PBL教学法在建筑物理实验教学中的应用

周 琴，张九红，陈 沈

(东北大学 a.江河建筑学院;b.辽宁省城市与建筑数字化技术重点实验室,辽宁 沈阳 110819)

建筑物理实验课程是建筑学专业技术教育的重要环节，其主要目的在于：通过亲自操作建筑热光声环境的测试和模拟实验，让学生感受并理解建筑物理环境与建筑的形式、空间和设计构造之间的关系，以加深建筑物理知识与建筑设计的融合并将其应用于建筑设计创作之中[1].

在建筑学教学中，设计课程作为贯穿大学5年的主要课程，是学生掌握技术最重要的课程. 如果建筑物理实验服务于建筑设计课程，则可以激发学生主动探索物理环境与建筑设计之间关系的兴趣，增强本科生实验设计和科学研究的能力，为学生进行建筑设计和参加创新竞赛打下基础. 传统的建筑物理实验以演示性或验证性实验项目为主，很难做到让学生有针对性地将建筑物理环境与建筑设计相融合，故在建筑物理实验教学中引入PBL教学法，能够充分调动学生的主观能动性，从而取得更好的教学效果.

PBL(Problem-based learning)教学模式是指以提出并解决问题作为学习手段，以小组合作作为学习基本单位，以学生作为学习主体的教学方法. PBL教学法最早起源于20世纪50年代的医学教育[2]，在高等教育的理论教学中已被广泛推广[3]，但在实验教学中的应用还处于探索初期.

PBL教学法具有以下特点[4-7]：

a.以问题为学习的起点，以学生为学习主体，激发学生的学习热情，变被动学习为主动学习；

b.教师在教学中起引导和解惑的作用，解决学生在自学中遇到的困难，对教师要求较高；

c.除了传统的考试(在实验教学中为实验报告)，更推荐采用汇报形式评价教学成果，可将评价纳入学习环节，以评促学.

PBL教学法以解决问题作为学习的目的，教学内容围绕单点问题展开，该教学形式非常适合于以实验项目为单位的实验教学. 在实验教学中引入了PBL教学法，以受教学生作为研究对象，采用对比组的方法研究，对PBL教学法的必要性、实施情况以及学生的学习积极性、知识掌握程度等方面进行了调查[8-9]，发现PBL教学法对提高学生的学习兴趣和积极性有较好的效果，普遍认为PBL教学法可很好地应用于实验教学. 采用PBL教学法的学生在实验内容考核上的成绩也明显优于传统实验教学法的学生. 由此可见，PBL教学法可以用于实验教学，而针对不同的实验项目，如何合理利用PBL教学法，形成合适的教学方案是需要解决的问题.

传统的实验教学一般分为3个环节，如图1所示，称为验证性实验. 教师是实验的主体，学生按照教师安排好的实验步骤进行实验操作，得出统一的实验结果，这样的实验教学缺乏将实验结论与建筑设计相融合的过程[10-11].

图1 传统的建筑物理实验流程图

采用PBL教学法后，将验证型实验变为设计型综合性实验，将传统的3个教学环节拓展为5个教学环节,如图2所示.

图2 基于PBL教学法的建筑物理实验流程图

a.第一环节与传统实验教学的第一环节相对应，补充实验设计的相关内容，为学生制订正确的实验方案打好基础.

b.第二环节中学生提出问题，并基于问题制订实验方案，教师进行审核. 该环节是PBL教学改革的关键，学生是学习的主体，教师对学生提出的问题和实验方案起到引导和审核的作用. 学生可以根据自己的建筑设计提出感兴趣的问题，将实验与设计课相结合，利用建筑物理学原理辅助建筑设计. 该环节对于教师的要求较高，教师既要审定学生提出的问题是否合理，又要判定根据现有条件，学生的实验方案是否切实可行.

c.第三环节是学生修改实验方案，教师进行二次审核，是对第二环节的补充.

d.第四环节是开展实验. 由学生根据实验方案自主开展实验，实验过程中需要教师持续跟进.

e.第五环节是实验评价环节. 采用小组汇报的形式进行考核，要求教师给出的成绩与学习效果相符，使评价更加客观[12].

建筑热环境参量测定实验是建筑热工学中的基本实验项目，实验操作简单，多为演示性实验. 实验的目的：使学生了解建筑热环境参量测定的基本内容，初步掌握常用仪器仪表的性能和使用方法，明确各项测定应达到的目的，并对影响生理感受的热环境值有定量的认知[13]. 实验仪器有温湿度测定仪、黑球辐射仪、风速测定仪. 实验内容为温度的测定、空气相对湿度的测定、气流速度的测定、室内平均辐射温度的测定.

3.2.1 同一建筑室内典型位置的热环境差异

提出问题：不同功能的房间，其“冷热”情况不同，是真的如此吗？

实验结果：测得不同功能空间的热环境参量，根据

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)-

教学提高：重点探究实验结果与建筑设计之间的关系，通过定量对比，学生可以直观地感受到不同空间中热环境参量的不同，并从建筑设计的角度分析其成因及是否合理.

例如：对于展览厅，从实验结果可知，其全天的温、湿度远低于其他空间，其原因为：空间功能需求方面，展览厅主要用于展览与游憩，并考虑与中庭的景观渗透，决定了其具有通透、宽阔的空间特点. 为使展览厅更加宽阔，通透感更强，围护结构大范围采用玻璃幕墙，而玻璃幕墙对于温度和湿度的保持能力较差，故该区域热舒适度系数较低，属于偏冷区域，同时考虑到展览厅不是教师及学生长期活动的空间，一般逗留时间不会超过0.5 h，并且会穿着外衣，故虽然展览厅温度较低，仍处于可以接受的范围内.

3.2.2 开窗通风对冬季供暖房间环境热参量的影响

根据世界银行的定义，困境儿童(orphans and vulnerable children)指18岁以下的未成年人，由于各种原因，缺少或很可能缺少适当的照料和保护，并且易受伤害的儿童。从根本上看，与成年人相比，所有的儿童都更易受伤害。但是，有一些儿童，因为环境的因素，比其他的儿童更易受到伤害。而且，儿童期的不利事件，对儿童的影响特别大，可能对他们的一生产生影响。处于困境的儿童，可能面对恶性循环：生活中的一个困境事件的出现，可能导致儿童进一步落入更为困难的境地。

提出问题：冬季供暖房间需要开窗通风吗？如果需要，开多少扇窗，开多长时间合适？

实验设计：实验地点选择学生宿舍，测试时间段为18：30-20：30，每隔15 min测量1次测试点的相对湿度、室内空气温度、室内平均辐射温度等数据，测量结束后等待室内热环境参量还原，改变开窗数量重复实验. 开窗通风寝室及测点示意图如图3所示.

(a)

实验结果：兼顾对热舒适度及通风效果的考虑，得出北向宿舍冬季合适的通风策略为开2扇窗，通风15～20 min为宜.

教学提高：重点在于将实验内容和学生实际生活紧密联系起来，解决学生感兴趣的问题. 北方高校宿舍冬季大多依靠辐射换热器集中供暖，学生为了维持宿舍室温而减少或者取消开窗，导致室内空气质量差. 因此实验小组以学生寝室开窗通风策略为研究课题，探究合适的开窗方式与通风时间. 学生根据实验结果，进行数据分析，查阅《ASHRAE：55-2017人类居住热环境条件标准》等文献，加深了对PMV-PPD热舒适指标的理解与认识，得出实验结论，并增强了自主研究能力和团队合作能力.

其他课堂实录如图4所示.

图4 课堂实录

PBL实验教学存在以下困难：

a.实验时间分散. 以往每个实验项目的时间和地点较为固定和集中，而在进行PBL实验教学改革后，各小组的实验时间从实验设计到实验过程都比较分散，实验课时间安排上难度增加.

b.教师与学生工作量增大. 以往教师只需备1次课，就可以教授所有学生，在进行PBL实验教学改革后，验证性实验变为设计型综合性实验，教师需要对每个实验方案进行检查和修改，并对每个实验小组单独指导，工作量大幅增加. PBL教学改革下的实验教学是以学生为主体，需要学生主动参与，并自己提出问题，查阅资料，设计实验方案，最后进行实验汇报，学生花费的时间和精力也大幅增加.

c.制订的实验方案需切实可行. 制订实验方案是整个PBL教学改革中难度最大的部分，可以看到学生提出的问题能够探究建筑物理环境与建筑设计之间的关系，但是由于缺乏设计实验的理论基础和经验以及对仪器设备不够了解等原因，学生的实验方案往往不能满足要求.

对应于PBL实验教学改革实施中的困难，可以参考以下解决途径：

a.利用线上教学. 将第一教学环节录制成教学视频发给学生，让学生自学，学生线上提交实验方案，教师线上批阅和修改；而线下教学在后续两个教学环节开展，这样可以减少实验课的分散度，灵活利用时间，降低实验教学的组织难度.

b.政策上鼓励和倾斜，并合理设置PBL实验教学的数量和内容. 学校或学院应当鼓励将PBL实验教学作为实验教学改革项目，在实验学时系数、资金支持、绩效评定上给予倾斜和帮助，并增加教师工作量的补偿，以激发教师的积极性. 考虑到PBL实验教学项目会占用学生大量时间和精力，所以实验项目不宜超过总实验项目数量的50%，同时应增加PBL实验教学的分数占比，让学生的付出与成绩成正比.

c.提高学生设计实验的水平. 在PBL教学法实施的第一学年，教师和学生在实验方案修改上都花费了非常多的精力，而在第二学年线上授课时，添加了实验设计的相关理论，学生提交的实验方案可行性大幅度提升，因此，进行实验设计的理论学习是提高学生设计实验水平的有效手段.

PBL教学法在东北大学江河建筑学院建筑物理实验课上应用已有2年时间[18]，对建筑系2017级和2018级120余名学生进行问卷调查，结果表明：100%的学生认为PBL教学法可以更好地探究建筑物理环境与建筑设计的关系，对于建筑设计课程具有启发意义；100%的学生认为PBL教学法可以加深其对实验项目的理解，学到更多的知识，教学效果优于普通实验教学；95%的学生认为PBL教学法增加的工作量是可以接受的；78%的学生承认PBL教学法的实验结果可以利用在创新竞赛中；只有51%的学生接受所有实验项目都采用PBL教学法.

PBL教学改革后的建筑物理实验可以服务于建筑设计课程，让学生自觉地将建筑物理知识应用到建筑设计中，并且为创新竞赛项目提出创造性的想法，使学生掌握实验设计和数据处理的基本原理，为其以后进行科学研究打下基础. PBL实验教学改革也可以应用于建筑物理实验课程中的声学和光学实验项目，在进行充分的教案累计后，可大范围推广. 但需要注意，PBL实验教学占用教师与学生更多的时间和精力，还需要采取多项措施，激发教师与学生的积极性，才能真正发挥其优势.

物理实验2022年1期