新工科下程序設計思維對建筑學教學的作用

宋恒玲，武勇，高力強 （石家莊鐵道大學建筑與藝術學院，河北 石家莊 510640）

1 引言

2017年2月教育部發出《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，旨在促進新工科相關專業的發展。作為多學科融合的一門學科，建筑學的升級改造對新工科建設具有重要意義。

建筑設計離不開物理環境（聲、光、熱）的分析，在教學中通過仿真軟件，例如COMSOL建立接近真實物理環境的模型，得到更為直觀和較為準確的結果，有助于加深學生對建筑科學的理解。在科研活動中，仿真軟件應用已非常廣泛，例如在建筑熱環境研究領域中，采用COMSOL軟件對熱橋處理進行模擬，探索如何更好地提高建筑結構節能。此外，還可以采用COMSOL軟件對建筑光環境和聲環境進行模擬。劉國強等通過建立多層材料圓柱形空腔結構覆蓋層的COMSOL有限元模型，驗證并對圓柱形空腔吸聲覆蓋層低頻進行吸聲特性數值仿真分析。除了COMSOL軟件，Odeon，CATT和Raynoise等軟件在建筑聲學中應用也非常廣泛，如Bistafa S R，Bradley J S采用Odeon對簡單矩形教室進行模擬計算，指出Odeon對聲學參量的計算結果與實測結果的主觀閾值的平均值處于剛好能察覺差異之內。國內的學者關于Odeon軟件在模擬和實測方面的研究，也做了一些相關的工作。

2 現狀與存在的問題

2018年教育部發文《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函〔2018〕5號）和《教育部辦公廳關于開展2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知》（教高廳函〔2018〕45號）精神，對于仿真教學項目的建設給予了重視。通過在實驗教學項目中現代信息技術的融入，可以拓展實驗教學內容的廣度和深度，提升實驗教學的質量和水平。

雖然許多院校在建筑學的研究生教學上開設了仿真課程，但有所不足的是，研究生雖然掌握了仿真技能，但對于仿真中原理和計算方法未有足夠的認識，造成了建筑學專業學生在仿真創新方面存在不足。因此，物理模型的理解，程序設計思維的融入，對于新工科下建筑學教學提出一個新的建設思路。

3 新工科視域下以程序設計思維為導向的課程教學改革

3.1 建模中的程序設計思維

程序設計思維一個重要組成是算法，即解決現實問題的方法，包括著對物理情景的理解和邏輯結構的建立，文章通過熱學仿真軟件COMSOL和聲學仿真軟件Odeon案例，對建模中所包含的程序設計思維進行闡述。

圖1是Odeon內置的報告廳聲場分析案例。仿真時，首先在建好的幾何模型中設置聲源的參數，包括聲源的聲功率和指向性等；其次，通過布置吸聲材料確定聲場中各表面的吸聲系數；最后，選取有代表性的受聲點對聲場進行分析。

圖1 報告廳聲場分析

圖2是COMSOL內置的地暖房間中溫度分布的案例，在仿真時設置熱源的功率，傳熱系數，物理場的接口和房間大小。通過比較仿真案例參數設置和程序設計輸入和輸出，可以看到程序設計思維和建筑仿真建模的相似之處，見表1所示。

圖2 地暖房間中溫度分布

從表1中可以看到，仿真方法和程序設計思路有相類似之處，通過輸入初始值（熱功率或聲功率），確定邊界條件(吸熱系數或吸聲系數)，采用適當的計算方法和手段（輻射換熱或聲線法），得到可靠的仿真結果（溫度或聲壓級）。即模型仿真建立在程序設計思維基礎之上，通過加強同學的程序設計思維，對于仿真的學習有促進作用。

比較仿真方法和程序設計思路 表1

3.2 問卷調查

針對石家莊鐵道大學2017級建筑物理學生，對建筑物理和仿真課程興趣、難度、重要性進行問卷調查。興趣程度，難度和重要性以分值表示，評分標準見表2所示。

仿真課程興趣、難度、重要性和考試成績評分標準 表2

問卷提出關于建筑物理和仿真課程興趣，難度，重要性6個問題，分別以Q1，Q2…Q6表示，見附錄。由于問卷在考試成績已知后進行，具有客觀性，同時采用實名和匿名方式同時進行，其中實名29人，匿名6人。對35名同學的每個項目得分進行統計分析，并用Origin進行數據處理，見圖1，可以看到Q1到Q6的得分平均值分布情況。

從圖3中可以看到建筑物理課程和仿真存在一定的相關性，即仿真的學習需要對建筑物理有深刻的理解。多數同學認為仿真和建筑物理比較重要（得分均值3.66＞3，3.83＞3），并且感興趣（3.91＞3，4.51＞3），然而對于難度，建筑物理為中等（3.11≈3），仿真課程則比較難（2.57＜3），因此，通過灌輸程序設計思維可以幫助同學們更好地掌握仿真的能力。

圖3 項目類別

4 結論

通過仿真軟件中建筑熱工和聲學模型建立和編程設計流程的比較，可以看到，編程設計思維對于新工科下建筑學教學和科研有指導意義。對本科建筑學的仿真學習情況的問卷調查和采用Origin軟件進行數據處理，進一步強化了程序設計思維對于建筑學教學和科研的重要性。不足之處，對于問卷中不同類別的相關性需要作出進一步研究。

附錄

針對2017級建筑學學生仿真軟件學習情況調查問卷

Q1是否對仿真軟件如ODEON,COMSOL感興趣？

A非常感興趣 B感興趣 C中等

D較差 E不感興趣

Q2是否認為仿真軟件難以掌握？

A非常容易 B比較容易 C中等

D比較難 E很難

Q3是否認為學習仿真軟件比較重要？

A非常重要 B比較重要 C中等

D不太重要 E不重要

Q4是否對建筑物理感興趣？

A非常感興趣 B感興趣 C中等

D較差 E不感興趣

Q5是否認為建筑物理內容難以掌握？

A非常容易 B比較容易 C中等

D比較難 E很難

Q6是否認為建筑物理學習比較重要？

A非常重要 B比較重要 C中等

D不太重要 E不重要