建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐

藺 潔, 陳 超, 張思琦

(北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.北京綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

0 引 言

培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力是現(xiàn)代高等教育的首要目標(biāo)[1-3]。創(chuàng)新能力是在技術(shù)和各種實(shí)踐活動(dòng)領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力[4-6]。一個(gè)人的創(chuàng)新能力通常有兩部分組成[7]。一部分指人的智力，即人具有的知識(shí)和閱讀、理解、記憶等的能力[8-9]。通常一個(gè)人掌握的知識(shí)越多，與智力相關(guān)的能力就會(huì)越高，創(chuàng)新能力越強(qiáng)的可能性越大[10-12]；另一部分指一個(gè)人在遇到問題時(shí)能迅速找到解決問題方法的能力[13]。盡管對(duì)學(xué)生這兩方面創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于學(xué)習(xí)過程的各個(gè)階段，但因各階段學(xué)習(xí)內(nèi)容不同、實(shí)施形式不同，需要展示的能力不同，因此培養(yǎng)創(chuàng)新能力的過程及細(xì)節(jié)不盡相同。對(duì)于第一部分能力的培養(yǎng)大多通過課堂教學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于第二部分能力則在實(shí)踐教學(xué)過程中培養(yǎng)機(jī)會(huì)居多[14-15]。對(duì)于工科專業(yè)而言，為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，如何配合課堂教學(xué)盡可能地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程特有的作用？如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提高學(xué)生創(chuàng)新能力，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用，并最終達(dá)到促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)綜合發(fā)展的目的？本文針對(duì)專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐教學(xué)過程進(jìn)行了有益嘗試。

供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)是我校為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的本科生開設(shè)的一門綜合實(shí)驗(yàn)課程。近些年隨著該專業(yè)內(nèi)涵的不斷擴(kuò)大，用人單位對(duì)于應(yīng)屆畢業(yè)生能力、素質(zhì)要求的不斷提升，原有的實(shí)驗(yàn)課都是基于某一門專業(yè)課內(nèi)容設(shè)置的，對(duì)具體知識(shí)的理解、掌握及應(yīng)用設(shè)計(jì)的很到位，但缺少對(duì)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通及綜合應(yīng)用的環(huán)節(jié)，故原有實(shí)驗(yàn)不利于實(shí)施對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，需要增設(shè)融合幾門課程知識(shí)的綜合類實(shí)驗(yàn)。為此，學(xué)校增設(shè)了供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于多熱源、多末端、實(shí)尺寸的供熱系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)給學(xué)生提供了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涉及很多知識(shí)，為學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和充分發(fā)揮個(gè)性能力提供可能。這門課程開設(shè)4年，已取得一定效果。

1 供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)

供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)被設(shè)計(jì)為一個(gè)真實(shí)的輸配系統(tǒng)。搭建之始考慮到該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既要滿足科研需要又要滿足平時(shí)用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境的冷熱需求，因此該系統(tǒng)把常規(guī)冷熱源和末端全部包含進(jìn)去。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由冷/熱源、末端和管路組成。3個(gè)不同的熱源分別是：電鍋爐，市政集中供熱和空氣源熱泵機(jī)組。系統(tǒng)末端有3種類型：散熱器，混凝土輻射地板和風(fēng)機(jī)盤管。管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2種形式：一次和二次循環(huán)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)圖

由圖中可見，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行工況有多種形式，典型模式有：鍋爐直供散熱器的一次循環(huán)系統(tǒng)、市政間接供熱的地板供熱系統(tǒng)以及空氣源熱泵直供風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng)，這3種形式中的每一類熱源或者末端都可以換為其他形式，實(shí)際運(yùn)行模式靈活多樣。實(shí)驗(yàn)室有這樣一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式的系統(tǒng)，為學(xué)生完成多種運(yùn)行模式提供了可能，也為學(xué)生提供了多個(gè)可能遇到的常見專業(yè)問題，借此為他們提供較多的鍛煉機(jī)會(huì)。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)及實(shí)施

供熱性能綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所完成的多種運(yùn)行工況涉及到本專業(yè)諸多專業(yè)課的相關(guān)內(nèi)容，有：供熱工程、流體輸配管網(wǎng)、空氣調(diào)節(jié)、冷熱源工程以及自動(dòng)控制原理等課程。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)盡管可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供冷或供熱，因?qū)嶒?yàn)開課時(shí)間在冬季學(xué)期，因此在這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)施學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)主要依托于系統(tǒng)供熱運(yùn)行。下面從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念、實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)流程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核3個(gè)方面分析對(duì)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行闡述。

2.1 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)宗旨兼顧了專業(yè)知識(shí)和教學(xué)規(guī)律兩個(gè)方面。從專業(yè)知識(shí)角度設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重點(diǎn)是該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可提供哪些實(shí)驗(yàn)？這些實(shí)驗(yàn)的難易程度及可操作性如何？學(xué)生可能遇到的專業(yè)問題有哪些？該如何找到解決問題的方法？經(jīng)過反復(fù)考慮最終實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定為：①熟悉供熱系統(tǒng)及常用設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理；②熟悉供熱工程常用測(cè)試儀器的測(cè)量原理、掌握測(cè)試方法及操作規(guī)程；③通過測(cè)試熱用戶與供熱系統(tǒng)在不同連接方式下的用熱量及能耗等參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)性能分析及能耗分析，掌握能耗分析方法；④通過測(cè)試熱用戶不同散熱設(shè)備熱工性能，掌握散熱設(shè)備實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，建立散熱設(shè)備散熱量與影響因素之間的關(guān)系式；⑤通過一、二次網(wǎng)路性能調(diào)節(jié)，測(cè)試換熱器熱工性能，熟悉換熱器的工作原理；⑥熟悉混水裝置的工作原理，并進(jìn)行混水裝置性能測(cè)試；⑦通過進(jìn)行一、二次管網(wǎng)性能調(diào)節(jié)和水力穩(wěn)定性研究，掌握供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方法?？梢钥吹?，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上可以設(shè)計(jì)完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多，學(xué)生可以有選擇地做。設(shè)計(jì)較多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的是從專業(yè)角度盡可能多地向?qū)W生展現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)在專業(yè)上可能遇到的、需要解決的典型問題，開闊學(xué)生視野，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。同時(shí)整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了既要考察學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與掌握又要考察他們對(duì)知識(shí)體系的融會(huì)貫通以及在工程實(shí)際中靈活應(yīng)用知識(shí)的能力。

而從教學(xué)規(guī)律角度制定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)考慮的重點(diǎn)是如何通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生的思維能力，發(fā)展學(xué)生的智力，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)、創(chuàng)造知識(shí)的能力。在這個(gè)過程中，為了發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)自身優(yōu)勢(shì)，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、可選擇空間大的特點(diǎn)，學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間和興趣選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；同時(shí)為了促進(jìn)學(xué)生知識(shí)轉(zhuǎn)化能力的提高、完成由學(xué)習(xí)者到實(shí)踐者的轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)與探究系統(tǒng)規(guī)律的能力，學(xué)生被要求提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前需完成的工作有：①查閱文獻(xiàn)、制定實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生需要先溫習(xí)已學(xué)知識(shí)、彌補(bǔ)自己知識(shí)的不足之處。這個(gè)過程可以增強(qiáng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的能力；②確定實(shí)驗(yàn)方法。這一過程學(xué)生要經(jīng)歷分析、比較、總結(jié)、歸納等思維活動(dòng)，最終選定實(shí)驗(yàn)方法；③制定實(shí)驗(yàn)操作步驟。該過程通過要求學(xué)生計(jì)劃詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，來訓(xùn)練學(xué)生思維的縝密性、邏輯性、理解能力及思辨能力。實(shí)驗(yàn)前學(xué)生完成上述工作后要經(jīng)過教師檢查，教師還會(huì)與學(xué)生研討其方案的合理性及可操作性，給出必要提醒及建議。可見，這個(gè)環(huán)節(jié)與以往實(shí)驗(yàn)過程有極大不同，整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)的教學(xué)理念就是讓學(xué)生自主地在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、鍛煉學(xué)生尋找解決問題方法的能力。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)之初的計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)過程操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察、實(shí)驗(yàn)故障處理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,有效提高自身分析問題和解決問題的能力；整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生開闊視野、拓寬思路、激發(fā)靈感、提高素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有特殊作用。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ斤@示出了其不可替代的作用。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)流程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法不同，通常可以把實(shí)驗(yàn)教學(xué)分成4個(gè)層次：第1層次為演示類實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)主要是為了讓學(xué)生通過觀察課堂已學(xué)理論知識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于該知識(shí)的理解及掌握，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的可創(chuàng)作性不強(qiáng)。第2層次為驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證已學(xué)知識(shí)，將課堂理論內(nèi)容通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于該知識(shí)的理解及掌握，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中有一定的可創(chuàng)作性。第3層次為綜合類實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)主要以設(shè)計(jì)性方式開展，學(xué)生們不僅按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成試驗(yàn)、在實(shí)驗(yàn)完成過程中還會(huì)出現(xiàn)一些問題需要個(gè)人發(fā)揮主觀能動(dòng)性來解決，該實(shí)驗(yàn)除了運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的主動(dòng)性、靈活性程度要求增多。第4層次是以探索為目標(biāo)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)不僅要學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法、技能和驗(yàn)證已知科學(xué)原理、重現(xiàn)自然現(xiàn)象，更重要的是提高他們迅速解決問題的能力以及探究事物規(guī)律的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的4個(gè)層次體現(xiàn)了從培養(yǎng)知識(shí)型人才向培養(yǎng)應(yīng)用型人才的轉(zhuǎn)變。由于實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)層次不同、方法不同，實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果就會(huì)有差異。為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，“供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)”定位在第4層次，并兼顧其他。因此在實(shí)驗(yàn)中為了盡可能多地提供給學(xué)生創(chuàng)造思維的訓(xùn)練機(jī)會(huì)，除了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、靈活，在實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施細(xì)節(jié)上也有意識(shí)地把實(shí)驗(yàn)過程與探索規(guī)律模式有機(jī)結(jié)合起來。例如：實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生按照每一個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容來做。并且實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生要準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)預(yù)案并自己完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生自己制定實(shí)驗(yàn)具體流程與步驟。如果在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生遇到問題，教師也不輕易給予幫助。學(xué)生實(shí)在難以解決時(shí)要向教師說明自己都嘗試了哪些方法，教師在此基礎(chǔ)上幫助分析問題癥結(jié)，再引導(dǎo)學(xué)生尋找解決方法。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中教師的作用就是把握學(xué)生的思維方向，引導(dǎo)他們運(yùn)用正確的思維方法，養(yǎng)成創(chuàng)新的思維習(xí)慣，讓實(shí)驗(yàn)過程成為學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探索過程的再現(xiàn)。在這樣的科學(xué)探究模式下，實(shí)現(xiàn)在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生靈活的應(yīng)變能力、創(chuàng)造性解決問題的能力、及科學(xué)探索精神的目標(biāo)。

供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)按照項(xiàng)目?jī)?nèi)容又分為5個(gè)：①測(cè)試熱用戶與供熱系統(tǒng)在不同連接方式下的用熱量及能耗，進(jìn)行系統(tǒng)性能分析及能耗分析，并完成能耗分析報(bào)告；②測(cè)試穩(wěn)定條件下熱用戶末端散熱設(shè)備散熱量Q，建立散熱設(shè)備的散熱量與熱媒流量G和溫差ΔT的關(guān)系，比較該方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中散熱設(shè)備散熱量的熱盒子方法的差別，提交測(cè)試報(bào)告；③測(cè)試板式換熱器熱工性能，要求有測(cè)試數(shù)據(jù)及換熱器的工作效率分析報(bào)告；④進(jìn)行混水裝置性能測(cè)試，要求有測(cè)試數(shù)據(jù)分析報(bào)告；⑤進(jìn)行一、二級(jí)網(wǎng)性能調(diào)節(jié)測(cè)試，畫出供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線。這5個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的劃分是遵循事物發(fā)展規(guī)律及專業(yè)特點(diǎn)定的。學(xué)生在具體完成時(shí)遵守如下實(shí)驗(yàn)流程：①選擇不少于3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；②完成實(shí)驗(yàn)預(yù)分析報(bào)告，包含：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析、注意事項(xiàng)等；③教師審核、批改，完善實(shí)驗(yàn)預(yù)案；④完成實(shí)驗(yàn)；⑤分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論；⑥實(shí)驗(yàn)總結(jié)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告?？梢?，整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中最大限度地發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)真正掌握認(rèn)知世界事物規(guī)律的真諦，提高自主學(xué)習(xí)能力、信息獲取能力、觀察分析能力、實(shí)驗(yàn)研究能力、表達(dá)溝通能力、交往合作能力等實(shí)踐能力的培養(yǎng)；學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)手段去證明或推翻理論的方法，最終提高發(fā)現(xiàn)與探究未知世界的能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)

由于本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，實(shí)施過程靈活，難易程度不均，故實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制所規(guī)定的“全面化、過程化和客觀化”形式就不能僅局限于實(shí)驗(yàn)報(bào)告，特增加了答辯環(huán)節(jié)。答辯形式也由最初的老師問、學(xué)生答，發(fā)展為學(xué)生問、學(xué)生答；學(xué)生問、老師答等多種形式。學(xué)生問答形式中，學(xué)生需要做PPT來講實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決的方法。而學(xué)生問、老師答環(huán)節(jié)中學(xué)生提的很多問題都是專業(yè)前沿問題，有的問題甚至還沒有確切答案。這無疑為學(xué)生繼續(xù)探索知識(shí)起到引領(lǐng)作用。從整個(gè)過程來看類似人類探索新知識(shí)的歷程，這種實(shí)驗(yàn)過程對(duì)指導(dǎo)教師的要求更高，指導(dǎo)教師已不再是一個(gè)只需要熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的指揮員，已變成懂得創(chuàng)新規(guī)律特點(diǎn)、具備較強(qiáng)的教育理論知識(shí)、能夠協(xié)助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的助手及幫助者；成為學(xué)生探索知識(shí)的引路者。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)“供熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的實(shí)施，提高了建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力和參加實(shí)驗(yàn)的積極性，這種教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用知識(shí)的能力以及創(chuàng)造性思維方面都有一定成效。但是在這個(gè)創(chuàng)新教學(xué)模式運(yùn)行過程中也存在著一些問題。比如學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果參差不齊，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究的能力不足，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本是教學(xué)與科研的承載體，但實(shí)際運(yùn)用中沒有很好地將學(xué)生實(shí)驗(yàn)與教師科研緊密結(jié)合起來，因此還要進(jìn)一步進(jìn)行教學(xué)理論研究，解決在實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索過程中出現(xiàn)的新問題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能取得理想結(jié)果，達(dá)到培養(yǎng)人才的目的。