新工科背景下建筑物理“雙核三階”研學模式的創新與實踐

［摘 要］在新工科建設的時代背景下，建筑物理發揮著促進建筑工程技術應用與建筑設計藝術創新相互滲透的橋梁和紐帶作用。針對當前建筑學專業建筑物理課程教學中存在的“學生藝術性與技術性思維對立”“理論知識與建筑設計應用脫節”“發散式思維與創新實踐能力缺失”三大主要問題，教學團隊構建了建筑物理課程“雙核三階”研學模式，引入翻轉課堂、課堂研討、自主選題實驗與研究性課程設計作業相結合的教學方法，實現研學融合，促使學生深入掌握、運用、拓展學科知識，培養學生在建筑工程中的知識應用和專業創新能力，訓練學生嚴謹的科學邏輯思維，開闊學生的學科視野。實踐證明，以人文化方式講授理工課程的新思路、新方法以及將研究融入學習過程的研學融合教學新模式，可以使學生的學習積極性、課程參與度和創新實踐能力顯著提高，并為新工科背景下建筑技術類課程教學模式的探索提供新思路。

［關鍵詞］建筑物理；教學模式；教學困境；雙核三階；研學融合

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）21-0027-06

新工科建設要求高校教育將行業新動向及時融入專業教學[1]，在課程建設上突出特色，注重技術與應用領域的創新協同[2]。金樾等[3]為培養新工科背景下具有科研創新精神的研究型建筑人才，提出了深入化、交叉化、協同化的技術類課程培養方式。黃嵐等[4]圍繞“三全育人”的要求，探討了新工科背景下建筑物理課程的教學改革方法。宋恒玲等[5]通過對比建筑聲學及熱學的仿真案例及其程序設計，指出了編程設計思維對于新工科背景下建筑學教學和科研的重要性。趙穎杰和馬一江[6]提出新工科教學改革的最終目標是全面評估學生的學習效果，同時提高學生學習的主觀能動性，可以通過采用模塊化教學、加強校企合作、推行頂崗實習模式等措施，增加對學生平時學習效果的評估。王承鑫等[7]針對當下實驗中心建設和實驗教學模式的不足，提出應建設跨學科綜合實驗中心以及完善實驗課程體系，同時還需要提升實驗教師的教學能力。

建筑物理是建筑學專業的重要基礎課程，也是建筑學本科階段最具系統性、理論性的課程，可以強化學生的數理邏輯和工程設計思維能力。該課程系統講授建筑中傳熱、保溫、防熱、采光、降噪等物理過程的基本概念、原理和應用準則，培養學生理解我國建筑氣候和自然環境基本國情、掌握建筑節能和“雙碳”建筑設計理論，以及從科學技術角度把握建筑藝術設計方向的能力。除此之外，該課程還承擔了在建筑學專業學習中訓練學生的科學邏輯與發散求異思維，以及培養學生探究精神與工程技術創新實踐能力的任務。因此，在新工科背景下，應充分挖掘建筑物理課程在數理科學與建筑工程相結合、工程技術與建筑藝術設計相互滲透方面的橋梁和紐帶作用，特別是要明確其在建筑學專業人才培養中承擔的“樹科學之魂、立工程之本”的重要任務，這有助于高校更加科學高效地培養符合時代特征與發展需求的建筑學專業學生。

一、傳統建筑物理教學中的矛盾

（一）建筑設計藝術性與技術性思維對立的矛盾

傳統建筑學專業的生源以理工科學生為主，但部分院校存在偏重培養學生發散性藝術思維，忽視在處理工程技術問題時對學生進行數理邏輯思維能力訓練的現象。在建筑設計過程中，建筑造型、色彩美感和建筑空間組合的適宜性，通常是建筑設計創意效果的最顯著要素，對建筑藝術的把握能力高低是理工科學生能否順利進入建筑設計領域的最大衡量標準，也是低年級學生建立建筑學專業思維過程中首先遇到的挑戰。然而，在建筑設計主干課程的教學中，強調設計任務藝術性因素的比重遠超技術性因素，導致部分學生對技術類課程缺乏興趣，容易回避數理邏輯思維訓練。在有限的教學課時和學生學習時間分配中，工程技術能力培養的課時被嚴重縮減，學生對以建筑物理為代表的技術類專業課程的重視程度也普遍偏低，主要表現為課堂參與度低、課外投入時間少，在考試和平時測驗中可以明顯看出學生對知識的理解掌握僅停留在記憶層面。究其原因，主要在于建筑物理等技術類課程偏重于理論知識的傳授，對于建筑表現的深層科學依據和技術支持作用缺少挖掘和闡釋，從而加深了學生對建筑學專業藝術性與技術性關系的固有誤解，造成學生普遍逃避內容相對較為艱深的理論研究與邏輯思考。

（二）建筑物理理論知識學習與設計應用環節相互脫節的矛盾

學生根據培養計劃的安排被動地學習各門課程，對建筑物理等技術類理論課程與建筑設計課程之間知識結構的聯系認識不足，在完成建筑設計課程作業時沒能有效應用建筑物理理論知識，難以深刻認識到建筑設計對室內物理環境的影響，從而忽視了對建筑物理課程的學習[8]。學生在設計初期缺少對建筑物理性能的統籌考慮，容易在方案設計接近完成時根據設計任務要求拼湊技術設計內容，造成方案的物理性能指標難以滿足實際要求。例如，在方案不斷修改調整的過程中，開窗面積不斷變化，而由此造成的采光和太陽能的熱量變化并未得到同步評估，等到方案定型，學生才發現窗口面積過小或過大，造成太陽能得熱不足或冬季熱損失增加等問題，而要解決該問題就必須重新修改方案，這樣會使設計進程被完全打亂。究其原因，一是教師在建筑物理課程教學過程中未能將理論知識的學習與設計應用有機聯系，學生難以做到融會貫通和學以致用；二是建筑物理課程教學中涉及的案例、工程應用方法并未對應同期的建筑設計課程內容。由此可見，學生對將建筑物理相關理論知識何時、如何運用到建筑設計中，以及對運用的效果如何進行科學、及時的評價缺少實踐經驗，這也是目前工科課程教學中普遍存在的問題之一。

（三）建筑物理理論的抽象性與其在工程應用中需要具象表達的矛盾

建筑物理作為建筑學專業基礎理論課程，具備較為系統、科學的理論體系，抽象性較強，在建筑工程應用中體現其理論知識需要更加具象、靈活的表達方法，而傳統教學實驗難以滿足此要求。實驗是將理論具體體現并予以觀察和理解的過程，是理工科專業學習的重要環節，但由于經費投入不足及教學課時限制，建筑物理課程的實驗教學普遍存在設備數量少、更新速度慢、可用時間短等問題。同時，課程的理論知識教學與實驗教學分別由不同教師負責，他們各自獨立完成教學任務，容易造成理論與實踐相脫節。部分高校的建筑物理課程實驗教學強調以教師為中心，學生通常以被動接受知識為主，獨立思考和自由探索的時間較少[9]，在實際操作中主要存在三方面問題：（1）實驗課時少，實驗內容不得不盡量精減；（2）實驗采用統一模式，學生普遍沿用固定的步驟獲得既定的結果，對于“為何如此”無暇思考；（3）實驗僅限于驗證部分核心知識，缺少探索性和研究性任務。這樣就使教學實驗的作用難以有效發揮，限制了學生對建筑物理課程的自主學習和深入探索[10]。要解決這一問題，必須從課堂教學方法、實驗手段和內容更新兩方面著手。

二、新工科背景下建筑物理教學新模式探索

在探索工程教育新理念、新結構、新模式，培養多元化、創新型卓越工程人才，設計與時俱進的創新型工程教育方案的新工科背景下[11]，建筑物理作為建筑學專業的基礎課程，其在傳統教學過程中存在的矛盾將阻礙實踐創新和創新型人才的培養。因此，要加快建筑物理課程改革，加強實踐創新、研學結合的課程體系建設，重塑建筑物理課程教育形態，探索理論應用于實踐、實踐孵化創新、創新反哺理論與實踐的新型建筑物理課程教學理念與教學模式，以滿足新工科背景下建筑人才培養的要求。

（一）研學融合教學理念

教育心理學家布魯姆（Benjamin Bloom）認知思維目標理論中的六層次為記憶—理解—應用—分析—評價—創新，后三個均為研究性工作的核心方法，通過對以往案例和現狀進行分析、對工程設計措施和手段進行評價，實現最終方案的創新，這正是建筑設計研究的主要過程（如圖1所示）。將這一研究性過程移至課堂教學過程，一方面可以讓學生擺脫記憶、理解、應用的低層次，以及常規化固有學習模式的束縛；另一方面也便于將目前國內建筑設計領域普遍以設計研究院形式運行的專業范式引入課堂。通過探索性、研究性的思考與論證，學生對理論知識及其應用方法融會貫通，從而真正掌握理論知識、培養設計應用能力，達到研學融合的目的。

（二） “雙核三階”研學模式

教學團隊針對建筑學人才培養兼具藝術性和技術性的特點，基于建筑學教育的特殊性，確立建筑物理課程教學的兩個核心任務：（1）引導學生尊重建筑設計中藝術創作創新的科學原理和技術支撐作用，即助力培養學生建筑設計的藝術創新能力；（2）突出建筑物理基礎理論知識在工程中應用并實現技術美學的基本過程，即堅持技術應用與創新能力培養的根本目標。以上述兩個核心任務為主線，教學團隊構建了三層階遞進的教學模式，即“雙核三階”研學模式（如圖2所示）。第一層階：學，學生預習教學視頻，結合雨課堂應用技術構建翻轉課堂，減輕學生課外學習任務負擔，增加課堂教學互動內容；第二層階：用，以案例分析和研討為主要形式，結合實驗、模擬、演示手段，探討和重構基礎理論，在深入思考和理解的基礎上掌握并運用知識和技能；第三層階：拓，以自主選題實驗和研究性課程設計作業的方式，推動探索性和研究性知識學習。三個層階之間為遞進關系，從形式化改革開始，通過案例式教學和研討式教學帶動學生深入思考，進而推動研究性學習模式的構建，從而達到研學融合的目的。

三、建筑物理“雙核三階”研學模式實踐

將研學融合教學理念貫穿建筑物理教學全過程，讓學生自主學習、自主構建知識體系、自主選題深入研究，使知識的獲取與應用變抽象為具象，從而激發學生的學習興趣，培養學生的探索精神，提高教學效率。

（一） 重構基于翻轉課堂的建筑物理課程體系

1.案例分析融合建筑藝術手法解構

學校建筑學專業人才培養方案描述的畢業生職業能力均屬于工程技術范疇，與建筑物理、建筑構造、建筑材料等技術類課程密切相關（如圖3所示）。本課程在案例式教學基礎上，力求從建筑環境品質的物理屬性角度對建筑藝術所涉及的相關特征進行技術性解構，使學生在尊重建筑藝術手法的同時，理解建筑技術在其中的支撐作用；使學生理解保溫措施、開窗面積、建筑群圍合程度等建筑物理特征從不同方面深刻影響著建筑外觀的厚重感、輕盈感和封閉感；使學生明白若是設計違背技術要求，如在寒冷地區過度強調建筑體形復雜程度，帶來的可能是畸零、寒瘦的觀感，藝術性被嚴重削弱。例如，在講授建筑日照與遮陽課程內容時，通過分析著名建筑師柯布西耶的作品，使學生在領略其序列化遮陽板給建筑立面帶來的粗獷質感的同時，理解遮陽板尺寸、材料等相關技術要素對其審美效果所發揮的重要作用，體會建筑的藝術創作手法的獨特性，從而打破專業學習中藝術與技術的對立壁壘，秉持更加開放的學習態度。

2.分布式內容設計

建筑學專業的核心目標是培養學生的建筑設計能力，所以建筑設計是主干課程，建筑物理等技術類基礎課程則依據專業培養目標要求，圍繞主干課展開教學。根據培養目標要求，建筑物理相關原理要應用于建筑設計系列課程作業，但在實際教學中，相關內容授課安排在不同學期，互相銜接存在錯位，因此要緊密結合設計課程的各階段作業要求及授課內容，采用分布式授課思路，將授課內容重新編排，以適應設計課程的進度要求，同時將課程知識與技能直接運用于設計實踐，做到以設計實踐帶動理論知識的學習。相關經驗可推廣到其他課程，例如，建筑設計課程的幼兒園設計作業安排在前半學期，但后半學期才重點講授建筑保溫設計原理，因此可以采用模塊化授課方式，根據建筑設計作業進度，將保溫設計原理教學與幼兒園設計作業同步進行，并引導學生將保溫設計原理運用于設計作業。

3.引入翻轉課堂

為解決授課學時緊張、理論講授時間不足、學生課外學習時間少的問題，教師可先錄制理論授課視頻，讓學生在課前預習環節利用授課視頻學習相關理論知識，課上通過提問、研討和測驗等方式，解決預習中遇到的問題。教師按知識點將建筑物理課程內容劃分為28個知識模塊，分別錄制講授視頻，平均每個視頻為14.5分鐘。學生通過視頻模塊學習課程內容，帶著疑問上課，課上進行討論。同時，教師在課堂教學中探索以人文化方式講授理工類課程的思路，在讓學生預習理論知識和公式推導的基礎上，針對學生親身體驗且具有感性認識的實際案例，與學生共同研討具體的工程應用和品質改善問題，把枯燥的理論講解轉變為對環境品質進行體驗與感受的描述，用學生極易接受和理解的思維及語言，剖析建筑對人的生活與社會發展的影響。除預習反饋、答疑解惑、引導啟發等交流形式外，教師可將更多的精力聚焦于探究社會、經濟、文化和建筑行業發展等根本問題在具體的建筑物理理論和應用技術創新方面的映射，在建筑工程實際案例中尋求課本知識的應用體現，使學生了解如何提升理論知識在實際工程中的應用效果，并通過對學生的提問甚至追問，啟發學生就建筑設計項目具體細節進行深入思考與討論。

（二）引入研究性學習方式

1.研究性學習流程

首先，在課堂教學中通過儀器測試、體驗實驗、軟件模擬和仿真等手段，對基本概念和原理進行研究分析；將實驗引入課堂，探討計算公式的適用條件、參數取值范圍和應用效果，著重強化學生的探索意識。其次，針對理論知識在實際應用中存在的問題，啟發學生探尋問題產生的原因和解決思路。再次，根據同期建筑設計課程作業內容和進度，要求學生就項目所涉及的建筑物理環境性能要求，結合理論分析或實驗測試，提出設計改進措施。最后，引導學生提出問題、分析問題、選擇研究方法、處理與分析數據、進行結果討論等，幫助學生樹立嚴謹的科學態度，遵循規范的數理邏輯，探究問題的正確解決方法（如圖4所示）。

2.開展自主選題實驗、布置研究性課程設計作業

在教學實驗環節，采用學生自由結組（通常4～5人）、自主選題的研究性實驗方式。指導教師針對授課內容中的重要章節，給出實驗設計框架與任務要求，引導學生以問題為導向，以實驗測試數據為依據，對建筑設計問題進行研究并提出解決方法。各組自選/自擬題目，選擇適宜的手段進行測試、分析、研究，完成實驗研究報告。實驗選題以日常生活最熟悉的宿舍樓、住宅樓、教學樓等為主要研究對象，讓學生對它們的不同房間能耗、熱舒適性及光環境等方面的問題，進行量化分析，找出原因，提出優化措施與設計策略，培養通過建筑設計改善建筑環境品質的意識和技能。

教師針對同期建筑設計課程作業進度的特定階段，布置建筑物理課程設計作業，設定實現建筑功能品質的目標要求，指導學生通過對項目所在地氣候的分析，獲得建筑物理環境設計的基本參數，然后分析各項參數達到最優的建筑設計的環節與措施，特別要注意建筑日照、通風等前期規劃環節需要解決的問題，以避免遺留到方案確定階段。

3. 多重評價體系

學習效果評價是對學生的努力程度和學習進步情況進行評估的重要環節。建筑物理課程從六個方面評定學生的平時成績：（1）預習完成情況；（2）課堂測驗、投票和提問互動情況；（3）課外作業情況；（4）實驗報告情況；（5）課程設計作業情況；（6）網絡資源利用及額外學習收獲情況。前兩項根據雨課堂記錄數據進行評分，后四項根據完成情況進行評分。學習效果評價在注重學生全程參與的同時，亦要考慮學生的情感體驗[12]，因此針對實驗報告和課程設計作業采用互評方式，由全體學生根據報告效果和自己的收獲進行評分。在期末考試環節，試題著重考核學生對所學知識的理解、掌握情況和建筑設計應用能力，并突出考查學生運用所學知識實現建筑節能、踐行“雙碳”目標的意識和技能。試題主觀題占60%，包括：（1）畫圖題，要求學生通過手繪設計方案，對某一設計案例中的建筑物理性能優化問題予以表達；（2）計算題，要求學生在分析設計要求的基礎上，通過計算給出設計指標的具體數值；（3）簡答題，要求學生就某一綜合性應用問題，用知識點原理及工程設計應用方法給出解答。客觀題占40%，包括單選題和填空題，考核學生對知識運用細節的注意程度。

四、結語

傳統建筑物理課程教學的問題歸根結底在于沒有平衡建筑學專業藝術性與技術性的特點，沒能使學生清楚地理解工程技術手段對建筑設計的直接影響。教學團隊在新工科背景下重構課堂教學體系，提出“雙核三階”研學模式，以適應建筑學專業學生的學習特點，強化建筑物理教學與設計環節的銜接和聯系，引導學生在研究中理解知識的應用，并對學習效果進行全面評價，給予學生正向反饋。以人文化方式講授理工科課程及將研究融入學習過程的新思路、新方法、新模式，顯著提高了學生的學習積極性、課程參與度和創新實踐能力。本課程的改革與探索有助于提升學生處理工程技術問題的能力，同時訓練學生的科學和邏輯思維，開闊學生的視野，訓練學生適應社會變化的能力，在本領域具有推廣價值和示范作用。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 鄭慶華.新工科建設內涵解析及實踐探索[J].高等工程教育研究，2020（2）：25-30.

[2] 劉吉臻，翟亞軍，荀振芳.新工科和新工科建設的內涵解析：兼論行業特色型大學的新工科建設[J].高等工程教育研究，2019（3）：21-28.

[3] 金樾，李季，董艷芳，等.基于“新工科”背景下的建筑學專業技術課程優化研究：以建筑物理為例[J].科技風，2021（7）：31-32.

[4] 黃嵐，嚴敏嘉，宋妮欣，等.新工科視域下“建筑物理”課程的教學改革研究[J].教育教學論壇，2022（7）：105-108.

[5] 宋恒玲，武勇，高力強.新工科下程序設計思維對建筑學教學的作用[J].安徽建筑，2021，28（3）：96-97.

[6] 趙穎杰，馬一江.新工科背景下建筑環境學課程教學改革與討論[J].教育教學論壇，2020（42）：150-151.

[7] 王承鑫，徐龍軍，張天偉.“新工科”背景下實驗教學改革的探討[J].高等建筑教育，2019，28（2）：101-105.

[8] 陳鵬.“建筑物理”課程混合式教學改革探索：深度學習的視角[J].湖北文理學院學報，2022，43（7）：80-84.

[9] 王曉亮，麥賢敏，毛剛.新工科教育背景下建筑物理課程教學改革探討[J].科技視界，2021（19）：26-27.

[10] 楊春宇，梁樹英.建筑物理課程教學方法與教學手段的改革與實踐[J].高等建筑教育，2016，25（1）：121-123.

[11] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[12] 馬少軍.互聯網+時代開放大學深度學習的內涵表征與教學策略[J].寧波開放大學學報，2022，20（1）：15-19.

［責任編輯：鐘 嵐］