結(jié)合綠建標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑熱工學(xué)及建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與改革

【摘要】通過梳理綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與建筑熱工學(xué)、建筑光學(xué)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，將建筑熱工實(shí)驗(yàn)擬定為三個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)擬定為兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)引入使用后評(píng)估內(nèi)容，并與建筑設(shè)計(jì)課程結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)由散狀單一的參數(shù)檢驗(yàn)測(cè)定轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢憝h(huán)境營(yíng)造效果和如何營(yíng)造的思考，發(fā)揮學(xué)生的主體作用，改善教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】綠建標(biāo)準(zhǔn)； 熱工實(shí)驗(yàn)； 光學(xué)實(shí)驗(yàn)； 綜合性實(shí)驗(yàn)； 主客觀評(píng)價(jià)結(jié)合

【中圖分類號(hào)】G642.0A

0 引言

隨著節(jié)能與低碳政策的踐行，以及人們對(duì)健康的關(guān)注和審視，公眾對(duì)建筑的健康性能訴求愈來愈強(qiáng)烈，對(duì)建筑設(shè)計(jì)在綠色和健康舒適的要求越來越高。建筑空間除了尺度適宜、空間趣味等傳統(tǒng)的空間營(yíng)造關(guān)注點(diǎn)外，對(duì)建筑性能有了很高的要求，希望建筑的物理環(huán)境舒適。現(xiàn)行的綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，有三個(gè)章節(jié)涉及到對(duì)物理環(huán)境做出了要求，分別是第五章健康舒適、第七章資源節(jié)約和第八章環(huán)境宜居［1］。物理環(huán)境的營(yíng)造量化指標(biāo)靠客觀參量來控制，客觀參量控制的目的，是為了主觀感受達(dá)到舒適。某一客觀參量具體是什么感受，通過書本知識(shí)的描述雖然可以建立一個(gè)基本認(rèn)知，但是還需要對(duì)照體驗(yàn)去感受兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，在綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求框架下，以實(shí)際感受為橋梁，使學(xué)生理解物理環(huán)境的設(shè)計(jì)訴求，并建立相關(guān)設(shè)計(jì)意識(shí)，是建筑物理及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要方面。

目前一些建筑院校對(duì)建筑物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革。葛堅(jiān)等［2］從單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性熱環(huán)境測(cè)試分析，將數(shù)據(jù)分析和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合進(jìn)行了熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改革探索。郭飛等［3］通過對(duì)不同場(chǎng)地和環(huán)境條件下的場(chǎng)地?zé)岘h(huán)境測(cè)試，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)場(chǎng)地和環(huán)境條件對(duì)微氣候的影響。王春苑、蔡陽生等［4-5］在建筑物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入主觀感受，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生個(gè)人體驗(yàn)。范弘等［6］進(jìn)行了從單一知識(shí)點(diǎn)到綜合性改變的光學(xué)實(shí)驗(yàn)改革實(shí)踐。通過上述文獻(xiàn)總結(jié)，可以看出，建筑物理實(shí)驗(yàn)改革方向之一是散狀單一實(shí)驗(yàn)向綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，單一客觀數(shù)據(jù)測(cè)試向客觀數(shù)據(jù)結(jié)合主觀感受轉(zhuǎn)變。2020年以來燕山大學(xué)建筑學(xué)專業(yè)在新增置了實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，結(jié)合綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，建筑熱工及建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為將傳統(tǒng)單一測(cè)試各參量的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘧兞?、體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)，并與設(shè)計(jì)課深度融合，形成課程群，課程內(nèi)容相互穿插，將建筑熱工學(xué)、建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)融入到場(chǎng)地調(diào)研與方案設(shè)計(jì)中，并對(duì)外環(huán)境測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，強(qiáng)化模擬對(duì)實(shí)測(cè)的補(bǔ)充作用，對(duì)建筑設(shè)計(jì)課程提供幫助。本文對(duì)建筑熱工及光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行介紹。

1 建筑熱工學(xué)知識(shí)框架及建筑熱工學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

建筑學(xué)本科建筑熱工學(xué)教學(xué)內(nèi)容一般包括熱工學(xué)基本知識(shí)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱原理及計(jì)算、建筑保溫設(shè)計(jì)、建筑防潮設(shè)計(jì)、建筑防熱設(shè)計(jì)和建筑日照設(shè)計(jì)。前兩部分是理論基礎(chǔ)，后面四部分是實(shí)踐應(yīng)用。根據(jù)《高等學(xué)校建筑學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》［7］（以下簡(jiǎn)稱“專指委”），其指導(dǎo)開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表1。改革前，因我校建筑學(xué)專業(yè)建系時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，建筑物理實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較短（2學(xué)時(shí)），開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H包括材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。此次改革參考“專指委”的建議，對(duì)照綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，將“專指委”建議的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和熱工學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)映射關(guān)系進(jìn)行梳理（圖1）。

由圖1可以看出，室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)能將所有對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)統(tǒng)一起來，因?yàn)閷?duì)建筑物進(jìn)行的“綠色化”處理均是為了在減少能源消耗的前提下使室內(nèi)、外環(huán)境參數(shù)處于理想范圍。所以將圖1中的映射關(guān)系重新進(jìn)行梳理組織，擬定三個(gè)實(shí)驗(yàn)，見圖2。

改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容除了保留導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定之外，將不同設(shè)計(jì)處理（有無保溫，有無遮陽構(gòu)件）的空間、不同的傳熱系數(shù)、通風(fēng)條件行成的空間環(huán)境條件（室內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速、室內(nèi)平均輻射溫度、壁面內(nèi)、外表面溫度、傳熱系數(shù)、內(nèi)表面結(jié)露、霉化、粉化）進(jìn)行體驗(yàn)式測(cè)定，就可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容串聯(lián)起來，作為綜合性實(shí)驗(yàn)一“不同熱工設(shè)計(jì)的房間的室內(nèi)建筑熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定與評(píng)價(jià)”。室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的測(cè)定包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、室內(nèi)平均輻射溫度、材料導(dǎo)熱系數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱系數(shù)；室外熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽輻射。環(huán)境是人使用的空間，客觀參量與主觀感受之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了讓學(xué)生感受控制客觀參量的意義，將客觀數(shù)據(jù)和主觀感受建立聯(lián)系，設(shè)定多組空間測(cè)試完成“體驗(yàn)感受”與實(shí)測(cè)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：在采暖季對(duì)有保溫處理和未做保溫處理的兩棟建筑分別選取同一朝向面積大致相同的房間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、對(duì)比，同時(shí)測(cè)定內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)外溫度、濕度、風(fēng)速；記錄熱舒適感受；觀察室內(nèi)表面結(jié)露狀況、發(fā)霉、粉化狀況。該實(shí)驗(yàn)中，雖然不同建筑的散熱器數(shù)量、使用人數(shù)、透明結(jié)構(gòu)的密閉性不同等可能會(huì)對(duì)室內(nèi)溫度有影響，但從揭示建筑設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對(duì)建筑室內(nèi)空間的物理環(huán)境影響趨勢(shì)方面來看，依然有規(guī)律可循。

室外熱舒適和熱島強(qiáng)度與建筑的布局、朝向、下墊面等相關(guān)，同時(shí)與建筑密度、建筑高度、建筑表面的反射率等相關(guān)，因此，將不同室外環(huán)境處理下的“外環(huán)境參數(shù)測(cè)定與評(píng)價(jià)”作為綜合性實(shí)驗(yàn)二，同時(shí)，在設(shè)計(jì)課上教學(xué)生學(xué)習(xí)Grasshopper軟件，利用軟件中UWG電池功能，進(jìn)行場(chǎng)地局地外環(huán)境參數(shù)的模擬，將實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比，分析模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異的原因，正確認(rèn)識(shí)模擬結(jié)果的參考價(jià)值，對(duì)建筑設(shè)計(jì)課程的場(chǎng)地分析提供幫助。

室外熱環(huán)境參數(shù)測(cè)定時(shí)，選定專教建筑（有內(nèi)天井）、圖書館（前面有較大開闊廣場(chǎng)）、世紀(jì)樓（高層）三棟建筑形成的組團(tuán)進(jìn)行外環(huán)境測(cè)定。三棟建筑高矮不同，周邊有樹林、湖面、開闊廣場(chǎng)、坡地，形成了很有特點(diǎn)的小氣候，每個(gè)建筑周圍的各朝向的下墊面有所不同，環(huán)境參量也不一致，分三個(gè)小組各取一個(gè)建筑，測(cè)定建筑周圍人活動(dòng)區(qū)域的外環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，通過客觀參數(shù)測(cè)定和主觀感受結(jié)合，更能理解上述因素對(duì)環(huán)境微氣候的影響。將實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于下一學(xué)期的建筑設(shè)計(jì)課程中，在設(shè)計(jì)課的場(chǎng)地調(diào)研時(shí)，除了調(diào)研場(chǎng)地的區(qū)位、交通、功能性用地、自然景觀現(xiàn)狀等之外，還進(jìn)行場(chǎng)地微氣候的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及模擬。在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)能對(duì)環(huán)境利用有更直觀的感受，且在設(shè)計(jì)中，對(duì)總圖方案增加模擬步驟，方案設(shè)計(jì)后對(duì)環(huán)境的熱島效應(yīng)影響及環(huán)境風(fēng)場(chǎng)效果做出模擬判斷，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化總體布局，且與室外計(jì)算溫度相比，采暖季室外平均溫度模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，能更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)建筑能耗（在課程群的建筑熱工課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行能耗計(jì)算）。

建筑體形、遮陽處理會(huì)影響日照，因此，將體形、遮陽處理與建筑設(shè)計(jì)課程相結(jié)合，進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)三“建筑的日照實(shí)驗(yàn)”。日照實(shí)驗(yàn)主要采用演示與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，形成互動(dòng)和趣味性，增加興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新和反思能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為日照情況和遮陽板遮陽效果觀測(cè)。教師事先制作好專教建筑模型及改造過的無遮陽構(gòu)件的模型，利用三參日照儀進(jìn)行遮陽效果及日照效果對(duì)比的演示性觀測(cè)，加深學(xué)生對(duì)遮陽構(gòu)件效果的認(rèn)識(shí)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，學(xué)生將建筑設(shè)計(jì)作業(yè)制作模型進(jìn)行日照和遮陽狀況觀測(cè)。讓學(xué)生能對(duì)自己做的設(shè)計(jì)性能有一個(gè)檢驗(yàn)的過程，進(jìn)而能提出優(yōu)化的方案，為以后的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向。實(shí)驗(yàn)三在建筑設(shè)計(jì)課進(jìn)行。

2 建筑光學(xué)知識(shí)框架及建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

建筑光學(xué)教學(xué)內(nèi)容一般包括建筑光學(xué)基本知識(shí)、天然彩光、建筑照明三部分內(nèi)容。第一部分為基礎(chǔ)知識(shí)，第二、三部分分別為天然彩光和人工照明的應(yīng)用。

因設(shè)備和學(xué)時(shí)限制，此前開啟的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為采光系數(shù)測(cè)量（2學(xué)時(shí)）。本次改革結(jié)合綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和“專指委”建議的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（表2），梳理了建筑光學(xué)的知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和綠色建筑光環(huán)境之間的映射關(guān)系，如圖3所示。

根據(jù)圖3的映射關(guān)系及知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系關(guān)系，采光系數(shù)、光反射比、采光眩光控制可以綜合到一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)進(jìn)行，因不同采光系數(shù)下，不同室內(nèi)各界面光反射比下，室內(nèi)各界面及窗口亮度不同，是否會(huì)形成眩光，可在亮度測(cè)量后根據(jù)不舒適眩光DGI計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，因此三個(gè)知識(shí)點(diǎn)可集中到同一實(shí)驗(yàn)下進(jìn)行，即“教室采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)”?！皩Ｖ肝苯ㄗh的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不涉及光污染內(nèi)容，因此在映射關(guān)系內(nèi)可以看到光污染知識(shí)點(diǎn)無對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)；照明功率密度值可在照明效果檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行核查是否滿足要求并節(jié)能，同時(shí)，可以測(cè)量室內(nèi)是否會(huì)有外部夜間照明對(duì)室內(nèi)形成光污染，而室外燈光進(jìn)入室內(nèi)必然涉及到光透射比內(nèi)容，因此，這三個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以綜合到同一實(shí)驗(yàn)內(nèi)進(jìn)行，即綜合實(shí)驗(yàn)二“宿舍照明效果檢驗(yàn)”。具體應(yīng)對(duì)關(guān)系見圖4。

建筑光學(xué)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一是盡量少的能耗前提下，實(shí)現(xiàn)視覺舒適、達(dá)到視覺功效和視覺安全及美觀。不同場(chǎng)合的照度要求不同，而不同的照度數(shù)值到底看起來是什么感覺，學(xué)生沒有直觀的概念。因此將綜合性實(shí)驗(yàn)一“教室采光系數(shù)達(dá)標(biāo)面積檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)”加入主觀感受問卷內(nèi)容，將學(xué)生的主觀體驗(yàn)感受與實(shí)測(cè)結(jié)合。測(cè)試內(nèi)容包括被照面不同照度、亮度值與主觀視覺感受對(duì)應(yīng)關(guān)系體驗(yàn)涉及照度測(cè)量；教學(xué)樓采光達(dá)標(biāo)率和光反射比測(cè)量。

首先，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自主設(shè)計(jì)了一個(gè)可升降吊頂，吊頂內(nèi)嵌入燈具，改變吊頂?shù)母叨?，可以使立體角和被照面的照度發(fā)生改變，學(xué)生坐在燈具下方，感受高度持續(xù)性變化過程中的照度差異，而后將高度設(shè)為三檔，每檔停留10 min，感受照度和亮度的變化并記錄感受（明度感覺、舒適感覺、視覺功效），對(duì)照度、亮度客觀數(shù)據(jù)與主觀明亮感受建立關(guān)聯(lián)。然后，分四組完成第一到第四教學(xué)樓（每組同學(xué)一棟教學(xué)樓）中教室、走廊、門廳、衛(wèi)生間的全陰天日間采光照度測(cè)量（計(jì)算采光系數(shù)），對(duì)比不同空間的照度值和實(shí)際感受，對(duì)天然采光效果做出判斷，并與方案設(shè)計(jì)建立聯(lián)系。學(xué)生選擇不同教學(xué)樓不同功能房間進(jìn)行測(cè)量，是因?yàn)椴煌虒W(xué)樓建設(shè)年代不同，開窗大小、房間尺度、室內(nèi)表面及窗玻璃光反射比等都有差異，且同一棟教學(xué)樓中教室、走廊、門廳、衛(wèi)生間采光狀況也有差異。四組同學(xué)測(cè)試完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入共享表格共享，讓每個(gè)學(xué)生均能對(duì)不同建筑的采光感受（學(xué)生在第一到第四教學(xué)樓均上過課，有過使用體驗(yàn)）的客觀數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，并提出改善方案。同時(shí)，在全晴天時(shí)，對(duì)房間界面及窗口的亮度進(jìn)行測(cè)量，并參照GB/T 5699-2017《采光測(cè)量方法》［8］中的附錄C進(jìn)行亮度記錄，并計(jì)算不舒適眩光指數(shù)DGI。

因?yàn)檎彰鳟a(chǎn)品日新月異的變化和城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市夜景照明工程繁多，造成照明光污染嚴(yán)重，夜間照明的影響與學(xué)生息息相關(guān)的即為宿舍，因此增加了宿舍窗戶外表面垂直照度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將透射系數(shù)測(cè)量和垂直照度分布實(shí)驗(yàn)及照明功率密度值、照明效果檢驗(yàn)綜合在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)二“宿舍照明檢驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn)”。因宿舍與住宅同屬居住功能，結(jié)合我校地理位置，將結(jié)果對(duì)標(biāo)GB/T 35626-2017《室外照明干擾光限制規(guī)范》［9］中關(guān)于住宅的E3區(qū)域限制要求。測(cè)試時(shí)，因窗外表面不好測(cè)量，僅在窗玻璃上選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)各進(jìn)行三次玻璃內(nèi)外照度測(cè)量，取算數(shù)平均值計(jì)算得到透射系數(shù)，再將玻璃劃分網(wǎng)格測(cè)內(nèi)表面照度，由透射系數(shù)計(jì)算求得外表面的照度以判斷是否有光污染。并記錄同學(xué)們?cè)谒奚岬母杏X（所處房間是否有光污染，污染來源是什么，光污染對(duì)您的影響程度）。將得到的客觀照度值與主觀感受建立聯(lián)系，引導(dǎo)此后的建筑設(shè)計(jì)。

采光模型實(shí)驗(yàn)不再占用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，在課程中與設(shè)計(jì)作業(yè)相結(jié)合改為項(xiàng)目式教學(xué)，對(duì)本學(xué)期中的設(shè)計(jì)作業(yè)選定一個(gè)房間進(jìn)行采光口設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)探索不同采光口形式對(duì)建筑設(shè)計(jì)的影響，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或制作模型，觀察采光效果。在設(shè)計(jì)課中教學(xué)生運(yùn)用Radiance和綠建斯維爾DALI建筑采光軟件，進(jìn)行定量化模擬，探索采光口的采光和節(jié)能的矛盾平衡。

3 結(jié)束語

通過上述教學(xué)改革，在綠色建筑設(shè)計(jì)前提下，基于感受體驗(yàn)和解決問題為出發(fā)點(diǎn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的綜合性和應(yīng)用性，激發(fā)了學(xué)生的探索欲。然而，這些實(shí)驗(yàn)變量控制上并非都是單一變量，或者一一對(duì)應(yīng)變量的對(duì)比，因此結(jié)果不夠嚴(yán)謹(jǐn)，僅能定性的說明問題，這是此后需要改進(jìn)的地方。

參考文獻(xiàn)

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［5］ 蔡陽生，江院生，劉鳳軒，等.新綠建標(biāo)準(zhǔn)下的建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與改革 ［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（11）：208-211+242.

［6］ 范弘，鄭秋玲，楊柯.建筑光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐研究［J］.現(xiàn)代教育科學(xué)，2016（12）：89-93.

［7］ 全國(guó)高等學(xué)校建筑學(xué)學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校建筑學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：29-30.

［8］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).采光測(cè)量方法：GB/T 5699-2017［S］.北京： 中國(guó)質(zhì)檢出版社，2017：17.

［9］ 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.室外照明干擾光限制規(guī)范：GB/T 35626-2017［S］.北京： 中國(guó)質(zhì)檢出版社，2017：2，4.