基于新工科人才培養(yǎng)要求的建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革探索

李俊梅 藺 潔 王宏燕 李炎鋒

北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部 北京 100124

新工科建設(shè)是應(yīng)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)變革和全球競爭，推動我國邁向高等教育強(qiáng)國的重要舉措。區(qū)別于傳統(tǒng)的工程教育理念，“新工科”是一種新型的工程教育理念，即“大工程觀”。一方面“大工程觀”強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)具有全球視野、跨界整合能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、應(yīng)用實(shí)踐能力的綜合性、復(fù)合型工程科技人才，主要面向新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式和新產(chǎn)業(yè)，服務(wù)于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實(shí)急需和未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要；另一方面，大工程觀要改變傳統(tǒng)工程教育實(shí)踐缺乏的缺陷，注重工程教育的應(yīng)用實(shí)踐性，還要改變工程教育專業(yè)領(lǐng)域較窄的問題，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科性，注重傳統(tǒng)理科轉(zhuǎn)向工科應(yīng)用，加強(qiáng)傳統(tǒng)工科專業(yè)之間的交叉復(fù)合，與科學(xué)、藝術(shù)、人文、社會、經(jīng)濟(jì)等其他學(xué)科之間的交叉融合[1-3]。

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)(簡稱“建環(huán)專業(yè)”)是在原供暖通風(fēng)與空調(diào)工程專業(yè)的基礎(chǔ)上為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)和社會發(fā)展的需要，經(jīng)過多次專業(yè)拓展、更名發(fā)展而來的，是一門跨行業(yè)、跨學(xué)科的新型交叉學(xué)科，專業(yè)范圍涉及采暖、通風(fēng)、空調(diào)、給排水、消防、新能源利用、城市燃?xì)?、建筑?jié)能技術(shù)、建筑設(shè)施智能技術(shù)等多個領(lǐng)域。近年來，建環(huán)專業(yè)以促進(jìn)健康和可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo)，服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，緊密結(jié)合節(jié)能環(huán)保、新能源開發(fā)利用、雙碳目標(biāo)等熱點(diǎn)方向，利用“互聯(lián)網(wǎng)”“大數(shù)據(jù)”和“云計算”等先進(jìn)手段提升建筑能效、發(fā)展智慧建筑能源和智能熱網(wǎng)，是名副其實(shí)的新工科專業(yè)，也是成功入選我國新工科專業(yè)建設(shè)的眾多專業(yè)之一[4，5]。教育部新工科建設(shè)的啟動與推進(jìn)，為建環(huán)專業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的機(jī)遇，但在其人才培養(yǎng)的各個環(huán)節(jié)勢必也會提出新的更高的要求。

結(jié)合建環(huán)專業(yè)面臨的新形勢，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的研究和創(chuàng)新能力、多學(xué)科知識的融合能力、解決復(fù)雜工程問題的能力，社會意識、家國情懷、團(tuán)隊(duì)精神、跨學(xué)科和系統(tǒng)思維是建環(huán)專業(yè)新工科背景下人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐動手能力、解決實(shí)際問題能力、團(tuán)隊(duì)合作意識的關(guān)鍵[6]。在新工科背景下，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上適應(yīng)新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)的需求還需進(jìn)行進(jìn)一步的探索。以下以北京工業(yè)大學(xué)建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，對新工科背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革進(jìn)行初步的探索。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新工科人才培養(yǎng)方面存在的問題和不足

我校建環(huán)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)過多年的實(shí)踐探索，已形成了結(jié)合本校學(xué)生實(shí)際和專業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在鞏固課堂理論課學(xué)習(xí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力、解決實(shí)際問題能力等方面發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著形勢和社會發(fā)展特別是新工科對人才素質(zhì)要求的不斷提高，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系存在的不足日益明顯。主要表現(xiàn)在：

1.1 系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏

目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)多是結(jié)合理論課的需要，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，學(xué)生能夠接觸的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限，形不成整體的系統(tǒng)概念。建環(huán)專業(yè)是一個工程性很強(qiáng)的專業(yè)，其專業(yè)課程的設(shè)置有著很強(qiáng)的工程背景，各主干專業(yè)課之間有很強(qiáng)的聯(lián)系性，適合開發(fā)必要的綜合性、工程性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)平臺，并設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生能結(jié)合自己的專業(yè)方法，充分應(yīng)用所學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)知識，在實(shí)驗(yàn)課中發(fā)揮自己的主觀能動性和創(chuàng)造性。

1.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性不足

目前開設(shè)的4個創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多是沿襲傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多年不變，已無法體現(xiàn)出創(chuàng)新性，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用有限，急需結(jié)合科研實(shí)際、專業(yè)新技術(shù)、新方法設(shè)定新的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1.3 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺中專業(yè)前沿技術(shù)含量不足

現(xiàn)有的智慧建筑、新能源、可再生能源應(yīng)用等行業(yè)熱點(diǎn)內(nèi)容沒有引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對這些新技術(shù)的理解僅限于理論，無法深入理解這些新技術(shù)在專業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用效果。

2 結(jié)合新工科背景，建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改進(jìn)

針對以上不足，為應(yīng)對新工科人才培養(yǎng)的實(shí)際需要，我校建環(huán)專業(yè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了以下改革。

2.1 專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化

原有的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置分組基本上按課程開設(shè)的時間進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)性和各實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)。我校15版教學(xué)計劃中專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置如表1所示。

基于此，在20版教學(xué)計劃中，我們將專業(yè)實(shí)驗(yàn)依據(jù)專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)、專業(yè)課實(shí)驗(yàn)又重新進(jìn)行了歸類分層。第一層次專業(yè)實(shí)驗(yàn)1，是專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。該層次的實(shí)驗(yàn)中包括建筑環(huán)境測試技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)、水泵性能實(shí)驗(yàn)、光環(huán)境和聲環(huán)境的測量實(shí)驗(yàn)等。通過該層次的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能熟練掌握專業(yè)常規(guī)儀器的使用，理解專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備的工作原理及性能，為后續(xù)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；第二層次專業(yè)實(shí)驗(yàn)2，主要涉及供熱、空調(diào)、通風(fēng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，包括熱水供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、熱網(wǎng)水力工況實(shí)驗(yàn)、供熱系統(tǒng)性能測試綜合試驗(yàn)、空氣熱濕與凈化處理及運(yùn)行調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)、除塵器性能實(shí)驗(yàn)、教室自然通風(fēng)量測定實(shí)驗(yàn)等，通過完成該層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以進(jìn)一步加深和鞏固學(xué)生對所學(xué)的供暖、通風(fēng)、空調(diào)課程所講授的專業(yè)知識的理解。第三層次專業(yè)實(shí)驗(yàn)3，主要涉及冷熱源和自控系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，包括自動控制原理實(shí)驗(yàn)、自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、制冷系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)、鍋爐房工藝與設(shè)備綜合實(shí)驗(yàn)等。通過該層次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)一步理解冷熱源系統(tǒng)的工作原理以及自控系統(tǒng)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如見表2。

表2 20版教學(xué)計劃中專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置

通過將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的歸類整合，使專業(yè)實(shí)驗(yàn)得以循序漸進(jìn)地完成。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的同時，對專業(yè)課程的組成脈絡(luò)、暖通空調(diào)系統(tǒng)的組成也有了較清晰的認(rèn)識，加深了對專業(yè)知識的理解和動手能力的提升。

2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺的搭建和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是我校在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以往的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)包括：水泵性能與管網(wǎng)匹配實(shí)驗(yàn)、制冷裝置調(diào)控特性及壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)、空調(diào)系統(tǒng)及空氣處理過程實(shí)驗(yàn)、供熱系統(tǒng)性能測試綜合實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)定雖然在當(dāng)初有一定的創(chuàng)新性，但是多年實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不變，相關(guān)內(nèi)容的創(chuàng)新性已經(jīng)嚴(yán)重不足。基于此，在新工科和雙碳背景下，我們將新能源、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等引入了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，新搭建了太陽能光伏、光熱實(shí)驗(yàn)平臺、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺、智慧供熱、供冷綜合實(shí)驗(yàn)平臺、熱管熱回收實(shí)驗(yàn)平臺、建筑設(shè)備自動化實(shí)訓(xùn)平臺等，代表性實(shí)驗(yàn)臺如圖1至圖3所示。在此基礎(chǔ)上增加了太陽能光伏、光熱系統(tǒng)性能綜合實(shí)驗(yàn)、低碳多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑能耗數(shù)據(jù)挖掘與評價實(shí)驗(yàn)、小溫差高效相變儲熱(冷)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、供熱、供冷系統(tǒng)性能的評價分析實(shí)驗(yàn)、空調(diào)房間流場與溫度場的測量與評價分析實(shí)驗(yàn)、建筑設(shè)備自動化實(shí)驗(yàn)等。這些創(chuàng)新平臺和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的增加，使得學(xué)生對新能源、大數(shù)據(jù)和節(jié)能技術(shù)在建筑中的應(yīng)用有了深層次的理解，利用大數(shù)據(jù)分析對系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化、分析、評價提升了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和手段。

圖1 建筑設(shè)備自動化實(shí)訓(xùn)平臺

圖2 空氣冷(熱)回收實(shí)驗(yàn)臺

圖3 水洗過濾物實(shí)驗(yàn)平臺

2.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程考核方式的改革

原有的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程考核只有通過、不通過兩種方式，完全體現(xiàn)不出學(xué)生的能力和水平，必須對創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的考核方式和考核內(nèi)容進(jìn)行改革?；诖?，我們從創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、操作、實(shí)驗(yàn)報告等環(huán)節(jié)對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行考核，并在最后增加了答辯環(huán)節(jié)，通過這些環(huán)節(jié)的考核，一方面督促學(xué)生認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)，另一方面多環(huán)節(jié)的考核使成績更加公平公正，能充分體現(xiàn)出學(xué)生的能力和水平。

結(jié)語

新工科建設(shè)對建環(huán)專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更新、更高的要求。在新工科背景下，針對建環(huán)專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)方面存在的不足，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了優(yōu)化整合，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中加入了互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、新能源利用、智慧供冷、供熱等新工科內(nèi)容，并進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，進(jìn)一步加深了學(xué)生對專業(yè)前沿技術(shù)的理解，提升了其解決問題的能力和手段，為建環(huán)專業(yè)新工科人才培養(yǎng)奠定了必要的基礎(chǔ)。