建筑環境與設備工程專業綜合創新型實驗平臺的建設

張東海， 黃 煒， 黃建恩， 高蓬輝， 張建功

(中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國高等教育法規定“高等教育的任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才”。高等教育改革發展的重點是“促進學生全面發展，著力提高勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力”[1]。實驗室是大學的核心競爭力[2]，是人才培養、科學研究的基地，是學生動手實踐、探索創新的場所，對于學生實踐動手能力、創新意識的培養具有重要作用[3-4]。教育部明確提出高校需“引入、集成信息技術等現代技術，改造傳統的實驗教學內容和實驗技術方法，加強綜合性、設計性、創新性實驗”(教高[2005]8號文件)，要建立大學生盡早進入實驗室研究的基本制度和運行機制，提高大學生的創新能力[5]。

為滿足實驗教學需要，加強學生實踐動手和創新能力培養，在全國建筑環境與設備工程專業指導委員會總體框架下[6]，總結多年實驗教學經驗[7]，結合學校學科發展優勢和行業特色[2]，近年來通過教育部修購專項、江蘇省高校重點專業等經費資助用于自主研制和購置多套綜合設計和特色創新型實驗系統，特別在礦業行業和地下空間優勢方面重點建設了“礦井熱環境模擬系統”和“礦井回風熱能利用”等特色探索實驗平臺。綜合設計和特色創新實驗平臺在提高學生人才培養質量的同時，對建環學科發展和專業影響力的提高起到極大的促進作用，取得良好效果。

1 實驗教學平臺建設思路

以 “培養適應我國社會主義現代化建設的需要，德、智、體、美全面發展，基礎扎實、知識面寬、素質高、能力強、有創新意識的建筑環境與設備工程專業高級技術人才”專業人才培養目標為導向[6]，建設綜合和特色創新型高水平服務平臺，改變傳統演示性、驗證性實驗弊端。實驗平臺設計以開設綜合和創新實驗項目為主體，突出實踐和創新能力培養，服務人才培養和學科建設。綜合設計型實驗貼近工程實際，強調內容的工程背景性，鍛煉學生知識綜合運用能力和綜合分析、解決實際問題的能力。特色探索型實驗來源于科研實際，為先進的科研成果轉化而成，實驗項目緊跟科技發展主流，充分彰顯礦業學科特色和優勢，讓學生盡早接觸學科領域的一線科研工作，提高其科研和創新意識。

2 實驗教學平臺建設內涵

2.1 自主研發暖通空調系列綜合設計實驗裝置

建筑環境是一個工程性和綜合性很強的專業，專業課程有著很強的工程背景[8]，如中央空調系統即是一個由冷熱源、水系統、風系統、空調換熱設備等組成的有機整體系統，各組成部分協同運行，具有較強的綜合性。按面向工程、突出學生實驗自主原則，以全局觀構建“森林”而非“樹木”的理念，自主開發了流體輸配管網綜合設計實驗臺[9]、氣流組織綜合實驗臺[10]、空調換熱設備綜合實驗臺和暖通空調大型多功能實驗系統系列實驗平臺，各服務平臺協同關系見圖1。

圖1 暖通空調系列綜合實驗協同關系

流體輸配、氣流組織和空調換熱設備綜合實驗臺三套系統分別面向水系統和風系統、空調房間氣流和空調換熱設備三個組成部分開展多項綜合和設計層次實驗項目(見表1)，服務于多個理論課程。暖通空調大型多功能實驗系統為整個空調系統的整合，含有完整的空調冷熱源、空調水系統和風系統以及空調換熱設備，實為一“實驗室版”中央空調工程，部分組成設備實物見圖2。多功能實驗系統可開展從專業基礎流體和熱工課程實驗，到專業課程暖通空調系統的組成和原理、空調設備結構認識等，再到后期自主完成空調系統的調試、運行和故障診斷等運行實習任務，最后在多功能實驗臺上可完成畢業設計和科研創新訓練學分，充分起到綜合培養學生專業能力和素質的作用。

表1 綜合設計系列實驗臺完成實驗情況

2.2 建設礦業特色探索實驗裝置

教學和科研緊密結合，科研和教學相互促進、相互轉化一直是各高校教學加強實驗教學改革的重點方向[11-12]。我校是一個以礦業為特色和優勢的大學，建環專業所屬力學與建筑工程學院在地下工程領域有較為突出的優勢，擁有國家級重點學科和重點實驗室，科研積淀豐厚。為發揮學科優勢和特色，我們通過加強和強勢學科的交叉融合，在“地下工程(礦井)熱濕環境調節和熱能利用”方面形成了自己特色和方向，建設了“礦井熱環境模擬系統”和“礦井回風熱能利用”特色探索實驗系統(見圖3)，學生以參與教師課題或大學生科研訓練計劃立項等形式進入實驗室，“真槍實戰”開展相關探索創新工作。特色創新實驗臺開展研究探索內容如表2所示。這種科研成果轉化來的實驗教學資源能夠使學生的實踐活動貼近科研實際，緊跟學科發展的前沿，有利于引領學生形成科學的作風和創新思維，提高其創新能力。

(a)風系統(b)冷水機組

圖2 暖通空調大型多功能實驗系統

(a)礦井熱環境模擬系統(b)礦井回風熱能利用系統

圖3 礦井降溫與熱能利用特色實驗臺

2.3 搭建新能源和建筑節能研究創新實驗裝置

節能減排是國家“十二五”規劃的重要內容。我國建筑能耗已占總能耗的27%以上，而且還在以每年1%的速度增加，而其中采暖空調能耗大約占60%，是建筑能耗中最大的部分，因此開展建筑節能研究工作是時代發展的必然要求。為此，重點購置了一批先進的建筑節能檢測設備[13]，包括高精度空氣參數(溫度、濕度、流速等)測試裝置、圍護結構傳熱系數的測量、房間氣密性的測量、房間供熱量的測量、玻璃傳熱性能測定、房間舒適度測試、熱成像儀等設備，這些節能檢測設備大多為便攜式儀表，學生可根據問題研究需要方便到現場開展測試工作。在新能源利用研究方面，自主開發了太陽能與地源熱泵耦合系統[14]，用于開展太陽能和地源熱泵高效耦合利用探索研究工作。新能源和建筑節能研究平臺為大學生參加各類節能減排、科技競賽、科研創新訓練等科技創新活動提供了良好平臺，既可培養學生對建筑節能技術專業前沿技術的掌握，又可塑造其高尚的情操，提高其綜合素質。

3 實驗教學平臺的實施

實踐中我們本著以學生為主體、實施因材施教、注重學生個性發展的目標，基于綜合設計和特色創新型實驗的特點在教學中進行了有效探索。

暖通空調系列綜合設計型實驗基于課程為依托，服務全體對象，要求每位同學務必完成相關綜合設計實驗項目。實驗中從選定研究問題、選擇實驗器材、確定實驗程序，到分析實驗結果和完成實驗報告，都給學生預留了足夠的自主空間，體現了以學生為主體的教育思想。如流體輸配管網綜合設計實驗臺在修完流體輸配課程后，教師在課堂上抽出專門時間介紹綜合實驗情況，布置實驗要求，2人組成一組自主完成3項設計實驗項目。在一個綜合實驗臺上學生通過靈活切換的閥門組設計自己欲探知的實驗系統，得到感興趣的實驗結果，體會其中的樂趣，此項實驗自2007年開設以來，收到良好效果[15]。暖通空調大型多功能實驗系統則為學生在修完專業課程后完成的一項綜合訓練，涉及到學生大學四年所學全部專業基礎和專業課程的相關知識，以運行實習和科研創新學分為依托，綜合鍛煉學生對空調系統的深入認識，學生身臨“現場”設備，考察其對系統調試和故障診斷能力，是對對學生專業能力的一次綜合培養，也是對學生全方位的一次檢閱。綜合設計型實驗項目培養了學生逐步學會綜合運用課堂理論知識分析、解決實際中遇到的較復雜問題的能力，有利于形成較強的獨立工作能力。

礦井特色和建筑節能創新型實驗主要以教師課題、大學生創新訓練和科技競賽為依托，輔以學生自由探索，面向優秀本科生或對某個課題感興趣的學生開設，內容緊跟學科前沿，具有較強創新性和探索性，以培養學生科研和創新意識為目的，最后以實驗論文、報告、模型等形式上交。特色創新實驗的開設使學生充分了解到最新的科技發展前沿，開拓了學生的學術視野，激發了他們對實驗教學的興趣，從中獲取到工程實踐和探索創新的研究體驗，提高了他們的創新能力和綜合素質。以特色創新實驗平臺為支撐，近3年學生先后主持完成“徐州地區校園建筑節能應用技術研究”、“太陽能蓄熱型供熱空調研究”、“家用環保型中水處理系統研制與實驗研究”、“礦井回風源熱泵節能研究”等國家和省級大學生科研訓練項目5項，校級大學生科研訓練項目30余項。學生參與獲“多功能組合式太陽能熱泵空調”、“煤礦井下熱濕環境模擬控制實驗系統”、“礦用移動式冰蓄冷空調”等發明專利10余項。

4 實驗教學平臺的成效

(1) 學生實踐動手和創新能力顯著提高。綜合設計和創新型實驗平臺為高素質創新人才培養提供了良好條件，為建環專業本科生開設多項綜合設計型實驗，同時結合教師橫縱向科研課題、大學生科研創新計劃和大學生科技競賽等開設暖通空調特色探索創新實驗項目。綜合創新實驗不僅培養了學生對理論基礎知識的掌握，更提高了他們的創新能力和綜合素質。依托創新平臺，近5年承擔大學生創新訓練計劃國家級3項、省級3項、校級30余項，公開發表論文20余篇，申獲發明及實用新型專利10余項，在各類學科競賽中獲省部級以上獎勵12項。

(2) 促進教師教學科研水平的提升。綜合設計和創新型實驗平臺為教師從事教學改革和高水平科學研究提供有力的平臺支撐，有效促進教師教學和科研水平的提高。依托實驗平臺，我系教師主持國家自然科學基金4項，江蘇省自然科學基金1項，國家博士后基金5項，獲省部級科研獎勵14項，國家專利12項；承擔校級教學改革項目12項，獲各類教學成果獎48項，發表教學論文38篇，出版教材5部。教師教學科研水平的全面提升，保證了創新型人才的可持續培養。

(3) 專業建設水平快速發展，增強了社會服務能力。教學科研水平的提高充實了學科內涵，促進了學科和專業建設水平的快速發展，2012年本專業獲批成為江蘇省“十二五”高等學校重點建設專業。同時，綜合創新實驗平臺有效提高了本專業社會服務能力，目前已完成淮海地區周邊設備廠家、建設單位等多個空調設備的性能檢測工作，接待多家國內外高校和企事業單位來校考察交流，擴大了本專業在全國的影響力和知名度。

5 結 語

加強綜合性、設計性、創新性實驗，樹立以學生為本，知識傳授、能力培養、素質提高協調發展的教育理念，是現代教育改革和發展的必然要求[16]。今后一段時間需要在現有基礎上，繼續探索實驗教學改革，從廣度和深度上進一步加強實踐綜合設計和特色創新型實驗教學，充分發揮其對創新人才培養的重要作用。

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