宋恒玲，武勇，高力強 （石家莊鐵道大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 510640）

1 引言

2017年2月教育部發(fā)出《關(guān)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(guān)專業(yè)的發(fā)展。作為多學(xué)科融合的一門學(xué)科，建筑學(xué)的升級改造對新工科建設(shè)具有重要意義。

建筑設(shè)計離不開物理環(huán)境（聲、光、熱）的分析，在教學(xué)中通過仿真軟件，例如COMSOL建立接近真實物理環(huán)境的模型，得到更為直觀和較為準確的結(jié)果，有助于加深學(xué)生對建筑科學(xué)的理解。在科研活動中，仿真軟件應(yīng)用已非常廣泛，例如在建筑熱環(huán)境研究領(lǐng)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(jié)構(gòu)節(jié)能。此外，還可以采用COMSOL軟件對建筑光環(huán)境和聲環(huán)境進行模擬。劉國強等通過建立多層材料圓柱形空腔結(jié)構(gòu)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(shù)值仿真分析。除了COMSOL軟件，Odeon，CATT和Raynoise等軟件在建筑聲學(xué)中應(yīng)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(xué)參量的計算結(jié)果與實測結(jié)果的主觀閾值的平均值處于剛好能察覺差異之內(nèi)。國內(nèi)的學(xué)者關(guān)于Odeon軟件在模擬和實測方面的研究，也做了一些相關(guān)的工作。

2 現(xiàn)狀與存在的問題

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

雖然許多院校在建筑學(xué)的研究生教學(xué)上開設(shè)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(xué)專業(yè)學(xué)生在仿真創(chuàng)新方面存在不足。因此，物理模型的理解，程序設(shè)計思維的融入，對于新工科下建筑學(xué)教學(xué)提出一個新的建設(shè)思路。

3 新工科視域下以程序設(shè)計思維為導(dǎo)向的課程教學(xué)改革

3.1 建模中的程序設(shè)計思維

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

圖1是Odeon內(nèi)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(shè)置聲源的參數(shù)，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(shù)；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(nèi)置的地暖房間中溫度分布的案例，在仿真時設(shè)置熱源的功率，傳熱系數(shù)，物理場的接口和房間大小。通過比較仿真案例參數(shù)設(shè)置和程序設(shè)計輸入和輸出，可以看到程序設(shè)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(shè)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(shù)或吸聲系數(shù))，采用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ê褪侄危ㄝ椛鋼Q熱或聲線法），得到可靠的仿真結(jié)果（溫度或聲壓級）。即模型仿真建立在程序設(shè)計思維基礎(chǔ)之上，通過加強同學(xué)的程序設(shè)計思維，對于仿真的學(xué)習(xí)有促進作用。

比較仿真方法和程序設(shè)計思路 表1

3.2 問卷調(diào)查

針對石家莊鐵道大學(xué)2017級建筑物理學(xué)生，對建筑物理和仿真課程興趣、難度、重要性進行問卷調(diào)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(guān)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(xué)的每個項目得分進行統(tǒng)計分析，并用Origin進行數(shù)據(jù)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(guān)性，即仿真的學(xué)習(xí)需要對建筑物理有深刻的理解。多數(shù)同學(xué)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(shè)計思維可以幫助同學(xué)們更好地掌握仿真的能力。

圖3 項目類別

4 結(jié)論

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

附錄

針對2017級建筑學(xué)學(xué)生仿真軟件學(xué)習(xí)情況調(diào)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(xué)習(xí)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(nèi)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(xué)習(xí)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