建筑能耗模擬課程體驗式教學研究

劉大龍 王穩(wěn)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(yīng)用于模擬分析。以體驗方式構(gòu)建理論與實踐的橋梁，深化學生對模擬技術(shù)的理解，使學生在夯實理論知識的基礎(chǔ)上，具備解決實踐問題的能力。

關(guān)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(xiàn)狀分析

動態(tài)模擬技術(shù)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(jié)果以圖形的方式呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)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(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。建筑能耗模擬技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計、綠色建筑評價、生態(tài)建筑設(shè)計等領(lǐng)域被大量使用[1-2]。在建筑物理教學中，應(yīng)加強計算機科學和數(shù)字技術(shù)在物理環(huán)境設(shè)計和計算中的應(yīng)用[3]。模擬技術(shù)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(shù)科學專業(yè)碩士研究生開設(shè)的專業(yè)選修課。其教學目標就是培養(yǎng)學生依據(jù)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(yǎng)學生操作軟件的動手能力，而且培養(yǎng)學生獨立設(shè)計模擬方案、客觀準確分析模擬結(jié)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(nèi)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(tǒng)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(yǎng)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(yǎng)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(huán)節(jié)，針對不同性質(zhì)的課程應(yīng)采用不同的教學方式。體驗式教學方式能為具有實踐性、應(yīng)用性課程的教學帶來深刻的變革，強化培養(yǎng)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(jīng)驗轉(zhuǎn)化為知識的過程，知識源于掌握經(jīng)驗和轉(zhuǎn)化經(jīng)驗的結(jié)合體”[8]。體驗式教學的本質(zhì)特征是符合 “螺旋上升、不斷深入”的學習規(guī)律[9]，強調(diào)的是以學習者為中心的自主學習，而傳統(tǒng)教學強調(diào)的是教師為中心的知識傳遞，反對傳統(tǒng)教學以教師為中心、課堂為中心、教材為中心，主張教學應(yīng)以學生為中心、活動為中心、經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)一。體驗式教學方式是基于對經(jīng)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(yǎng)需求，這些正是建筑能耗模擬課程的培養(yǎng)目標。

模擬課程的教學內(nèi)容主要包括兩部分：模擬的計算理論和模擬軟件的使用。現(xiàn)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(nèi)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(yīng)，造成模擬理論與軟件操作的嚴重脫節(jié)。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(shè)計欠缺，及對軟件模擬結(jié)果分析不足。因此，亟需為學生創(chuàng)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(zhì)內(nèi)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(fā)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(jīng)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(shù)科學是一門特殊的學科，沒有本科專業(yè)，其碩士研究生的本科專業(yè)背景眾多，包括暖通、土木甚至計算機應(yīng)用專業(yè)，因此，應(yīng)充分利用學生的本科專業(yè)背景，發(fā)揮其特長。教學中，對學生按照不同專業(yè)背景進行分組，保證每組既有建筑相關(guān)專業(yè)學生，又有軟件素養(yǎng)高的相關(guān)專業(yè)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(guān)理論，為進行理論演算奠定了基礎(chǔ)。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(wěn)態(tài)傅里葉傳熱計算模型，小組2選題為二維結(jié)構(gòu)性熱橋的線傳熱系數(shù)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(jīng)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(shù)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(shù)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(cè)空氣溫度情況下，計算墻體兩側(cè)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(chǔ)。但通常工程計算所采用的穩(wěn)態(tài)方法忽略了氣溫和墻體溫度的動態(tài)變化規(guī)律，因此必須采用非穩(wěn)態(tài)方法來研究傅里葉的墻體導熱計算模型。

根據(jù)建筑熱工原理，墻體導熱傳熱的傅立葉定理一維非穩(wěn)態(tài)計算公式如式1所示。

四、結(jié)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(guī)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(fā)性、能動性、探索性卓有成效地激發(fā)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(shè)計和編程等環(huán)節(jié)的訓練，系統(tǒng)地理解了模擬方法，深化了對模擬技術(shù)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：

[1]清華大學DeST開發(fā)組.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法-DeST[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]MF Jentsch， ABS Bahaj， PAB James. Climate change future proofing of buildings —Generation and assessment of building simulation weather files[J].Energy and Buildings， 2008，40（12）：2148-2168.

[3]陳仲林，楊春宇，何滎.建筑物理實踐教學法研究[J].南方建筑，2008（5）：58-60.

[4]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]云朋.Ecotect建筑環(huán)境設(shè)計教程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[6]李準.基于 EnergyPlus 的建筑能耗模擬軟件設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學，2009.

[7]首靈麗.基于BIM技術(shù)的建筑能耗模擬分析與傳統(tǒng)建筑能耗分析對比研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[8]Kolb D.Experiential Learning： Experience as the Source of Learning and Development [M].Englewood Cliffs： Prentice Hall， 1984：41.

[9]郭佳，李光霞.從傳輸式教學到體驗式教學[J].北京交通大學學報（社會科學版），2010，9（1）：124-128.

[10]T E Smith ，C C Roland， M D Havens. The theory and practice of challenge education[J].Adventure Education，1992：293.

[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）