基于學生創新能力培養的綠色建筑設計教學實踐

鞏新枝 鄧星 金樾 劉娜

摘? 要：文章針對“新工科”背景下我國建筑類本科專業的教育現狀和存在的問題，對綠色建筑設計課程的教學內容、教學方法及考核方式進行了教改實踐，提出“理論-實測-設計-模擬”的教學模式，為培養和提升建筑類專業學生綠色建筑設計思維和創新能力提供有益的借鑒和參考。

關鍵詞：“新工科”;綠色建筑設計;創新能力培養;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）08-0032-03

Abstract： In this paper， the current situation and existing problems of architecture undergraduate education for the "New Subject" are claimed. In order to cultivate and upgrade the innovation capacity of students， teaching practice and exploration of the green building design course in terms of teaching content， teaching methods and assessment methods are carried out. The teaching mode of " theory- survey- design- simulation" is also discussed.

Keywords： "New Subject"; green building design; innovation capacity development; teaching innovation

一、概述

在世界范圍內新一輪的科技革命和產業變革推動下，各國都在積極尋求科技升級和產業轉型，創新已成為全球經濟發展和增長的核心驅動力。創新驅動下的以新技術、新業態、新產業為特點的新經濟及戰略性新興產業的格局逐漸展露，對滿足新興產業和新經濟的工程人員的能力有了新的要求和內容。在此背景下，“復旦共識”提出我國高校要加快建設和發展以新經濟、新產業為基礎的“新工科”。“新工科”建設旨在培養滿足未來新產業需要的，具有創新能力、動態適應能力、高素質的各類學科交叉復合型卓越工程科技人才，這也是今后我國工程教育發展的新方向[1]。

建筑類學科作為工程學科中的重要學科，在面臨我國產業的轉型升級，尤其是互聯網、BIM技術和人工智能等高新技術的沖擊影響下，急需針對當前和未來產業的發展進行轉型、改造和升級，培養適應社會需求的具有創新能力的，多學科交叉的復合型人才[2]。隨著綠色建筑的快速發展，綠色建筑設計已經逐漸成為國際建筑學領域的重要發展方向之一[3]。然而我國綠色建筑教育與市場建設量還存在一定的滯后情況，現有培養體系下建筑行業從業人員和廣大學生的相關培養和教育無法滿足產業轉型升級的需求。目前，除重點高校（清華大學、同濟大學、東南大學、天津大學、西安建筑科技大學、華南理工大學等）由于師資優勢設置了較為系統的綠色建筑課程外，許多一般高校還沒有設置專門的綠色建筑介紹課程，依然處于綠色建筑設計教學的探索階段，還存在著諸如教材選擇偏重技術而與設計實踐結合不夠，模擬軟件應用與現場實測教學內容設置不足等問題[4]。因此，如何系統進行綠色建筑設計課程教學，如何有效地培養和提升建筑類專業學生關于綠色建筑的設計思維和創新能力，是建筑類專業教改研究與實踐的一個重要方向。

根據新工科建設背景，本文針對綠色建筑設計課程教學內容，對教學方法及課程考核方式進行了改革探索與實踐，在教授課程經典理論知識的基礎上，引入建筑物理環境測試實驗臺及相關模擬軟件，通過“理論-實測-設計-模擬”相結合的綠色建筑設計結構，培養并提升學生的綠色設計思維及創新能力;通過階段性考核為主的考核方式，驗證教學與學習成果。

二、綠色建筑設計課程教改實踐

（一）綠色建筑設計課程教學內容的教改實踐

筆者于2013年開始先后在武漢理工大學和桂林理工大學從事綠色建筑設計課程的教學工作，到目前為止已經過六輪教學實踐，積累了一定的教學經驗和體會。筆者結合在國外攻讀建筑節能博士學位期間的課程學習內容以及擔任本科生、研究生綠色建筑相關課程助理教師積累的教學經驗，根據建筑類學生的特點，在設計課題和制定任務書時注意把握適當的建筑面積，功能不過于復雜，讓學生能有更多的精力投入到環境分析、多方案比較與技術深化當中去。課程以獨立式小型建筑的綠色設計為研究對象，在教學中分為“理論-實測-設計-模擬”四個階段及“理論基礎-技術實驗-設計實踐”三個部分進行。

理論基礎部分以教師專題授課為主，按照講座的形式，分為10講。主要內容包括：（1）綠色建筑背景、現狀及發展;（2）建筑室內熱環境與人體熱舒適;（3）氣候與熱工計算方法;（4）建筑規劃與節能;（5）建筑單體與節能;（6）天然采光與人工照明;（7）可再生資源與太陽能利用;（8）建筑通風與遮陽;（9）綠色建筑評價體系;（10）軟件模擬應用與指導。

技術實驗和設計實踐部分以學生為主，教師講授穿插為輔，主要分為3個階段：

（1）講授調研分析和資料收集的方法，使學生學會收集基地環境、氣象資料，并進行方案初步構思、總體生態節能構思;講授室內熱環境測驗的方法，使學生通過現場實測理解建筑節能的途徑。

（2）結合案例講授綠色建筑設計中采用的被動式技術措施和主動式技術措施，結合課程設計使學生學會合理利用被動式設計和主動式設計，包括日照、采光、遮陽、自然通風、圍護結構熱工性能、建筑材料、給水排水、暖通空調、建筑電氣技術、可再生能源利用等方面。

（3）講授計算機模擬軟件及分析工具在綠色建筑設計中的作用，結合學生專題匯報和課后學習使學生學會運用相應軟件、工具進行日照分析、采光分析、能耗分析等，結合課堂討論使學生學會利用評價標準對自己的設計作品進行綠色星級建筑評價。

（二）綠色建筑設計課程教學方法的教改實踐

為了培養建筑類學生綠色建筑設計的思維方式，增強創新設計的能力，培養學生的獨立思考能力和以問題研究為基本出發點的研究型設計思路，本課程從教學內容、選址設置、教學方式、輔助手段等四個方面進行了一系列具體的教改探索與實踐。

1. 教學內容：建筑設計與綠色技術相結合

綠色建筑設計應從建筑自身出發，通過被動式設計手法，合理布置建筑朝向和周圍環境，巧妙處理內部空間和外部形體，恰當選擇建筑材料和結構、構造，在此基礎之上，再加以合適的主動式技術，以求通過最低的能耗和對環境最小的傷害獲得舒適的室內熱環境。建筑類學科傳統的專業學習側重于建筑自身設計，缺乏設計與技術融合的思維、相關的被動式及主動式節能系統知識，更缺乏對不同技術手法與節能效果之間關系的判斷能力。因此，為提高建筑類學生的綠色建筑設計思維能力，本課程改革在原有教學內容上不僅增加了系統的技術專題，還增設了室內熱環境和室內熱舒適度現場實測環節。

2. 選址設置：自主選擇熱工氣候分區

傳統的設計課程中，設計題目的選址及設計內容通常是全班統一的，這樣的好處是對課程的教學內容及進度容易把控，學生的各種設計方案之間便于比較。然而綠色建筑設計與當地氣候條件、自然環境等因素密切相關，限制選址會在很大程度上限制學生自主創新能力的培養和對不同熱工設計分區條件下綠色建筑設計的學習。

有鑒于此，選址設置不限定具體的熱工設計分區及城市，學生可以根據熟悉程度自主選擇項目場址，同時必須對選址所在地區進行詳細論證（包括當地氣象條件及場地周邊情況等），并在課堂上進行公開答辯。

3. 教學方式：單向與多向相結合

傳統的設計課程或理論課程，主要采用教師與學生一對一或一對多的“單向”教學方式。在這種方式下，教師是輸出，學生是輸入，學生的思維很容易局限于教師個人的思維，并缺乏自主學習的主觀能動性。

因此，本課程教改實踐中，采用了“單向與多向”相結合的教學方式。表現在：

課程初期，教師采用以“啟發式”為主的教學方式，由教師為學生集中講解綠色建筑的相關背景知識及最新的設計手法和技術策略以幫助學生建立正確清晰的綠色建筑基本概念;再通過“雙向”互動的方式，啟發引導學生對不同熱工設計分區適宜的綠色技術進行自主分析總結。

課程中期，主要目標是引導學生深入探索綠色建筑的各種技術手法，掌握模擬分析方法，并對技術進行適宜的選擇和利用。主要采取“多向”的課堂組織形式，由教師擬定設計四個階段的進度要求，（1）資料調研與選址分析;（2）初步方案構思與方案比較;（3）被動式設計與節能分析、計算;（4）主動式技術與模擬分析為主線依次開展。每個階段要求學生結合PPT、軟件分析工具就各自的設計方案進行匯報，并進行學生與教師之間、學生與學生之間的“一對一”、“一對多”等多種方式的現場答辯，教師對每個學生的設計均給予總結點評。點評中指出的問題需要在下階段匯報開始之前進行修改說明。

課程后期，主要目標是完善設計方案，檢查教學成果。教學回歸到以“一對一”為主的教學模式，要求學生根據課程前期所學的綠色建筑評價標準，對自己的綠色建筑進行星級評定，并進行課堂匯報考核。

4.輔助手段：建筑性能實測與模擬技術的分析、運用與實踐

綠色建筑設計的目標是在滿足使用者舒適度的前提下使建筑消耗最低的能耗。節能效果與當地氣候條件和使用者情況密切相關。因此對建筑室內熱環境和使用者熱舒適度的調研實測很有必要。本課程依托學院節能重點實驗室的平臺，指導學生運用溫濕度測試儀、風速儀、太陽輻射儀、黑球溫度儀等儀器設備對校園內的學生宿舍、教學樓進行熱環境及熱舒適度的實測和分析，使學生對綠色建筑設計充分直觀的認知。

運用建筑性能模擬技術能夠在設計的各階段為設計師提供數據支撐，推動設計的科學化與合理化。已開發的建筑性能模擬軟件很多，然而大多難以短期內被本科學生掌握。本課程要求學生學會使用基礎易學的軟件及分析工具，比如運用excel計算窗墻比和圍護結構傳熱系數，天正日照工具分析大寒日、冬至日房間日照時數，Ecotect軟件分析房間采光、通風（見圖1）等;同時引導學有余力的學生課后自學稍微復雜的綠色建筑性能模擬軟件，比如運用DeST或Equest軟件模擬建筑室內熱環境等（見圖2）。本課程教改發現，模擬軟件的引入，不僅起到輔助驗證綠色建筑設計方案預期效果的作用，而且激發了學生從科學角度進行分析的積極性，并培養了學生的自學能力。

（三）綠色建筑設計課程考核方式的教改實踐

在“新工科”及市場對創新人才需求的背景下，綠色建筑設計課程改革與探索借鑒并引進國外先進的教學方法和考核體系，對傳統的以最終考試成績為主要評價標準即“一考定成績”的考核方式進行改革。本課程注重師生課堂互動，注重學生課后學習能力培養，通過本課程學習為學生建立一套系統的綠色建筑設計方法體系，培養學生的獨立思考能力。

本課程考核方式由課程設計圖紙（30%）、課堂階段作業（50%）和平時成績（20%）三部分組成。其中最主要的是課堂階段作業部分，占總成績的50%，按設計進程分為5個階段，每階段成績各占10%;課程結束后要求學生完成綠色建筑設計圖紙。旨在讓學生對每次課都需要全力投入并在課余進行大量閱讀和學習，也能避免一考定成績、臨時抱佛腳也能拿高分的現象。

三、結束語

總的來說，我國傳統的建筑類本科生教育存在的重理論輕實踐、重基礎輕創新、模式單一、跨學科復合型人才短缺等一系列問題，不再適合“新工科”背景下產業轉型升級需求及新經濟的發展。綠色建筑設計作為建筑類學科重要課程之一，也應探索更加國際化的視野、科學有效的教學方法、全面多元的考核評價方式，通過“理論-實測-設計-模擬”循序漸進的教學手段，引導學生建立正確的設計理念，培養設計與技術融合的綠色建筑設計思維，提升學生的創新能力和自主學習能力。

值得注意的是：建筑類學科偏技術專業的學生有一定的模擬軟件應用及主動式技術方面的基礎，因此本課程在教學過程中可側重于建筑設計自身及被動式設計方面的講授，在設計實踐階段可側重于軟件模擬分析方面的考核;偏設計專業學生有扎實的建筑設計功底及一定的被動式設計方面的基礎，因此本課程在教學過程中可側重于被動式設計及主動式技術方面的講授，在設計實踐階段可側重于綠色建筑被動式設計方面的考核。

參考文獻：

[1]學術動態.“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2]蘇寶勝.“新工科”背景下民辦高校專業建設與教學改革——以青島濱海學院土木工程專業建設為例[J].教育觀察，2017，6：72-74.

[3]劉煜，劉京華，李靜，等.提升綠色建筑創新設計能力的教改探索與實踐[J].高等建筑教育，2013，22（6）：137-142.

[4]田真.結合建筑性能模擬的綠色建筑與節能課程教學實踐與思考[J].建設科技，2018，371（11）：13-17.