需求量及各種吸聲材料或結構的需求量,并繪制出布置圖；最后,還要求學生按照自己的設計圖進行實施,安裝各種吸聲材料或結構后,測試出實際混響時間,分析其與計算值的差別及原因,直至通過實驗測試確保設計符合要求。這有利于學生熟悉廳堂音質設計過程和掌握基本的設計方法。

(4) 建筑隔聲測試的受聲室與聲源室調換,房間Ⅰ改為聲源室,房間Ⅱ改為受聲室,要求學生定量測試與分析不同混響時間下的建筑隔墻空氣聲隔聲量。同理,對樓板撞擊聲隔聲測量也進行了類似的改革。這有利于學生理解混響時間對建筑隔聲的影響。

(5) 增設了吸聲降噪效果測試,要求學生在房間Ⅱ內定量測試同一噪聲聲源在不同吸聲量情況下各點聲壓級及變化,并感受室內噪聲環境的變化,分析吸聲對聲壓級的影響。這有利于學生理解吸聲對室內降噪的作用和局限性。

新的聲學實驗教學內容包含了驗證性實驗、認知性實驗和設計性實驗。然而,12學時內無法讓65人以上的學生完成這5個實驗項目。建筑聲學中,“室內音質設計”是主線,“噪聲控制設計”是輔線。因此,根據各理論知識點的重要性和相關性,將前3個實驗項目整合為一個集驗證性、認知性和設計性為一體的綜合性實驗,為必做項目，而后2個實驗作為選做項目。

這個綜合性實驗項目,突破了傳統的在實驗室中嚴格控制的人為實驗條件,架起了知識學習與問題解決的橋梁。實驗目的性強,實用性強,學生興趣增強、自主性提高,創造性得到發揮。學生可以綜合運用所學建筑聲學設計與聲環境設計知識,感受、觀察和分析一些典型的實際聲環境問題,啟發學生積極思維、勇于創新,為日后的設計工作打下堅實基礎[7]。

4.3 教學手段的革新

一些院校將“情境—自主實驗教學法”[13]用于建筑物理實驗教學中,脫離實驗室人為控制的實驗條件,選擇實際的建筑環境作為測試對象(如城市區域的噪聲環境等[11,13-14])。但是,我校對本科學生管理比較嚴格,教學期間出入校門獲批程序繁瑣,而且這種方法無疑需要更多的時間,所以很少學生選擇這樣實驗。吸取“教學過程中認識的主體地位應該讓位于學生”的經驗,我校革新聲學實驗教學的手段。以室內混響時間設計項目為例:

(1) 完成“混響時間”和“吸聲材料或結構”理論授課后,引導學生進入實驗室,展示不同的吸聲材料或結構、講解可變混響時間空間的用途、演示建筑聲學測試系統及聲級計的使用方法和用途等；

(2) 在“室內音質設計”理論授課的進程中,教師以課后作業的形式提出這個設計項目的混響時間要求,對各組學生的要求會不一樣；學生根據實驗目的和要求,自行查閱資料、設計實驗步驟、擬定實驗方案；教師對實驗方案進行審定并提出修改建議,確定無誤后學生即可開始實驗準備。

(3) 完成“室內音質設計”理論授課后,學生分組進入實驗室開始實驗,在選定設備并熟悉其各種性能的基礎上,制定實驗方案,開展實驗進行數據測定及統計處理工作,最后完成實驗項目并寫出實驗報告。

學生主體作用貫穿整個實驗項目,教師主要是引導者和指導實驗設備的使用。在實驗教學活動中,學生可以真切而形象地感受到不同的聲學設計可能產生的不同環境效果。由于學生在實驗過程中掌握了主動權,既有針對性,又有具體內容,從而充分發揮了其積極性和創造性[14]。

4.4 考核方式的完善

僅僅根據學生最終提交的實驗報告來考核他們的表現,是不科學的。這種考核方式既不能反映學生實際的實驗技能,也不能充分發揮學生的學習主觀能動性。完善后的考核方式將前期的實驗方案、中期的實驗過程表現和后期的實驗報告都納入考核范圍。

前期的實驗方案考查學生對聲學理論知識的理解情況、設計和創新能力等。俗話說“好的開始是成功的一半”,故前期考核成績的比例設為40%。中期的實驗過程表現考查學生對實驗儀器的操作情況、實驗動手能力、臨場處理問題能力、協作能力等。對于其他理工科學生來說,培養這些能力對今后工作和研究會非常重要,但對于建筑學學生來說卻是例外,故中期考核成績的比例僅設為20%。后期的實驗報告主要考核學生的數據處理能力、表述能力、研究分析能力等。實驗報告畢竟是學生對整個實驗的書面總結報告,故后期考核成績的比例設為40%。

由于建筑學學生今后工作的性質,實驗中不特別強調動手能力的培養(動手能力也不可能短時間內得到有效的訓練),只要求學生掌握簡單的實驗方法和數據處理方法,但特別強調對設計能力、對環境問題的研究和分析,以及解決環境問題能力的培養。這種考核方式體現了建筑學的特點,將前期、中期和后期完整地連接起來,可以全面了解學生掌握課程知識的情況,解決了傳統教學中長期存在的知識分散、難以綜合應用的問題。

5 結束語

新的實驗教學模式符合“三個有利于”原則:有利于體現以學生為主體的教育思想；有利于激發學生的求知欲、成功欲；有利于貫徹“實踐—認識—再實踐—再認識”的認識規律[14]。由于專業知識的限制,未能在光學、熱工方面繼續開展實驗教學改革。希望有更多專家提出更多、更好、更全面的建筑物理實驗教學改革方案,共同提高建筑物理實驗教學質量。

References)

[1] 楊春宇,陳仲林,唐鳴放,等.建筑物理課程教學改革研究[J].高等建筑教育,2009,18(2):57-59.

[2] 郭飛,祝培生.可持續、綜合型建筑熱工實驗探索[J].實驗技術與管理,2011,28(7):241-243.

[3] 劉加平.建筑物理實驗[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

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[5] 涂寧宇,劉洋.建筑物理實驗教學的創新與實踐[J].廣東化工,2011,38(8):189.

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[14] 謝浩.論將學生主體作用貫穿到建筑物理實驗教學中[J].高教研究與實踐,2012,31(5):67-69.

Reflection of experimental teaching of Architectural Physics and practice of experimental teaching reform in Architectural Acoustics

Wang Chunyuan, Ouyang Jinlong, Rong Qi, Reng Jiayou

(College of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to promote the experimental teaching quality of Architectural Physics course,the traditional mode of experimental teaching in Sichuan University was thoroughly reflected after investigating the experience of teaching reforms in some other universities,and experimental teaching reforms were preceded in Architectural Acoustics due to the limit of existing resources.More appropriate testing system for Architectural Acoustics was purchased and an experimental space with adjustable reverberation times was reconstructed.Then,the original contents of the experimental teaching of Architectural Acoustics were consummated,and a comprehensive program, including the verification experiments,cognitive experiments and design experiments,for experimental teaching was established.Accordingly,the teaching organization,teaching means and assessments were improved.

architectural acoustics; experimental teaching; adjustable reverberation time; acoustical design

2014- 12- 08

四川大學新世紀高等教育教學改革工程計劃項目(六期)“實驗環節對建筑本科教學的支撐研究”；四川大學實驗技術項目“室內混響時間設計實驗項目的開發”(2015-115)

王春苑(1977—)，女，湖南婁底，碩士，實驗師，主要從事建筑類實驗教學與管理.

E-mail：wxs659097@126.com

TU112.2; G642.0

A

1002-4956(2015)7- 0186- 05