對“建筑光學(xué)”課程教學(xué)改革的思考

[摘 要] 通過對國內(nèi)外“建筑光學(xué)”教育情況、教學(xué)內(nèi)容、授課方式等方面的研究，結(jié)合內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院“建筑光學(xué)”的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)基礎(chǔ)，提出了以問題導(dǎo)入、理論講解、任務(wù)設(shè)定、實(shí)踐和光環(huán)境設(shè)計為主線的教學(xué)方法。一方面，考慮到課程的理論性，加入實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，充實(shí)理論的講解;另一方面，考慮到課程的綜合性，與課程之間的關(guān)聯(lián)性，將知識點(diǎn)進(jìn)行更加系統(tǒng)化地總結(jié)，以期獲得更好的教學(xué)成果。

[關(guān)鍵詞] 建筑光學(xué);教學(xué)方法;教學(xué)模式

[基金項(xiàng)目] 2019年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)校級項(xiàng)目“混合式教學(xué)示范課程——建筑光學(xué)”（2019030342）

[作者簡介] 蘇曉明（1982—），女（滿族），內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，工學(xué)博士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院教授，主要從事建筑光環(huán)境、綠色建筑研究。

[中圖分類號] C229.29 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）11-0057-04 ? ?[收稿日期] 2021-01-20

一、概述

“建筑光學(xué)”是高校建筑學(xué)建筑物理的主干課程之一，也是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的一門課程。建筑光環(huán)境的設(shè)計不單影響建筑設(shè)計的表達(dá)，相關(guān)研究表明，良好的建筑光環(huán)境亦有益于建筑使用者的心理及生理健康。同時，隨著綠色建筑設(shè)計理念的發(fā)展，綠色建筑光環(huán)境設(shè)計更是建筑設(shè)計環(huán)節(jié)必不可少的內(nèi)容，建筑師掌握一定的建筑光學(xué)知識以及建筑光學(xué)設(shè)計原則是十分必要的[1]。在綠色建筑設(shè)計中，光環(huán)境設(shè)計也不再是一個獨(dú)立的部分，在設(shè)計過程中越來越多地將光、熱與建筑節(jié)能相結(jié)合考慮，成為設(shè)備集成化的一部分，完善建筑設(shè)備以及建筑環(huán)境的使用。對比國內(nèi)外“建筑光學(xué)”的教學(xué)課程可以發(fā)現(xiàn)，“建筑光學(xué)”的教學(xué)在不斷完善的過程中已成為建筑學(xué)教學(xué)體系中的重要組成部分，“建筑光學(xué)”的教育也成為建筑師培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。與此同時，國際建筑光學(xué)技術(shù)的變革更新更是日新月異，相關(guān)理論與技術(shù)的研究也更新迅速，但與之相比，國內(nèi)高校針對新技術(shù)與新研究的教學(xué)內(nèi)容卻并沒有很及時地跟進(jìn)與革新，教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法更新速度相對比較滯后。因此，為了在教學(xué)過程中讓學(xué)生及時了解建筑光學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展的最新進(jìn)展、節(jié)約課時成本，在教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)貙鴥?nèi)外最新建筑光學(xué)研究進(jìn)展結(jié)合在教學(xué)內(nèi)容中是必要的，這也是“建筑光學(xué)”課程教學(xué)改革的必然選擇。

本文以內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院“建筑光學(xué)”課程為例，分析目前“建筑光學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，討論“建筑光學(xué)”課程改革方法，以提高“建筑光學(xué)”課程教學(xué)效果、提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)展學(xué)生視野、加強(qiáng)建筑光學(xué)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用為目的，提出可行的課程教學(xué)改革方案。

二、國內(nèi)外“建筑光學(xué)”教育研究

國外建筑天然采光及照明的研究起步較早，通過觀測與數(shù)據(jù)分析，建立了較為完善的天空模型。國際照明委員會，從20世紀(jì)就牽頭開始在世界范圍內(nèi)設(shè)置觀測站，用來觀測和分析世界各地的光氣候數(shù)據(jù)，為建筑采光設(shè)計和世界范圍內(nèi)不同光氣候條件下的天空模型建立提供有效的依據(jù)，并且國外在研究采光設(shè)計策略的同時也逐步重視對室內(nèi)光環(huán)境舒適度評價的研究。隨著近年來國外綠色建筑設(shè)計理論的發(fā)展和進(jìn)步，采光與照明也越來越多地被納入整個建筑節(jié)能設(shè)備系統(tǒng)中進(jìn)行研究和應(yīng)用，基于此，國外高校的“建筑光學(xué)”教育也針對這些主題和技術(shù)更新設(shè)置中高級的課程，開設(shè)課程的時間比較靈活，會根據(jù)實(shí)踐與實(shí)景實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，并且在理論學(xué)習(xí)的同時也注重理論研究在實(shí)踐環(huán)節(jié)中的應(yīng)用[2]。

在我國高校中，“建筑光學(xué)”開設(shè)學(xué)時一般在26～32學(xué)時不等，開課方式有些學(xué)校采取“建筑光學(xué)”單獨(dú)開課，或?qū)⒔ㄖ鈱W(xué)作為“建筑物理”課程的一部分進(jìn)行授課，上課時間集中，利用短時間集中授課的方式以講解建筑光學(xué)理論知識為主，而建筑光學(xué)知識的講授主要以教材為主，結(jié)合實(shí)際案例分析與實(shí)踐課程設(shè)計開展“建筑光學(xué)”課程較少，理論與實(shí)踐的結(jié)合主要通過課程中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但是實(shí)際的建筑光環(huán)境是復(fù)雜且多變的，更是難以單純依靠實(shí)驗(yàn)儀器測評光環(huán)境進(jìn)而開展建筑光環(huán)境設(shè)計，因此，實(shí)際的教學(xué)過程具有一定局限性。學(xué)習(xí)內(nèi)容停留在理論學(xué)習(xí)層面，與主干設(shè)計課程的脫節(jié)使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，這也直接導(dǎo)致“建筑光學(xué)”教學(xué)在長時間內(nèi)沒有新的教學(xué)方法的探索和突破。

三、“建筑光學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“建筑光學(xué)”課程是我國高校建筑學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在教材選擇方面，主要以劉加平主編的《建筑物理》與柳孝圖主編的《建筑物理》高校教材中的建筑光學(xué)部分為主[3]，依據(jù)這兩本書的內(nèi)容，分別從天然采光方面，與建筑人工照明方面向?qū)W生講授建筑光學(xué)以及建筑光環(huán)境的基本知識。

作為建筑物理的一部分進(jìn)行學(xué)習(xí)，有利于建筑光學(xué)部分與建筑物理其他部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的銜接，但也因此，作為整體學(xué)習(xí)的一部分，在有限的教學(xué)課時中需要找到建筑物理學(xué)習(xí)中“全”與“深”的平衡，課程要點(diǎn)在“建筑物理”聲、光、熱等部分要分布均勻。因此，在有限的課時中，便只能求“全”舍“深”，這也是“建筑物理”各部分的教學(xué)內(nèi)容長時間偏重理論知識的學(xué)習(xí)，而無法深入到對“建筑物理”的研究層面的原因。

人從外界獲取的信息大部分是通過眼睛[4]，光也是更容易被獲取的環(huán)境要素。相比于“建筑物理”的其他部分，建筑光學(xué)部分有較多的圖片和案例可以欣賞，有較直觀的主觀感受[5]，并且在光學(xué)測量方面有豐富的儀器可以提供客觀的參數(shù)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的建筑光學(xué)模擬軟件也可以準(zhǔn)確地模擬出建筑室內(nèi)光環(huán)境的日照參數(shù)及采光參數(shù)，豐富的主觀評價手段及客觀測量方法在一定程度上有助于學(xué)生對建筑光學(xué)知識的理解。但同時，“建筑光學(xué)”課程中也涉及復(fù)雜的建筑采光及照明的公式計算與主觀評價方法，相關(guān)軟件模擬也要求對基礎(chǔ)參數(shù)有一定了解和敏感度，建筑光環(huán)境的模擬也需要了解參數(shù)的設(shè)置背景與參數(shù)修正的方法。這就要求學(xué)生不只要掌握建筑光學(xué)的相關(guān)理論知識，還要掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的光氣候概況與材料概況，即建筑光環(huán)境的影響因素。

對比國內(nèi)外建筑光學(xué)設(shè)計的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，國外的建筑光學(xué)研究起步較早，在建筑光環(huán)境主觀評價與光環(huán)境模擬、關(guān)注光環(huán)境健康的基礎(chǔ)上，對建筑光學(xué)的研究更多地結(jié)合建筑節(jié)能以及建筑設(shè)備一體化進(jìn)行研究，隨著國內(nèi)近些年綠色建筑設(shè)計理念以及技術(shù)的發(fā)展，這也必將是國內(nèi)建筑光學(xué)研究的發(fā)展趨勢。

四、“建筑光學(xué)”課程教學(xué)方法研究

針對以上課程教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問題，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院“建筑光學(xué)”課程主要通過以下幾個方面進(jìn)行課程改革。

（一）教材建設(shè)

本課程在教材建設(shè)方面，改變了原來使用單一教材的局面，啟用了一本核心、兩本輔助、多本參考的教材系統(tǒng)。

“建筑光學(xué)”與“建筑聲學(xué)”“建筑熱工學(xué)”合稱為“建筑物理”，是建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課。其中，核心教材《建筑物理》主要用于掌握建筑光學(xué)的核心內(nèi)容，并適當(dāng)選用前沿的中英文相關(guān)科研與技術(shù)文獻(xiàn)作為輔助教材，用于知識的補(bǔ)充講解和課堂練習(xí)。課程以國內(nèi)《建筑物理》（四校合編）為核心，在整體的教材建設(shè)改革中，需要在核心教材的基礎(chǔ)上完成對知識點(diǎn)深入與知識點(diǎn)外延拓展的過程，這不僅需要傳統(tǒng)教材作為基礎(chǔ)，更需要對輔助教材的合理選擇，在一定程度上也需要通過學(xué)生自主選擇來完成教材的拓展與深化。

（二）授課方式

在針對教材的改革以及對傳統(tǒng)教學(xué)過程的枯燥、單調(diào)進(jìn)行的改進(jìn)，擬通過以下幾個方面對課程的講授方式進(jìn)行改革和優(yōu)化。

第一，教學(xué)方法、手段與過程。結(jié)合內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院“建筑光學(xué)”的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)基礎(chǔ)，通過對“建筑光學(xué)”課程進(jìn)行混合式、多元式的教學(xué)改革，發(fā)揮“線上+線下”式教學(xué)模式、實(shí)際案例的資源優(yōu)勢，充分調(diào)動學(xué)生在“建筑光學(xué)”課程中的學(xué)習(xí)積極主動性與自主探索性，在提升學(xué)生專業(yè)技能的同時也更注重學(xué)生全方位學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。形成“線上+線下”資源綜合利用的教學(xué)方法，“課上+課下”持續(xù)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)風(fēng)氣[6]。針對教學(xué)內(nèi)容設(shè)計系統(tǒng)性的學(xué)生實(shí)踐內(nèi)容。

第二，“建筑光學(xué)”實(shí)驗(yàn)的改革。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院“建筑光學(xué)”課程自課程設(shè)計之初就是以理論講授為主，經(jīng)過第一次改革后，原來2學(xué)時的理論課調(diào)整為1.5學(xué)時的理論教學(xué)和0.5學(xué)時的實(shí)踐教學(xué)，另外增加了兩次的專題實(shí)驗(yàn)課。在以往的授課過程中，建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也一直是“建筑光學(xué)”教學(xué)的重要部分，但是建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)長期以來是以建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，這也造成建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一的問題[7]。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室精準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以預(yù)判的，重復(fù)多次的可預(yù)判結(jié)果在一定程度上也使實(shí)驗(yàn)結(jié)果脫離了實(shí)際。因此，建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)的部分，應(yīng)當(dāng)以建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)U展到不同類型的實(shí)際建筑環(huán)境中。并針對教學(xué)內(nèi)容將實(shí)驗(yàn)的時間選擇為全年的典型氣象日，通過實(shí)驗(yàn)積累大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于建筑光環(huán)境的分析。選擇實(shí)際建筑光環(huán)境為實(shí)驗(yàn)對象可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的“可控性”相比，實(shí)際建筑光環(huán)境實(shí)驗(yàn)的“不可控”與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“不可預(yù)知”更符合建筑現(xiàn)狀。

建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)這一部分既不同于理論，也在一定程度上有別于實(shí)踐，所以建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)作為一個獨(dú)立的部分進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)化和改革，也應(yīng)當(dāng)作為“建筑光學(xué)”教學(xué)改革的一部分得到重視。

第三，增強(qiáng)案例分析與光環(huán)境設(shè)計環(huán)節(jié)。建筑光學(xué)有較強(qiáng)的主觀體驗(yàn)性，建筑光環(huán)境的評價在初期是需要經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)手段的，而在教學(xué)環(huán)節(jié)中，將建筑光學(xué)知識應(yīng)用于建筑設(shè)計更是一個需要積累的過程，所以在以“建筑光學(xué)”的思路進(jìn)行建筑設(shè)計之初，可以通過案例分析幫助學(xué)生對建筑光學(xué)基礎(chǔ)知識作用于建筑進(jìn)行理解，并且可以通過案例分析完成對建筑光環(huán)境的主觀評價，相比于直接講解建筑光學(xué)基礎(chǔ)知識，案例分析可以將書本的內(nèi)容結(jié)合實(shí)際案例，讓學(xué)生形成更主觀、更直接的對于建筑光環(huán)境的理解。

目前，我校的“建筑光學(xué)”課程沒有相應(yīng)的光環(huán)境設(shè)計環(huán)節(jié)，建筑光學(xué)基礎(chǔ)知識與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與光環(huán)境設(shè)計結(jié)合不緊密，因此，在基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)之后，要主動引導(dǎo)學(xué)生思考，將所學(xué)光學(xué)知識用于建筑設(shè)計，可通過個人或小組合作的形式，結(jié)合課程專題設(shè)計，讓學(xué)生對特定建筑設(shè)計方案的光環(huán)境進(jìn)行初步設(shè)計[8]，完成由理論到實(shí)踐轉(zhuǎn)化的全過程，真正完成一個建筑光學(xué)單元的學(xué)習(xí)。

第四，以建筑光學(xué)模擬軟件為實(shí)踐作補(bǔ)充和檢驗(yàn)。現(xiàn)有的Ecotect、Radiance和Daysim等建筑光環(huán)境模擬軟件可以精確地模擬、渲染建筑室內(nèi)光環(huán)境，是分析和設(shè)計建筑光環(huán)境的主要方法之一，可以用于探究采光影響因素的影響規(guī)律。但這些軟件卻很少應(yīng)用于“建筑光學(xué)”課程中。建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)的數(shù)字化內(nèi)容在光學(xué)層面是“不可視”的，數(shù)據(jù)也不能直接反應(yīng)光環(huán)境的優(yōu)劣，因此，數(shù)據(jù)需要通過相關(guān)模擬軟件的轉(zhuǎn)譯才能作為實(shí)際的設(shè)計策略應(yīng)用于建筑設(shè)計之中。

軟件模擬是研究建筑光環(huán)境的一種重要手段，馬特奧·奧米（Matteo Iommi）[9]在《馬里奧·里多爾菲的Ex GIL意大利馬切拉塔理性主義建筑中的自然光，原建筑的虛擬重建和日光分析》中根據(jù)建筑師里多爾菲（Mario Ridolfi）設(shè)計的意大利馬塞拉塔建筑的室內(nèi)采光水平、原有的組成和內(nèi)部分布，進(jìn)行了分析和評價。為了評估和表示室內(nèi)自然光的水平進(jìn)行的模擬，涉及對原始建筑的大小、建筑構(gòu)件尺寸和內(nèi)部分布的三維虛擬重建，利用先進(jìn)的太陽能照明設(shè)計工具，根據(jù)ISO/CIE標(biāo)準(zhǔn)，采用國際技術(shù)照明計算，進(jìn)行采光模擬。最后，將得到的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果與現(xiàn)行監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較和評價。國內(nèi)近年來也越來越多的利用模擬軟件對窗洞口尺寸、建筑材料反射系數(shù)、空間參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而進(jìn)行影響因素分析和優(yōu)化設(shè)計。可以看出，軟件模擬可以充分結(jié)合主客觀因素對建筑光環(huán)境進(jìn)行全面的分析和評價，可以充分應(yīng)用于建筑光環(huán)境的案例分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計與課程設(shè)計當(dāng)中[9]。

因此，在解決相關(guān)理論與主干設(shè)計課程結(jié)合不緊密以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計結(jié)果不可視的問題上，建筑光學(xué)模擬軟件在教學(xué)過程中的引入可以為此提供一個新的解決思路。

（三）改革目標(biāo)

在師資培養(yǎng)方面，通過教師團(tuán)隊(duì)的密切合作，完成教學(xué)內(nèi)容研究、教學(xué)方法研究、混合模式教學(xué)應(yīng)用研究，教學(xué)資源準(zhǔn)備整理優(yōu)化等環(huán)節(jié)，從多方面提升本團(tuán)隊(duì)成員的素質(zhì)。這將主要體現(xiàn)在相關(guān)教學(xué)研究項(xiàng)目的申請、教學(xué)教改論文的發(fā)表、教學(xué)質(zhì)量的提升、教學(xué)方法在其他課程中的推廣應(yīng)用等。

在學(xué)生培養(yǎng)方面，讓絕大部分學(xué)生掌握建筑光學(xué)基本理論知識與時間設(shè)計手法，并能夠應(yīng)用在相應(yīng)的案例分析與建筑設(shè)計中;拓寬學(xué)生的國際視野，通過課上講授讓學(xué)生對行業(yè)內(nèi)先進(jìn)、實(shí)時的技術(shù)與科研動態(tài)有一定的了解;學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力實(shí)現(xiàn)提升，部分小組形成穩(wěn)定團(tuán)隊(duì)，在大創(chuàng)等競賽中持續(xù)組隊(duì);學(xué)習(xí)興趣高漲，結(jié)課后仍有同學(xué)繼續(xù)深入學(xué)習(xí)。

五、結(jié)語

與國外的“建筑光學(xué)”教育與技術(shù)發(fā)展環(huán)境相比，國內(nèi)高校的“建筑光學(xué)”教育無論是在教材更新方面還是教學(xué)內(nèi)容方面都有一定的差距。而營造良好的建筑光環(huán)境是建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計時必要完成的目標(biāo)之一，結(jié)合教育的個人需求以及社會需求兩方面，提升“建筑光學(xué)”教學(xué)品質(zhì)與教學(xué)效果，有助于學(xué)生專業(yè)眼光的擴(kuò)展與學(xué)習(xí)方法的深化。豐富的案例分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)踐課程與光環(huán)境設(shè)計環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生加深對建筑光學(xué)知識的理解，為建筑設(shè)計以及理論研究提供一個全新的視角和方法，能夠?yàn)榕囵B(yǎng)今后合格的建筑師打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這要求教師在組織和計劃教學(xué)活動之初就要充分考慮到教學(xué)內(nèi)容理論與實(shí)踐的銜接與創(chuàng)新性培養(yǎng)，要用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼n程設(shè)計邏輯與合理的教學(xué)手段激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生對“建筑光學(xué)”課程的興趣，實(shí)現(xiàn)在“建筑光學(xué)”教學(xué)過程中的“寓教于樂”（樂趣）、“寓教于踐”（實(shí)踐）、“寓教于時”（時下行業(yè)熱點(diǎn)），“建筑光學(xué)”的教學(xué)才能取得突破、取得良好的效果。

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Reflections on the Teaching Reform of Architectural Optics Course

SU Xiao-ming

（School of Architecture， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China）

Abstract： Based on the research of domestic and foreign architectural optics education， teaching content and teaching methods， and combined with the teaching status and teaching basis of Architectural Optics course in the School of Architecture of Inner Mongolia University of Technology， this paper puts forward the teaching method of taking problem introduction， theoretical explanation， task setting， practice and light environment design as the main line. On the one hand， considering the theoretical nature of this course， practice experiments are added to enrich the theoretical explanation. On the other hand， considering the comprehensiveness of this course and its relevance to other courses， the author has summarized the knowledge points in a more systematic way in order to obtain better teaching results.

Key words： ?Architectural Optics; teaching method; teaching model