“数字”+“体验”式的建筑光学实验改革探索_王凌绪.pdf

058Digital+Immersion Exploration on Experimental Reform of Architectural Optics under Space Experience“数字”+“体验”式的建筑光学实验改革探索摘要：针对建筑物理光学教学与设计主干课脱节，知识难以为设计所用的问题，提出“数字”+“体验”实验教学思路，并提出场所转换、数字模拟辅助、实验结果开放等一系列实验改革措施。教改实践证明这一实验模式兼顾了“数据经验”与“身体体验”，通过实验能有效帮助学生综合掌握和运用光学知识，提高解决实际问题的能力。Abstract：In view of the disconnection between the teaching of architectural physics optics and the main course of design,as well as the difficulty of applying knowledge to practice,this paper puts forward the idea of light+space experimental teaching,and carries out a series of reforms,such as the transformation of experimental places,the assistance of digital simulation,the opening of experimental results and so on.Practice has proved that the experimental mode of spatial experience takes into account data experience and physical experience.Through the experiment,it can effectively help students comprehensively master and apply knowledge and improve their ability to solve practical problems.关键词：空间体验；数据经验；身体体验；开放实验Keywords：space operation；data experience；embodied experience；open experiment文王凌绪中国石油大学（华东）储建学院讲 师高伟中国石油大学（华东）储建学院讲 师李晓丽中国石油大学（华东）外语学院讲 师（通讯作者）DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.02.019引言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基金项目：中国石油大学（华东）青年教师教学改革项目“基于 BIM 虚拟技术的建筑设计二年级课程教学改革”（项目编号：QN201719）059227|2023|02建筑学差，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。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，而在传统模型实图 1实验改革前后对比（图片来源：张培峰摄影）图 2实验报告节选（图片来源：作者根据实验报告绘制）图 3学生调试装置光学效果（图片来源：王凌绪摄影）060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