建筑冷熱源核心課程群培養體系構建

雷勇剛 宋翀芳 景勝藍

摘要：教學內容滯后、教學方法與教學平臺狹窄是建筑冷熱源課程群培養體系社會效益不顯著的重要原因。建筑節能大背景下，建筑冷熱源課程群應培養建環專業學生的節能意識。文章在分析建筑冷熱源培養目標的基礎上，從教學體系的模塊劃分、研究型教學方法以及教學設計的探索等方面提出了構建建筑冷熱源核心課程群培養體系的主要路徑，旨在為加強學科建設和深化教學改革提供參考與借鑒。

關鍵詞：建筑冷熱源；核心課程群；培養體系；教學模塊

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）03-0082-05

一、建筑冷熱源核心課程群培養體系概述

根據2012年教育部頒布的本科專業目錄，建筑環境與能源應用工程專業（以下簡稱建環專業）屬工學土木類本科專業之一，遵循國家教委高校專業目錄改革精神[1-6]，建環專業的任務是采用人工環境與能源利用工程技術創造適合人類生活與工作的建筑環境和工藝環境，培養的學生應掌握建筑環境調控與能源利用的科學知識和實踐方法。為實現專業人才培養目標，彰顯專業特色，在新形勢下需對所設專業課程進行重組和調整。建筑冷熱源核心課程群的構建，旨在培養學生運用基礎理論進行建筑冷熱源選擇和熱工計算的能力，以及建筑冷熱源機房工藝的設計能力[7-8]。建筑能耗中暖通空調能耗約占其一半左右[9-10]，參照發達國家建筑能耗增長歷程，可預見中國建筑能耗，特別是建筑冷熱源能耗占國內總能耗的比重將越來越大。在建筑節能大環境的助推下，建筑冷熱源技術得到了前所未有的發展，建筑冷熱源課程體系也不斷更新[11-12]，因此，在當前環境下只有對建環專業建筑冷熱源核心課程群的教學內容、教學方法和實踐教學進行相應的改革， 才能取得令人滿意的教學效果。

二、建筑冷熱源核心課程群培養體系整合

建筑冷熱源專業課程以建筑中應用的制冷、制熱設備及系統為核心內容，涵蓋制冷、熱泵及供熱鍋爐的基本理論和應用技術。使學生掌握冷熱源的基本理論、冷熱源設備的工作原理、構造及計算和冷熱源的基本設計方法，并具備冷熱源系統設計的實際工作能力，了解該領域的新動態、新技術和新產品等，是核心課程群的培養目標。在教學過程中，對課程群體系進行了整合優化，平衡理論與實踐教學環節的內容分配，主要體現在以下幾個方面。

（一）建筑冷熱源設備的評價

建筑冷熱源教學體系可分為熱力學原理、冷熱源設備、冷熱源系統和冷熱源運行調節，其中冷熱源設備主要涵蓋功能、構造、工作原理及性能。在學生畢業后的實際工作中，設備的選擇是關乎建筑冷熱源能耗的最主要因素。基于目標評價模型將建筑冷熱源影響因素化繁為簡，對冷熱源的初投資和運行費用進行比較分析來確定各種冷熱源設備方案的取舍[13-14]。在冷熱源設備的特點講授中把經濟模型植入課堂，使學生掌握設備選擇的定量化評價，在課程設計中，分小組進行實際工程分析，每個小組的城市設計和建筑功能不同，指導學生針對不同地區的能源狀況進行多種方案的比較，深化能源的合理利用。

（二）制冷劑性能的考量

制冷劑的選用是一個比較復雜的技術經濟問題，需要考慮的因素很多，選擇時應根據具體情況，進行全面的技術分析，包括制冷劑的熱力學性質、物理化學性質、安全性和環境性，同時還要與壓縮機和工作環境匹配。近年來隨著環保要求的提高，選擇制冷劑時還要符合相關的國家環保法規。隨著科學技術的進步，新工質不斷出現，在專業課學時有限的情況下，這部分內容采用弱化記憶性講授方式，增加相關國際會議的延展介紹，對傳統教學中制冷劑部分適當增加課后演繹，以節能環保為宗旨，以制冷劑的發展演化為脈絡，通過制冷劑認識到制冷劑選擇，乃至制冷劑研發幾個階段的學習，實現對學生的分層次培養。

（三）冷熱源輸送的優化

冷熱源系統教學部分主要講授水系統、風系統、燃料系統等的輸送，輸送動力設備的能耗不容忽視。教學內容主要針對系統形式和特點，沒有單獨章節講授能源應用，這部分內容反而在課程設計中表現比較突出[15-18]。根據多年的課程設計實踐教學，在現有的實踐體系中引入設計理論，將設計理論穿插在課程設計過程中，要求學生在系統設計時，將水力計算、風機水泵選擇與輸送能耗有機結合，培養優化設計思維。

三、建筑冷熱源核心課程群教學體系和培養模式

通過研究建環專業特點和創新型人才培養要求，從建筑冷熱源核心課程教學體系和教學方法入手，建立建筑冷熱源教學體系和培養模式。

（一）教學體系的建立

基于課程群的培養目標，將教學內容模塊化，優化課程體系。將建筑冷熱源教學內容按其性質、 結構、 內容和邏輯關系，整合為相對獨立的五大模塊，即基本理論模塊、工質模塊、設備模塊、系統模塊、調節控制模塊。理論模塊是基礎，工質模塊是載體，設備模塊是實現形式，系統模塊是工程應用，調節控制模塊是優化措施。這五大模塊覆蓋了建筑冷熱源的基本理論和工程實踐，分層次滲透在能源利用教學中。課程教學體系基本結構如圖1所示。

（二）教學方法的探索

激發學習動機的核心是誘發內在驅動力。誘發內在驅動力是引導學生發現問題、思考問題和解決問題，讓學生感受成功的喜悅，產生內驅力。通過理論教學創新、實踐活動拓展、學習方式優化和研究過程設計4個方面來實現“理論與實踐并重、學習與研究融合”的教學理念。研究型教學的基本結構如圖2所示。

探索基于節約能源的研究型教學模式，同時通過課堂案例分析和課程設計訓練構建實踐教學體系。如，講解《能源與燃料》章節時，以當前世界能源結構和中國能源結構為引入點，介紹一次能源和二次能源，最后對不可再生能源和可再生能源展開討論。在課程設計階段輔導學生進行不同冷熱源方案的比較[19]，培養學生的節能意識。畢業設計階段，研究型教學可更為深入。由于一些可再生能源的利用還處于研究階段，研究成果尚未大量應用于工程設計，如土壤源熱泵地下換熱量解析、太陽能集熱器設計、吸收式熱泵設計等，可鼓勵和輔導一些學生進行探索性設計，將新能源應用于工程實踐。

（三）教學設計的構建

基于建筑冷熱源的課程特點，在能源應用背景下，建筑冷熱源課程群的教學設計分為3個部分：教學分析、策略設計和教學評價（表1）。

學習需求為分析板塊，在教學過程中根據建筑環境與能源應用工程專業人才培養目標制定教學大綱，通過課程學習，使學生掌握冷熱源的基本理論和工作原理、冷熱源設備的性能和構造，并對制冷機組、熱泵機組和鍋爐的工作原理及裝置特點和發展趨勢有一定了解。設計板塊是重點，包括課程教學設計和教學過程設計。課程教學設計嚴格執行教學大綱要求，設定教學目標、知識框架和人才培養要求，教學過程設計要落實到每個章節、每堂課的教學中，在課堂上兼用多種教學手段。多媒體課件演示循環原理、設備工作原理及冷熱源設備的運行與調節，冷熱源設備的設計計算教學盡量不要使用多媒體，而且板書內容盡量整合成一面，分為設計原理和思路、設計步驟、各參數取值，便于學生掌握設備設計的思路和方法。通過課程設計和案例分析的實踐訓練加強學生能力的培養。一方面加強了學生專業知識的積累。實踐訓練強調學生對課程信息的收集能力，加深對專業知識領域的認識，從而選擇最佳能源方案來完成工作；另一方面加強了學生的綜合行為能力。學生在實踐過程中獨立完成項目，具有完成一項工作的組織能力。此外，在設計過程中注重學習新設備、新技術和新方法，加強團隊協作能力。通過對課堂案例、試卷、課程設計的整體評估，對教學內容框架、教學方法、教學手段做出相應的修正。

通過建筑冷熱源課程群的教學與實踐，使學生具備掌握冷熱源技術與設備的知識體系。在深入分析與總結建環專業培養模式和專業課教學要求的基礎上，按照全國建筑環境與能源應用專業指導委員會制定的本科生培養指導思想[20-22]，結合社會需求和實際情況，以提高培養質量、改進培養模式、增強服務意識為目標，按照“既有理論與實踐分析—理論修正—實踐總結—理論模型創新—投入運行”的順序，進行建筑冷熱源核心課程體系設置、師資隊伍建設、教學內容與方式制定、研究課題和專業技能培養、實踐訓練、考核評價標準和方式等方面的設計，探索研究建筑環境與能源應用工程專業的培養流水線與質量控制體系。

在當前建筑節能大環境下，能耗分析是建筑冷熱源核心課程群體系構建的切入點，學生對各種冷熱源機組的性能要熟悉，進而掌握各種冷熱源機組的能耗計算，最后結合實際工程，在教師指導下學會分析工程地的能源結構、能源使用政策，綜合考慮工程運行，合理選擇建筑冷熱源。能耗分析并非局限于工科技術，還涉及政府政策、經濟模型等，是一項系統化構建，是學生綜合能力培養的基本功。

研究型教學是能力培養的關鍵，通過前述教學方法的探索，可以看出，這一能力的培養需要轉換教育觀念，不能局限于現有理論和技術，更要注重新能源利用，更新教學內容，把最新的技術介紹給學生，尤其是新能源、可再生能源的利用。改進教學方法，在推導和演繹教學方法的基礎上，建立人才培養的課程平臺，注重實踐教學應用能力平臺的建設，分層次安排實踐教學內容，將實踐教學充分體現在專業人才培養方案中。

四、結語

加強建環專業學生建筑冷熱源基本理論的科學訓練， 培養學生冷熱源系統設計的工作能力是建筑冷熱源課程群培養體系所面臨的課題之一。文章引入教學體系模塊化理念，探索以理論-工質-設備-系統-運行的統籌化層次結構來統領課程群的整體構建，闡述了應用模塊劃分的知識體系和能力訓練，將體現建筑節能思維的研究型教學方法引入能源結構分析和優化建筑冷熱源設計過程中，既是對本課程群培養體系的一個探索，同時又給其他應用技術類課程提供了一個范例。從方法論的角度，從教學分析、策略設計和教學評價3個方面具體化了建筑冷熱源核心課程群培養體系中的教學設計，以實現優化課程群教學資源，完善綜合性、設計性、集教學與科研為一體的教學平臺，探索以培養建環專業創新型人才為目標的專業課程群培養模式，同時為相關教學和實踐提供新的思路。

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