新工科背景下智慧建筑能源與環(huán)境課程項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

鄭雪晶 龍正偉 孫賀江

摘 ?要：針對(duì)新工科背景下建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，分析了本專業(yè)課程項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容及方法。結(jié)合天津大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)培養(yǎng)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了項(xiàng)目式教學(xué)，包括目標(biāo)導(dǎo)向型項(xiàng)目和開放式項(xiàng)目。實(shí)踐表明，項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐有助于促進(jìn)傳統(tǒng)工科專業(yè)升級(jí)改造，能夠激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力和溝通能力，激發(fā)教師轉(zhuǎn)變教學(xué)思維，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科;智慧建筑能源;項(xiàng)目式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）S1-0096-03

Abstract： In view of the challenges faced by constructing Environment and Energy Application Engineering major under the new engineering background， this paper analyzes the content and methods of project-based teaching of this major. Based on the training program of built Environment and Energy Application Engineering in Tianjin University， this study designed and practiced project-based teaching， including goal-oriented project and open project. The practice shows that project-based teaching practice can promote the upgrading and transformation of traditional engineering majors， stimulate students' active learning consciousness， improve their innovative practice ability and communication ability， motivate teachers to change their teaching thinking and improve the teaching effect.

Keywords： new engineering; smart building energy; project-based teaching

在全球一體化和人工智能影響下，社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)要求越來(lái)越高。新知識(shí)和新技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用速度快于大學(xué)教育模式、培養(yǎng)體系、課程內(nèi)容等修訂和更新周期，高等工程教育必須進(jìn)行深刻變革和全面創(chuàng)新[1]。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)是一門注重創(chuàng)新與工程實(shí)踐的傳統(tǒng)工科專業(yè)。面對(duì)第四次工業(yè)革命和日益復(fù)雜的城市人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展問題，以綠色技術(shù)、BIM技術(shù)和建筑工業(yè)化等新興熱點(diǎn)的科技創(chuàng)新為中心的建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化成為行業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用領(lǐng)域迫切需求大量基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、學(xué)科背景豐富、兼具實(shí)踐與創(chuàng)新能力、具有國(guó)際化視野的復(fù)合型人才。

一、項(xiàng)目式教學(xué)的特點(diǎn)

項(xiàng)目式教學(xué)是以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，將知識(shí)邏輯模塊與工程實(shí)踐深度融合， 學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)通過解決一個(gè)開放式問題的經(jīng)歷來(lái)學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生不斷搜尋信息，自我評(píng)價(jià)[2]。通過訓(xùn)練學(xué)生可以獲得團(tuán)隊(duì)協(xié)作、人際關(guān)系處理、問題與溝通解決等方面的能力和技能。指導(dǎo)教師由過去被動(dòng)授課，轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)學(xué)生積極性，輔導(dǎo)和提供資源，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。

項(xiàng)目式教學(xué)任務(wù)包括建立課堂文化、設(shè)計(jì)與計(jì)劃、與課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)、管理教學(xué)活動(dòng)、評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)、搭建學(xué)習(xí)平臺(tái)、參與和指導(dǎo)學(xué)生?？梢苑譃榻⒄n堂文化、設(shè)計(jì)與課標(biāo)對(duì)應(yīng)的方案、管理教學(xué)活動(dòng)、評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)這四個(gè)實(shí)施的階段。教學(xué)過程中，教師的角色定位不再是負(fù)責(zé)課堂講授、測(cè)驗(yàn)、考試的教師，而是轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的引導(dǎo)者[3]。鼓勵(lì)學(xué)生積極地提問、保持好奇心和進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，積極創(chuàng)造鼓勵(lì)每個(gè)學(xué)生發(fā)言的學(xué)習(xí)環(huán)境。項(xiàng)目式教學(xué)過程重點(diǎn)關(guān)注學(xué)科專業(yè)的融合性、關(guān)聯(lián)性、開放性、交互性，注重軟硬件結(jié)合，突破傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的局限，添加可視性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)圖例，能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)充更新生動(dòng)的實(shí)踐案例，根據(jù)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求拓展教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)學(xué)生們?cè)谠噲D解決問題的過程中實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)轉(zhuǎn)換，在體驗(yàn)轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生新知識(shí)、發(fā)展新技巧和能力。

二、天津大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

天津大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)，前身是供熱供煤氣與通風(fēng)工程專業(yè)，成立于1956年，是全國(guó)成立最早的八個(gè)高?！芭ā睂I(yè)之一，獲批高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，并被列入卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃、天津市品牌專業(yè)，順利通過由住建部組織的全國(guó)高等學(xué)校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)（本科）教育評(píng)估，于2020年獲批為國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。以專業(yè)教師為基礎(chǔ)，建立了天津市室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津市建筑環(huán)境與能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津市生物質(zhì)廢物利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及天津市有機(jī)固廢安全處置與能源利用工程研究中心等支撐平臺(tái)。在建筑節(jié)能技術(shù)、建筑環(huán)境營(yíng)造、智慧供熱系統(tǒng)、地鐵穿山隧道防排煙技術(shù)和有機(jī)固廢能源化利用技術(shù)等方面作出了顯著貢獻(xiàn)。本專業(yè)畢業(yè)生已經(jīng)成為國(guó)有大中型企業(yè)、科研院所和設(shè)計(jì)院等的技術(shù)中堅(jiān)力量，在航空航天、建筑業(yè)、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等眾多領(lǐng)域服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

面對(duì)第四次工業(yè)革命和日益復(fù)雜的城市建筑環(huán)境與能源問題，其內(nèi)涵與外延發(fā)生了深刻的變化。人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展對(duì)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)提出新的要求，以綠色技術(shù)、BIM技術(shù)和建筑工業(yè)化等新興熱點(diǎn)的科技創(chuàng)新為中心的建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化成為行業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。“專”“通”結(jié)合、交叉融合、滿足行業(yè)科技創(chuàng)新需求的寬口徑人才培養(yǎng)問題亟需解決[4]。以“互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、大數(shù)據(jù)”為主要增長(zhǎng)點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)模式日益影響社會(huì)生活，新工科建設(shè)背景下，面對(duì)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革、全球化和智能化，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)需要積極探索信息化、人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等新型技術(shù)與傳統(tǒng)專業(yè)的融合方式，以推動(dòng)新技術(shù)革命與專業(yè)的知識(shí)、能力、素質(zhì)要求深度融合為導(dǎo)向，定位培養(yǎng)引領(lǐng)建筑環(huán)境與能源領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的拔尖創(chuàng)新型人才[5]。

三、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容

天津大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)面向國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)人才的需求，培養(yǎng)能夠在建筑環(huán)境、建筑節(jié)能與建筑能源專業(yè)領(lǐng)域，從事工程設(shè)計(jì)、研究開發(fā)、施工管理、系統(tǒng)運(yùn)行或能源管理工作的德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義事業(yè)合格建設(shè)者和可靠接班人。結(jié)合本專業(yè)培養(yǎng)方案，在建筑冷熱源、給排水、建筑電氣、建筑設(shè)備自動(dòng)化等課程中，增加在智慧熱網(wǎng)、空調(diào)水系統(tǒng)、建筑給排水系統(tǒng)等智慧建筑水資源可持續(xù)利用、水系統(tǒng)平衡、優(yōu)化調(diào)度等方面項(xiàng)目式教學(xué)，設(shè)計(jì)集中供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制、智慧建筑電氣及建筑給排水系統(tǒng)等項(xiàng)目，形成建筑能耗大數(shù)據(jù)分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)、建筑設(shè)備智能調(diào)控、智慧建筑給排水等課程單元。通過項(xiàng)目式教學(xué)，轉(zhuǎn)變專業(yè)教學(xué)理念，結(jié)合人工智能、信息化來(lái)培養(yǎng)人才，推進(jìn)專業(yè)方向不斷升級(jí)改造，提升可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力。

四、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐

項(xiàng)目式教學(xué)的設(shè)計(jì)包括三方面內(nèi)容：（1）專業(yè)針對(duì)性，結(jié)合新工科建設(shè)要求，根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域的特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)，融入人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等新技術(shù)，綜合智慧建筑環(huán)境能源系統(tǒng)要求進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。（2）知識(shí)的更新，著眼工程教育的本義，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，在教學(xué)內(nèi)容中滲透新科學(xué)、新技術(shù)、新方法，淘汰陳舊內(nèi)容。（3）可實(shí)現(xiàn)性，因材施教，考慮學(xué)生的個(gè)性化，根據(jù)學(xué)生的自身興趣、知識(shí)層面和能力水平，設(shè)計(jì)學(xué)生能力水平能夠完成的項(xiàng)目。

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)立兩種層次的實(shí)踐性項(xiàng)目（圖1），鼓勵(lì)學(xué)生以3～5人為團(tuán)隊(duì)，結(jié)合課程內(nèi)容，進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，并制作演示系統(tǒng)，期末進(jìn)行展示，并作為大作業(yè)考核。鼓勵(lì)參加校內(nèi)外各種大賽，包括但不限于挑戰(zhàn)杯比賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、節(jié)能大賽等。

（一）目標(biāo)導(dǎo)向型實(shí)踐項(xiàng)目

要求學(xué)生軟硬件設(shè)計(jì)，并購(gòu)買元器件搭建，包括建筑給排水演示系統(tǒng)、建筑空調(diào)系統(tǒng)演示系統(tǒng)、建筑光伏演示系統(tǒng)、建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。典型的案例包括：

1. 電動(dòng)機(jī)的控制：電動(dòng)機(jī)是建筑供能與供水控制系統(tǒng)中最核心的動(dòng)力設(shè)備，包括水泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)等，因此電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制是建筑電氣系統(tǒng)中最基礎(chǔ)但也是最核心的一個(gè)控制系統(tǒng)，要求學(xué)生組織隊(duì)伍，可以針對(duì)不同的場(chǎng)景（水泵控制、空調(diào)控制、防排煙控制），設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。

2. 智能熱網(wǎng)：云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)已逐漸融入到供熱、供燃?xì)馀c通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，智慧供熱及智慧供燃?xì)獾燃夹g(shù)發(fā)展從“自動(dòng)化”向“數(shù)字化”演進(jìn)。通過建筑用能大數(shù)據(jù)分析，研究建筑用能規(guī)律，要求學(xué)生組織隊(duì)伍，制定熱網(wǎng)調(diào)控策略，可以通過手機(jī)、電腦來(lái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)調(diào)控。

3. 室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)：分析我國(guó)住宅室內(nèi)空氣污染的原因，一方面是劣質(zhì)建材和家具產(chǎn)生大量的化學(xué)污染，另一方面是室外大氣PM2.5等污染通過各種通風(fēng)路徑傳入室內(nèi)，造成住宅室內(nèi)空氣質(zhì)量差，嚴(yán)重威脅我國(guó)居民的身體健康。要求學(xué)生組織隊(duì)伍，針對(duì)室內(nèi)主要的污染物（PM2.5、VOC），設(shè)計(jì)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以是離線手持裝置，鼓勵(lì)開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

4. 空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)室內(nèi)二氧化碳、風(fēng)管溫度、水管溫度、風(fēng)管孔板壓差的監(jiān)測(cè)，集成顯示空調(diào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)。

（二）開放式實(shí)踐項(xiàng)目

目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性，鼓勵(lì)參加各種創(chuàng)新性大賽，比如挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，給學(xué)生提供一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)的描述，不限定具體形式，讓學(xué)生自己發(fā)揮，進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，制造出系統(tǒng)，比如零能耗建筑系統(tǒng)、舒適性空調(diào)系統(tǒng)、智能通風(fēng)系統(tǒng)、空氣病毒探測(cè)系統(tǒng)等。典型的案例包括：

1. 建筑電氣演示系統(tǒng)，建筑電氣包括配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)，要求學(xué)生組建隊(duì)伍，選擇典型的一種建筑電氣系統(tǒng)，開發(fā)演示系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)演示其運(yùn)行與功能。

2. 新型建筑給排水系統(tǒng)開發(fā)，本項(xiàng)目是開放式的題目，不做任何的限定，任由學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性，調(diào)動(dòng)興趣，提出愿意實(shí)現(xiàn)的建筑給排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，但要求要有創(chuàng)新性，鼓勵(lì)參加國(guó)家和學(xué)校組織的科技競(jìng)賽。

五、項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)踐效果

（一）促進(jìn)傳統(tǒng)工科專業(yè)改造融合

通過項(xiàng)目式教學(xué)，融合專業(yè)課知識(shí)點(diǎn)與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，增強(qiáng)“人才培養(yǎng)”“科學(xué)研究”“設(shè)計(jì)實(shí)踐”三方融合互動(dòng)。使學(xué)生掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)工程領(lǐng)域理論知識(shí)，具備開放的知識(shí)結(jié)構(gòu)和綜合運(yùn)用多元知識(shí)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的實(shí)踐能力。

（二）激發(fā)學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)和創(chuàng)新思維

項(xiàng)目的設(shè)計(jì)突出學(xué)生的主體地位，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)性與探索性。充分考慮學(xué)生的個(gè)性化與專業(yè)興趣，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，項(xiàng)目式教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)和創(chuàng)新思維。學(xué)生課堂評(píng)價(jià)的滿意度顯著提升。

（三）提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，強(qiáng)化協(xié)作意識(shí)與溝通能力

完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中，學(xué)生以3～5人為團(tuán)隊(duì)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行深入討論和思考，提出設(shè)計(jì)方案，開展實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析、成果整理與匯報(bào)，這一系列的能力訓(xùn)練，能夠在有效提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的同時(shí)，強(qiáng)化學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的溝通和協(xié)作能力，保證課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（四）激勵(lì)教師教學(xué)能力提升，保證教學(xué)效果

新工科教育對(duì)師資力量建設(shè)提出了較高的要求，強(qiáng)調(diào)教師工程實(shí)踐經(jīng)歷與能力。通過項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施，強(qiáng)化專業(yè)教師專業(yè)理論知識(shí)，促進(jìn)教師將科研與教學(xué)緊密結(jié)合，轉(zhuǎn)變教學(xué)思維，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維的同時(shí)，提升教師實(shí)踐教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]王紅雨，于張娜，閆廣芬.新工科背景下工科專業(yè)的調(diào)整、布局及衍生機(jī)制——基于33所代表性高校的分析[J].高等工程教育研究，2021（6）：24-30.

[2]李戰(zhàn)杰.基于翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目式教學(xué)模式研究[J].中國(guó)西部科技，2014，13（10）：103-104.

[3]劉廣平，陳立文，黨子芳.案例教學(xué)與項(xiàng)目式教學(xué)比較研究[J].黑龍江教育：高教研究與評(píng)估，2016（3）：27-28.

[4]劉坤.新工科教育治理：框架、體系與模式[D].天津：天津大學(xué)，2020.

[5]丁研.新工科思維引導(dǎo)下的人工環(huán)境學(xué)教材改革實(shí)踐[J].天津教育，2020（34）：22-23.