周 琴，張九紅，陳 沈

(東北大學(xué) a.江河建筑學(xué)院;b.遼寧省城市與建筑數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

建筑物理實(shí)驗(yàn)課程是建筑學(xué)專業(yè)技術(shù)教育的重要環(huán)節(jié)，其主要目的在于：通過(guò)親自操作建筑熱光聲環(huán)境的測(cè)試和模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受并理解建筑物理環(huán)境與建筑的形式、空間和設(shè)計(jì)構(gòu)造之間的關(guān)系，以加深建筑物理知識(shí)與建筑設(shè)計(jì)的融合并將其應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作之中[1].

在建筑學(xué)教學(xué)中，設(shè)計(jì)課程作為貫穿大學(xué)5年的主要課程，是學(xué)生掌握技術(shù)最重要的課程. 如果建筑物理實(shí)驗(yàn)服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)課程，則可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索物理環(huán)境與建筑設(shè)計(jì)之間關(guān)系的興趣，增強(qiáng)本科生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的能力，為學(xué)生進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和參加創(chuàng)新競(jìng)賽打下基礎(chǔ). 傳統(tǒng)的建筑物理實(shí)驗(yàn)以演示性或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，很難做到讓學(xué)生有針對(duì)性地將建筑物理環(huán)境與建筑設(shè)計(jì)相融合，故在建筑物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入PBL教學(xué)法，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從而取得更好的教學(xué)效果.

1 PBL教學(xué)法概述

PBL(Problem-based learning)教學(xué)模式是指以提出并解決問(wèn)題作為學(xué)習(xí)手段，以小組合作作為學(xué)習(xí)基本單位，以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的教學(xué)方法. PBL教學(xué)法最早起源于20世紀(jì)50年代的醫(yī)學(xué)教育[2]，在高等教育的理論教學(xué)中已被廣泛推廣[3]，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用還處于探索初期.

PBL教學(xué)法具有以下特點(diǎn)[4-7]：

a.以問(wèn)題為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)；

b.教師在教學(xué)中起引導(dǎo)和解惑的作用，解決學(xué)生在自學(xué)中遇到的困難，對(duì)教師要求較高；

c.除了傳統(tǒng)的考試(在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為實(shí)驗(yàn)報(bào)告)，更推薦采用匯報(bào)形式評(píng)價(jià)教學(xué)成果，可將評(píng)價(jià)納入學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，以評(píng)促學(xué).

PBL教學(xué)法以解決問(wèn)題作為學(xué)習(xí)的目的，教學(xué)內(nèi)容圍繞單點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)，該教學(xué)形式非常適合于以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為單位的實(shí)驗(yàn)教學(xué). 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入了PBL教學(xué)法，以受教學(xué)生作為研究對(duì)象，采用對(duì)比組的方法研究，對(duì)PBL教學(xué)法的必要性、實(shí)施情況以及學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、知識(shí)掌握程度等方面進(jìn)行了調(diào)查[8-9]，發(fā)現(xiàn)PBL教學(xué)法對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性有較好的效果，普遍認(rèn)為PBL教學(xué)法可很好地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué). 采用PBL教學(xué)法的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容考核上的成績(jī)也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的學(xué)生. 由此可見(jiàn)，PBL教學(xué)法可以用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如何合理利用PBL教學(xué)法，形成合適的教學(xué)方案是需要解決的問(wèn)題.

2 PBL教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施方案

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般分為3個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示，稱為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn). 教師是實(shí)驗(yàn)的主體，學(xué)生按照教師安排好的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得出統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏將實(shí)驗(yàn)結(jié)論與建筑設(shè)計(jì)相融合的過(guò)程[10-11].

圖1 傳統(tǒng)的建筑物理實(shí)驗(yàn)流程圖

采用PBL教學(xué)法后，將驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)型綜合性實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)的3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)拓展為5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),如圖2所示.

圖2 基于PBL教學(xué)法的建筑物理實(shí)驗(yàn)流程圖

a.第一環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一環(huán)節(jié)相對(duì)應(yīng)，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，為學(xué)生制訂正確的實(shí)驗(yàn)方案打好基礎(chǔ).

b.第二環(huán)節(jié)中學(xué)生提出問(wèn)題，并基于問(wèn)題制訂實(shí)驗(yàn)方案，教師進(jìn)行審核. 該環(huán)節(jié)是PBL教學(xué)改革的關(guān)鍵，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)方案起到引導(dǎo)和審核的作用. 學(xué)生可以根據(jù)自己的建筑設(shè)計(jì)提出感興趣的問(wèn)題，將實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)課相結(jié)合，利用建筑物理學(xué)原理輔助建筑設(shè)計(jì). 該環(huán)節(jié)對(duì)于教師的要求較高，教師既要審定學(xué)生提出的問(wèn)題是否合理，又要判定根據(jù)現(xiàn)有條件，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案是否切實(shí)可行.

c.第三環(huán)節(jié)是學(xué)生修改實(shí)驗(yàn)方案，教師進(jìn)行二次審核，是對(duì)第二環(huán)節(jié)的補(bǔ)充.

d.第四環(huán)節(jié)是開(kāi)展實(shí)驗(yàn). 由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要教師持續(xù)跟進(jìn).

e.第五環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié). 采用小組匯報(bào)的形式進(jìn)行考核，要求教師給出的成績(jī)與學(xué)習(xí)效果相符，使評(píng)價(jià)更加客觀[12].

3 建筑熱環(huán)境參量測(cè)定實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

3.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

建筑熱環(huán)境參量測(cè)定實(shí)驗(yàn)是建筑熱工學(xué)中的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，多為演示性實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)的目的：使學(xué)生了解建筑熱環(huán)境參量測(cè)定的基本內(nèi)容，初步掌握常用儀器儀表的性能和使用方法，明確各項(xiàng)測(cè)定應(yīng)達(dá)到的目的，并對(duì)影響生理感受的熱環(huán)境值有定量的認(rèn)知[13]. 實(shí)驗(yàn)儀器有溫濕度測(cè)定儀、黑球輻射儀、風(fēng)速測(cè)定儀. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為溫度的測(cè)定、空氣相對(duì)濕度的測(cè)定、氣流速度的測(cè)定、室內(nèi)平均輻射溫度的測(cè)定.

3.2 課堂實(shí)錄

3.2.1 同一建筑室內(nèi)典型位置的熱環(huán)境差異

提出問(wèn)題：不同功能的房間，其“冷熱”情況不同，是真的如此嗎？

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：測(cè)得不同功能空間的熱環(huán)境參量，根據(jù)

PMV=[0.303e-0.036M+0.027 5]{M-W-3.05×[5.7-0.007(M-W)-2.33φ]-

0.42(M-W-58.2)-0.017 3M(5.867-2.33φ)-0.001 4M(34-ta)-

教學(xué)提高：重點(diǎn)探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果與建筑設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，通過(guò)定量對(duì)比，學(xué)生可以直觀地感受到不同空間中熱環(huán)境參量的不同，并從建筑設(shè)計(jì)的角度分析其成因及是否合理.

例如：對(duì)于展覽廳，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其全天的溫、濕度遠(yuǎn)低于其他空間，其原因?yàn)椋嚎臻g功能需求方面，展覽廳主要用于展覽與游憩，并考慮與中庭的景觀滲透，決定了其具有通透、寬闊的空間特點(diǎn). 為使展覽廳更加寬闊，通透感更強(qiáng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)大范圍采用玻璃幕墻，而玻璃幕墻對(duì)于溫度和濕度的保持能力較差，故該區(qū)域熱舒適度系數(shù)較低，屬于偏冷區(qū)域，同時(shí)考慮到展覽廳不是教師及學(xué)生長(zhǎng)期活動(dòng)的空間，一般逗留時(shí)間不會(huì)超過(guò)0.5 h，并且會(huì)穿著外衣，故雖然展覽廳溫度較低，仍處于可以接受的范圍內(nèi).

3.2.2 開(kāi)窗通風(fēng)對(duì)冬季供暖房間環(huán)境熱參量的影響

根據(jù)世界銀行的定義，困境兒童(orphans and vulnerable children)指18歲以下的未成年人，由于各種原因，缺少或很可能缺少適當(dāng)?shù)恼樟虾捅Ｗo(hù)，并且易受傷害的兒童。從根本上看，與成年人相比，所有的兒童都更易受傷害。但是，有一些兒童，因?yàn)榄h(huán)境的因素，比其他的兒童更易受到傷害。而且，兒童期的不利事件，對(duì)兒童的影響特別大，可能對(duì)他們的一生產(chǎn)生影響。處于困境的兒童，可能面對(duì)惡性循環(huán)：生活中的一個(gè)困境事件的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致兒童進(jìn)一步落入更為困難的境地。

提出問(wèn)題：冬季供暖房間需要開(kāi)窗通風(fēng)嗎？如果需要，開(kāi)多少扇窗，開(kāi)多長(zhǎng)時(shí)間合適？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇學(xué)生宿舍，測(cè)試時(shí)間段為18：30-20：30，每隔15 min測(cè)量1次測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)濕度、室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)平均輻射溫度等數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)束后等待室內(nèi)熱環(huán)境參量還原，改變開(kāi)窗數(shù)量重復(fù)實(shí)驗(yàn). 開(kāi)窗通風(fēng)寢室及測(cè)點(diǎn)示意圖如圖3所示.

(a)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兼顧對(duì)熱舒適度及通風(fēng)效果的考慮，得出北向宿舍冬季合適的通風(fēng)策略為開(kāi)2扇窗，通風(fēng)15～20 min為宜.

教學(xué)提高：重點(diǎn)在于將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際生活緊密聯(lián)系起來(lái)，解決學(xué)生感興趣的問(wèn)題. 北方高校宿舍冬季大多依靠輻射換熱器集中供暖，學(xué)生為了維持宿舍室溫而減少或者取消開(kāi)窗，導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量差. 因此實(shí)驗(yàn)小組以學(xué)生寢室開(kāi)窗通風(fēng)策略為研究課題，探究合適的開(kāi)窗方式與通風(fēng)時(shí)間. 學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，查閱《ASHRAE：55-2017人類居住熱環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)》等文獻(xiàn)，加深了對(duì)PMV-PPD熱舒適指標(biāo)的理解與認(rèn)識(shí)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并增強(qiáng)了自主研究能力和團(tuán)隊(duì)合作能力.

其他課堂實(shí)錄如圖4所示.

圖4 課堂實(shí)錄

3.3 PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施難點(diǎn)與解決方案

PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下困難：

a.實(shí)驗(yàn)時(shí)間分散. 以往每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)間和地點(diǎn)較為固定和集中，而在進(jìn)行PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，各小組的實(shí)驗(yàn)時(shí)間從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程都比較分散，實(shí)驗(yàn)課時(shí)間安排上難度增加.

b.教師與學(xué)生工作量增大. 以往教師只需備1次課，就可以教授所有學(xué)生，在進(jìn)行PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)型綜合性實(shí)驗(yàn)，教師需要對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行檢查和修改，并對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組單獨(dú)指導(dǎo)，工作量大幅增加. PBL教學(xué)改革下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以學(xué)生為主體，需要學(xué)生主動(dòng)參與，并自己提出問(wèn)題，查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)匯報(bào)，學(xué)生花費(fèi)的時(shí)間和精力也大幅增加.

c.制訂的實(shí)驗(yàn)方案需切實(shí)可行. 制訂實(shí)驗(yàn)方案是整個(gè)PBL教學(xué)改革中難度最大的部分，可以看到學(xué)生提出的問(wèn)題能夠探究建筑物理環(huán)境與建筑設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，但是由于缺乏設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)儀器設(shè)備不夠了解等原因，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案往往不能滿足要求.

對(duì)應(yīng)于PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施中的困難，可以參考以下解決途徑：

a.利用線上教學(xué). 將第一教學(xué)環(huán)節(jié)錄制成教學(xué)視頻發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自學(xué)，學(xué)生線上提交實(shí)驗(yàn)方案，教師線上批閱和修改；而線下教學(xué)在后續(xù)兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)開(kāi)展，這樣可以減少實(shí)驗(yàn)課的分散度，靈活利用時(shí)間，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織難度.

b.政策上鼓勵(lì)和傾斜，并合理設(shè)置PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)量和內(nèi)容. 學(xué)?；?qū)W院應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)將PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)系數(shù)、資金支持、績(jī)效評(píng)定上給予傾斜和幫助，并增加教師工作量的補(bǔ)償，以激發(fā)教師的積極性. 考慮到PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目會(huì)占用學(xué)生大量時(shí)間和精力，所以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不宜超過(guò)總實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量的50%，同時(shí)應(yīng)增加PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)的分?jǐn)?shù)占比，讓學(xué)生的付出與成績(jī)成正比.

c.提高學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的水平. 在PBL教學(xué)法實(shí)施的第一學(xué)年，教師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案修改上都花費(fèi)了非常多的精力，而在第二學(xué)年線上授課時(shí)，添加了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案可行性大幅度提升，因此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論學(xué)習(xí)是提高學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)水平的有效手段.

4 PBL教學(xué)的效果評(píng)價(jià)

PBL教學(xué)法在東北大學(xué)江河建筑學(xué)院建筑物理實(shí)驗(yàn)課上應(yīng)用已有2年時(shí)間[18]，對(duì)建筑系2017級(jí)和2018級(jí)120余名學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果表明：100%的學(xué)生認(rèn)為PBL教學(xué)法可以更好地探究建筑物理環(huán)境與建筑設(shè)計(jì)的關(guān)系，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)課程具有啟發(fā)意義；100%的學(xué)生認(rèn)為PBL教學(xué)法可以加深其對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解，學(xué)到更多的知識(shí)，教學(xué)效果優(yōu)于普通實(shí)驗(yàn)教學(xué)；95%的學(xué)生認(rèn)為PBL教學(xué)法增加的工作量是可以接受的；78%的學(xué)生承認(rèn)PBL教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以利用在創(chuàng)新競(jìng)賽中；只有51%的學(xué)生接受所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都采用PBL教學(xué)法.

5 結(jié)束語(yǔ)

PBL教學(xué)改革后的建筑物理實(shí)驗(yàn)可以服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)課程，讓學(xué)生自覺(jué)地將建筑物理知識(shí)應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中，并且為創(chuàng)新競(jìng)賽項(xiàng)目提出創(chuàng)造性的想法，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理的基本原理，為其以后進(jìn)行科學(xué)研究打下基礎(chǔ). PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也可以應(yīng)用于建筑物理實(shí)驗(yàn)課程中的聲學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在進(jìn)行充分的教案累計(jì)后，可大范圍推廣. 但需要注意，PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)占用教師與學(xué)生更多的時(shí)間和精力，還需要采取多項(xiàng)措施，激發(fā)教師與學(xué)生的積極性，才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢(shì).