周軍莉，任志剛，王乾坤，周 晉

（1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

專業(yè)更名背景下的特色課程建設探討
——以《節(jié)能建筑計算與仿真》為例

周軍莉1，任志剛1，王乾坤1，周 晉2

（1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

節(jié)能建筑計算與仿真為我校原建筑節(jié)能專業(yè)，現(xiàn)建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的重要課程，具有內容多，基礎廣，應用強的特點。作為國內首批開設該課程的高校，針對該課程進行了教學研究問卷調查，并在已有調查結果及教學經驗基礎上，梳理了該課程教學內容及教學方式，提出了系統(tǒng)的課程建設方案。教學內容可分為節(jié)能規(guī)范，軟件總結，軟件原理，案例學習四部分，教學方式上可采用橫向比較——各類規(guī)范、軟件比較，縱向聯(lián)系——與前期專業(yè)課程及后期畢業(yè)設計聯(lián)系的授課方法，并在最終考核中將軟件實際操作納入評分體系。該課程建設可大力促進本學科發(fā)展專業(yè)特色，統(tǒng)一教學科研資源，并增強學生就業(yè)競爭力。

建筑；仿真；課程；調查；建設

隨著我國建筑節(jié)能及綠色建筑工作的蓬勃發(fā)展，建筑節(jié)能設計、建筑節(jié)能施工圖設計審查已成為建筑設計中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。[1][2]建筑系統(tǒng)模擬是建筑節(jié)能分析與圖紙節(jié)能審查所能使用的主要方法，而建筑環(huán)境模擬則成為綠色建筑星級申報及評估的重要手段。[3]在建筑及環(huán)境控制領域，已經出現(xiàn)了大量的建筑環(huán)境及系統(tǒng)模擬軟件，如Fluent、Ecotect，DeST等。這些軟件可輔助設計師在建筑前期階段進行環(huán)境分析及節(jié)能方案選擇，并在后期階段進行節(jié)能評估，完成圖紙節(jié)能審查功能。

2010年，我校在國內率先開設了建筑節(jié)能技術與工程專業(yè)（全國僅7所），并于同年國內首次專業(yè)招生。本專業(yè)受到了各級領導部門的關注與愛護，依次取得國家特色專業(yè)建設點、湖北省戰(zhàn)略新興（支柱）產業(yè)人才培養(yǎng)計劃等榮譽稱號。2012年，教育部規(guī)定，建筑節(jié)能技術與工程、建筑環(huán)境與設備工程（暖通空調）、建筑設施智能技術合并成為建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)。在此專業(yè)更名背景下，建筑節(jié)能依然是本學科特色發(fā)展目標，《節(jié)能建筑計算與仿真》是本專業(yè)的核心特色課程，也是本專業(yè)需要培養(yǎng)的基本專業(yè)技能。

2013年，我校在全國高校中率先開設了本門課程。該課程學習目標旨在培養(yǎng)學生對建筑進行環(huán)境和系統(tǒng)模擬的能力，從而進行能耗分析或節(jié)能方案評估、優(yōu)化、審查。課程具有內容多，基礎廣，應用強的特點，而國內并沒有統(tǒng)一規(guī)劃的教材和教學大綱。因此無論是教學內容還是教學方法，該課程都急需系統(tǒng)建設。在已培訓3屆學生基礎上，本文對該課程進行了調研分析，并進而結合教學經驗及調查結果，提出了系統(tǒng)的課程建設方案。

一、課程調研及結果分析

2015年9-12月，本文借助相關調查網站進行了有關《節(jié)能建筑計算與仿真》本科課程的教學研究問卷調查。問卷主要集中于收集整理行業(yè)人士對于本課程開設內容及授課方法的建議。

（一）調查基本結果

調查共計回收107份有效反饋，其中63%反饋者為暖通空調專業(yè)（建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)）人士，27.1%為建筑節(jié)能專業(yè)人士，其他專業(yè)占9%左右。反饋者中工作多年者占49.53%，熟悉建筑節(jié)能模擬工作者為34.58%，如下圖1，圖2所示。因此，可以認為該反饋信息具有較好的代表性。

如圖3所示，48.6%的反饋者認為本門課程重要，31.78%的反饋者認為本門課程非常重要。這與本學科最初對本門課程的定性相符。

圖1：反饋者工作年限分布

圖2：反饋者對建筑節(jié)能模擬工作的熟悉程度分布

圖3：對本門課程的重要性反饋

圖4：反饋結果中軟件重要性排列

作者根據教學經驗，初步將課程內容分為四部分：建筑節(jié)能規(guī)范分析，國際建筑能耗及建筑環(huán)境模擬軟件總結分析，軟件計算原理，具體軟件學習及案例分析。下文中簡稱為：規(guī)范，總結，原理，案例。

從調查數(shù)據可知，反饋者認為四部分內容都很重要。但相比較而言，四大部分內容的重要性排序分別為：規(guī)范，總結，案例，原理。由此可見，由于一些建筑節(jié)能強制性條文的實施，因此在建筑節(jié)能相關工作中，人們最先關注的是建筑節(jié)能規(guī)范。只有對規(guī)范熟悉，才可能對設計及節(jié)能狀況有整體性的了解。其次，在常用的軟件方面，從業(yè)人士也希望能在學校全面接觸，進行基礎學習。而軟件計算原理，則只是為具體軟件而分析服務的。

在針對具體軟件學習的調查中，DeST和EnergyPlus均獲得57.94%的投票率，可見兩軟件在從業(yè)人士中的巨大影響力。其次，其他軟件按重要性大小依次可排為：PKPM建筑節(jié)能軟件，Ecotec，Anysy（Fluent）等，如圖4所示。

此外，從反饋者留言中可看出，絕大部分反饋者都認為上機鍛煉非常重要。在課程內容方面，有專業(yè)人士認為在軟件模擬中應要重點講述邊界條件取值的合理性，因為邊界條件跟計算結果直接強相關，也是工程作弊的源頭，要做到每個邊界條件的設置都有理有據，不能憑經驗。該反饋信息也提示了授課人員在講解軟件操作過程中，需要介紹一些影響結果的設置問題。如在Fluent等流場數(shù)值模擬軟件中，無論是邊界條件，還是網格劃分、所選取的湍流模型等，都會影響最終數(shù)值模擬結果。

還有反饋者提出，既然叫《節(jié)能建筑計算與仿真》就應該圍繞什么是節(jié)能建筑、實現(xiàn)節(jié)能建筑的技術途徑、在設計階段如何計算。模擬仿真是計算方法之一，故需要一個案例為例，把某個軟件學會使用。由于本專業(yè)設置課程除本門課程外，還設置了《建筑節(jié)能》課程及《建筑節(jié)能課程設計》等實踐課程。因此，該反饋信息也提示了本門授課者需要熟悉其他節(jié)能課程的授課內容，能夠做到內容與其他課程連貫。而軟件操作方面，最好是固定建筑模型，以一個案例為基礎進行展開講解。

有關課程課時偏少和內容較多的問題，一些反饋者認為本門課程應著重講述基本原理然后通過簡單案例帶學生入門，發(fā)揮學生自主學習的能力。也有專業(yè)人士提出：在實際工程設計中，節(jié)能計算相關內容是由建筑學專業(yè)人來完成。能耗分析相關的方案設計、方案比較目前在實際工程中需結合綠建、建筑規(guī)劃進行的，綜合性、系統(tǒng)性非常強，不是單一暖通專業(yè)基本知識所能解決的。因此，該課程是綠建理念的一個基礎環(huán)節(jié)，也只能是入門。而且目前的能耗分析軟件眾多，很難面面俱到，如果開課的可行方法就是只針對其中一種軟件開展實際操作演練。結合反饋意見，本課程可擬定DeST軟件為最主要的學習對象，該軟件可在網絡免費下載。

（二）專業(yè)及工作年限背景對比

由于反饋者中多是暖通空調專業(yè)和建筑節(jié)能專業(yè)人士，因此從調查數(shù)據中，還可以看出兩者專業(yè)的一些差異。

暖通空調專業(yè)人士中工作多年者占67.65%，而建筑節(jié)能專業(yè)中工作多年者僅占10.34%。這是因為暖通空調專業(yè)歷史悠久，而建筑節(jié)能專業(yè)則是新興專業(yè)。但是，即便是建筑節(jié)能專業(yè)人士，其中也有24.14%的人員對建筑節(jié)能及模擬工作不熟悉，而非常熟悉者僅僅占3.45%。暖通空調專業(yè)人士中不熟悉者占11.76%，非常熟悉者占17.65%。這些數(shù)據說明在目前的暖通空調行業(yè)中，熟悉建筑節(jié)能工作的人較多，而建筑節(jié)能專業(yè)畢業(yè)人員中，部分人員參加了其他工作種類。這也是為什么目前建筑節(jié)能專業(yè)會并入建筑環(huán)境與能源環(huán)境 （暖通空調專業(yè)）的原因。

若限定工作年限選項，分析調查結果，則可知：

1.對剛開始參加工作的反饋者而言，55.56%反饋者對建筑節(jié)能模擬工作一般熟悉，只有22.22%反饋者對建筑節(jié)能工作非常熟悉。認為課程內容重要性排序為：案例，總結，規(guī)范，原理。他們認為值得學習的軟件是：PKPM建筑節(jié)能軟件，DeST，Ecotect和EnergyPlus。

2.對已經工作多年的反饋者而言，39.62%反饋者對建筑節(jié)能模擬工作熟悉，20.75%反饋者非常熟悉。其中52.83%反饋人員認為本門課程重要，22.64%人員認為本門課程非常重要。課程內容重要性排列：規(guī)范，總結，原理，案例。他們認為值得學習的軟件是DeST，EnergyPlus，Ecotect，和Ansys。

由此可見，隨著工作年限的增長，行業(yè)人員對建筑節(jié)能模擬工作逐步熟悉，而其需求也從最初的具體軟件學習階段過渡到了對規(guī)范的重視及實施。這從一方面也說明了，在目前不同專業(yè)綜合進行建筑節(jié)能工作的背景下，熟悉規(guī)范，及由規(guī)范進行對比是最為重要的步驟。

值得注意的是，若限定反饋者為暖通空調專業(yè)背景，工作多年，及對建筑節(jié)能工作非常熟悉的調查人群，則顯示授課內容重要性排列為：原理，規(guī)范，總結，案例；認為本科階段需要認真學習的軟件為：DeST，Ansys和Ecotect。這也說明了具有暖通空調專業(yè)背景的人員，在從事建筑節(jié)能工作中，可能大多從事的是直接軟件計算及模擬工作。因此，也可以認為，工作多年的具有暖通空調專業(yè)背景的建筑節(jié)能從業(yè)人士，已經掌握了一些節(jié)能及模擬軟件的基本操作方法，但他們也深刻意識到了軟件計算結果的不確定性，希望對軟件計算原理有進一步的深刻了解。

二、課程建設

根據針對該課程展開的教學調查及近幾年的教學實踐經驗，本文對該課程的教學方法，教學內容等問題進行了初步的探索研究。

根據上述調查結果，可擬定24總課時中，相關節(jié)能標準規(guī)范6學時，各類軟件總結4學時，軟件原理4學時，具體軟件學習10學時（上機），課內外學時比例為1∶2。

（一）教學內容和教學方式

針對課程“內容多，基礎廣，應用強”的特點，在教學中應用“多比較，常聯(lián)系，重實踐”的授課方式，增強學生學習積極性。

標準規(guī)范中需要介紹的內容包括：標準基本知識，標準性質，我國氣候分區(qū)。[4]所需要了解的建筑節(jié)能標準分為：綜合篇，外墻篇，保溫及相關材料篇，[5]同時，又可分為：目標層標準，通用層標準，專用標準。[6]在該授課環(huán)節(jié)中，為激發(fā)學生學習興趣，宜以學生家鄉(xiāng)為團隊分組。學生初步分析比較國家、各省市建筑節(jié)能設計標準和規(guī)范，教師輔助予以深化展開。如通過《公共建筑節(jié)能設計標準》與《山東省公共建筑節(jié)能設計標準》之間的比較，可了解國家對于不同熱工分區(qū)下節(jié)能設計標準的不同；通過《山東省居住建筑節(jié)能設計標準》與《山東省公共建筑節(jié)能設計標準》之間的比較，可了解不同類型建筑對節(jié)能要求的不同需求。

在軟件總結部分，如圖5所示，可將建筑環(huán)境分為四類：聲、光、熱、風環(huán)境，并介紹相應的模擬軟件。其中熱環(huán)境模擬部分為重點，包括模擬室溫狀況及空調能耗狀況。在眾多能耗軟件中，又按照功能可分為：基于建筑熱過程模擬的建筑能耗模擬軟件和基于建筑節(jié)能標準審核的一致性評估軟件。[7]在該授課環(huán)節(jié)中，應總結建筑風環(huán)境/熱環(huán)境模擬軟件Fluent、聲環(huán)境模擬CadnaA.、光環(huán)境模擬Ecotect、能耗模擬eQUEST，DeST，PKPM能耗評估等各類軟件，如圖6所示。教師可結合實際案例介紹各類軟件在建筑節(jié)能工作以及綠色建筑設計工作中的具體應用。

計算原理部分可以清華大學開發(fā)的DeST軟件為基礎進行介紹，[8]并與國際流行計算方法作比較。[7][9][10]本門課程與其他課程聯(lián)系緊密，如圖7所示。在該授課環(huán)節(jié)中，需要總結重要知識點，結合傳熱學等基礎科目以及節(jié)能軟件應用市場、能耗研究方向，對各知識點進行縱向、橫向對比聯(lián)系學習。如對于建筑的熱過程分析中，可主要針對墻體非穩(wěn)態(tài)熱傳遞方程進行求解，結合傳熱學、流體力學知識介紹處理非線性方程的差分方法，并比較介紹能耗模擬中所采用的宏觀法以及風環(huán)境模擬軟件中的微觀法。而在軟件設置原理方面，則需要結合暖通空調課程及建筑節(jié)能課程講解具體的系統(tǒng)配置，以及各種建筑節(jié)能技術。

圖5：建筑環(huán)境模擬目標

圖6：建筑環(huán)境模擬的工具軟件

圖7：該課程與其他主干課程之間的聯(lián)系

結合本院購置軟件類別，具體軟件學習中可介紹4類軟件：Fluent，[11]Ecotect，[12]DeST，[8]PKPM建筑節(jié)能評估BEIE，[13][14]其中DeST為重點學習對象。擬定采用上機操作學習方式，引導學生熟悉軟件操作步驟和方法。部分內容可結合教師特長，指定本學科不同教師作為課外指導老師。

通過本門課程的學習，學生們將熟悉DeST軟件，并可在一定程度上進行流場模擬。從短期目標來看，這些技能都將輔助學生在畢業(yè)設計中分析動態(tài)空調負荷及大空間氣流組織，進而提出合適的空調方案。而從長遠來說，則可增加本科生的就業(yè)競爭能力，在建筑節(jié)能行業(yè)中提升本校口碑。

（二）考核方式

由于本課程中的重要學習部分是軟件模擬，因此傳統(tǒng)筆試方法并不適合于本門課程。本課程考試成績可初步擬定由以下兩部分決定：平時成績、報告成績。平時成績?yōu)槠綍r考勤成績，報告成績包括每位學生總結分析的建筑節(jié)能規(guī)范以及具體案例軟件模擬操作報告。

三、可解決的問題

該課程的系統(tǒng)建設及創(chuàng)新，可解決如下問題：

（一）專業(yè)發(fā)展問題

截止至2015年5月，開設本專業(yè)的高校共計183所，包括具有悠久歷史的土建老八校。[15]早在2013年，高等學校建筑環(huán)境與設備工程學科專業(yè)指導委員會指出：各高校要通過本專業(yè)科研團隊建設，促進本專業(yè)本科教學，創(chuàng)建特色課程，形成精品課程體系。[16]2014年5月，在青島召開的第六屆高等學校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)負責人會議上，專業(yè)指導委員會也指出：具體學科的知識體系應為在專業(yè)規(guī)范的基本要求（共性要求）上，發(fā)展學科特色（個性設置）。

因此，唯有抓住國家建筑節(jié)能蓬勃發(fā)展機會，在傳統(tǒng)暖通空調專業(yè)基礎上進行革新，精煉并強化自身的建筑節(jié)能專業(yè)特色，才有可能在上述高校中脫穎而出，確立自身地位。

（二）課程內容多，基礎廣，應用性強的問題

節(jié)能建筑計算與仿真模擬軟件繁多，需要擇優(yōu)重點學習掌握。本課程將總結國際流行軟件，包括風、熱環(huán)境模擬，聲模擬，光模擬，能耗模擬各類軟件，分析各類軟件功能、優(yōu)點，使用環(huán)境。課程改革后，授課對象將對所有軟件的主要功能、應用條件有較為清晰的認識。

在建筑環(huán)境模擬軟件中，其計算方法原理涉及數(shù)值流體力學、數(shù)值傳熱學等基礎內容，而建筑系統(tǒng)模擬中，建筑空調設備方案、運行調控則直接與暖通空調等主干課相關。只有在授課中多比較，常聯(lián)系，才能建立不同課程之間的聯(lián)系，從而加深學生對學科體系內容理解。

建筑模擬計算軟件的應用與上機操作密切相關，只有改變教學模式，加強實踐，增加上機課時比例，才能真正培養(yǎng)學生軟件應用能力。

（三）教學科研資源統(tǒng)一問題

我院已購置的軟件包括Fluent，Ecotect，PKPM建筑節(jié)能評估軟件。上述軟件僅為教師及研究生使用，本科生尚未有機會涉及。課程建設創(chuàng)新后將結合專業(yè)科研資源與本科教學工作，達到資源深度、有效利用的目的，另一方面，通過上述軟件學習，可增強學生對專業(yè)發(fā)展方向及科研方向的了解。

（四）學生就業(yè)競爭力問題

隨著國家政策方面對綠色建筑數(shù)量的提升及國家對建筑節(jié)能評估、審查各類規(guī)則的完善，計算與仿真在建筑節(jié)能設計中所起的作用日益增大。而從我校建筑節(jié)能畢業(yè)班的就業(yè)協(xié)議中可知，1/2人員畢業(yè)均從事建筑節(jié)能工作。對該課程的系統(tǒng)建設及應用，可大力增強我校學生的就業(yè)競爭力及實際工作操作能力。

四、結語

在專業(yè)更名背景下，本學科所確定的發(fā)展目標為建筑節(jié)能方向。《節(jié)能建筑計算與仿真》成為本專業(yè)的特色課程，也成為本專業(yè)需要培養(yǎng)的基本學科技能。

針對該課程的教學內容和教學方法，本文收集整理了107份有效反饋答卷，分析了行業(yè)人士對本門課程的理解，對教學內容、教學方法的具體建議。從反饋數(shù)據中可知，80%的調查者認為本門課程重要或非常重要。本文將教學內容分為四部分：建筑節(jié)能規(guī)范分析，國際建筑能耗及建筑環(huán)境模擬軟件總結分析，軟件計算原理，具體軟件學習及案例分析。調查數(shù)據顯示這樣的設置是非常合理的。但是對于工作多年的行業(yè)人士而言，他們希望學習規(guī)范，并掌握軟件計算原理，而對于剛參加工作的行業(yè)人士而言，他們則更希望掌握具體軟件操作技巧，及熟悉規(guī)范。

在已有調查結果及教學經驗基礎上，本文梳理了本門課程教學內容及教學方式，對其進行了細化。確定了四部分主體教學內容的授課學時比例，提出了“多比較，常聯(lián)系，重實踐”的教學方式：在各類規(guī)范、軟件學習方面進行橫向比較，在與前期專業(yè)課程及后期畢業(yè)設計之間建立聯(lián)系，并加大上機操作課時，以DeST軟件為重點，聯(lián)合其他流場模擬軟件，結合教師特長設立課外指導教師。其中。該課程系統(tǒng)建設后，可達到發(fā)展我校專業(yè)特色、統(tǒng)一教學科研資源、增強學生就業(yè)競爭力等目標。

當然，一門課程的建設不是一蹴而就，而是慢慢完善的過程。我系將進一步努力，爭取早日完善教學講義得以出版，也希望能得到各位同行的批評指正。

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湖北省教學研究項目：面向戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展需求的建筑節(jié)能技術與工程新專業(yè)建設研究與實踐（2011016）；武漢理工大學重點教學研究項目：建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)節(jié)能建筑計算與仿真課程創(chuàng)新與改革研究及實踐（w2014005）

周軍莉（1977-），女，武漢理工大學土木工程與建筑學院副教授，博士，主要從事建筑環(huán)境模擬方面的教學與科研研究。