馮馳 蔣敏 李小龍 唐鳴放

摘要：在我國努力實現(xiàn)“雙碳”目標和推進新工科建設的時代背景下，加強建筑熱工學學科發(fā)展和專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要示范意義和引領作用。以比利時荷語魯汶大學和重慶大學的建筑熱工實驗室為例，對比了兩個實驗室在硬件設施、人員配置和日常運行三方面的差異，分析了實驗室建設在本碩博、博士后和青年教師等各類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的作用。結果表明，重慶大學建筑熱工實驗室已具備較好基礎條件，但與世界一流實驗室相比仍有一定差距。此外，研究發(fā)現(xiàn)建筑熱工實驗室對博士生和青年學者的研究工作有明顯支撐作用，但在本科生培養(yǎng)過程中的作用尚不顯著。研究結果建議，未來我國建筑學專業(yè)本科教育應適當增加建筑物理實驗教學課時，并在實驗教學過程中引入開放性、探索性和研究性的實驗內容。

關鍵詞：建筑教育；建筑熱工學；實驗室建設；人才培養(yǎng)

中圖分類號：TU111；G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2023）04-0056-08

建筑熱工學是建筑物理的三大方向（建筑熱工學、光學和聲學）之一，主要研究室外氣候通過建筑圍護結構對室內熱環(huán)境的影響，以及室內外熱濕作用對圍護結構的影響［1］。建筑熱工學的理論基礎是熱量、水分和空氣的傳遞過程，主要任務是通過建筑設計改善室內熱環(huán)境。1970年以前，人們普遍使用暖通空調系統(tǒng)對室內熱環(huán)境進行調節(jié)，1973年和1979年兩次石油危機的爆發(fā)加速了世界各國對新能源的研究，建筑節(jié)能公共意識開始顯現(xiàn)。1979年世界衛(wèi)生組織對“病態(tài)建筑綜合征”的定義讓民眾認識到，健康的室內熱環(huán)境不能再單純地依賴機械設備。自此，建筑熱工學所提倡的被動式建筑環(huán)境營造方法開始得到學界的廣泛重視，并逐漸被世界各國納入建筑學和土木工程等專業(yè)教育中。2020年，“碳達峰”和“碳中和”被列為我國“兩個一百年”奮斗目標中的具體戰(zhàn)略任務，使我國建筑熱工學發(fā)展再次迎來新的機遇和挑戰(zhàn)。

近年來，為應對經濟快速發(fā)展、產業(yè)劇烈變革和全球行業(yè)激烈競爭等新挑戰(zhàn)，教育部提出把新工科建設作為新時期國家推進高等教育改革的新戰(zhàn)略，旨在培養(yǎng)現(xiàn)代經濟社會所需的實踐與創(chuàng)新能力強、具有跨界整合和動態(tài)適應能力的高素質復合型工程科技人才［2］。作為建筑熱工學教學與科研的核心陣地，實驗室是建筑學專業(yè)建設的重要組成部分［3］，在本碩博、博士后和青年教師等各類專業(yè)人才的實踐能力與創(chuàng)新思維培養(yǎng)方面都發(fā)揮著至關重要的作用。因此，在新工科建設背景下，對標國際一流實驗室，結合具體國情，從硬件設施、人員配置和日常運行等方面深入探討我國建筑熱工實驗室的建設方向和重點，對高水平復合型人才培養(yǎng)具有重要意義。

比利時荷語魯汶大學（KU Leuven）是建筑熱工學在歐洲高等教育中的發(fā)源地之一，其土木工程學院建筑物理系由Gerrit Vermeir教授和Hugo Hens教授共同于1978年創(chuàng)立，先后培養(yǎng)出了Staf Roels、Bert Blocken、Jan Carmeliet等多位建筑物理（熱工）領域的國際知名學者。同樣作為我國高等教育中建筑物理的發(fā)源地，重慶大學建筑城規(guī)學院（原重慶建筑工程學院建筑系）于1959年開設了全國第一個建筑物理培訓班，于1960年開辦了全國第一個建筑物理專業(yè)本科班，并于1982年和1985年分別建立了建筑技術科學的碩士點和全國第一個博士點。經過60多年的發(fā)展，重慶大學建筑熱工學方向已培養(yǎng)出西安建筑科技大學劉加平院士、華南理工大學孟慶林教授和中建西南院馮雅總工程師等一大批杰出人才，逐漸形成了具有自身特色的辦學體系、積累了雄厚的師資力量。

本文以比利時荷語魯汶大學和重慶大學兩所代表性高校的建筑熱工實驗室為例，對比兩個實驗室的建設狀況，就實驗室建設對專業(yè)人才培養(yǎng)的機制及意義展開分析，并從“雙碳”目標和新工科建設背景下建筑熱工學專業(yè)人才培養(yǎng)的角度討論了實驗室建設的意義。

一、比利時荷語魯汶大學和重慶大學建筑熱工實驗室的基本情況

（一） 發(fā)展狀況

得益于歐洲理工科的實驗傳統(tǒng)及當?shù)匕l(fā)達的經濟水平，自創(chuàng)辦伊始，比利時荷語魯汶大學建筑物理系（尤其是建筑熱工學方向）就不遺余力地發(fā)展其實驗室，在過去近半個世紀里取得了長足的發(fā)展，并逐漸成為世界知名的高水平實驗中心，享有國際盛譽（圖1）。與比利時荷語魯汶大學類似，重慶大學很早就意識到實驗是建筑物理學科不可或缺的一部分。因此，即便受到當時歷史、社會和經濟等多方面因素的限制，陳啟高、楊光璿、謝德安、莊儀生等老一輩教師們仍克服了重重困難，在物資匱乏的情況下手工編寫了《建筑物理實驗指導書》，并自制了多種教學和科研儀器設備（圖2）。改革開放后，重慶大學建筑物理實驗室逐漸發(fā)展壯大，并在2000年以后進入了加速上升期。其中，建筑熱工實驗室更是自2020年起以年均超過100萬元的經費陸續(xù)添置了多種新型儀器設備（圖3）。

（二） 基本狀況對比

從硬件設施、人員配置和日常運行三個方面比較了比利時荷語魯汶大學和重慶大學建筑熱工實驗室的基本狀況。如表1表示，比利時荷語魯汶大學建筑熱工實驗室在硬件設施、人員配置和日常運行三方面表現(xiàn)突出，彰顯了世界一流實驗室的綜合實力。相比之下，重慶大學建筑熱工實驗室雖在多個方面有一定差距，但差距正在日益減小。

1.硬件設施

硬件設施方面，比利時荷語魯汶大學建筑熱工實驗室室內面積高達800 m2，且有專屬的室外測試場地和建筑面積為150 m2的現(xiàn)場測試用房，雖與德國Fraunhofer建筑物理研究所相比尚有不足，但與其他地處中心城區(qū)的歐洲高校相比已屬佼佼者。此外，比利時荷語魯汶大學建筑熱工實驗室配備各種專業(yè)車床及機械加工設備，可以高效、精確地按照研究人員的設計方案對實驗裝置或測試試件進行加工制造。與之相比，重慶大學建筑熱工實驗室的面積暫時只有約200 m2，且無固定的室外測試場地。為改善現(xiàn)狀，對原學校印刷廠廠房進行改建的建筑技術實驗大樓將于2023年底完成翻新并投入使用，屆時建筑熱工實驗室面積將擴充至700 m2，實驗場地不足的問題也將被較好地解決。

2.人員配置

配置實驗室固定人員極大地減輕了專業(yè)科研人員的壓力，使其能集中時間和精力專注于科學研究。在固定人員配置方面，比利時荷語魯汶大學建筑熱工實驗室擁有實驗員、技術員和車工各1名。實驗員主要負責一些簡單重復性或常規(guī)標準化的實驗操作（如材料的導熱系數(shù)測試等），以及實驗室基礎設施的維護；技術員主要負責儀器設備或實驗耗材的定期校準與采購等任務，同時與實驗員配合進行部分難度較高或有一定危險的標準化實驗（如壓汞法測試材料孔徑分布等）；擁有職業(yè)執(zhí)照的車工主要負責操作專業(yè)車床和機械加工設備，以及特殊實驗裝置的加工與制作。與之相比，重慶大學建筑熱工實驗室僅配備有1名固定人員，兼任實驗員和技術員，且需同時負責本科生的實驗教學等任務。為此，重慶大學建筑熱工實驗室還需進一步完善人事制度，增加固定人員的數(shù)量，以提高實驗室固定人員的專門化程度和綜合效率。

3.日常運行

日常運行方面，兩校的建筑熱工實驗室基本一致，均做到了安全與規(guī)范，如所有操作人員進入實驗室前必須完成安全培訓、貴重儀器實行預約使用制等。由于比利時荷語魯汶大學建筑熱工實驗室擁有一些特殊設備（如壓汞儀等），要求相關人員在使用這些設備前需進行專門化的培訓，并在使用一段時間后進行體檢，以保障人身安全。

二、建筑熱工實驗室對專業(yè)人才培養(yǎng)的作用

（一） 本科生培養(yǎng)

由于在比利時荷語魯汶大學建筑類本科生培養(yǎng)方案中，沒有建筑物理實驗課程，因此建筑物理實驗室不對本科生開放，對本科專業(yè)人才培養(yǎng)不發(fā)揮作用。

我國建筑學本科生培養(yǎng)方案中，設計課程作為核心專業(yè)課程，持續(xù)5年，并貫穿于整個學習階段。建筑物理的理論課通常設置在大三階段，與設計課程的訓練內容相結合，并輔以一定的實驗課時。以重慶大學建筑學本科為例，結合文化建筑設計或舊建筑改造課程，在大三上學期設置有20學時的建筑熱工學理論課程以及4學時的實驗課程（一般為導熱系數(shù)實驗和日照實驗）。專家學者認為，建筑物理實驗課程是建筑學專業(yè)技術教育的重要環(huán)節(jié)［4］，應當鼓勵學生參加科研訓練［5］，以通過實驗培養(yǎng)學生自主思考和主動探究問題的能力［6-7］。但由于種種原因，當前本科建筑熱工乃至整個建筑物理實驗課大多停留在通識教育階段，以演示性或驗證性實驗為主［6］，難以激發(fā)學生的學習熱情和創(chuàng)造力。為此，許多教育專家建議使用PBL（Problem-based learning）教學法［4］，或基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的建筑物理實驗教學模式［6］、體驗式建筑物理實驗教學模式［8］，或以開放式研究性建筑物理實驗［9］、以VITAL（Variety-Innovation-Teaching-Academic-Learning）為核心理念的建筑類專業(yè)國際化人才培養(yǎng)模式［10］等改進方案。然而，受限于實驗課程學時及繁重的設計課壓力，僅僅針對建筑物理實驗教學模式進行改革顯然難以真正實現(xiàn)上述目標［11］。

建筑學應當是藝術與技術的結合。但我國高校建筑學專業(yè)教學過于偏重形態(tài)、空間與功能的職業(yè)技能訓練，而建筑的技術、經濟和綠色屬性則長期被忽視［11］。在推進實現(xiàn)“雙碳”目標政策下，應考慮適當增加本科階段的建筑物理教學課時（尤其是實驗課時），并在實驗課教學過程中充分調動學生的主觀能動性，將常規(guī)的演示性或驗證性實驗轉變?yōu)殚_放性、探索性、研究性的實驗。此舉旨在讓建筑學專業(yè)的學生更全面地掌握建筑物理環(huán)境營造的基本理論與方法，同時對行業(yè)內的技術進步以及學科交叉產生的技術變革有更深刻的理解。在硬件設施方面，以重慶大學為代表的國內許多建筑類院校的建筑物理實驗室都已具備充分的條件，可在新工科背景下為高水平專業(yè)人才培養(yǎng)提供重要支撐［12］。

（二） 碩士研究生培養(yǎng)

比利時荷語魯汶大學建筑熱工學方向的碩士學制為兩年：第1學年為課堂學習，學生需通過各科目的考試并修滿規(guī)定學分；第2學年教授給出若干論文選題并在網(wǎng)上公布，學生根據(jù)自己的興趣選題后加入課題組。換言之，碩士生在第1學年完全獨立，到第2學年才有固定導師。一個教授每年指導的碩士生通常為1-2人，最多不超過3人。教授主要負責碩士課題的整體把控，并定期聽取進度匯報或調整研究方案；碩士生完成課題時所需的理論分析、實驗測試和仿真模擬則由教授指派博士后或高年級博士生負責指導。該培養(yǎng)方案使碩士生僅有不到一年的時間完成學位論文，其中9～10月加入課題組，次年5～6月畢業(yè)答辯。因此，實驗室對碩士生的支持更多地體現(xiàn)在基本硬件設施的支撐方面，即提供必要條件以確保其課題進展順利。在該情況下，課題內容的設置將受到一定的限制：盡管內容都有一定的探索性，但多是在較成熟的實驗技術上稍加擴展和發(fā)散［13］，無法開展有較高挑戰(zhàn)性或失敗風險的研究內容。

與比利時荷語魯汶大學不同，重慶大學建筑熱工學方向的碩士學制為3年，且學生一入校就有固定導師，即加入了固定的課題組。在時間安排方面，雖然第1學年仍以課程學習為主，但碩士生可在導師的安排下進入實驗室，通過協(xié)助高年級學生開展課題研究來學習相關實驗技術，甚至為自己的碩士課題進行一些預實驗。在課題來源方面，部分老師采用與比利時荷語魯汶大學類似的方式，即提出若干個課題由學生自選；也有部分老師給予學生更大的發(fā)揮空間，由學生自主提出感興趣的研究課題，并在證明其可行性后予以開題。由于時間相對寬裕，重慶大學的碩士生可以嘗試具有更高難度、更大挑戰(zhàn)性的實驗研究，如已有實驗方法的改進甚至全新實驗方法的設計等［14］。此時，建筑熱工實驗室不僅要在硬件設施方面給予學生充分支持，其日常運行管理和實驗室固定人員的配合支持也面臨更高要求。

需要特別注意的是，受制于本科階段有限的科研和實驗技能訓練，部分建筑學專業(yè)的本科生在攻讀建筑熱工學（或建筑技術科學）方向碩士研究生初期，存在邏輯性及批判性思維能力偏弱問題。相反，本科階段學習傳統(tǒng)理工科并跨專業(yè)學習建筑熱工方向的碩士生往往在實驗操作及數(shù)據(jù)分析方面展現(xiàn)出更強的能力。該現(xiàn)象在碩士第1學年最為明顯，但通過一定的專業(yè)訓練后可以明顯減弱甚至徹底消除。在“雙碳”目標與新工科建設的背景下，國家針對低碳建筑復合型創(chuàng)新人才的需求日益增長。因此，在繼續(xù)發(fā)揚藝術性與人文性的同時，應進一步加強提升建筑學專業(yè)培養(yǎng)的技術性與科學性，有必要在本科階段適當增加建筑學專業(yè)培養(yǎng)計劃中的數(shù)理基礎和實驗課程。

（三） 博士研究生培養(yǎng)

比利時荷語魯汶大學建筑熱工學方向的博士學制為4年，但通常需5～6年方能畢業(yè)。與國內高校博士生的“學生”身份不同，其博士生擁有一種“工作”身份，每年都需進行綜合考核，若未通過則面臨被導師“解聘”的風險，因而壓力較大。盡管其博士畢業(yè)對論文發(fā)表的要求較低（理論上發(fā)表1篇英文期刊論文即可），但對研究成果的創(chuàng)新性要求極高，需提交至少5位國內外的專家進行同行評審。為保證博士課題的先進性和科學性，其建筑熱工實驗室發(fā)揮了至關重要的支撐作用。一方面，實驗室可以提供高精度的基礎數(shù)據(jù)，用于全新理論或模型的驗證。例如，Van De Walle［15］在攻讀博士學位期間提出了根據(jù)建筑材料孔隙特征預測其導熱系數(shù)的數(shù)學模型，并采用高分辨率的三維CT圖譜和高精度的導熱系數(shù)測試結果進行了驗證。另一方面，實驗室高效的運行和管理機制使全新實驗方法的開發(fā)成為了可能。例如，Jelena Todorovi?［16］在攻讀博士學位期間設計了研究建筑材料內部鹽分遷移的實驗裝置，并在實驗室技術員和車工的幫助下完成了研究內容。由此可見，在進行前沿研究時，實驗室的管理與運行水平往往能直接決定研究項目的先進性乃至成敗。

與比利時荷語魯汶大學相同，重慶大學建筑熱工學方向的博士學制亦為4年，并且也常常需要5～6年才能畢業(yè)。目前學院正在不斷推進教學與科研改革，以增強博士生畢業(yè)時研究成果的創(chuàng)新性。博士課題的先進性與科學性正在逐步提高，實驗室的支撐作用也愈發(fā)受到重視。以建筑熱工方向某博士生為例，其課題研究輻射制冷涂料的熱工性能及其在建筑中的實際使用效果。為此，該博士生需要進行材料的原料成分、微觀結構、傳熱特性、輻射能力和耐候老化等多方面的實驗室測試，并搭建典型的構件裝置進行室外現(xiàn)場測試，用于驗證傳熱過程的理論模型，最后在實際建筑工程中開展長期監(jiān)控，以評價真實條件下的使用效果（圖4）。上述研究涵蓋了材料、構件、建筑等多個層面的理論分析和實驗測試，顯然對實驗室的各方面都提出了極高的要求。

（四） 博士后與青年教師培養(yǎng)

與本科生、碩士生和博士生不同，建筑熱工方向的博士后和青年教師普遍擁有博士學位，已接受過系統(tǒng)、嚴格的科研訓練，具備較好的科研素養(yǎng)。他們對實驗室的認識更為深刻，充分了解實驗室對自己事業(yè)發(fā)展的支撐作用，并有可能在此基礎上取得開拓性的一流研究成果。筆者曾以博士后身份在比利時荷語魯汶大學工作期間，創(chuàng)造性地發(fā)明了半透膜實驗和露點計實驗兩種全新的測試方法，解決了無法測得多孔建筑材料在毛細區(qū)間內的吸濕過程保水曲線這一長期困擾學界的難題［17］。在這一過程中，實驗室各方面的硬件條件、技術員對選購半透膜的幫助、車工對全新實驗裝置的精密加工都起到了關鍵的支撐作用，這也再次說明了一流研究成果與一流實驗室的工作人員配置是相輔相成的。

此外，尤其重要的是，得益于研究的獨立性和自主性，博士后和青年教師還有可能根據(jù)自己的研究方向和職業(yè)規(guī)劃，對實驗室進行改造和擴充。雖然從表1的對比可以看出，重慶大學建筑熱工實驗室在多個方面與世界一流實驗室仍有一定差距，但這種差距也意味著更大的創(chuàng)新空間。以筆者親身經歷為例，在任職重慶大學后，學院和系所在實驗空間和設備經費方面給予了極大支持，不僅參照比利時荷語魯汶大學的建筑熱工實驗室完成了恒溫恒濕氣候倉的搭建和多種先進儀器設備的購置（包括國內建筑院校相關實驗室中的第一套壓力平板儀和第一臺露點水勢儀），并且協(xié)助其試制了建筑材料液態(tài)水擴散系數(shù)的全自動測試裝置等，為青年教師職業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好條件。

三、結語

在推進實現(xiàn)國家“雙碳”目標政策與建設新工科時代背景下，社會對建筑學專業(yè)畢業(yè)生的綜合素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的要求越來越高，實踐、實驗類課程的優(yōu)化和改革迫在眉睫。實驗室的建設與發(fā)展如何回應這一機遇與挑戰(zhàn)，是值得探討的問題。以比利時荷語魯汶大學和重慶大學的建筑熱工實驗室為例，通過對比兩個實驗室在硬件設施、人員配置和日常運行三方面的差異，就實驗室建設在本碩博、博士后和青年教師等專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的作用進行了分析。結果表明，重慶大學建筑熱工實驗室已具備較好的基礎條件，雖與世界一流實驗室相比仍有一定差距，但差距正在逐漸縮小。此外，建筑熱工實驗室對博士生和青年學者的研究有較明顯的支撐作用，但對本科生的培養(yǎng)作用尚不明顯。因此，建議在未來建筑學高等教育中，學院應適當增加本科階段的建筑物理實驗教學課時，將常規(guī)的演示性或驗證性實驗替換為開放性、探索性、研究性的實驗，以在實驗課教學過程中充分發(fā)揮學生的主觀能動性。

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Abstract： Under the background of the national goal of “double carbon” and the construction of emerging engineering education， the development of building thermal engineering and the cultivation of professionals are becoming increasingly important.Taking the building thermal engineering laboratories in both universities as the examples， this paper compares their differences in experimental facilities， personnel management and operation regulation， and analyzes the effects of laboratory construction on the cultivation of undergraduates， master students， PhD candidates， postdoctoral fellows and young lecturers. The results show that the building thermal engineering laboratory of Chongqing University has laid a good foundation， but there is still a certain gap with the world-class laboratories. Additionally， the building thermal engineering laboratory provides obvious support to the research of PhD candidates and young scholars， but not much for the cultivation of undergraduates. For the architectural education in China， we suggest increasing the teaching hours of building physics experiment at the undergraduate stage， and introducing open， exploratory and research experiments in the teaching process of experimental courses.

Key words： architectural education; building thermal engineering; laboratory construction; talent cultivation

（責任編輯? 崔守奎）

基金項目：國家自然科學基金面上項目（52178065）

作者簡介：馮馳（1986—），男，重慶大學建筑城規(guī)學院教授，博士生導師，主要從事建筑技術科學方向研究，（E-mail）fengchi860602@cqu.edu.com。