建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)實驗教學模式探討

張 洋 楊晚生 劉 琳 高云飛 顏 彪

（1.廣東工業(yè)大學基建處 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院 廣州 510006）

0 研究目的和意義

隨著城市化建設(shè)進程的加速發(fā)展，建筑環(huán)境控制技術(shù)不斷提升，建筑節(jié)能和綠色建筑應(yīng)用技術(shù)的不斷進步，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)和機遇。本專業(yè)實驗教學的主要目標是培養(yǎng)學生應(yīng)用理論知識解決工程實際問題的能力和設(shè)計創(chuàng)新能力，因此培養(yǎng)學生綜合能力為主的實踐教學環(huán)節(jié)在學生的培養(yǎng)中占有很重要的地位[1]。

1 實驗教學現(xiàn)狀及存在的問題

本專業(yè)現(xiàn)有的實驗教學環(huán)節(jié)是在相關(guān)專業(yè)課程中設(shè)置針對性的實驗教學，通過典型實驗環(huán)節(jié)或獨立實驗教學使學生獲得對理論知識的感性認知和實踐能力的培養(yǎng)，這種實驗教學模式在一定程度上起到了積極的作用，尤其是對于一些專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學起到了良好的作用[2]。但由于受學時、實驗設(shè)備、實驗內(nèi)容、教學模式、操作水平、投入等因素的影響，這種教學模式存在創(chuàng)新性不足、實驗內(nèi)容單一、學生對實驗缺乏主動性等缺點[3,4]，同時由于受教學學時所限，有些專業(yè)課程未能在課程教學中設(shè)置相關(guān)實驗教學環(huán)節(jié)，這也在一定程度上影響了教學效果。目前，現(xiàn)有的實驗教學存在的主要問題如下：

（1）實驗內(nèi)容

在實驗內(nèi)容方面主要存在不同課程的實驗內(nèi)容較窄、重復(fù)、單一、陳舊[3]、不能涵蓋課程教學內(nèi)容、教學內(nèi)容與理論教學脫節(jié)等問題；同時一些實驗設(shè)備是按照傳統(tǒng)教學內(nèi)容進行設(shè)計，沒有隨著教學內(nèi)容的更新而發(fā)展，造成了教學內(nèi)容陳舊、重復(fù)等現(xiàn)象[5]。例如本專業(yè)基礎(chǔ)課程《流體輸配管網(wǎng)》中的實驗教學內(nèi)容如“水泵特性曲線和流體水力工況測定實驗”在與《流體力學》中的部分實驗內(nèi)容重復(fù)或類同；如流速、流量、壓差的測量，幾乎每個實驗都重復(fù)這些內(nèi)容[1]，使實驗內(nèi)容顯得主次不明；《傳熱學》課程的實驗教學內(nèi)容如果設(shè)置不合理有可能與《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》中的實驗內(nèi)容類同。在教學內(nèi)容上，部分實驗課程設(shè)置不能涵蓋專業(yè)目錄的教學要求，沒有隨著理論課內(nèi)容的改變而突出重點。例如在本專業(yè)的《傳熱學》課程實驗中實驗內(nèi)容設(shè)置時，未能充分考慮新技術(shù)發(fā)展（如高效熱管導(dǎo)熱技術(shù)、蒸發(fā)冷卻技術(shù)等）所形成的實驗教學內(nèi)容顯得實驗內(nèi)容陳舊單一，使學生失去學習興趣。

（2）實驗設(shè)備

本專業(yè)大多數(shù)實驗設(shè)備龐大復(fù)雜，不僅占地面積大、模塊化配置少、操作繁瑣、質(zhì)量低劣，經(jīng)常損壞，嚴重影響實驗教學的正常進行；同時有些實驗設(shè)備還存在安全隱患，例如工程熱力學課程中的《二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及P-V-T 關(guān)系測定》實驗裝置中，要將二氧化碳氣體加壓到9.8MPa 的高壓，如果承壓玻璃的質(zhì)量不過關(guān)，或者承壓玻璃與水銀杯的連接出現(xiàn)質(zhì)量問題，就會在加壓過程中因承壓玻璃承受不住壓力而爆裂破碎，對操作者的人身安全造成威脅[1]。

（3）教學模式

專業(yè)實驗應(yīng)以學生為主體，通過學生實際操作加深其對理論知識的理解和掌握，但目前開設(shè)的實驗多為演示性和驗證性實驗，一定程度上限制了學生的動手能力，不利于學生感性認知的拓展。實驗教學模式缺少開放性和創(chuàng)新性，不具有拓展性和互動性，學生在實驗教學中一般都是按照實驗測試報告按步驟進行操作，缺少探索性研究內(nèi)容，使得學生在實驗教學中基本處于被動式地位，不能激發(fā)學生的學習主動性，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和初步科研能力[4]。

因此，如何在理論教學中加強實驗教學內(nèi)容、改進實驗教學模式、拓展實驗內(nèi)涵、增強實驗拓展性、開放性和創(chuàng)新性，并激發(fā)學生利用實驗教學對理論知識的探求產(chǎn)生興趣，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力是目前改變傳統(tǒng)實驗教學模式急需解決的問題之一。

2 實驗教學的改進措施

本專業(yè)的基礎(chǔ)課程包括工程熱力學、傳熱學、流體力學、熱質(zhì)交換原理與設(shè)備、建筑環(huán)境學、流體輸配管網(wǎng)、自動控制原理等；專業(yè)課程包括空氣調(diào)節(jié)、通風工程、制冷技術(shù)、建筑環(huán)境測試技術(shù)、燃氣供應(yīng)工程、供熱工程、冷熱源工程、潔凈室與凈化空調(diào)技術(shù)、綠色建筑與建筑節(jié)能、建筑電氣、建筑設(shè)備自動化、工程造價、工程管理等。不同的學校由于地域和專業(yè)發(fā)展的差異，其課程設(shè)置的學時和實驗內(nèi)容也不盡相同，因此，課程設(shè)置的基本原則是以專業(yè)規(guī)范為主，強調(diào)并突出各學校的專業(yè)特色，這為不同地域的實驗教學內(nèi)容的設(shè)置提供了很大的靈活性和自由性。

針對上述實驗教學存在的問題，提出如下改進措施：

（1）拓展更新實驗教學內(nèi)容

實驗教學內(nèi)容的陳舊、單一[3]，內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展脫節(jié)主要表現(xiàn)在實驗教學內(nèi)容與理論教學內(nèi)容和技術(shù)發(fā)展的脫節(jié)。專業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展使得專業(yè)知識不斷更新，但實驗教學內(nèi)容由于各種原因未能及時進行更新。針對此問題，應(yīng)調(diào)整和更新實驗教學內(nèi)容，使之能適應(yīng)專業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求。例如《傳熱學》課程的導(dǎo)熱性能實驗教學中，如果按照傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容進行教學，學生也可以掌握基本的導(dǎo)熱變化規(guī)律，理解相關(guān)導(dǎo)熱的基本機理，但對于目前在工程應(yīng)用中利用較多的熱管導(dǎo)熱技術(shù)的認識就無法從實驗教學中獲得認知。廣東工業(yè)大學有關(guān)教師利用科研項目的平臺設(shè)計了一種扁平熱管式傳熱性能實驗測試裝置（見圖1），拓展了原有的導(dǎo)熱性能實驗內(nèi)容，使得學生對于高效導(dǎo)熱熱管的工程應(yīng)用有了更深入的了解。

圖1 扁平熱管式傳熱性能實驗裝置Fig.1 Flat heat pipe experimental device for heat transfer performance

（2）實驗教學內(nèi)容的重復(fù)性問題

在不同的專業(yè)課程中存在著實驗內(nèi)容的重復(fù)性問題，這主要是由于課程體系和教材內(nèi)容變更與實驗教學內(nèi)容的滯后引起的。隨著專業(yè)的不斷發(fā)展，課程體系涵蓋的內(nèi)容也在不斷拓展，教材內(nèi)容隨著課程體系的變化獲得了較為及時的改革，但實驗內(nèi)容由于其實驗設(shè)備的更新性問題，未能及時同步改變，二者出現(xiàn)偏差。針對這一問題，應(yīng)梳理相關(guān)課程的實驗教學內(nèi)容，根據(jù)課程的特點制訂出合理的教學內(nèi)容。如可以將《流體力學》和《流體輸配管網(wǎng)》課程中的實驗進行整合，避免實驗內(nèi)容的重復(fù)性?！稛豳|(zhì)交換原理與設(shè)備》是在原有傳熱學基礎(chǔ)上，結(jié)合傳熱傳質(zhì)技術(shù)的發(fā)展而獨立形成的一門基礎(chǔ)課程，盡管其理論內(nèi)容上已經(jīng)非常成熟，但實驗教學內(nèi)容大部分高校仍然是利用原有的傳熱學或其他課程的實驗教學設(shè)備進行教學，這樣不僅存在實驗與理論教學內(nèi)容不匹配的問題，而且可能使實驗教學內(nèi)容重復(fù)，不能確切反映出本專業(yè)領(lǐng)域傳熱傳質(zhì)技術(shù)的工程應(yīng)用和發(fā)展。針對此問題，廣東工業(yè)大學建筑環(huán)境與能源應(yīng)用有關(guān)專業(yè)教師結(jié)合自己的科研項目，研制出新型的適合于一種適合于《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》課程的實驗教學平臺（見圖2）。該實驗測試裝置可以對固體除濕材料的吸濕和再生過程進行不同工況下的測試，固體除濕材料的除濕和再生過程是一個典型的傳熱傳質(zhì)過程，也是本專業(yè)工程中較為常見的一種技術(shù)應(yīng)用模式，這樣既避免了原來采用傳熱學實驗設(shè)備的重復(fù)性問題，進一步加深了熱質(zhì)交換原理的工程應(yīng)用內(nèi)容，取得了較好的教學效果。

圖2 固體除濕再生測試裝置Fig.2 Solid desiccant regeneration test device(improved version)

（3）實驗開放性和創(chuàng)新性設(shè)計

現(xiàn)有的專業(yè)實驗教學模式多為演示性和驗證性實驗，限制了學生創(chuàng)新性思考能力，不利于學生感性認知的拓展。實驗教學模式缺少開放性和創(chuàng)新性，不具有拓展性和互動性，缺少探索性研究內(nèi)容，使得學生在實驗教學中基本處于被動式學習的地位，不能激發(fā)學生的學習主動性，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和初步的科研能力[4]。同時，由于受課程學時和實驗教學學時的限制，實驗教學內(nèi)容也僅僅是以典型的實驗教學內(nèi)容展開教學，實驗教學內(nèi)容不能涵蓋教學內(nèi)容，其教學內(nèi)容和模式的創(chuàng)新性也存在不足。針對此問題，結(jié)合本專業(yè)工程應(yīng)用性強的特點，在充分結(jié)合專業(yè)特色和地域差異性的基礎(chǔ)上，提出以創(chuàng)新性、開放性創(chuàng)新訓練項目為引導(dǎo)的實驗教學內(nèi)容的改革[5]。例如針對《建筑節(jié)能與綠色建筑》專業(yè)選修課程受學時限制未能設(shè)置實驗教學環(huán)節(jié)的現(xiàn)實，提出以大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練為平臺的輔助課程實驗教學，即通過大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目的獲得，建立相關(guān)開放性、創(chuàng)新性和探索性的實驗教學平臺，為理論教學提供實踐平臺。例如針對建筑節(jié)能與綠色建筑中的熱壓問題，在理論教學中僅能從理論上進行講授，學生在講完后缺少感性認識，無法真正掌握其作用機理，利用相關(guān)材料設(shè)計出熱壓顯示測試裝置（見圖3）并對其不同高度的熱壓和溫度進行測試，不僅能有助于學生對抽象理論問題的認識，更能激發(fā)學生探索相關(guān)自然機理的熱情。針對綠色建筑與建筑節(jié)能不同屋頂隔熱方式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，理論教學僅僅是通過相關(guān)傳熱系數(shù)和傳熱量的計算比較分析不同隔熱方式的效果，并不能直觀地感受到不同隔熱方式的差異性，因此可根據(jù)華南地區(qū)屋面的隔熱方式設(shè)計出不同的模塊化綠化屋面、蓄水屋面、反射涂料屋面、通風屋面、隔熱磚屋面、蒸發(fā)冷卻屋面等測試平臺，學生可以通過測試平臺的實際測試數(shù)據(jù)獲得對不同隔熱模式的定量影響評價分析，從而獲得理論知識在工程應(yīng)用中的創(chuàng)新性比較和探索。圖4 為廣東工業(yè)大學建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教師所建立的的屋面綠化隔熱測試平臺，該測試平臺已經(jīng)成為本專業(yè)師生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓基地，取得了良好的實踐教學效果。

圖3 熱壓顯示測試裝置Fig.3 Hot press display test device

圖4 復(fù)合式綠化蓄水屋面隔熱測試平臺Fig.4 Heat insulation test platform for composite green water storage roof

（4）非實驗教學內(nèi)容的直觀性演示

實驗教學學時在整個課程的教學學時中所占的比例一般都不高，這主要受實驗條件和教學學時的限制。但有些理論知識僅僅通過課堂講授難以達到良好的教學效果，如何提高學生對非實驗教學內(nèi)容的認知和理解是所有工科專業(yè)教學中存在的問題之一。為解決此問題，任課教師可利用各種資源在授課過程中給學生通過相關(guān)直觀性模型演示的方法強化學生的感性認知。例如在《制冷技術(shù)》教學過程，磁懸浮離心式冷水機組是目前較為先進的制冷機組之一，單純依靠理論講解其原理學生對其缺少深刻的認識，為此可利用相關(guān)教學模型為學生在課堂上演示磁懸浮的原理，這樣可以達到良好的教學效果。圖5 為《制冷技術(shù)》教學中采用的太陽能磁懸浮電機來直觀演示磁懸浮冷水機組的教學模型。圖6 為直觀演示制冷系統(tǒng)的教學模型。這些教學模型具體直觀性強、體積小、可以現(xiàn)場演示、價格低、便于攜帶，在理論教學中可以達到很好的輔助教學效果。

圖5 用于直觀演示磁懸浮制冷機組的教學模型Fig.5 Teaching model of magnetic suspension refrigeration unit

圖6 可用于直觀演示制冷系統(tǒng)原理的教學模型Fig.6 Teaching model of refrigeration system principle

3 結(jié)束語

隨著建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的內(nèi)涵不斷擴展，新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展對專業(yè)實驗提出了更高的要求，陳舊的實驗教學模式和內(nèi)容亟待更新，實驗教學的改革勢在必行。強調(diào)通過實驗教學可使學生更深刻地掌握專業(yè)理論知識，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和提升學生的綜合素質(zhì)目前是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)所面臨的一個重要課題，希望本文能對建環(huán)專業(yè)的發(fā)展起到積極的作用。