獨立實驗課教學改革與實踐

周軍莉 苗磊 鄧勤犁 康鑫 肖雪

[摘 要] 武漢理工大學建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)實驗教學存在場地有限、實驗環(huán)節(jié)不受重視、實驗項目創(chuàng)新性不強、實驗項目不系統(tǒng)等問題。為增強實驗綜合性，提高實驗教學育人水平，開始設立獨立實驗課，并基于虛擬仿真實驗平臺開展虛實結(jié)合實驗，基于相關科研競賽增設創(chuàng)新性實驗項目，基于團隊教研細化實驗制度。通過這三方面的改革舉措，充實并革新了獨立實驗課的教學內(nèi)容，提高了實驗教學質(zhì)量，開闊了學生的視野，提高了學生的創(chuàng)新能力，取得了較好的教學成效。

[關鍵詞] 獨立實驗課;虛實結(jié)合;科研競賽

[基金項目] 2021年度武漢理工大學教學改革研究項目“基于工程教育專業(yè)認證的建環(huán)實踐教學改革與實踐”（W2019086）

[作者簡介] 周軍莉（1977—），女，湖北天門人，博士，武漢理工大學土木工程與建筑學院副教授（通信作者），主要從事建筑環(huán)境研究;苗 磊（1990—），男，四川廣元人，博士，武漢理工大學土木工程與建筑學院講師，主要從事建筑消防研究;鄧勤犁（1985—），男，湖北荊州人，博士，武漢理工大學土木工程與建筑學院副教授，主要從事建筑環(huán)境與建筑節(jié)能研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0053-04 [收稿日期] 2021-10-16

對于高等院校工科學生而言，一般要求其具有較高的實踐能力和綜合設計能力。實驗教學是高等院校理工科專業(yè)教學中重要的組成部分，它不僅是學生獲得知識的重要途徑，而且對培養(yǎng)學生的自學能力、工作態(tài)度、實際工作能力、科學研究能力和創(chuàng)新能力具有十分重要的作用，對實現(xiàn)培養(yǎng)學生的知識、能力、素質(zhì)起著關鍵的作用[1]。建筑環(huán)境與能源應用工程（以下簡稱建環(huán)專業(yè)）屬于工學土木類本科專業(yè)之一。在建環(huán)專業(yè)實驗教學探索方面，已有高校建成了高質(zhì)量的實驗平臺，介紹了一些實驗教學實踐經(jīng)驗[2-4]，但還未見到針對獨立實驗課的改革論述。針對傳統(tǒng)課程實驗零散不系統(tǒng)、不受重視等問題，我系在2017版培養(yǎng)方案制定過程中對專業(yè)實驗進行了梳理整合，開始設置獨立實驗課，力求構(gòu)建一個科學合理的實驗教學體系，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。經(jīng)過三屆學生的培養(yǎng)，陸續(xù)取得了一些成效。

一、傳統(tǒng)課程設置

建環(huán)專業(yè)主干課程包括基礎課：“工程熱力學”“傳熱學”“流體力學”;專業(yè)基礎課：“熱質(zhì)交換原理與設備”“流體輸配管網(wǎng)”;專業(yè)課：“建筑環(huán)境測試技術”“建筑環(huán)境學”“冷熱源工程”“供熱工程”“通風工程”“空調(diào)工程”等[5]。改革以前，我系實驗課基本都附屬于理論課存在，由具體理論課授課團隊負責。我校傳統(tǒng)實驗教學存在如下缺點：（1）場地有限，正常運行的成套實驗設備少。實驗設備故障率高直接影響學生對專業(yè)的接受程度。據(jù)統(tǒng)計，在以往每年的畢業(yè)生座談會上，總會有超過70%的學生抱怨專業(yè)實驗設備故障多，實驗結(jié)果誤差大。（2）實驗環(huán)節(jié)不受重視。盡管實驗課占用理論課總課時及學分，但實驗課往往安排在理論課后期，專業(yè)課時縮減導致實驗課時更少，學生常常忽視實驗課。（3）實驗項目指導性強，創(chuàng)新性不足。已有實驗項目強調(diào)實驗指導書，固定實驗步驟，學生只需按照步驟進行，做完實驗后增加少許結(jié)果分析和誤差分析。實驗項目中缺乏自主創(chuàng)新性實驗。（4）實驗項目孤立、不系統(tǒng)。實驗項目往往單純由某一理論課教師負責，單一理論課教師指導下的實驗往往無法體現(xiàn)知識點之間的關聯(lián)性。

二、改革舉措

針對已有實驗設置問題，我系認真整合實驗設備，積極拓展資源，調(diào)整實驗教學體系，建成了以虛實結(jié)合、競賽聯(lián)動為主要特點的實驗課體系，開設單獨實驗課。獨立實驗課最低學分0.5，對應課時為16。課時的增加帶動實驗項目也相應增加。

（一）開發(fā)虛擬實驗，開展虛實結(jié)合項目

虛擬實驗室就是利用分散的信息和通信技術以創(chuàng)造及獲取成果為目的，在科研與其他創(chuàng)造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子實驗平臺[6]。我系通過聯(lián)合開發(fā)及自主開發(fā)形式增設虛擬實驗項目，豐富實驗資源。

2017年，我系搭建了中央空調(diào)虛擬仿真實驗平臺。中央空調(diào)虛擬仿真實驗教學平臺軟件通過3D仿真建模軟件，以1∶1比例還原某酒店真實場景的布置、主要設備放置、系統(tǒng)連接形式、設備連接形式、管道連接方式等。通過該虛擬仿真實驗平臺，學生可進行如下系統(tǒng)的實驗實踐：冷源系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)、多聯(lián)機系統(tǒng)、風機盤管加獨立新風系統(tǒng)、全空氣系統(tǒng)、通風系統(tǒng)。涉及的課程包括熱質(zhì)交換原理與設備、空調(diào)工程、通風工程、供熱工程、流體輸配管網(wǎng)等。后期升級過程中，陸續(xù)增加了水力平衡計算、線上考試等模塊。該虛擬仿真實驗平臺中的設備部分可以很好地結(jié)合已有實驗設備進行虛實結(jié)合實驗。而水力計算部分，則可以開展設計性實驗。虛擬實驗中的飛行模式部分，教師可以布置開放性實驗，要求學生自選管路系統(tǒng)進行分析說明。該平臺除供本專業(yè)學生進行專業(yè)實驗教學以外，還可為建筑學、工程管理、市政工程等專業(yè)進行暖通空調(diào)輔助學習。

2019年以來，我系青年教師利用MATLAB語言自行開發(fā)了工程熱力學及流體輸配管網(wǎng)虛擬仿真實驗。這些小型虛擬實驗也被集成到了虛擬實驗室電腦中。虛擬仿真實驗豐富了我系實驗項目，解決了設備故障多、場地緊張等問題。

（二）聯(lián)動科研競賽，增設創(chuàng)新性項目

加強綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗，樹立以學生為本，知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，是現(xiàn)代教育改革和發(fā)展的必然要求。團隊積極從科研及競賽中尋求支撐，增設學生積極性高、更能發(fā)揮主觀能動性的實驗項目。

科研可以支撐教學，教學也可以反哺科研[7，8]。武漢理工大學為培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力，每年均鼓勵學生自主申報國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃等項目，這類項目往往與實驗緊密相關;另一方面，基于常設的地鐵站環(huán)境測試實驗，可收集整理每年的學生測試結(jié)果，最終匯總進行環(huán)境影響因素的趨勢性科學分析和研究。這則是實驗反哺科研的案例?？蒲性O備也可支撐本科實驗教學。我系實驗設備可分為三類：（1）教學類。這些設備是實驗課的主要支撐硬件條件。（2）檢測類。本專業(yè)成立之初購買了一批建筑節(jié)能方向的檢測儀器，如空氣品質(zhì)類檢測設備、溫濕度記錄儀等，可直接支撐建環(huán)專業(yè)“環(huán)境學”和“建筑環(huán)境測試技術”等課程的授課。而建筑氣密性測試系統(tǒng)等大型設備，則可以進行演示性實驗。（3）科研類。這部分設備一般由科研經(jīng)費購買。在部分創(chuàng)新性實驗項目中，學生可使用教師科研設備進行操作。

另外，我系將實驗環(huán)節(jié)與專業(yè)教指委的各項學術競賽活動，如CAR-ASHRAE學生設計競賽緊密相連。組委會每年11月中旬發(fā)布競賽通知并公布設計題目，要求參賽團隊在當年11月至第二年的7月份完成設計并提交作品。在成果提交中，調(diào)研往往是必備的一項。在實驗課的項目設置中，我系確定CAR-ASHRAE設計競賽調(diào)研實驗項目為創(chuàng)新性實驗。

（三）成立實驗團隊，細化實驗制度

為解決實驗項目零散不系統(tǒng)等問題，我系成立了獨立實驗課，相應成立了以骨干教師為主的實驗教學團隊，在實驗團隊中，包括校級精品課程名師、青年名師、海外優(yōu)秀青年回國人才、楚天學子等人。實驗團隊教研活動基于本科教研活動時間或者線上實驗QQ教研群展開。團隊細化實驗制度，確定實驗時間和項目，討論實驗考核規(guī)則。通過定期的團隊教研，實驗教師全盤掌握整體實驗教學情況，并可在單獨實驗課中緊密聯(lián)系其他知識點，加深學生的理解能力。

目前我系開設的必修實驗課程包括建環(huán)基礎實驗（0.5學分，16課時）、建環(huán)綜合實驗1（1學分，32課時）、建環(huán)綜合實驗2（0.5學分，16課時），已編寫完成統(tǒng)一格式的實驗課指導手冊電子講義。在實驗項目開設時間方面，團隊參考通識性教育中的普通化學、普通物理實驗，將一般性實驗項目設定在每周固定時間，開放性、創(chuàng)新性實驗則選取后半學期集中時間進行展開。實驗課開設實驗項目如下表1所示。

獨立實驗課最終成績由不同實驗項目成績共同構(gòu)成，一般實驗項目考核標準為實驗預習20%，實驗操作40%，實驗報告40%。演示性實驗項目主要考核學生對設備的了解程度，設計性實驗和創(chuàng)新性實驗考核標準另外單獨設置。

三、實施成效

目前所設實驗項目中，既有中小型設備讓學生動手，學習必修課程知識點;又有大型設備讓學生參觀思考，聯(lián)動科研競賽，推動學生進行創(chuàng)新性實驗，了解科研動向;還積極利用計算機技術，虛實結(jié)合，促使學生加深了解專業(yè)設備和系統(tǒng)。獨立實驗課開課以來，學生實驗課滿意度提升了40%。

與之相應，學生的實踐能力也大幅度提高，在相關實踐競賽等活動中取得了好成績。目前已有12名學生空調(diào)設計作品連續(xù)獲得CAR-ASHRAE設計競賽優(yōu)秀獎及三等獎，3名學生獲海爾磁懸浮杯設計競賽三等獎，1名學生獲人環(huán)獎競賽優(yōu)秀獎，2名學生獲施耐德創(chuàng)新案例挑戰(zhàn)賽中國區(qū)金獎，3名學生獲中國制冷空調(diào)行業(yè)大學生科技競賽二等獎。獲獎學生占比25%以上。另外，實驗課結(jié)合創(chuàng)新實踐專業(yè)課及實踐周，學生的創(chuàng)新積極性也大幅度提高，每年均獲批立項3～4項本科生科研訓練項目。2021年，我系能源與建筑環(huán)境教學科研團隊被評為校級師德建設先進團隊。

結(jié)語

實驗教學是理論聯(lián)系實際的關鍵環(huán)節(jié)，其教學任務旨在提高學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的工程實踐技能、科學的思維能力。本文總結(jié)了傳統(tǒng)實驗設置的缺點，基于虛擬實驗平臺，以師資團隊和專業(yè)競賽項目為支撐，提出了實驗改革舉措，介紹了實施成效。本文可為其他高校開設獨立實驗課提供參考。

隨著時代的進步和專業(yè)的發(fā)展，該實驗體系也將會被持續(xù)優(yōu)化。后續(xù)團隊將繼續(xù)加強基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬平臺建設，推動新實驗大樓綜合性實驗平臺建設、實操基地建設，持續(xù)對實驗項目和考核過程予以優(yōu)化，以全面提高實驗教學質(zhì)量，完成由理論知識到實踐操作的轉(zhuǎn)化過程，開闊學生的視野，提高學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)“適應能力強，實干精神強，創(chuàng)新意識強”的建環(huán)高素質(zhì)卓越人才。

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Teaching Reform and Practice of Independent Experimental Course： Taking Building Environment and Energy Application Engineering as an Example

ZHOU Jun-li， MIAO Lei， DENG Qin-li， KANG Xin， XIAO Xue

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： Some problems exist in the past experimental teaching of the Department of Building Environment and Energy Application Engineering， Wuhan University of Technology. The experimental site is limited. Experimental projects lack of systematicness and innovation， which are not taken seriously by students. In order to enhance the comprehensiveness of experiments， improve the level of experimental teaching and education， the independent experimental courses have been set. The virtual reality combination experiment is carried out based on the virtual simulation experiment platform. Innovative experimental projects are added based on relevant scientific research competitions. The experimental system is refined based on team teaching and research. Through these three reform measures， we have enriched and innovated the teaching content of independent experimental course， improved the quality of experimental teaching， broadened students’ vision， and improved students’ innovation ability， and the results of teaching reform have been achieved.

Key words： independent experimental course; combination of virtual and reality; scientific research competition