当前看点!建筑光学实验改革研究

关键词：空间体验；数据经验；身体体验；开放实验

(资料图)

建筑物理光学部分的内容涉及了多个学科，包括几何光学、生物学、自然采光、人工光源、色彩学等，教学重点在于使学生综合运用以上知识，以在建筑空间设计中达成光学视觉和心理感觉的舒适。但在实际教学过程中，以上知识点相对独立[1]。学生容易把学习重点放在基本公式和概念知识点上，把这门课程当作高中物理的延续，以掌握考点作为学习主要目标，难以做到各个知识点的综合理解，在建筑设计课中也不能综合应用相关光学知识。文章所尝试的改革以光学实验课为突破口，通过设计一系列开放式、探究性的实验，试图链接和强化各个知识点，并引发知识拓展和应用。通过把实验回归到“空间”中，倡导使用各种实验手段，实现光在空间的呈现，使学生在空间光学操作中理解光学知识和空间设计。

1现状与反思

传统建筑物理光学实验以验证性实验为主，通过数据测量来验证和加深知识点的理解。实验注重数据求证，实验设备和操作步骤也是固定的，实验目的是为重现预定的结果[2]。在这种预设好的实验情景下，学生得不到自主探索的机会。从服务建筑设计的角度，建筑设计课的特点在于结果的开放性和不可预知性，传统实验不能满足此目标。传统光学实验并不强调空间作用，只注重光线本身的验证。但对于建筑设计而言，空间与光是硬币的两面，两者是相互依存和关联。空间是通过光在表达，空间也是光的容器，两者都难以独立存在与成立。光学实验课为空间和光的结合提供了可能，可以改变单一目标的实验模式。倡导学生对光线的空间分布进行自主研究，并将空间与光的呈现结果作为实验内容与评价重点。从现实层面，各种数字软件在模拟建筑环境方面发挥着越来越大的作用。建筑光学软件以DIAlux、Radiance、Ecotect等为代表，Skethup、Revit、Lumion等建筑设计常用建模软件也能进行光线效果模拟。这些计算机辅助手段扩展了光学模拟的范围，光学数据结果的实时反馈，客观上给光和空间的融合提供了基础。

2基于空间体验的实验改革

基于以上分析，本文提出“数字模拟”+“身体体验”的实验模式。借助实验手段更新和数字模拟技术对传统实验进行了一系列改进。

2.1基于空间体验的实验手段改进

光学实验课中的照明模型试验，是通过缩尺模型模拟人工照明环境，通过对照度参数进行数据记录验证实验结果。所采用的主要试验设备为：建筑室内模型，以及照度计、亮度计等光学测绘设备，属于验证性实验。建筑模型虽然方便测绘，但数据误差较大，不能真实体现光分布效果以及人在空间中的光感受。基于这一原因，我们在实验中不再使用缩尺模型，而是将模型放大到实际尺度——用1∶1空间尺度模拟光环境。经过综合考虑，将已有建筑光学实验室（层高4.5米）改造为足尺实验空间。具体做法是将原有吊顶拆除，布置集成灯具架；室内界面按照照明模型实验的要求改装。另外，增加智能控制台和升降灯具架，可设定多种光环境模式。改进后实验室在满足原有实验同时，还可实现以下功能：（1）光源高度调节。室内布置六盏可变高度灯具，通过在竖向位置的变化模拟不同顶棚高度。（2）灯具光通量控制。在操作面上方布置六盏光通量可调控灯具。光通量变化通过订制的智能控制台进行控制，六盏灯具可单独开启，可单独调光。（3）环境光色变化。通过HUE灯可变特性，改变室内人工照明光色，用于光色与效率、光色与情绪等的自主探索和研究。传统实验受到模型的限制，只能改变灯具高度，测量设备高度也会影响数据结果的准确性。改进后，实验在实际建筑空间内进行，测绘工具自身尺度相对于建筑空间尺度可以忽略，能够保证数据准确性。通过实验手段改变，实验得到的数据更加真实和具体，影响光环境各类复杂因素也能够反映到数据结果中。人工照明方式种类多样，而在传统模型实验中，只能模拟一种类型，实验不能够进行拓展，与实际有脱节。改进后的实验室能提供多种类型照明方式——线状、点状、面状等，订制实验灯具能够进行光源亮度、高度等参数调节。学生通过调节参数，能够模拟大部分实际照明情况（图1）。从实际效果看，学生能够通过简单培训，掌握操作要领。能够更加方便和准确地获得室内照度等数据，在老师引导和启发下，同学们能够自主设计光环境效果，并通过实验器材获取相关照明数据。结合大创等大学生自主课题，学生结合自身兴趣开展了针对在特定光环境下人的行为反映、心理感受等方面的学习型研究。

2.2基于真实空间的数据模拟实验

光学物理数值来自大量对人眼睛主观感受的观测和数据分析，背后指向人的主观感觉。数字本身没有意义，数据反映的人体感受更有价值。主观个体感受是对规律的验证，根据个体感受差异，对已有结论进行验证或质疑，能够发现问题，找到学习和研究突破点。为鼓励同学在实测中求证和感受数据意义，教学计划中去掉材料透光率、反射率模拟实验，增设“光环境数据模拟”实验。实验对象为同学们日常使用的五个教室。这五个教室采光均匀度差，存在眩光等视觉不利现象。因为朝向不合理、前后遮挡、采光口位置不当等原因，天然采光难以满足日常使用要求。实验要求针对不同教室情况展开数据采光模拟，并进行优化设计，主要步骤如下：（1）根据实体空间建立空间虚拟模型；（2）使用日光模拟软件进行日光模拟；（3）结合现场实测确认需要解决的采光问题；（4）提出优化方案，并修改建模；（5）进行二次数值模拟，验证改造效果；（6）重复3～5步骤，直到方案最优化。实验主要解决两个方面问题。一是实现了光线感受与数据之间的连通。通过对实际空间的数据测绘和感受以及模拟数的对比，数据背后所代表的视觉感受意义得到主观验证。二是实现数据模拟手段下的辅助设计。通过提出设计改造目标，引导学生将数据结果应用到建筑空间设计中，学习通过数据的辅助进行空间优化设计。这一过程培养了同学对光学数据的敏感性，各类光学指标（如照度、亮度等）通过实验获得直观感受。从实验效果看，学生能够在实验过程中主动观察和分析原因，尝试使用测试仪器验证，并能够基于建筑结构、构造等知识提出解决方案。改进方案虽不能具体实现，但数字模拟手段能够实时呈现改造效果，并出具相关光学数据，辅助学生判断改造效果。从实验报告看，除开窗外，学生还使用光导管、电动遮阳等改造措施，并结合不同建筑部位和空间特点进行布置（图2）。各个光学知识以及采光技术都综合集成到设计方案的解决过程中，实现了知识点的融合、与设计课的融合以及建筑采光技术的综合应用。但如前面所述，受客观条件限制，实验结果不能呈现在真实环境中，实验设计构想并没有全部实现。

2.3开放性实验——真实空间光学改造

为进一步引导学生从建筑设计角度进行光学应用和设计，弥补上一个实验的缺憾。受到同济大学郝洛西教授光环境教学成果的启发，我们借鉴其光环境实验的教学思路[3]，设计了一个基于真实空间的开放性实验——“光与空间”装置实验。首先，将实验场所设定为真实建筑空间。经过实测和综合考虑，选定建筑系教学楼的三层走廊大厅为主要实验空间。因此处人工照明设计存在缺陷，地面照度仅为20lx，仅仅满足通行的视觉最低要求。由于光线昏暗等原因，师生难以在此长时间停留，是一处消极空间。其次，实验目标设定为解决实际问题。实验要求通过对人工光源的改进与设计，不仅提高空间照度，更要求改善空间光效果，吸引更多的使用者。实验按组进行，空间场所选定为单侧走廊、空中连桥、直跑楼梯等几处有代表性的空间，要求结合空间特点和人的行为进行设计。评价标准也包括了光线空间效果、对人行为的影响效应等几个方面。实验过程即是同学深入理解光与空间关系的过程。每一组同学从方案到实际都经过了多次尝试和调整，这也是进行自主验证以及优化迭代的过程。第一阶段同学们设计制作一个光装置，光线经过不同材料以及透光孔呈现不同的效果。在此阶段，我们提出问题——想象的光效果与实际光效果的差异是如何产生的？通过什么手段能够进一步优化方案？同学们需要找到问题所在，并运用所学知识提出解决方法。通过这一阶段的实验，同学们能够切身体会材料的真实光学效果，并自主进行光线效果改进（图3）。第二阶段，将初步的光学装置放入到选定的空间中，进行效果验证和优化。这一阶段，光在空间的呈现效果得到验证。在保证避免眩光等不利情况同时，引导学生进一步观察人在光环境中的反应，并提出问题——如何让路的使用者驻足，并参与到光影互动中？在这一阶段加入空间概念，并在实际空间体验中反思光学效果，并进行再次优化和改进（图4）。在制作过程中，空间效果与计算机模拟效果都会有差异，也会有意料之外的发现。光线在实体空间中更有层次，更丰富；增加与人的互动设计后，光线在人的行为和心理上也产生影响。同学们通过实验对光线的心理作用有了直观判断和理解。如图所示光装置作业，设计主题为“在海中”。设计团队首先对所选场地——中庭侧廊进行空间分析，认为目前最需要的是保留廊道的空间形态，通过加入光对廊道空间性质进行再限定与重定义。最终，光装置通过动态水纹在墙面与天花板上产生光影，路过行人进入光影中，产生特殊的廊道空间氛围，并能够进一步引发光影互动与停留（图5）。

3实验效果总结

“光+空间”的实验目标下，通过改进实验空间和场景、加入数字技术辅助、开展真实空间的开放性实验等措施，能更加全面探讨空间中光学问题，为学生提供自主发现问题机会，并鼓励自主解决和验证问题。经过实践检验，实验教学成果有了较大的改进，学生的积极性和自主性得到提高。同时也发现一些不足，一并总结如下。

3.1打通数值与感受的关联

足尺实验空间能够全面反映光线在实体空间效果。真实空间实时数据也能够反映出光线实际效果，同时带来真实光环境感受。在一定光场景下，测绘数据是客观的，与之匹配的光效果却能带来直观感受。在这里，测量验证转变成为一种体验手段，实验者通过这一行为建立数据与主观感受的联系。实验数据和相关建筑光学概念能够内化到主观感受与体验层面，对概念和数据的理解得到加强。

3.2实现开放性设计与自主性的学习

实验的开放性特点主要体现在结果的开放性和手段的开放性。实验结果以实际效果为导向，实验手段不拘泥于某一固定操作步骤，鼓励迭代模拟和反复验证。目标明确、步骤开放的实验设计，能够让学生自发应用各种实验工具和器材，实验结果往往出乎意料。此类实验能够训练学生自发展开光学设计，改变设计思维模式，实现建筑物理课向建筑设计课的延伸和融合。

3.3对实验过程的科学性反思

建筑学背景学生相对缺少科学研究层面的严谨态度和科学方法。在实验过程中，同学们获得测量数据或者模拟数据后，无法自主展开科学整理与分析，需要老师在这一方面加强引导。这对实验老师提出了更高的要求，不仅仅要进行知识传授和实验设计，还要有做科研的经验和积累，在同学们遇到问题时能够及时引导。

3.4与设计课程的衔接与结合

在与设计课融合方面，需要从设计课的角度进行光学设计引导，两者是相辅相成的。相关课时有限，在规定时间内学生难以完成任务。所以设计课老师和建筑物理老师最好是建筑学背景，能够比较自然地在教学过程中进行衔接。在教学计划的时间安排上也需要与专业课程有相关顺序的安排。

结语

建筑物理课不是纯粹的基础物理知识，而是作为建筑学的组成部分，在于提高建筑功能质量，创造适宜的生活和工作环境。我们以上所做的尝试是将光学问题回归到空间中解决，光的基本物理现象与运动规律基于空间载体进行体验和研究，实现光学知识为建筑服务的目的。在这一实验思路下，将知识的“数据经验”与“身体体验”相结合，实现知识的主动获取和综合运用。我们的尝试还在不断调整和完善中，希望能够引发更多讨论，并引起更多建筑物理教学的反思和创新。

参考文献：

[1]牛笑,杨梦阳,赵兵兵.建筑物理课程模块化教学改革[J].辽宁工业大学学报(社会科学版),2022,24(01):116-118.

[2]董旭娟,雷一彬.研究性教学模式在建筑物理实验课程中的应用探索[J].建筑与文化,2021(07):30-31.

[3]郝洛西.同济大学建筑学专业建筑物理光环境教学成果专辑[M].上海:同济大学出版社,2016.

作者：王凌绪 高伟 李晓丽 单位：中国石油大学（华东）储建学院 中国石油大学（华东）储建学院 中国石油大学（华东）外语学院