建筑環境與能源應用工程專業自主研究型實驗平臺建設

端木琳, 袁鵬麗, 王宗山, 李祥立, 舒海文

(大連理工大學， 土木工程學院, 遼寧 大連 116024)

原供熱、通風與空調專業的人才培養目標基本是為相關設計院輸送人才[1]。隨著社會經濟發展及生活水平的提高,人們對工作和生活環境的舒適性、經濟性、安全性要求的日益增長,且我國的工業化逐漸發展、產業結構不斷變化,多個行業正向高、精、尖發展,部分行業需要嚴格的室內環境,如數據中心、潔凈室等,這就提高了對室內環境控制專業人才的能力需求[2]?，F階段對室內環境的要求導致建筑環境的設備工程系統變得越來越綜合化、復雜化,而為營造適宜室內環境的能源消耗量比例增大。據統計,采暖及空調能耗約占總能耗的30%[3],造成我國環境污染嚴重。面對當前嚴峻的能源環境形勢,對建筑環境與能源應用工程專業的人才質量提出了新要求,對人才培養提出了更大的挑戰。因此,建筑環境與能源應用工程專業須由以往單一的專業人才培養目標轉變為培養具有寬厚的理論基礎、良好的工程師素質、適應社會變化等的專業人才[4]。

建筑環境與能源應用工程專業的人才應具有處理常規工程問題的基本能力、處理復雜工程問題的綜合能力、應用先進理念和技術創造性地解決工程問題的創新能力、適應職業拓展與轉型的通識能力[5]。為實現上述人才培養目標,在教學培養過程中,須逐步實現由“知識導向型”與“科學導向型”向“能力導向型”與“實踐導向型”轉變[6]。對工科專業而言,培養的是面向應用層面的具有實踐能力和創新精神的專業人才,實驗教學是高等工科院校培養學生實踐能力的關鍵,不可忽視[7]。 然而,工科院校普遍存在重理論教學、輕實踐教學,重知識、輕能力,重書面考核、輕實踐操作的教學模式[8],一些高校對實驗教學重視不夠,實驗設備陳舊、實驗方案傳統,該種傳統設備資源及教育方式不利于對學生的實踐能力、知識運用能力和創新能力的培養[9],無法培養出現今社會所需的建筑環境與能源應用工程專業人才。因此,建設可培養學生創新能力和自主研究能力的專業實驗平臺對實現本專業的人才培養目標至關重要。

我校建筑環境與能源應用工程專業在2000年建設專業實驗室初期,便思考如何建設一個既能反應專業內涵,又能培養學生實踐能力的實驗平臺。對原有實驗平臺存在的不足進行分析,針對存在的問題,以建設綜合性和創新性實驗平臺的思想為基礎,于2004年建立和完善了兼具教學和培養學生能力的實驗平臺,并在該實驗平臺上開展了近13年的實踐教學,取得了顯著效果。

1 原有實驗平臺的不足

在原有的實驗平臺上,占據比例較大的是演示性與驗證性實驗,如通風、鍋爐及流體輸配等。該類實驗僅涉及單一設備的基礎實驗平臺,僅能訓練專業基本技能。在原有實驗平臺的條件下,主要是“教師教、學生學”的知識傳輸型模式,采用“領著走”的傳統方式,如教師給定實驗項目、實驗原理、實驗儀器、測試方法、實驗步驟,學生只需驗證和重復教科書已有的內容[10]。僅依靠演示性、驗證性實驗平臺,無法發揮學生的主觀能動性。

原有實驗平臺相互獨立、功能單一、關聯較小,各實驗環節未形成有機結合,無法鍛煉學生的自主思維能力。由于原有實驗平臺單一固定、無法適應本專業的發展變化,導致學生所學知識比較陳舊,無法滿足現今社會對建筑環境與能源應用工程專業的人才需求。

2 實驗平臺建設思想

建筑環境與能源應用工程專業培養的人才不僅應具有設備工程師的能力,還需具有利用最少的能源消耗,為人類營造良好的室內環境的能力[11]。因此,本專業內涵也發生了變化,不再是單純創造舒適的室內環境,而應以最小的能耗與環境為代價創造適宜的人工環境。最新的專業內涵對本專業人才的培養提出了新的挑戰,須重點培養人才的綜合能力及創新能力。

總結多年教學經驗及調研,在深入理解建筑環境與能源應用工程專業的內涵及人才培養目標后,提出了以下自主研究型實驗平臺的建設構想。

(1) 人的認識規律為人類通過不斷的實踐到認識、循環反復,最終達到真正的實踐[12]。因此,結合人的認識規律,自主研究型實驗平臺應具有可開設綜合和創新實驗項目的能力,學生通過自主設計實驗,在自主研究型實驗平臺上進行不斷的實踐再認識,靈活運用所學專業知識,在實踐過程中發現問題、分析問題、解決問題。

(2) 自主研究型實驗平臺建設應具有培養學生動手能力與發現問題的作用,實驗平臺建設應基于實際工程,提前訓練學生的工程師素質,為今后的實際工作奠定必要的基礎。

(3) 自主研究型實驗平臺應充分反映學科特點,源于科研實際、緊跟學科發展主流,為學生提供本學科的前沿技術,以提高學生的科研和創新意識。

3 自主研究型實驗平臺建設內容

針對上述實驗平臺建設構想,在原有實驗平臺的基礎上,建設了多個綜合性與創新性實驗平臺。

基于面向工程、以學生為主體的原則,建設了太陽能-土壤源熱泵空調系統實驗臺、組合式空氣處理系統實驗臺、人工環境與室內空氣品質實驗臺。該綜合實驗平臺由能源采集系統、能量輸送、監測控制系統以及末端用戶組成,各實驗臺間相互聯系、協同服務(見圖1)。

(1) 太陽能-土壤源熱泵空調系統實驗臺以土壤熱量為能量來源,是一套完備的建筑用冷熱源。主要設備包括地埋管土壤換熱器、水源熱泵機組、冷卻塔、蓄熱水箱、電磁流量計、太陽集熱器、控制系統等。該實驗平臺于2004年建成,采用西門子自動控制系統,隨著科技的發展以及實驗需要,于2012年增設太陽能,將太陽能與土壤源熱泵相結合,并將西門子自動控制系統更新為具有遠程異地控制功能的芬蘭Fedilix自控系統,通過基于Web的圖形工作站進行現場溫度、濕度、壓力、流量、熱量、電機頻率、閥門等多參數數據采集監測,系統可自動運行及控制調節。該系統是我國東北地區第一個實用性土壤源熱泵空調系統,結合組合式空氣處理系統實驗平臺,在滿足本學科實驗室及辦公室近300 m2空調使用外,還作為教學和科學研究實驗平臺,為人工環境小室和暖通空調系統實驗臺提供冷熱源。

圖1 自主研究型綜合實驗平臺

在太陽能-土壤源熱泵空調系統與組合式空氣處理系統實驗平臺上,可開展對材料物性測試、系統性能測試、系統優化分析等實驗內容,部分實驗項目見表1。傳統獲取土壤、蓄熱材料或其他材料物性參數的方法是通過查表,學生僅獲取了某數值,但對影響物性參數的因素理解不深刻。在該實驗平臺上,由學生主動思考獲得物性參數的機理并自主進行實驗設計,鍛煉了學生主動思考的能力,拓寬了學生對物性參數獲取方法的認識。太陽能-土壤源熱泵空調系統還為學生提供了綜合分析的平臺,學生身臨實際工程現場,通過對系統運行、調試,深入理解理論教學中的專業知識。

表1 太陽能-土壤源熱泵空調系統與組合式空氣處理系統實驗臺部分自主型實驗項目

(2) 人工環境與室內空氣品質實驗臺包括人工環境小室、配套的環境參數及室內空氣品質相關測試儀器儀表。人工環境實驗小室參照國際標準ISO5219建設,通過控制調節土壤源熱泵空調及風冷熱泵的運行參數,使小室達到某一特定的室內環境,可通過切換通風管路閥門實現室內不同的氣流組織形式,創造各種人工環境實驗所需的實驗條件。人工環境與室內空氣品質實驗臺可開展氣流組織、通風量、室內熱舒適等自主型實驗項目,部分實驗項目見表2。

表2 人工環境與室內空氣品質實驗臺自主型部分實驗項目

在理論課程中會對“小室壓差及風量控制實驗”“風速與氣流組織關系”的相關內容進行講解,若僅僅將認識停留在課堂理論知識而不實踐,則對各參數間關系產生較片面的理解。在該實驗平臺上,由學生自主實踐去挖掘參數間的聯系,從實踐中發現實際運行結果與理論間的差異,并分析造成該差異的原因。實驗項目“探究在固定送風方式下室內工作區各區域人員最佳舒適度體驗的最優送風狀態”,由學生自主設計實驗,尋找舒適度與送風狀態間的關系。學生通過大量的實驗,最終發現兩者關系,從而更加快速有效地獲得最佳送風狀態點。人工環境與室內空氣品質實驗平臺為學生對理論課程的深入理解提供了有利條件,并發現基于實際工程的實驗結果與理論知識間的差異,分析造成差異的原因,鍛煉了學生獨立思考的能力,培養了科研意識。該實驗平臺也可服務于“建筑環境學”理論課程。

該自主研究型實驗平臺并非單一的某個設備或者末端,是指整套的設備系統。從2004年起至今,在綜合性實驗平臺上已開展了90～105個實驗項目,可開展從專業基礎課程實驗,到對空調系統的組成和原理、空調設備結構認識等實驗,再到后期自主完成空調系統的調試、運行和故障診斷,最后到由學生自主進行實驗設計、解決相關問題。學生依靠該實驗平臺,將所學到的專業知識進行整合,分析實驗過程中存在的問題,并通過自主查閱資料及思考,逐步解決問題,鍛煉了學生獨立思考的能力、培養了創新意識。本專業自主研究型實驗平臺的建設均基于實際工程及科研項目,學生利用實際工程不斷地實踐與認識,最終達到真正的實踐。在此基礎上,學生參與到實際的科研項目中,提前了解學科前沿,有利于引領學生形成科研和創新思維、提高其創新能力[13],為實現建筑環境與能源應用工程專業人才培養目標提供扎實的平臺基礎。

4 自主研究型實驗平臺的應用效果

自主研究型實驗平臺建設完成后,對本專業的學生開放使用,采用全程開放式實驗教學模式,并開展創新實踐活動,由“教師教、學生學”改變為“學生學、教師輔”的知識傳輸模式。基于自主研究型實驗平臺,學生自主選題,其在實驗中的地位由傳統的受體轉為主體,由傳統的僅進行操作測試,變為自主實施整個實驗內容的全過程,包括實驗準備、實驗方案、實驗收尾過程。以小組為單位,采用項目化運作方式,所在團隊內部開展整個實驗方案的討論,如實驗目的、實驗所需儀器、實驗方法等。通過自主研究型實驗平臺的建設,從多方面提升了學生組織、分工、協調和團隊合作的能力,培養了學生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,為今后的工作和學習奠定堅實的基礎。

自主研究型實驗平臺歷經近13年的應用,取得了顯著成效,激發了學生主動思考的意愿、培養了學生的創新精神、鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力。對應用自主研究型實驗平臺的學生進行了效果反饋調查,結果如下:

(1) 學生普遍認為,自主研究型實驗平臺的建設,促進了學生自主發現實際工程中存在的問題,并思考從哪方面入手解決問題,對今后參加工作非常有幫助。

(2) 采用與以往不同的自主研究型實驗平臺,可鍛煉學生認真獨立思考解決問題的能力和團隊合作能力。在團隊合作的過程中,往往會存在意見不一的現象,但通過互相交流,認真聽取別人意見, 最終使得雙方共同進步。

(3) 本專業的自主研究型實驗平臺的建設均基于實際工程,讓學生提前接觸到實際工程中會出現的問題,并靈活運用專業課程的知識分析工程實際問題,專業知識得到了鞏固,且自己會真正地去思考、去領悟。

(4) 自主研究型實驗平臺的建設使用不僅基于實際工程,也源于科研項目,該類實驗平臺不僅使學生接觸到實際工程,還可激發學生的科研興趣,培養科研創新思維。

5 結語

建筑環境與能源應用工程專業的實驗平臺需具有教學和培養學生自主研究、發現問題、解決問題的功能,因此建設具有綜合性和創新性的實驗平臺至關重要。為實現專業人才培養目標,我校建筑環境與能源應用工程專業建設了多個基于實際工程及科研項目的自主研究型實驗平臺,旨在充分調動學生的主觀能動性、培養學生的創新意識與創新能力。經過近13年的應用,取得了顯著效果。自主研究型實驗臺為激發學生主動思考的能力及創新能力提供了保障，鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力、充分發揮了培養創新人才的重要作用。

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