建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)創(chuàng)新實驗課程的實踐

藺 潔, 陳 超, 張思琦

(北京工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.北京綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)重點實驗室，北京 100124)

0 引 言

培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力是現(xiàn)代高等教育的首要目標(biāo)[1-3]。創(chuàng)新能力是在技術(shù)和各種實踐活動領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟價值、社會價值、生態(tài)價值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力[4-6]。一個人的創(chuàng)新能力通常有兩部分組成[7]。一部分指人的智力，即人具有的知識和閱讀、理解、記憶等的能力[8-9]。通常一個人掌握的知識越多，與智力相關(guān)的能力就會越高，創(chuàng)新能力越強的可能性越大[10-12]；另一部分指一個人在遇到問題時能迅速找到解決問題方法的能力[13]。盡管對學(xué)生這兩方面創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于學(xué)習(xí)過程的各個階段，但因各階段學(xué)習(xí)內(nèi)容不同、實施形式不同，需要展示的能力不同，因此培養(yǎng)創(chuàng)新能力的過程及細節(jié)不盡相同。對于第一部分能力的培養(yǎng)大多通過課堂教學(xué)過程來實現(xiàn)，而對于第二部分能力則在實踐教學(xué)過程中培養(yǎng)機會居多[14-15]。對于工科專業(yè)而言，為了實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，如何配合課堂教學(xué)盡可能地發(fā)揮實驗課程特有的作用？如何在實驗教學(xué)中提高學(xué)生創(chuàng)新能力，發(fā)揮實驗教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用，并最終達到促進學(xué)生知識、能力、素質(zhì)綜合發(fā)展的目的？本文針對專業(yè)創(chuàng)新實驗課的實踐教學(xué)過程進行了有益嘗試。

供熱系統(tǒng)性能綜合實驗是我校為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的本科生開設(shè)的一門綜合實驗課程。近些年隨著該專業(yè)內(nèi)涵的不斷擴大，用人單位對于應(yīng)屆畢業(yè)生能力、素質(zhì)要求的不斷提升，原有的實驗課都是基于某一門專業(yè)課內(nèi)容設(shè)置的，對具體知識的理解、掌握及應(yīng)用設(shè)計的很到位，但缺少對多個知識點融會貫通及綜合應(yīng)用的環(huán)節(jié)，故原有實驗不利于實施對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，需要增設(shè)融合幾門課程知識的綜合類實驗。為此，學(xué)校增設(shè)了供熱系統(tǒng)性能綜合實驗，該實驗基于多熱源、多末端、實尺寸的供熱系統(tǒng)性能實驗平臺，該平臺給學(xué)生提供了多項實驗內(nèi)容，涉及很多知識，為學(xué)生綜合運用知識和充分發(fā)揮個性能力提供可能。這門課程開設(shè)4年，已取得一定效果。

1 供熱系統(tǒng)性能綜合實驗臺

供熱系統(tǒng)性能綜合實驗臺被設(shè)計為一個真實的輸配系統(tǒng)。搭建之始考慮到該實驗平臺既要滿足科研需要又要滿足平時用戶對室內(nèi)環(huán)境的冷熱需求，因此該系統(tǒng)把常規(guī)冷熱源和末端全部包含進去。該實驗臺由冷/熱源、末端和管路組成。3個不同的熱源分別是：電鍋爐，市政集中供熱和空氣源熱泵機組。系統(tǒng)末端有3種類型：散熱器，混凝土輻射地板和風(fēng)機盤管。管路系統(tǒng)設(shè)計為2種形式：一次和二次循環(huán)。實驗臺系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗臺設(shè)計圖

由圖中可見，該實驗系統(tǒng)的運行工況有多種形式，典型模式有：鍋爐直供散熱器的一次循環(huán)系統(tǒng)、市政間接供熱的地板供熱系統(tǒng)以及空氣源熱泵直供風(fēng)機盤管的系統(tǒng)，這3種形式中的每一類熱源或者末端都可以換為其他形式，實際運行模式靈活多樣。實驗室有這樣一個可以實現(xiàn)多種運行模式的系統(tǒng)，為學(xué)生完成多種運行模式提供了可能，也為學(xué)生提供了多個可能遇到的常見專業(yè)問題，借此為他們提供較多的鍛煉機會。

2 創(chuàng)新實驗課程的設(shè)計及實施

供熱性能綜合實驗系統(tǒng)所完成的多種運行工況涉及到本專業(yè)諸多專業(yè)課的相關(guān)內(nèi)容，有：供熱工程、流體輸配管網(wǎng)、空氣調(diào)節(jié)、冷熱源工程以及自動控制原理等課程。該實驗平臺盡管可以實現(xiàn)系統(tǒng)的供冷或供熱，因?qū)嶒為_課時間在冬季學(xué)期，因此在這樣一個實驗臺上實施學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)主要依托于系統(tǒng)供熱運行。下面從實驗的設(shè)計理念、實驗過程的設(shè)計流程、實驗結(jié)果考核3個方面分析對該創(chuàng)新實驗進行闡述。

2.1 實驗的設(shè)計理念

本實驗的設(shè)計宗旨兼顧了專業(yè)知識和教學(xué)規(guī)律兩個方面。從專業(yè)知識角度設(shè)計時需要考慮的重點是該實驗臺可提供哪些實驗？這些實驗的難易程度及可操作性如何？學(xué)生可能遇到的專業(yè)問題有哪些？該如何找到解決問題的方法？經(jīng)過反復(fù)考慮最終實驗內(nèi)容確定為：①熟悉供熱系統(tǒng)及常用設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理；②熟悉供熱工程常用測試儀器的測量原理、掌握測試方法及操作規(guī)程；③通過測試熱用戶與供熱系統(tǒng)在不同連接方式下的用熱量及能耗等參數(shù)，進行系統(tǒng)性能分析及能耗分析，掌握能耗分析方法；④通過測試熱用戶不同散熱設(shè)備熱工性能，掌握散熱設(shè)備實驗測試方法，建立散熱設(shè)備散熱量與影響因素之間的關(guān)系式；⑤通過一、二次網(wǎng)路性能調(diào)節(jié)，測試換熱器熱工性能，熟悉換熱器的工作原理；⑥熟悉混水裝置的工作原理，并進行混水裝置性能測試；⑦通過進行一、二次管網(wǎng)性能調(diào)節(jié)和水力穩(wěn)定性研究，掌握供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方法。可以看到，在實驗臺上可以設(shè)計完成的實驗項目很多，學(xué)生可以有選擇地做。設(shè)計較多實驗內(nèi)容的目的是從專業(yè)角度盡可能多地向?qū)W生展現(xiàn)該實驗臺在專業(yè)上可能遇到的、需要解決的典型問題，開闊學(xué)生視野，引導(dǎo)學(xué)生積極思考。同時整個實驗內(nèi)容設(shè)計時也考慮了既要考察學(xué)生對專業(yè)知識的理解與掌握又要考察他們對知識體系的融會貫通以及在工程實際中靈活應(yīng)用知識的能力。

而從教學(xué)規(guī)律角度制定實驗?zāi)繕?biāo)考慮的重點是如何通過實驗教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生的思維能力，發(fā)展學(xué)生的智力，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識、運用知識、創(chuàng)造知識的能力。在這個過程中，為了發(fā)揮實驗教學(xué)自身優(yōu)勢，根據(jù)該實驗內(nèi)容豐富、可選擇空間大的特點，學(xué)生可根據(jù)自己的時間和興趣選擇實驗內(nèi)容；同時為了促進學(xué)生知識轉(zhuǎn)化能力的提高、完成由學(xué)習(xí)者到實踐者的轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)與探究系統(tǒng)規(guī)律的能力，學(xué)生被要求提前預(yù)習(xí)實驗，實驗前需完成的工作有：①查閱文獻、制定實驗方案。學(xué)生需要先溫習(xí)已學(xué)知識、彌補自己知識的不足之處。這個過程可以增強學(xué)生自我學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的能力；②確定實驗方法。這一過程學(xué)生要經(jīng)歷分析、比較、總結(jié)、歸納等思維活動，最終選定實驗方法；③制定實驗操作步驟。該過程通過要求學(xué)生計劃詳細的實驗步驟，來訓(xùn)練學(xué)生思維的縝密性、邏輯性、理解能力及思辨能力。實驗前學(xué)生完成上述工作后要經(jīng)過教師檢查，教師還會與學(xué)生研討其方案的合理性及可操作性，給出必要提醒及建議。可見，這個環(huán)節(jié)與以往實驗過程有極大不同，整個實驗設(shè)計體現(xiàn)的教學(xué)理念就是讓學(xué)生自主地在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、鍛煉學(xué)生尋找解決問題方法的能力。在整個實驗過程中學(xué)生通過對實驗之初的計劃、實驗過程操作、實驗現(xiàn)象觀察、實驗故障處理、實驗數(shù)據(jù)分析,有效提高自身分析問題和解決問題的能力；整個實驗教學(xué)對于學(xué)生開闊視野、拓寬思路、激發(fā)靈感、提高素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有特殊作用。這種實驗?zāi)Ｊ斤@示出了其不可替代的作用。

2.2 實驗過程的設(shè)計流程

根據(jù)實驗方法不同，通常可以把實驗教學(xué)分成4個層次：第1層次為演示類實驗，這類實驗主要是為了讓學(xué)生通過觀察課堂已學(xué)理論知識，加強學(xué)生對于該知識的理解及掌握，學(xué)生實驗中的可創(chuàng)作性不強。第2層次為驗證類實驗，這類實驗主要是為了驗證已學(xué)知識，將課堂理論內(nèi)容通過實驗再現(xiàn)，加強學(xué)生對于該知識的理解及掌握，學(xué)生實驗中有一定的可創(chuàng)作性。第3層次為綜合類實驗，這類實驗主要以設(shè)計性方式開展，學(xué)生們不僅按實驗內(nèi)容完成試驗、在實驗完成過程中還會出現(xiàn)一些問題需要個人發(fā)揮主觀能動性來解決，該實驗除了運用課堂所學(xué)知識，對學(xué)生實驗過程的主動性、靈活性程度要求增多。第4層次是以探索為目標(biāo)的創(chuàng)新性實驗，這類實驗不僅要學(xué)生掌握科學(xué)實驗的方法、技能和驗證已知科學(xué)原理、重現(xiàn)自然現(xiàn)象，更重要的是提高他們迅速解決問題的能力以及探究事物規(guī)律的能力。實驗教學(xué)的4個層次體現(xiàn)了從培養(yǎng)知識型人才向培養(yǎng)應(yīng)用型人才的轉(zhuǎn)變。由于實驗的目標(biāo)層次不同、方法不同，實驗的教學(xué)效果就會有差異。為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，“供熱系統(tǒng)性能綜合實驗”定位在第4層次，并兼顧其他。因此在實驗中為了盡可能多地提供給學(xué)生創(chuàng)造思維的訓(xùn)練機會，除了實驗內(nèi)容豐富、靈活，在實驗具體實施細節(jié)上也有意識地把實驗過程與探索規(guī)律模式有機結(jié)合起來。例如：實驗要求學(xué)生按照每一個項目內(nèi)容來做。并且實驗前，學(xué)生要準備實驗預(yù)案并自己完成實驗指導(dǎo)書；實驗中，學(xué)生自己制定實驗具體流程與步驟。如果在實驗中學(xué)生遇到問題，教師也不輕易給予幫助。學(xué)生實在難以解決時要向教師說明自己都嘗試了哪些方法，教師在此基礎(chǔ)上幫助分析問題癥結(jié)，再引導(dǎo)學(xué)生尋找解決方法。整個實驗過程中教師的作用就是把握學(xué)生的思維方向，引導(dǎo)他們運用正確的思維方法，養(yǎng)成創(chuàng)新的思維習(xí)慣，讓實驗過程成為學(xué)生體驗科學(xué)探索過程的再現(xiàn)。在這樣的科學(xué)探究模式下，實現(xiàn)在課程實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生靈活的應(yīng)變能力、創(chuàng)造性解決問題的能力、及科學(xué)探索精神的目標(biāo)。

供熱系統(tǒng)性能綜合實驗中的重點按照項目內(nèi)容又分為5個：①測試熱用戶與供熱系統(tǒng)在不同連接方式下的用熱量及能耗，進行系統(tǒng)性能分析及能耗分析，并完成能耗分析報告；②測試穩(wěn)定條件下熱用戶末端散熱設(shè)備散熱量Q，建立散熱設(shè)備的散熱量與熱媒流量G和溫差ΔT的關(guān)系，比較該方法與國家標(biāo)準中散熱設(shè)備散熱量的熱盒子方法的差別，提交測試報告；③測試板式換熱器熱工性能，要求有測試數(shù)據(jù)及換熱器的工作效率分析報告；④進行混水裝置性能測試，要求有測試數(shù)據(jù)分析報告；⑤進行一、二級網(wǎng)性能調(diào)節(jié)測試，畫出供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)曲線。這5個項目內(nèi)容的劃分是遵循事物發(fā)展規(guī)律及專業(yè)特點定的。學(xué)生在具體完成時遵守如下實驗流程：①選擇不少于3項實驗項目；②完成實驗預(yù)分析報告，包含：實驗?zāi)康摹?nèi)容、步驟、實驗結(jié)果及分析、注意事項等；③教師審核、批改，完善實驗預(yù)案；④完成實驗；⑤分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論；⑥實驗總結(jié)，完成實驗報告。可見，整個實驗流程的設(shè)計目標(biāo)是為了在教學(xué)實驗中最大限度地發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，讓學(xué)生通過實驗真正掌握認知世界事物規(guī)律的真諦，提高自主學(xué)習(xí)能力、信息獲取能力、觀察分析能力、實驗研究能力、表達溝通能力、交往合作能力等實踐能力的培養(yǎng)；學(xué)會利用實驗手段去證明或推翻理論的方法，最終提高發(fā)現(xiàn)與探究未知世界的能力。

2.3 實驗考核標(biāo)準

由于本實驗內(nèi)容豐富，實施過程靈活，難易程度不均，故實驗考核機制所規(guī)定的“全面化、過程化和客觀化”形式就不能僅局限于實驗報告，特增加了答辯環(huán)節(jié)。答辯形式也由最初的老師問、學(xué)生答，發(fā)展為學(xué)生問、學(xué)生答；學(xué)生問、老師答等多種形式。學(xué)生問答形式中，學(xué)生需要做PPT來講實驗思路、實驗分析、實驗過程、實驗中遇到的問題及解決的方法。而學(xué)生問、老師答環(huán)節(jié)中學(xué)生提的很多問題都是專業(yè)前沿問題，有的問題甚至還沒有確切答案。這無疑為學(xué)生繼續(xù)探索知識起到引領(lǐng)作用。從整個過程來看類似人類探索新知識的歷程，這種實驗過程對指導(dǎo)教師的要求更高，指導(dǎo)教師已不再是一個只需要熟悉實驗內(nèi)容及過程并指導(dǎo)學(xué)生完成實驗的指揮員，已變成懂得創(chuàng)新規(guī)律特點、具備較強的教育理論知識、能夠協(xié)助學(xué)生完成實驗的助手及幫助者；成為學(xué)生探索知識的引路者。

3 結(jié) 語

通過對“供熱系統(tǒng)性能綜合實驗”項目的實施，提高了建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力和參加實驗的積極性，這種教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用知識的能力以及創(chuàng)造性思維方面都有一定成效。但是在這個創(chuàng)新教學(xué)模式運行過程中也存在著一些問題。比如學(xué)生實驗效果參差不齊，學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析研究的能力不足，實驗平臺本是教學(xué)與科研的承載體，但實際運用中沒有很好地將學(xué)生實驗與教師科研緊密結(jié)合起來，因此還要進一步進行教學(xué)理論研究，解決在實驗教學(xué)探索過程中出現(xiàn)的新問題，實驗教學(xué)才能取得理想結(jié)果，達到培養(yǎng)人才的目的。