PBL教學(xué)法在建筑物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

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)重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

建筑物理實驗課程是建筑學(xué)專業(yè)技術(shù)教育的重要環(huán)節(jié)，其主要目的在于：通過親自操作建筑熱光聲環(huán)境的測試和模擬實驗，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)計構(gòu)造之間的關(guān)系，以加深建筑物理知識與建筑設(shè)計的融合并將其應(yīng)用于建筑設(shè)計創(chuàng)作之中[1].

在建筑學(xué)教學(xué)中，設(shè)計課程作為貫穿大學(xué)5年的主要課程，是學(xué)生掌握技術(shù)最重要的課程. 如果建筑物理實驗服務(wù)于建筑設(shè)計課程，則可以激發(fā)學(xué)生主動探索物理環(huán)境與建筑設(shè)計之間關(guān)系的興趣，增強本科生實驗設(shè)計和科學(xué)研究的能力，為學(xué)生進(jìn)行建筑設(shè)計和參加創(chuàng)新競賽打下基礎(chǔ). 傳統(tǒng)的建筑物理實驗以演示性或驗證性實驗項目為主，很難做到讓學(xué)生有針對性地將建筑物理環(huán)境與建筑設(shè)計相融合，故在建筑物理實驗教學(xué)中引入PBL教學(xué)法，能夠充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，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]，但在實驗教學(xué)中的應(yīng)用還處于探索初期.

PBL教學(xué)法具有以下特點[4-7]：

a.以問題為學(xué)習(xí)的起點，以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，變被動學(xué)習(xí)為主動學(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，對教師要求較高；

c.除了傳統(tǒng)的考試(在實驗教學(xué)中為實驗報告)，更推薦采用匯報形式評價教學(xué)成果，可將評價納入學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，以評促學(xué).

PBL教學(xué)法以解決問題作為學(xué)習(xí)的目的，教學(xué)內(nèi)容圍繞單點問題展開，該教學(xué)形式非常適合于以實驗項目為單位的實驗教學(xué). 在實驗教學(xué)中引入了PBL教學(xué)法，以受教學(xué)生作為研究對象，采用對比組的方法研究，對PBL教學(xué)法的必要性、實施情況以及學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、知識掌握程度等方面進(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)用于實驗教學(xué). 采用PBL教學(xué)法的學(xué)生在實驗內(nèi)容考核上的成績也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實驗教學(xué)法的學(xué)生. 由此可見，PBL教學(xué)法可以用于實驗教學(xué)，而針對不同的實驗項目，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題.

2 PBL教學(xué)法在實驗教學(xué)中的實施方案

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般分為3個環(huán)節(jié)，如圖1所示，稱為驗證性實驗. 教師是實驗的主體，學(xué)生按照教師安排好的實驗步驟進(jìn)行實驗操作，得出統(tǒng)一的實驗結(jié)果，這樣的實驗教學(xué)缺乏將實驗結(jié)論與建筑設(shè)計相融合的過程[10-11].

圖1 傳統(tǒng)的建筑物理實驗流程圖

采用PBL教學(xué)法后，將驗證型實驗變?yōu)樵O(shè)計型綜合性實驗，將傳統(tǒng)的3個教學(xué)環(huán)節(jié)拓展為5個教學(xué)環(huán)節(jié),如圖2所示.

圖2 基于PBL教學(xué)法的建筑物理實驗流程圖

a.第一環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的第一環(huán)節(jié)相對應(yīng)，補充實驗設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，為學(xué)生制訂正確的實驗方案打好基礎(chǔ).

b.第二環(huán)節(jié)中學(xué)生提出問題，并基于問題制訂實驗方案，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，教師對學(xué)生提出的問題和實驗方案起到引導(dǎo)和審核的作用. 學(xué)生可以根據(jù)自己的建筑設(shè)計提出感興趣的問題，將實驗與設(shè)計課相結(jié)合，利用建筑物理學(xué)原理輔助建筑設(shè)計. 該環(huán)節(jié)對于教師的要求較高，教師既要審定學(xué)生提出的問題是否合理，又要判定根據(jù)現(xiàn)有條件，學(xué)生的實驗方案是否切實可行.

c.第三環(huán)節(jié)是學(xué)生修改實驗方案，教師進(jìn)行二次審核，是對第二環(huán)節(jié)的補充.

d.第四環(huán)節(jié)是開展實驗. 由學(xué)生根據(jù)實驗方案自主開展實驗，實驗過程中需要教師持續(xù)跟進(jìn).

e.第五環(huán)節(jié)是實驗評價環(huán)節(jié). 采用小組匯報的形式進(jìn)行考核，要求教師給出的成績與學(xué)習(xí)效果相符，使評價更加客觀[12].

3 建筑熱環(huán)境參量測定實驗教學(xué)案例

3.1 實驗簡介

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

3.2 課堂實錄

3.2.1 同一建筑室內(nèi)典型位置的熱環(huán)境差異

提出問題：不同功能的房間，其“冷熱”情況不同，是真的如此嗎？

實驗結(jié)果：測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：重點探究實驗結(jié)果與建筑設(shè)計之間的關(guān)系，通過定量對比，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)計的角度分析其成因及是否合理.

例如：對于展覽廳，從實驗結(jié)果可知，其全天的溫、濕度遠(yuǎn)低于其他空間，其原因為：空間功能需求方面，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. 為使展覽廳更加寬闊，通透感更強，圍護結(jié)構(gòu)大范圍采用玻璃幕墻，而玻璃幕墻對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，同時考慮到展覽廳不是教師及學(xué)生長期活動的空間，一般逗留時間不會超過0.5 h，并且會穿著外衣，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 開窗通風(fēng)對冬季供暖房間環(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，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，因為環(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，對兒童的影響特別大，可能對他們的一生產(chǎn)生影響。處于困境的兒童，可能面對惡性循環(huán)：生活中的一個困境事件的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致兒童進(jìn)一步落入更為困難的境地。

提出問題：冬季供暖房間需要開窗通風(fēng)嗎？如果需要，開多少扇窗，開多長時間合適？

實驗設(shè)計：實驗地點選擇學(xué)生宿舍，測試時間段為18：30-20：30，每隔15 min測量1次測試點的相對濕度、室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)平均輻射溫度等數(shù)據(jù)，測量結(jié)束后等待室內(nèi)熱環(huán)境參量還原，改變開窗數(shù)量重復(fù)實驗. 開窗通風(fēng)寢室及測點示意圖如圖3所示.

(a)

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

教學(xué)提高：重點在于將實驗內(nèi)容和學(xué)生實際生活緊密聯(lián)系起來，解決學(xué)生感興趣的問題. 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窗，導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量差. 因此實驗小組以學(xué)生寢室開窗通風(fēng)策略為研究課題，探究合適的開窗方式與通風(fēng)時間. 學(xué)生根據(jù)實驗結(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PMV-PPD熱舒適指標(biāo)的理解與認(rèn)識，得出實驗結(jié)論，并增強了自主研究能力和團隊合作能力.

其他課堂實錄如圖4所示.

圖4 課堂實錄

3.3 PBL實驗教學(xué)實施難點與解決方案

PBL實驗教學(xué)存在以下困難：

a.實驗時間分散. 以往每個實驗項目的時間和地點較為固定和集中，而在進(jìn)行PBL實驗教學(xué)改革后，各小組的實驗時間從實驗設(shè)計到實驗過程都比較分散，實驗課時間安排上難度增加.

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實驗教學(xué)改革后，驗證性實驗變?yōu)樵O(shè)計型綜合性實驗，教師需要對每個實驗方案進(jìn)行檢查和修改，并對每個實驗小組單獨指導(dǎo)，工作量大幅增加. PBL教學(xué)改革下的實驗教學(xué)是以學(xué)生為主體，需要學(xué)生主動參與，并自己提出問題，查閱資料，設(shè)計實驗方案，最后進(jìn)行實驗匯報，學(xué)生花費的時間和精力也大幅增加.

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

對應(yīng)于PBL實驗教學(xué)改革實施中的困難，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)生線上提交實驗方案，教師線上批閱和修改；而線下教學(xué)在后續(xù)兩個教學(xué)環(huán)節(jié)開展，這樣可以減少實驗課的分散度，靈活利用時間，降低實驗教學(xué)的組織難度.

b.政策上鼓勵和傾斜，并合理設(shè)置PBL實驗教學(xué)的數(shù)量和內(nèi)容. 學(xué)?；?qū)W院應(yīng)當(dāng)鼓勵將PBL實驗教學(xué)作為實驗教學(xué)改革項目，在實驗學(xué)時系數(shù)、資金支持、績效評定上給予傾斜和幫助，并增加教師工作量的補償，以激發(fā)教師的積極性. 考慮到PBL實驗教學(xué)項目會占用學(xué)生大量時間和精力，所以實驗項目不宜超過總實驗項目數(shù)量的50%，同時應(yīng)增加PBL實驗教學(xué)的分?jǐn)?shù)占比，讓學(xué)生的付出與成績成正比.

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

4 PBL教學(xué)的效果評價

PBL教學(xué)法在東北大學(xué)江河建筑學(xué)院建筑物理實驗課上應(yīng)用已有2年時間[18]，對建筑系2017級和2018級120余名學(xué)生進(jìn)行問卷調(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)計的關(guān)系，對于建筑設(shè)計課程具有啟發(fā)意義；100%的學(xué)生認(rèn)為PBL教學(xué)法可以加深其對實驗項目的理解，學(xué)到更多的知識，教學(xué)效果優(yōu)于普通實驗教學(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)法的實驗結(jié)果可以利用在創(chuàng)新競賽中；只有51%的學(xué)生接受所有實驗項目都采用PBL教學(xué)法.

5 結(jié)束語

PBL教學(xué)改革后的建筑物理實驗可以服務(wù)于建筑設(shè)計課程，讓學(xué)生自覺地將建筑物理知識應(yīng)用到建筑設(shè)計中，并且為創(chuàng)新競賽項目提出創(chuàng)造性的想法，使學(xué)生掌握實驗設(shè)計和數(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實驗教學(xué)改革也可以應(yīng)用于建筑物理實驗課程中的聲學(xué)和光學(xué)實驗項目，在進(jìn)行充分的教案累計后，可大范圍推廣. 但需要注意，PBL實驗教學(xué)占用教師與學(xué)生更多的時間和精力，還需要采取多項措施，激發(fā)教師與學(xué)生的積極性，才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢.