冷熱源工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

張永建

（燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北秦皇島 066004）

經(jīng)濟(jì)增長的驅(qū)動(dòng)力主要來源于創(chuàng)新，因此，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。創(chuàng)新是布魯姆教育目標(biāo)分類法[1]中認(rèn)知領(lǐng)域的最高層級(jí)，培養(yǎng)難度較大。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]是一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合性的教學(xué)內(nèi)容，是培育創(chuàng)新型人才的有效路徑。

冷熱源工程是為供熱系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源服務(wù)，核心知識(shí)點(diǎn)為冷源及熱源的構(gòu)造與原理，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程前，要具備傳熱及流體等基本知識(shí)。與理論課程配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是蒸汽壓縮式制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)[3]，該制冷方式在當(dāng)前暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。將創(chuàng)新思維[4]教學(xué)內(nèi)容融入典型的制冷系統(tǒng)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維并促進(jìn)學(xué)科知識(shí)的融合發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)課程概況

制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的，是讓學(xué)生直觀地了解制冷系統(tǒng)的組成，其結(jié)構(gòu)見圖1，并通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察深入理解制冷的原理，以及相關(guān)換熱設(shè)備的熱力計(jì)算。制冷系統(tǒng)中包含三個(gè)子系統(tǒng)，分別是制冷劑系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)。制冷劑系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移的場所發(fā)生在兩個(gè)熱交換器中。在冷凝器中，高溫的制冷劑氣體向冷卻水放出熱量后由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在蒸發(fā)器中則是一個(gè)相反的過程，冷凍水向制冷劑放出熱量，冷凍水的水溫降低，制冷劑吸熱后發(fā)生相變。冷凍水是空調(diào)系統(tǒng)的冷量載體，通過冷凍水系統(tǒng)把冷量分布到各個(gè)用戶。

圖1 蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的壓力表，可以觀察壓縮機(jī)的吸氣壓力、排氣壓力；通過巡檢溫度儀可以檢測冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、冷卻水進(jìn)出口水溫和冷凍水進(jìn)出口水溫；利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以檢測冷卻水及冷凍水的流量。有了冷卻水及冷凍水的進(jìn)出口水溫和流量，就可以計(jì)算在冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與水的換熱量。

2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限，無法做到以點(diǎn)帶面

人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)往往表現(xiàn)為從理論與實(shí)踐兩方面螺旋式上升，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一項(xiàng)很有代表性的實(shí)踐活動(dòng)。但是現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在問題：比如由于時(shí)間問題，實(shí)驗(yàn)課既要有理論講解的時(shí)間，又要留給學(xué)生足夠的操作時(shí)間，導(dǎo)致安排的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限；在實(shí)驗(yàn)講解過程中，只能針對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的概念和原理進(jìn)行說明，然后就是操作步驟的演示，接下來是學(xué)生操作、教師指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生難以把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與其他相關(guān)知識(shí)相聯(lián)系，難以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一個(gè)清晰的定位，產(chǎn)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，生成自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[5]。學(xué)生掌握的基本是碎片化知識(shí)，可以回答點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的問題，但是難以解決復(fù)雜的工程問題。

2.2 實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用聯(lián)系不緊密

實(shí)驗(yàn)過程中教師關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)操作過程的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性，更重視學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告做出正確的解答，而忽略了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程應(yīng)用的聯(lián)系。盡管學(xué)生經(jīng)過了大量的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，但對(duì)工程中的專業(yè)知識(shí)卻未能及時(shí)關(guān)注，理論和實(shí)踐之間未能產(chǎn)生有效聯(lián)系，進(jìn)而無法有效地將課堂中的專業(yè)知識(shí)遷移到實(shí)際的生活和工作中。所有的教學(xué)活動(dòng)都應(yīng)以實(shí)際應(yīng)用為主，以學(xué)生的職業(yè)發(fā)展為主，教學(xué)模式也應(yīng)該與之相適應(yīng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)更關(guān)注現(xiàn)象和原理，創(chuàng)新不足

實(shí)驗(yàn)過程多以傳統(tǒng)的以教師為中心的講授模式為主，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，難以對(duì)知識(shí)進(jìn)行加工，未能使新舊知識(shí)有效結(jié)合。同時(shí)，部分學(xué)生的學(xué)習(xí)缺少層次性，無法達(dá)到深度學(xué)習(xí)，停留在對(duì)現(xiàn)象、概念和原理的記憶和理解階段，未能向更高層次的認(rèn)知階段遞進(jìn)，無法創(chuàng)新。

3 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新是高階認(rèn)知[6]階段，是以低階認(rèn)知為基礎(chǔ)，只有充分掌握低階認(rèn)知后，才能產(chǎn)生創(chuàng)新。所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是直接從創(chuàng)新開始，而是以低階認(rèn)知為始，以高階認(rèn)知為終，創(chuàng)新是高階認(rèn)知中的最高層次。

依據(jù)最近發(fā)展區(qū)[7]，教學(xué)應(yīng)該發(fā)生在學(xué)生現(xiàn)有能力與發(fā)展?jié)摿χg。教師應(yīng)該了解學(xué)生對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的掌握情況，從而設(shè)計(jì)出當(dāng)前課程的教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容，達(dá)到提高學(xué)生能力的目的。

因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)按照加涅對(duì)智慧技能的劃分層次[8]，見圖2，安排教學(xué)內(nèi)容，層層遞進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的深度發(fā)展，最終培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

圖2 智力技能結(jié)構(gòu)

3.1 利用知識(shí)可視化方法講解概念、規(guī)則

3.1.1 制冷設(shè)備知識(shí)可視化

蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由多臺(tái)設(shè)備組成，如負(fù)責(zé)制冷劑升壓的壓縮機(jī)、進(jìn)行熱交換的場所冷凝器與蒸發(fā)器，以及降壓用到的膨脹閥等。每一種制冷設(shè)備又包括多種類型，不同類型的設(shè)備適用于不同的場景。要讓學(xué)生對(duì)這些設(shè)備的具體概念有所了解，設(shè)備概念是對(duì)同類設(shè)備本質(zhì)特征的識(shí)別，有了概念的認(rèn)識(shí)，才能夠?qū)Σ煌O(shè)備進(jìn)行分類，進(jìn)而形成直觀印象。如果學(xué)生缺少基本的概念認(rèn)知，即便接觸真實(shí)的設(shè)備也難以真正識(shí)別，更加難以在工程實(shí)踐中有效應(yīng)用。

由于設(shè)備種類繁多，為了降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，可以通過知識(shí)可視化的方法對(duì)制冷設(shè)備進(jìn)行分類，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行編碼，加強(qiáng)記憶。知識(shí)可視化[9]采用思維導(dǎo)圖[10]軟件Xmind[11]實(shí)現(xiàn)，通過思維導(dǎo)圖軟件可以把不同的制冷設(shè)備進(jìn)行分類，見圖3。首先，學(xué)生通過思維導(dǎo)圖可了解各個(gè)具體概念的名稱；其次，借助圖片學(xué)生可認(rèn)識(shí)各個(gè)設(shè)備的樣式；最后，學(xué)生能夠準(zhǔn)確辨別不同類型的設(shè)備，見圖4。采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是常用的冰箱壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)屬于全封閉式活塞壓縮機(jī)，由活塞式壓縮機(jī)往上位概念移動(dòng)，讓學(xué)生知道容積式壓縮機(jī)的概念。通過從學(xué)生最熟悉的下位概念入手，逐漸向上位概念上升，建立起概念之間的聯(lián)系，使知識(shí)具有層次性。教學(xué)設(shè)備的壓縮機(jī)外殼被置換成透明玻璃罩，學(xué)生可以清楚地看到壓縮機(jī)內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)建立起實(shí)物與概念之間的聯(lián)系，形成長時(shí)記憶。按照此類方法，分別講解制冷系統(tǒng)的其他設(shè)備，如冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥，從而使學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。

圖3 壓縮機(jī)分類

圖4 壓縮機(jī)形式

3.1.2 制冷原理可視化

學(xué)生只有掌握原理性的內(nèi)容，才能更好地應(yīng)用知識(shí)去實(shí)踐，然而原理性的知識(shí)往往難以直觀呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生理解難度較大，更加影響了學(xué)生在實(shí)踐中的知識(shí)應(yīng)用，這一問題可通過引入可視化的技術(shù)予以解決。

首先，通過設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化，學(xué)生能夠看到制冷劑的運(yùn)行狀態(tài)。由于冷凝器和蒸發(fā)器都做成了透明結(jié)構(gòu)，可以看到冷凝器的盤管上不斷有制冷劑液滴生成，即制冷劑由氣體轉(zhuǎn)化為液體的過程；而在蒸發(fā)器內(nèi)，可以看到制冷劑液體不斷沸騰，即制冷劑由液體轉(zhuǎn)化為氣體的過程。通過觀察這兩個(gè)設(shè)備內(nèi)制冷劑狀態(tài)的變化，使學(xué)生明白蒸汽壓縮式制冷利用的制冷原理為相變制冷，也就是液體汽化法，見圖5，吸收式制冷也是相變制冷的一種方式，然后按照?qǐng)D5 內(nèi)容講解冷源的分類，拓展了學(xué)生對(duì)制冷原理的認(rèn)知，使其建立起冷源的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)。

圖5 冷源分類

其次，教師可讓學(xué)生觸摸冷凝器及蒸發(fā)器的表面，感受其溫度的差異，產(chǎn)生感性認(rèn)知[12]，然后利用蒸汽壓縮式制冷原理圖，見圖6，具體說明實(shí)驗(yàn)原理。制冷的本質(zhì)就是熱量的轉(zhuǎn)移。蒸汽壓縮式制冷，是通過創(chuàng)造一個(gè)高壓區(qū)和一個(gè)低壓區(qū)來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，高低壓區(qū)的創(chuàng)設(shè)是靠壓縮機(jī)與膨脹閥完成的，高壓區(qū)是由壓縮機(jī)壓縮制冷劑蒸汽使其升壓，目的是提高制冷劑的飽和溫度，使之與環(huán)境溫度具備合理的溫差，從而向環(huán)境放出熱量。這一過程發(fā)生在冷凝器中，放完熱的制冷劑由氣體轉(zhuǎn)化為液體。高溫高壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)過膨脹閥實(shí)現(xiàn)降壓，而減壓的主要目的是降低液態(tài)制冷劑的飽和溫度，從而實(shí)現(xiàn)向被冷卻空間或物體吸熱，吸收完熱量的制冷劑液體汽化后，被壓縮機(jī)吸回并壓縮，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖6 蒸汽壓縮式制冷原理

最后，通過對(duì)比兩種液體汽化法制冷方式的異同點(diǎn)，讓學(xué)生明白同樣的制冷原理可以設(shè)計(jì)出不同的制冷系統(tǒng)，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。當(dāng)學(xué)生深入理解了液體汽化法制冷的原理，知道制冷是通過創(chuàng)造高壓區(qū)和低壓區(qū)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移這一原理，那么高壓區(qū)的創(chuàng)造，除了可以通過壓縮機(jī)完成，還可以通過其他的技術(shù)完成。溴化鋰吸收式制冷[13]就是以一套熱能系統(tǒng)替代壓縮機(jī)的功能。驅(qū)動(dòng)方式由電能變成了熱能，熱能作為一種低品質(zhì)的能源，更加節(jié)能。熱能的產(chǎn)生可以是工廠的廢熱或余熱，也可以由蒸汽、燃油、燃?xì)獾犬a(chǎn)生。當(dāng)學(xué)生抓住了問題的本質(zhì)，就可以利用發(fā)散思維進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新。

3.2 利用流程圖可視化講解高級(jí)規(guī)則

當(dāng)學(xué)生學(xué)會(huì)使用簡單規(guī)則來解決復(fù)雜問題，就具備了使用高級(jí)規(guī)則的能力。對(duì)于冷熱源工程實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生要掌握各種制冷原理以及相應(yīng)的制冷機(jī)組相關(guān)知識(shí)，并將其應(yīng)用于解決工程問題。面對(duì)多種類的制冷機(jī)組，到底該如何選擇？有沒有優(yōu)先順序？考慮的依據(jù)是什么？制冷機(jī)組的選擇需要考慮節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全以及后期維護(hù)運(yùn)行等多種因素。各種建筑設(shè)計(jì)規(guī)范常常對(duì)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)做出要求，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生熟讀規(guī)范，這是讓學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐的必經(jīng)之路。其中，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了制冷機(jī)組的選擇順序，見圖7。由于暖通空調(diào)領(lǐng)域的能耗在我國總能耗中的占比較高，所以該領(lǐng)域的節(jié)能至關(guān)重要。因此，如果工業(yè)企業(yè)中有余、廢熱[14]，吸收式冷水機(jī)組可以利用這些熱能，降低能耗，節(jié)約成本；如果沒有工業(yè)余、廢熱，卻有豐富的可再生能源，則優(yōu)先使用太陽能、地?zé)崮艿炔⑤o助使用冷熱源；如果以上兩點(diǎn)都無法實(shí)現(xiàn)，電力資源豐富，則可選擇壓縮式制冷機(jī)；如果以上都不滿足，但是燃?xì)夤?yīng)充足，可以采用燃?xì)馕帐嚼渌畽C(jī)組；如果燃?xì)獠蛔?，但是燃煤或燃油充足，可以采用蒸汽吸收式制冷機(jī)組或燃油吸收式制冷機(jī)組。

圖7 冷源選擇流程

通過以上分析，可以確定各種機(jī)組選擇的優(yōu)先順序，有了層級(jí)，進(jìn)一步可以解決工程問題。制冷機(jī)組的選擇是一個(gè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的過程，也是一個(gè)多因素綜合考慮的過程，是在各種約束條件下逐漸縮小選擇范圍、最終找到最優(yōu)方案的過程，因此，也是一個(gè)聚合思維培養(yǎng)的過程。

3.3 建立專業(yè)素養(yǎng)元認(rèn)知，培養(yǎng)獨(dú)立解決問題的能力

元認(rèn)知[15]是對(duì)認(rèn)知的認(rèn)知，而專業(yè)素養(yǎng)元認(rèn)知，則是對(duì)專業(yè)素養(yǎng)認(rèn)知的認(rèn)知，只有建立了元認(rèn)知，才能具備獨(dú)立解決問題的能力。如果學(xué)生不具備專業(yè)素養(yǎng)元認(rèn)知，僅僅掌握了一些專業(yè)知識(shí)，而不知道在什么時(shí)候、什么情景下使用這些知識(shí)，這些知識(shí)就變成了僵化的知識(shí)。在教學(xué)過程中，除了要講解專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能，還要融入元認(rèn)知的訓(xùn)練，促使學(xué)生能夠獨(dú)立學(xué)習(xí)、解決問題，成為具備終身學(xué)習(xí)[16]能力的人才。

專業(yè)素養(yǎng)元認(rèn)知的建立可以分為四個(gè)步驟：一是學(xué)會(huì)辨別和界定專業(yè)問題。對(duì)于冷熱源工程，涉及的工程問題有冷熱負(fù)荷的計(jì)算、冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。二是形成專業(yè)問題的心理表征。心理表征[17]是對(duì)當(dāng)前面對(duì)的專業(yè)工程問題產(chǎn)生相應(yīng)的心理結(jié)構(gòu)，用專業(yè)的概念和規(guī)則來表示問題的內(nèi)涵。面對(duì)同樣的問題，不同的人產(chǎn)生的心理表征是不同的，而專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)就是通過提高學(xué)生的心理表征能力來提高思維高度。思維表征的結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了解決問題能力的高低。三是制定解決專業(yè)工程問題的具體計(jì)劃。工程問題的解決是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要制定翔實(shí)的工作計(jì)劃。工程問題的解決過程中還涉及復(fù)雜的邏輯關(guān)系，要區(qū)分哪些步驟先做，哪些后做，哪些可以同時(shí)進(jìn)行。四是對(duì)自己解決專業(yè)工程問題過程的監(jiān)測、調(diào)整與評(píng)價(jià)。監(jiān)測與調(diào)整是同步進(jìn)行的，要在工程設(shè)計(jì)中隨時(shí)了解工作進(jìn)度、檢查實(shí)施方案是否正確并及時(shí)做出調(diào)整。四是對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)價(jià)，包括是否完整地解決了工程需求、解決方案的效果如何等。

4 結(jié)語

冷熱源工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中結(jié)合智力技能提升路徑和知識(shí)可視化技術(shù)，綜合利用思維導(dǎo)圖、流程圖、實(shí)物圖等技術(shù)講解了冷熱源工程相關(guān)的概念、原理、工程規(guī)范等，減少了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，建立了專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)元認(rèn)知技能進(jìn)行訓(xùn)練，由表及里、層層遞進(jìn)，有效提高了學(xué)生自主解決問題的能力。