新工科背景下智慧建筑能源與環境課程項目式教學設計與實踐研究

鄭雪晶 龍正偉 孫賀江

摘 ?要：針對新工科背景下建筑環境與能源應用工程專業面臨的挑戰，分析了本專業課程項目式教學內容及方法。結合天津大學建筑環境與能源應用工程專業培養方案，設計并實踐了項目式教學，包括目標導向型項目和開放式項目。實踐表明，項目式教學實踐有助于促進傳統工科專業升級改造，能夠激發學生主動學習意識，提升創新實踐能力和溝通能力，激發教師轉變教學思維，提升教學效果。

關鍵詞：新工科;智慧建筑能源;項目式教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0096-03

Abstract： In view of the challenges faced by constructing Environment and Energy Application Engineering major under the new engineering background， this paper analyzes the content and methods of project-based teaching of this major. Based on the training program of built Environment and Energy Application Engineering in Tianjin University， this study designed and practiced project-based teaching， including goal-oriented project and open project. The practice shows that project-based teaching practice can promote the upgrading and transformation of traditional engineering majors， stimulate students' active learning consciousness， improve their innovative practice ability and communication ability， motivate teachers to change their teaching thinking and improve the teaching effect.

Keywords： new engineering; smart building energy; project-based teaching

在全球一體化和人工智能影響下，社會對人才培養要求越來越高。新知識和新技術的產生與應用速度快于大學教育模式、培養體系、課程內容等修訂和更新周期，高等工程教育必須進行深刻變革和全面創新[1]。建筑環境與能源應用工程專業是一門注重創新與工程實踐的傳統工科專業。面對第四次工業革命和日益復雜的城市人居環境可持續發展問題，以綠色技術、BIM技術和建筑工業化等新興熱點的科技創新為中心的建筑產業現代化成為行業發展的動力。建筑環境與能源應用領域迫切需求大量基礎知識扎實、學科背景豐富、兼具實踐與創新能力、具有國際化視野的復合型人才。

一、項目式教學的特點

項目式教學是以學生為中心的教學方法，將知識邏輯模塊與工程實踐深度融合， 學生組建團隊通過解決一個開放式問題的經歷來學習，鼓勵學生不斷搜尋信息，自我評價[2]。通過訓練學生可以獲得團隊協作、人際關系處理、問題與溝通解決等方面的能力和技能。指導教師由過去被動授課，轉變為激發學生積極性，輔導和提供資源，幫助學生構建知識體系。

項目式教學任務包括建立課堂文化、設計與計劃、與課程目標對應、管理教學活動、評估學生的學習、搭建學習平臺、參與和指導學生。可以分為建立課堂文化、設計與課標對應的方案、管理教學活動、評估學生的學習這四個實施的階段。教學過程中，教師的角色定位不再是負責課堂講授、測驗、考試的教師，而是轉變為學習的引導者[3]。鼓勵學生積極地提問、保持好奇心和進行交流學習，積極創造鼓勵每個學生發言的學習環境。項目式教學過程重點關注學科專業的融合性、關聯性、開放性、交互性，注重軟硬件結合，突破傳統紙質教材的局限，添加可視性強的動態圖例，能夠實時補充更新生動的實踐案例，根據學生個性化發展需求拓展教學內容，強調學生們在試圖解決問題的過程中實現體驗轉換，在體驗轉換中產生新知識、發展新技巧和能力。

二、天津大學建筑環境與能源應用工程專業的發展與挑戰

天津大學建筑環境與能源應用工程專業，前身是供熱供煤氣與通風工程專業，成立于1956年，是全國成立最早的八個高校“暖通”專業之一，獲批高等學校特色專業建設點，并被列入卓越工程師教育培養計劃、天津市品牌專業，順利通過由住建部組織的全國高等學校建筑環境與設備工程專業（本科）教育評估，于2020年獲批為國家級一流本科專業建設點。以專業教師為基礎，建立了天津市室內空氣環境質量控制重點實驗室、天津市建筑環境與能源重點實驗室、天津市生物質廢物利用重點實驗室，以及天津市有機固廢安全處置與能源利用工程研究中心等支撐平臺。在建筑節能技術、建筑環境營造、智慧供熱系統、地鐵穿山隧道防排煙技術和有機固廢能源化利用技術等方面作出了顯著貢獻。本專業畢業生已經成為國有大中型企業、科研院所和設計院等的技術中堅力量，在航空航天、建筑業、制造業、服務業等眾多領域服務國民經濟建設。

面對第四次工業革命和日益復雜的城市建筑環境與能源問題，其內涵與外延發生了深刻的變化。人居環境可持續發展對建筑環境與能源應用工程專業提出新的要求，以綠色技術、BIM技術和建筑工業化等新興熱點的科技創新為中心的建筑產業現代化成為行業發展的動力。“專”“通”結合、交叉融合、滿足行業科技創新需求的寬口徑人才培養問題亟需解決[4]。以“互聯網+、人工智能、大數據”為主要增長點的新經濟模式日益影響社會生活，新工科建設背景下，面對科技革命和產業變革、全球化和智能化，建筑環境與能源應用工程專業需要積極探索信息化、人工智能、大數據、云平臺等新型技術與傳統專業的融合方式，以推動新技術革命與專業的知識、能力、素質要求深度融合為導向，定位培養引領建筑環境與能源領域未來發展的拔尖創新型人才[5]。

三、建筑環境與能源應用工程專業項目式教學內容

天津大學建筑環境與能源應用工程專業面向國家碳達峰、碳中和目標和國家經濟建設對人才的需求，培養能夠在建筑環境、建筑節能與建筑能源專業領域，從事工程設計、研究開發、施工管理、系統運行或能源管理工作的德智體美勞全面發展的社會主義事業合格建設者和可靠接班人。結合本專業培養方案，在建筑冷熱源、給排水、建筑電氣、建筑設備自動化等課程中，增加在智慧熱網、空調水系統、建筑給排水系統等智慧建筑水資源可持續利用、水系統平衡、優化調度等方面項目式教學，設計集中供熱系統調節與控制、智慧建筑電氣及建筑給排水系統等項目，形成建筑能耗大數據分析、負荷預測、建筑設備智能調控、智慧建筑給排水等課程單元。通過項目式教學，轉變專業教學理念，結合人工智能、信息化來培養人才，推進專業方向不斷升級改造，提升可持續競爭力。

四、建筑環境與能源應用工程專業項目式教學設計實踐

項目式教學的設計包括三方面內容：（1）專業針對性，結合新工科建設要求，根據專業領域的特點和人才培養目標，融入人工智能、大數據、云平臺等新技術，綜合智慧建筑環境能源系統要求進行項目設計。（2）知識的更新，著眼工程教育的本義，優化知識結構，在教學內容中滲透新科學、新技術、新方法，淘汰陳舊內容。（3）可實現性，因材施教，考慮學生的個性化，根據學生的自身興趣、知識層面和能力水平，設計學生能力水平能夠完成的項目。

建筑環境與能源應用工程專業項目式教學設立兩種層次的實踐性項目（圖1），鼓勵學生以3～5人為團隊，結合課程內容，進行軟硬件設計，并制作演示系統，期末進行展示，并作為大作業考核。鼓勵參加校內外各種大賽，包括但不限于挑戰杯比賽、創新創業大賽、節能大賽等。

（一）目標導向型實踐項目

要求學生軟硬件設計，并購買元器件搭建，包括建筑給排水演示系統、建筑空調系統演示系統、建筑光伏演示系統、建筑空氣質量監測系統、氣象參數監測系統等。典型的案例包括：

1. 電動機的控制：電動機是建筑供能與供水控制系統中最核心的動力設備，包括水泵、風機、空調等，因此電動機的運轉控制是建筑電氣系統中最基礎但也是最核心的一個控制系統，要求學生組織隊伍，可以針對不同的場景（水泵控制、空調控制、防排煙控制），設計電動機的控制系統。

2. 智能熱網：云計算、大數據和物聯網等先進技術已逐漸融入到供熱、供燃氣與通風空調系統中，智慧供熱及智慧供燃氣等技術發展從“自動化”向“數字化”演進。通過建筑用能大數據分析，研究建筑用能規律，要求學生組織隊伍，制定熱網調控策略，可以通過手機、電腦來進行控制，實現熱網調控。

3. 室內空氣質量的監測：分析我國住宅室內空氣污染的原因，一方面是劣質建材和家具產生大量的化學污染，另一方面是室外大氣PM2.5等污染通過各種通風路徑傳入室內，造成住宅室內空氣質量差，嚴重威脅我國居民的身體健康。要求學生組織隊伍，針對室內主要的污染物（PM2.5、VOC），設計室內空氣質量監測系統，可以是離線手持裝置，鼓勵開發基于物聯網的室內空氣質量監測系統，調動學生的積極性。

4. 空調系統監測系統：實現室內二氧化碳、風管溫度、水管溫度、風管孔板壓差的監測，集成顯示空調機組實驗臺數據。

（二）開放式實踐項目

目標是引導學生發揮創造性，鼓勵參加各種創新性大賽，比如挑戰杯、創新創業大賽，給學生提供一個目標系統的描述，不限定具體形式，讓學生自己發揮，進行軟硬件設計，制造出系統，比如零能耗建筑系統、舒適性空調系統、智能通風系統、空氣病毒探測系統等。典型的案例包括：

1. 建筑電氣演示系統，建筑電氣包括配電系統、空調系統、消防系統、照明系統，要求學生組建隊伍，選擇典型的一種建筑電氣系統，開發演示系統，動態演示其運行與功能。

2. 新型建筑給排水系統開發，本項目是開放式的題目，不做任何的限定，任由學生發揮創造性，調動興趣，提出愿意實現的建筑給排水系統，實現水資源可持續利用，但要求要有創新性，鼓勵參加國家和學校組織的科技競賽。

五、項目式教學的實踐效果

（一）促進傳統工科專業改造融合

通過項目式教學，融合專業課知識點與人工智能、大數據等新興技術，增強“人才培養”“科學研究”“設計實踐”三方融合互動。使學生掌握堅實的建筑環境與能源應用專業工程領域理論知識，具備開放的知識結構和綜合運用多元知識解決專業領域問題的實踐能力。

（二）激發學生課程學習興趣，增強主動學習意識和創新思維

項目的設計突出學生的主體地位，強調學生的主動性與探索性。充分考慮學生的個性化與專業興趣，與傳統教學方法相比，項目式教學更能激發學生的主動學習意識和創新思維。學生課堂評價的滿意度顯著提升。

（三）提升學生創新實踐能力，強化協作意識與溝通能力

完成項目任務的過程中，學生以3～5人為團隊，查閱相關文獻，對項目內容進行深入討論和思考，提出設計方案，開展實驗研究，進行數據處理和分析、成果整理與匯報，這一系列的能力訓練，能夠在有效提升學生創新實踐能力的同時，強化學生在團隊中的溝通和協作能力，保證課程目標的實現。

（四）激勵教師教學能力提升，保證教學效果

新工科教育對師資力量建設提出了較高的要求，強調教師工程實踐經歷與能力。通過項目式教學的實施，強化專業教師專業理論知識，促進教師將科研與教學緊密結合，轉變教學思維，引導學生創新思維的同時，提升教師實踐教學水平。

參考文獻：

[1]王紅雨，于張娜，閆廣芬.新工科背景下工科專業的調整、布局及衍生機制——基于33所代表性高校的分析[J].高等工程教育研究，2021（6）：24-30.

[2]李戰杰.基于翻轉課堂的項目式教學模式研究[J].中國西部科技，2014，13（10）：103-104.

[3]劉廣平，陳立文，黨子芳.案例教學與項目式教學比較研究[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2016（3）：27-28.

[4]劉坤.新工科教育治理：框架、體系與模式[D].天津：天津大學，2020.

[5]丁研.新工科思維引導下的人工環境學教材改革實踐[J].天津教育，2020（34）：22-23.