建筑物理光環境教學的模式創新與內容更新

邊 宇,馬 源,遇大興

(1. 華南理工大學 建筑學院，廣東 廣州 510640；2. 廣東工業大學 建筑與城規學院，廣東 廣州 510090)

引言

建筑技術科學是建筑學的二級學科，其核心是建筑物理學，其中包括建筑光學即以建筑光環境為主要研究對象的部分。建筑技術科學研究如何通過城市規劃與建筑設計等措施來使城市與建筑具有舒適、健康、適用、安全的環境，對于提高建筑內在品質，滿足功能要求，節約能源和資源以及保護環境均具有重要意義[1]。建筑光環境需通過照明營造，當前照明行業面臨著人才培養缺乏專業以及相關光環境知識有待進一步系統化、專業化等問題。很多人呼吁改革建筑學教育，促進建筑技術科學人才的培養[1]，想必其中包括照明領域的人才。這些現狀更加突顯了建筑物理光環境教學模式創新與內容更新的必要。建筑物理光環境是全國高校建筑學專業學生必修的一門專業基礎課，也是建筑學專業教育體系中唯一一門涉及天然光和人工照明內容的技術類課程[2]。當前光環境課程踐行的教學模式僅由課堂講授與課后基礎實驗的組成，這種模式在一定程度上限制了學生們對于照明知識的深入理解以及應用，相比較而言實驗性教學方法更加契合建筑物理課程的自身特點，強調應用于動手能力也有助于照明人才的培養；此外，從當前人工照明以及天然光照明技術與理論發展現狀水平反觀當前建筑物理光環境方面的授課內容，也可以認識到存在范疇的偏差以及內容有更新的必要。

1 反思傳統教學，探索創新模式

當今，學生的學習方法、接受知識的途徑已經不再是讀書、筆記、課后作業；行業的發展更新了職業崗位對于用人的實際要求，相應地，學生們也自覺選擇了更新自己的技能、更加注重新知識、實際能力的學習；作為教授方有必要順應這種趨勢，積極主動地探索新的教學模式，提升教學效果。

長期以來建筑物理光環境的教學始終處于尷尬的境地：學生在建筑設計全過程中都會涉及到光環境的問題，無論是自然采光還是人工照明，可是學生對于光環境專業理論的學習態度卻很消極，加之設計圖紙上表達困難，因此設計課程作業往往缺少光與照明的設計內容[2]。面對這種現象應該如何應對？傳統的方法主要通過在課堂上選擇部分照明設計、采光設計案例，但這種教學方式是否真的有助于提高學生對于光環境的理解，在未來從事設計時可以較好地實施光環境的設計？再比如新近提出的“光景學”理論框架[3]，如何令青年學生體會“光景”的妙處？恐怕單教授案例還是不夠的，對于光的感受有必要讓學生身處其間，直接接觸照明的材料(如：窗、燈具、模擬環境、多媒體、虛擬現實設備等)，當前大多數高校并不缺這些硬件條件，缺的是應用這些設施條件的理念與恰當方式。當然1個年級學建筑學的人數約80人左右(以華南理工大學建筑學院為例)，如此數量的學生不可能同時開展接觸體驗與實操感受，這就有必要通過分組進行教學，合理安排授課與實操體驗的課時。

為進一步強化學生對基礎理論的理解，加強動手能力培養，對建筑物理教學進行改革，我們建議建筑物理光環境課程在授課伊始，如：講授光的基本屬性以及“光通量”、“發光強度”、“照度”、“亮度”等基礎的概念時就突破現在的講課式教學模式，在講解的同時直接讓學生們感受光環境諸指標的測量方式，如此也有助于提升認知程度，令學生知道什么是“照度”也知道如何測量“照度”，經過測試也就知道了500 lx大概是一個什么光亮程度。對于建筑采光即天然光照明方面的問題更是如此，很多學生背熟了采光系數(DF)的定義，但終究不知如何使用DF開展采光分析，也不會計算DF。現在高校學生人手一臺電腦的現象普遍，因此也有必要在教學時嘗試講授一些專業領域常用的分析軟件的操作方法，這些內容并不復雜也不會占用太多課時但往往是學生們喜聞樂見的環節。2018年上半年我們承擔了華南理工大學的教學改革課題，在本科生中選擇了部分對光環境學習有興趣的學生開展了創新性實驗教學，在原課時范圍內取得了良好的教學效果，學生反饋的結果是十分積極與良好的。

據此，我們認為必須盡快更新教學內容，建立教學體系，加快實驗室建設，探索出符合現代專業教育需求、強化實驗性設計的建筑物理光環境教學模式。

2 確立實驗教學，搭建實驗平臺

實驗教學不僅可以激發學生的學習興趣，加深學生對知識的理解，培養他們的觀察能力和分析能力，還有助于培養他們實事求是嚴肅認真的科學態度。因此，隨著教學改革的不斷深入，加大實驗教學所占比重提高實驗教學質量也就勢在必行，建筑光環境實驗教學是建筑學專業教育的重要環節，它可以加強建筑光學知識與建筑設計理念及技巧的融合并促使學生自覺地將其運用到建筑設計的創作之中；同時，通過對建筑光學原理的運用與對實驗測試數據的整理和分析，可以強化學生的邏輯思維能力而在建筑光學實驗教學中增設以學生為主體的有一定規模的綜合性設計性實驗，則有利于培養其創造性學習能力和實際動手能力，為他們創新能力的提高提供良好的實踐平臺[4]。

實驗教學有別于理論教學，它要求學生通過操作和觀察，發現問題并對其進行分析判斷和推理，從而獲得解決問題的方法，體現了創造性思維的基本過程主觀能動性是學生作為學習主體的首要特征，是人的創新性素質的重要內容。因此，如果要在實驗教學的過程中培養學生的創新性素質，就應該以學生為主體，讓他們帶著問題去做實驗，通過自己的努力解決實際工程中出現的問題。如上，有必要建立以實驗教學為基礎的教學體系，為此我們建立搭建三個實驗平臺，也可據此將原先的建筑物理光環境實驗分為以下三個實驗進行。

1)建筑光環境基礎實驗平臺。對于通用光環境的認知以及測量內容整合到這個平臺上來，避免以往單純授課式的講述，比如之前不少學生詢問如何測量視野范圍內亮度的分布？這個問題是建筑光環境設計時常常需要面對的問題，也并不是一個復雜的事情，但現在建筑物理實驗中并未包含這個內容，與此相似的情況還有許多。此外，光環境領域出現了不少已然被學術界認可的新理論知識，這些知識時效性強，在開展實際設計工作時用得到，因此有必要將之融合進該平臺，比如通過HDR圖像開展環境亮度測量就是適合本科生的[5]。總結之，該平臺上應具有的處了傳統上常用的手持照度計、瞄點式亮度計，還應具備數碼相機、測試附件以及相應的軟件用于采集HDR圖像并開展亮度分析，以及彩色照度計、便攜光譜測試儀用于色溫、顯色性、色坐標的測試，必要的測試場景也應具備。概括地，該平臺應具有整合主流光度學測量、眩光測試、色度學測量的能力，并通過實驗教學平臺將如上涉及的光環境基礎知識教授給學生，于2018年上半年我們開展的實驗教學課程，突破了以往的建筑物理教學模式，借助建筑光學實驗室平臺開展教學收到了極好的效果。

2)建筑照明體驗與搭建平臺。人工照明的學習以及應用是建筑物理光環境課程以及照明人才培養的重要內容，這部分內容實用性極強，在建筑領域內的應用并不要求高級理論分析，這些知識課堂教學效果難于言述。比如：對于不同類型電光源的介紹，講的再多不如讓學生們實際點亮典型光源，直接觀察其效果。這也就是建議構建“建筑照明體驗與搭建平臺”的原因。該平臺中應包括不同種類的電光源、調光裝置、同一類光源不同的色溫、受控可變的顏色、不同配光的燈具以及若干實際燈具以及可用于實驗的建筑構件，尤其對于LED光源應該給予重視。在這個平臺上，可教授學生電光源的知識、直接認知光源搭配燈具的照明效果、并可根據具體情況布置相應的場景令學生嘗試照明設計方面的實踐，一并對于常見的照明計算以及渲染軟件進行簡要介紹。

3)面向采光分析的模型測試平臺。建筑采光也是目前越發受到重視的內容，照明設計師對于天然光環境的掌控能力也在設計職業中有一定要求。有關建筑采光設計的內容在課堂上主要通過分析既有案例的方法開展教學，除此之外并不其他方式，但僅僅分析案例不利于深入了相關知識，“面向采光分析的模型測試平臺”的作用就在此處凸顯。采光設計的一個主要問題就是如何獲知設計方案的采光表現，這是設計師們拿不準、對于采光分析有需求的地方。以采光系數為例，如果令學生親自動手在實驗環境中測量采光系數，這對于掌握這一指標將有很好的效果。比如：機場采光設計中對于天窗的分析就可以通過該平臺進行開展，加強對于大空間建筑采光設計的認識[6]。該平臺應該包括：人工天空(模擬全云天)、日晷儀(或其他遮陽分析儀器)、不同的透光材料以及適用的照度計等。該平臺除了提供物理模型的測試分析外，還有必要開展軟件分析方面的教學介紹豐富獲取相關采光指標的手段。

3 穩固基礎知識，更新教學內容

現在廣泛使用的建筑物理教材的主要知識內容通常成熟于2000年前，其中光學部分的相關內容均為本領域經典的知識，但由于編撰較早有些知識點已經顯得陳舊可以做適當淡化，有些近些年出現的新理論、新技術、新產物還未被收入其中。學而無用的陳舊知識能夠派上多少用場？其中值得注意的幾點如下：

1)光環境測試中應增加對于色坐標、顯色性指數、色溫，使用HDR圖像測量環境亮度等測量內容；現行的光環境基礎理論內容稍顯不足，尚不足以應對工程設計中常常遇到的問題，適當增加基礎方面的講授是有必要的。

2)照明板塊。電光源部分應著重介紹LED等新光源，詳細介紹其特點、表現、產品以及應用案例，對于一些已然淘汰的光源弱化其所占內容。對于照明設計部分的原則與方法應該給予重視，將照明設計的新理念、新做法及時教授于學生。

3)建筑采光板塊。在計算機使用已然普及的今天，有必要摒棄一些陳舊的不易用的計算分析方法。對于采光系數的介紹也有必要詳細地指出其利弊，并增加對于動態采光分析方面的教授，動態采光分析在國際上以及成為采光分析的主流。有條件的，也應適當介紹相關常見分析軟件與節能相關的算法[7]。

4)更新過時的以工業建筑為主要分析對象的案例，挑選更為合適的新建案例開展教學。現在不少案例對象以工業廠房為例，已然不甚符合當前以各類型民用建筑為主要設計對象的實際情況。近些年，國內外新建改擴建了一大批優秀的案例，這些案例有必要及時于學生進行講述，透過表象讓學生們認知其工程做法，增加學習效果。

4 結語

建筑物理光環境部分授課量不多但卻極為重要，是建筑學院內唯一能夠系統接觸照明知識的課程，這對于教授、傳播照明方面的知識，甚至是培養未來的懂照明或專業從事照明的人才具有不可替代的作用。當前正在使用的模式與內容已然顯示出不能跟上時代發展的意面，因此有必要從教學模式以及教學內容等方面進行改革與更新，如此方才有助于照明知識的傳播以及照明人才的培養。

在實驗室進行多種的光參數測量、熟悉常規燈具、光照場景的視覺體驗，學生動手制作光藝術裝置、檢驗自己設計的建筑方案的采光表現，這些實驗性教學模式為他們提供技術上強有力的支持，更加有助于掌握相關理論知識。這種實驗性教學模式的創新，經過我們的教學實踐，的確使學生們對藝術背后的技術問題不再望而生畏，也進一步鞏固了學生對于理論知識的掌握水平。

教學內容應體現出本專業基礎的和部分較新的理論并將有益的實踐經驗相關內容囊括其中，且新理論新成果有助于啟發學生的創新思維，發現其潛在的創新能力。更新內容的作用將體現在建筑物理光環境課程的各個教學環節之中，包括理論講解、實驗項目、實驗操作、數據處理等，如本文提出了更新四個方面內容的建議，是基于多年教學后的體會，也是順應時代發展的做法，這些工作是應該去做的。我們所在的教學組已經在著手相關工作，計劃出版可用于教學的著作，傳播建筑光學知識。