面向碳達峰、碳中和的建筑能源專業(yè)跨學(xué)科課程體系設(shè)計

周勃 孫成才 楊忠華 徐雪璐

摘? 要：面向我國碳達峰、碳中和目標，為適應(yīng)能源產(chǎn)業(yè)變革和人才需求的變化，建筑能源專業(yè)重新設(shè)計跨學(xué)科知識體系，通過剖析多學(xué)科交叉的內(nèi)在邏輯，預(yù)測雙碳目標下的人才需求，提出跨學(xué)科鏈條課程、合作課程，實踐環(huán)節(jié)多學(xué)科交叉組織實施辦法，基于平臺建設(shè)培養(yǎng)面向雙碳目標的新工科人才。

關(guān)鍵詞：工程教育；學(xué)科交叉；課程體系；人才培養(yǎng)；建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）25-0013-04

Abstract： Facing the goals of carbon peak and carbon neutralization in China， in order to adapt to the change of energy industry and the change of talent demand， this paper redesigns the interdisciplinary knowledge system of building energy major. By analyzing the internal logic of interdisciplinary and predicting the talent demand under the dual-carbon goal， this paper puts forward the implementation method of interdisciplinary chain courses， cooperative courses and interdisciplinary organization in practical links， and trains new engineering talents for dual-carbon goal based on platform construction.

Keywords： engineering education; interdisciplinary; curriculum system; talent training; building environment and energy application

全球能源革命引領(lǐng)了新能源、節(jié)能環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟和人工智能等產(chǎn)業(yè)的涌現(xiàn)，并且正在改變著人類生產(chǎn)、生活的用能方式，越來越多的創(chuàng)新技術(shù)需要多個不同學(xué)科、甚至過去毫無關(guān)系的學(xué)科之間交叉融合，能源領(lǐng)域曾經(jīng)高度分化的理論和技術(shù)呈現(xiàn)出深度融合的發(fā)展態(tài)勢[1]。同時，新理論、新技術(shù)、新工藝及新方法形成和發(fā)展的周期在不斷縮短，加快了知識老化的速度，知識更新工程是高等教育普遍面臨的問題[2-3]。多學(xué)科交叉融合教育成為全球高等教育發(fā)展的必然趨勢，跨學(xué)科課程體系設(shè)計是人才培養(yǎng)所面臨的重大問題。

中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[4]。目前，我國碳排總量為美國兩倍多、歐盟三倍多，碳達峰所需的碳排放減量更高，碳中和實施的時間更短[5]。雙碳目標的深層次問題是能源，工業(yè)、交通、建筑是能源消費的三大領(lǐng)域，其中建筑能耗已占全社會能耗的三分之一。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（以下簡稱“建筑能源”）專業(yè)與節(jié)能減排、新能源、可再生能源利用等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)，特別是建筑運行過程所產(chǎn)生的碳排放量占總排量的28%[6-7]。為此，建筑能源專業(yè)應(yīng)主動適應(yīng)國家經(jīng)濟社會發(fā)展的需求改革課程體系，以服務(wù)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的“中國視角”來重新審視專業(yè)課程的邊界和關(guān)系。

跨學(xué)科與多學(xué)科的區(qū)別在于，它是以解決復(fù)雜工程實際問題為目標，通過深入挖掘?qū)I(yè)內(nèi)涵以及梳理不同學(xué)科知識，因而關(guān)鍵是研究如何突破單獨學(xué)科的邊界?？鐚W(xué)科課程體系不僅僅是對相互關(guān)聯(lián)的課程進行合并、整合、重組和優(yōu)化，還要研究如何開設(shè)跨學(xué)科課程鏈、組建跨學(xué)科教學(xué)團隊、跨學(xué)科平臺保障和跨學(xué)科合作機制等，從而克服單一學(xué)科的弊端[8]。本文首先通過剖析建筑能源專業(yè)多學(xué)科交叉知識范疇為例，建立課程體系的內(nèi)在邏輯，然后梳理碳達峰碳中和目標給行業(yè)發(fā)展模式帶來顛覆性的改變，預(yù)測未來新興產(chǎn)業(yè)人才的需求，設(shè)計跨學(xué)科課程體系和組織實施方法。

一? 跨學(xué)科課程體系設(shè)計

雙碳目標已上升為國家戰(zhàn)略，任何專業(yè)都不能置身事外。為此，本專業(yè)根據(jù)外部評價、行業(yè)調(diào)查、畢業(yè)生反饋結(jié)果來分析國家戰(zhàn)略需求、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、人才需求分析和職業(yè)資格標準四個方面，重建了交叉學(xué)科知識體系，明確了培養(yǎng)目標，并分別提煉了未達成的畢業(yè)要求和培養(yǎng)的核心能力，在此基礎(chǔ)上建立跨學(xué)科課程體系，如圖1所示?？鐚W(xué)科課程體系框架如圖2所示，首先在低年級根據(jù)國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求循序漸進地引入專業(yè)導(dǎo)論、學(xué)課前沿、跨學(xué)科平臺課程，然后從大三開始通過實踐課程融合科創(chuàng)大賽實踐跨學(xué)科專業(yè)知識，第八學(xué)期通過分析人才需求保證畢業(yè)證書與職業(yè)資格對接。

二? 實現(xiàn)雙碳目標的人才需求預(yù)測

隨著雙碳目標的確立，節(jié)能減排技術(shù)、非化石能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與用能需求的集成等技術(shù)創(chuàng)新必將引發(fā)新的發(fā)展格局，結(jié)合本專業(yè)已有的特色優(yōu)勢和專業(yè)定位，預(yù)測建筑能源專業(yè)的人才需求有以下方面。

（一）? 清潔供暖

我國城鄉(xiāng)建筑總規(guī)模為750億m2，其中北方城鎮(zhèn)需要供暖的建筑面積達到200億m2。供暖排放占運行碳排放的近70%（居住建筑）和43%（公共建筑），是建筑碳中和需要解決的最大問題[9]。隨著城鎮(zhèn)化進程、南方供熱需求的攀升，這就使得建筑運行需要的電、熱負荷進一步增加，從而使得建筑運行的二氧化碳間接排放不斷攀升。在無法減弱供熱需求的情況下，未來清潔供暖將成為旺盛需求，要求建筑能源專業(yè)的畢業(yè)生們了解國內(nèi)外供暖技術(shù)的適用性和局限性，基于定量和定性的數(shù)據(jù)選擇和評估適合的最終解決方案，教學(xué)實施過程應(yīng)在課程目標、課程設(shè)計指導(dǎo)方面有明確界定和考核指標。

（二）? 可再生能源利用

可再生能源主要分為傳統(tǒng)水電，新興的光伏、風(fēng)電，以及物質(zhì)能（垃圾發(fā)電、生物燃料等）、地?zé)崮芎统毕艿?。多元互補的能源系統(tǒng)要求高比例的可再生能源與管網(wǎng)、負荷、儲能一體化設(shè)計運維，但是可再生能源從生產(chǎn)、輸配、儲存、消費到回收的環(huán)節(jié)繁多且復(fù)雜，存在深刻的學(xué)科壁壘。因此在大三階段，建筑能源專業(yè)以冷熱源替代為水能、風(fēng)能、太陽能等非化石能源為主線，構(gòu)建從可再生能源發(fā)電到終端用能優(yōu)化匹配的完整知識體系，圍繞能源消費方式低碳化轉(zhuǎn)型要求，闡述從能源脫碳到消費終端節(jié)能的綠色技術(shù)。

（三）? 能源系統(tǒng)運維

建筑運行能耗主要包括：①建筑室內(nèi)環(huán)境營造的能耗（供熱、供冷、通風(fēng)和照明）；②建筑公共設(shè)施的能耗（電梯、供水、生活熱水和配電）；③功能性設(shè)備的能耗（電氣、辦公、充電和信息系統(tǒng)），建筑電氣化率提升是節(jié)能減排的核心抓手。以前專業(yè)課程重視前期設(shè)計和施工，忽略長期運行能效及維護管理，因此在建筑智能控制、建筑節(jié)能和城市能源供應(yīng)的課程設(shè)計中增加了光儲混合系統(tǒng)，以及配套的電加熱、電解制氫氣、儲能裝置等內(nèi)容。在課程設(shè)計中要求學(xué)生掌握節(jié)能減排和環(huán)境模擬軟件，在保證室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的條件下盡量減少冷、熱負荷需求，再通過仿真平臺優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)提升系統(tǒng)整體能效。

（四）? 無氟制冷

目前，氣體壓縮類制冷劑大多是非二氧化碳類溫室氣體（氫氟烴、氫氯氟烴），而常用教材還采用氟利昂制冷循環(huán)。為此，本專業(yè)在大一環(huán)境導(dǎo)論課程中，學(xué)習(xí)制冷工質(zhì)有效的替代和循環(huán)方法，大二工程熱力學(xué)課程中介紹無氟制冷技術(shù)，大三的空調(diào)冷熱源中介紹吸收式制冷，大四選修課介紹二氧化碳工質(zhì)熱泵產(chǎn)品，并評價很多發(fā)達國家都推廣的燃氣驅(qū)動的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。因此，高等教育不能再照搬國際前沿技術(shù)經(jīng)驗了，跨專業(yè)課程體系應(yīng)該另辟蹊徑。本專業(yè)通過建筑能源大講堂和專創(chuàng)融合，根據(jù)國家需求來實時更新課程中的相關(guān)前沿創(chuàng)新技術(shù)。

（五）? 數(shù)字化設(shè)計

數(shù)字化設(shè)計共性技術(shù)主要包括建筑幾何建模和優(yōu)化技術(shù)，可視化模擬技術(shù)，以及基于人工智能與機器學(xué)習(xí)的智能技術(shù)等。數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，為建筑室內(nèi)環(huán)境營造技術(shù)發(fā)展提供了軟件平臺，并衍生出包括信息采集、數(shù)據(jù)可視化、參數(shù)化生成設(shè)計和智能建造等相關(guān)的建筑信息化方法，特別適合于綠色建筑、零碳建筑、建筑節(jié)能相關(guān)課程中應(yīng)用。本專業(yè)從大二下學(xué)期開始將課程目標統(tǒng)一聚焦為：零碳能源體系、工業(yè)流程低碳化、綠色建筑，專業(yè)教師結(jié)合各自課程特點講授低碳、零碳技術(shù)的發(fā)展沿革，最大限度地挖掘數(shù)字化技術(shù)的減排潛力便于將不同技術(shù)單元集成耦合，促進跨學(xué)科課程群全鏈條協(xié)同。

三? 跨學(xué)科課程的組織實施

（一）? 跨學(xué)科鏈條課程的設(shè)置

面向碳達峰、碳中和，根據(jù)產(chǎn)業(yè)的人才需求，將每個課程模塊目標根據(jù)畢業(yè)要求進行分解，使得每個鏈條課程沒有明顯的學(xué)科烙印，不受學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域界限的限制，在一個課程模塊內(nèi)通過課程設(shè)計實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中的交叉或整合。由課程設(shè)計來組合課程體系鏈條，保證各課程鏈條服務(wù)于特定的行業(yè)功能，同時各鏈條的邏輯關(guān)系并行且相對獨立，如果行業(yè)需求改變了，可以對一個或幾個課程鏈條進行調(diào)整而不會影響其他鏈條，這就便于對課程體系進行充實和更新以快速適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

（二）? 跨學(xué)科合作課程

學(xué)校建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，鼓勵不同學(xué)科的學(xué)生自發(fā)組成跨學(xué)科項目組，便于本科生發(fā)展個人興趣開展各類科創(chuàng)項目，通過跨學(xué)科教研團隊的骨干教師指導(dǎo)主動探索的學(xué)生完成跨學(xué)科合作課程。目前，建筑能源專業(yè)與測控專業(yè)、自動化、機器人專業(yè)以研究生聯(lián)合培養(yǎng)、雙創(chuàng)項目、科技競賽為支點，建立圍繞建筑智能化、能源物聯(lián)網(wǎng)、建筑節(jié)能等專業(yè)特色，將學(xué)科知識與專業(yè)知識相互滲透、整合、重組和優(yōu)化，使得跨學(xué)科教研團隊充分融合科教資源，使得跨學(xué)科合作課程的交叉融合成為常態(tài)。

（三）? 實踐環(huán)節(jié)的多學(xué)科交叉

建筑能源專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)：虛擬仿真實驗、專業(yè)認識實習(xí)、軟件操作、創(chuàng)新實習(xí)、課程設(shè)計和畢業(yè)實習(xí)，設(shè)計思想是數(shù)學(xué)建模、工程情境、實踐能力、創(chuàng)新意識、設(shè)計能力和實際工程能力。首先，采用虛擬仿真實驗可以充分融合跨學(xué)科核心課程知識，實施水泵電機匹配、管道降阻、高效傳熱等節(jié)能設(shè)計方案；其次，課程設(shè)計基于綠色產(chǎn)業(yè)需求反向設(shè)計（圖3），聚焦傳統(tǒng)暖通空調(diào)以及建筑節(jié)能、能源供應(yīng)、建筑智能化和人工環(huán)境控制全面系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力；最后，畢業(yè)設(shè)計題目要求貫穿前期的雙創(chuàng)和競賽項目，融合節(jié)能、能效、減排三個要素，在跨學(xué)科課程體系中提升學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。

四? 跨學(xué)科課程的平臺建設(shè)

跨學(xué)科教學(xué)研究與科學(xué)研究應(yīng)互為支撐，一方面跨學(xué)科教學(xué)活動需要科研項目更新迭代知識本體；另一方面，科研則需要跨學(xué)科人才培養(yǎng)提供有力的人才資源。為保障科教融合，跨學(xué)科的平臺建設(shè)就是保障和實施跨學(xué)科專業(yè)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)?；诳平躺疃热诤辖⒍喾絽f(xié)同平臺及教學(xué)資源庫成果，精準抽取和重組跨學(xué)科課程體系的系統(tǒng)理論和應(yīng)用領(lǐng)域來優(yōu)化課程設(shè)置和內(nèi)容。

（一）? 實踐平臺

跨學(xué)科課程體系組織實施過程中勢必要求協(xié)同統(tǒng)籌跨學(xué)院、跨專業(yè)的教學(xué)平臺資源。為此，本專業(yè)通過建立校企聯(lián)合培養(yǎng)實踐基地、跨學(xué)科專業(yè)綜合實驗室，以及學(xué)科交叉綜合訓(xùn)練課程等措施保障跨學(xué)科課程的組織實施。首先，遵循優(yōu)勢互補的原則長期穩(wěn)定地開展校企合作，保障實踐平臺能夠按照培養(yǎng)方案的規(guī)定開展實踐性教學(xué)活動。其次，按照課程鏈條搭建跨學(xué)科實驗室，教學(xué)團隊分屬建環(huán)、土木、力學(xué)、電氣和信息，課程的教學(xué)設(shè)計通過虛擬仿真實驗室，完成方案設(shè)計—運行調(diào)節(jié)—優(yōu)化改進的過程。依托跨學(xué)科實驗室，嘗試運用靈活多樣考核方式考察學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力、組織管理能力和團隊協(xié)作能力等，在此基礎(chǔ)上建立了不同課程體系課程和實踐教學(xué)的學(xué)業(yè)過程性評價方法。最后，在素質(zhì)拓展、勞動教育等課程群中設(shè)置學(xué)科交叉訓(xùn)練課程，圍繞系統(tǒng)節(jié)能、新能源利用等跨學(xué)科項目案例，面向高年級學(xué)生展開以項目參與式實習(xí)，一般采用案例研討和現(xiàn)場提問的教學(xué)方式，根據(jù)項目任務(wù)目標要求將學(xué)生分為若干實習(xí)小組，每個小組指派跨學(xué)科教研團隊的教師指導(dǎo)，學(xué)生必須經(jīng)歷分工、合作、交流、研討的多次循環(huán)過程后才能選出最優(yōu)能源方案，由方案論證的過程和結(jié)果評價小組的實訓(xùn)成績，由此保障科教融合的順利實施。

（二）? 科研平臺

科研活動對人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)以及專業(yè)建設(shè)具有重要的作用，具體表現(xiàn)在：①科研任務(wù)是源于行業(yè)、產(chǎn)業(yè)、企業(yè)當前和未來面臨的工程問題，是真實問題，在實際的應(yīng)用場景中，只需要按照需求提取相應(yīng)的知識庫，從而改變原來的單一學(xué)科體系求知慣性；②科學(xué)問題往往都具有多學(xué)科交叉融合特征，是復(fù)雜工程問題的研究，師生在合作開展科研項目中，會逐漸體會到各種視角、見解、概念和理論，并意識到團隊合作和交流溝通的重要性，有利于培養(yǎng)自己的團隊意識和交流合作的能力。因此，科學(xué)研究除了具備實踐教育教學(xué)應(yīng)用性和綜合性的特點外，還表現(xiàn)在科學(xué)研究對學(xué)生的未來發(fā)展和促進相關(guān)學(xué)科專業(yè)建設(shè)和發(fā)展上的潛能，而且科研平臺建設(shè)能夠提供實施培養(yǎng)方案需要的先進的實驗條件和研究設(shè)備，為更深層次的實踐和創(chuàng)新提供保障。

（三）? 創(chuàng)新平臺

多學(xué)科交叉融合一般都包含創(chuàng)新要素，專業(yè)依托學(xué)賽融合、專創(chuàng)融合搭建創(chuàng)新平臺將課程教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)需求相結(jié)合，因此創(chuàng)新平臺本質(zhì)上也是科教融合的平臺。一方面，專業(yè)教師通過企業(yè)調(diào)研和研究提出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)選題，或作為相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容；另一方面通過聘請新能源、機電節(jié)能等行業(yè)的能源管控負責(zé)人擔(dān)任學(xué)生創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師，引導(dǎo)學(xué)生鍛煉多學(xué)科角度觀察、包容反思和跨文化素質(zhì)。例如，本科生在創(chuàng)新平臺中得到學(xué)業(yè)指導(dǎo)教師和企業(yè)顧問的共同指導(dǎo)，完成的國家級大創(chuàng)項目“沈陽市大型公共建筑能耗調(diào)查及節(jié)能策略研究”是將建環(huán)和信息、自動化學(xué)科融合，通過各類傳感器監(jiān)測建筑運行能耗，診斷建筑能耗的不利因素，并制定降低能耗的運行策略，最后還研制了能源系統(tǒng)調(diào)控裝置。學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和職業(yè)規(guī)劃自主制定研究計劃，充分發(fā)揮個人天賦和特長，同時教師設(shè)定工程情境，實施研究參與式學(xué)習(xí)、項目導(dǎo)向?qū)W習(xí)、采用現(xiàn)代工具等多元化教學(xué)模式，實現(xiàn)真正意義上的定制人才培養(yǎng)。

五? 結(jié)束語

綜上所述，緊密圍繞實現(xiàn)雙碳目標的重大需求，跨學(xué)科課程體系的設(shè)計不僅僅是建環(huán)專業(yè)自身內(nèi)涵拓展的內(nèi)在需要，同時也充分考慮國家社會經(jīng)濟發(fā)展的外在要求，以提出明確的就業(yè)前景為前提，為學(xué)生提供多種可能的個性發(fā)展和職業(yè)發(fā)展選擇，而非基于專業(yè)方向的課程模塊。這樣的跨學(xué)科課程體系面向具有挑戰(zhàn)性的實際問題，往往要求參與者對其熱愛，有較強的思辨能力和創(chuàng)新實踐能力，將會給學(xué)生帶來較大的獲得感，促成直接的學(xué)習(xí)動機，從而抵御傳統(tǒng)教育的功利性因素。如果未來能夠積極創(chuàng)新教學(xué)考評機制和改革教學(xué)模式，將有利于破除跨學(xué)科課程體系的管理壁壘，促發(fā)學(xué)生主動、自覺地尋找解決方案，從而逐漸形成主動學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

參考文獻：

[1] 林健.多學(xué)科交叉融合的新生工科專業(yè)建設(shè)[J].高等工程教育研究，2018（1）：32-45.

[2] 于小艷，吳世勇.40年高等教育學(xué)學(xué)科研究：知識交流、擴散與更新——基于期刊共被引分析[J].教育理論與實踐，2021，41（15）：8-13.

[3] 于祥成.知識經(jīng)濟與高等教育觀念更新[J].機械工業(yè)高教研究，2000（4）：30-32.

[4] 習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話（全文）[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1678546728556033497&wfr=spider&for=pc.

[5] 張賢，郭偲悅，孔慧等.碳中和愿景的科技需求與技術(shù)路徑[J].中國環(huán)境管理，2021（1）：65-70.

[6] 江億，胡姍.中國建筑部門實現(xiàn)碳中和的路徑[J].暖通空調(diào)，2021，51（5）：1-13.

[7] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2020[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2020.

[8] 郝莉，馮曉云，宋愛玲，等.新工科背景下跨學(xué)科課程建設(shè)的思考與實踐[J].高等工程教育研究，2020（2）：31-40.

[9] 龍惟定，梁浩.我國城市建筑碳達峰與碳中和路徑探討[J]．暖通空調(diào)，2021，51（4）：1-17．