《暖通空調運行管理》培養學生工程思維能力的思考

余曉平 居發禮 孫欽榮 劉麗瑩

（重慶科技學院建筑工程學院 重慶 401331）

0 引言

目前，建環專業人才培養方案的工程實踐課程中，涉及暖通空調工程知識單元的教學內容主要從工程設計角度進行講授，偏重暖通空調系統方案分析及設備選型計算，較少涉及暖通空調系統調適和運行管理制度，更少獨立設置《暖通空調運行管理》課程。隨著社會對建筑運行節能和室內空氣環境品質保障的認識日益深入，尤其在《空調通風系統運行管理標準（GB 50365-2019）》修訂頒布后，建筑行業對暖通空調系統運行管理更加重視。由于暖通空調系統本身的復雜性和多樣性，所涉及的熱力系統往往涉及“熱、機、電、控”等專業多位一體的綜合復雜問題，要求其運營管理人員既要具備設備維護的動手能力，又要擁有運營效果的分析能力、優化控制的創新思維[1]。因此，有必要設置《暖通空調運行管理》課程，從項目全過程的工程管理理念出發，強化以項目為載體的工程實踐教育，能很好培養學生的工程思維能力。

本文結合筆者所在學校的《暖通空調運行管理》課程建設與教學實踐，探索在課程教學設計和教材建設等環節培養學生工程思維的途徑。

1 工程教育與工程思維培養

1.1 工程知識與工程教育的概念

在大工程時代背景下，王章豹[2]提出大工程素質構成要素的飛機結構模型，認為工程思維，特別是創新思維，是工程思維的靈魂，相當于飛機的駕駛艙，發揮導航作用。他認為“工程”包括“工程技術系統或實體”、“工程建造活動或過程”和“工程學科專業”三個含義；其中，工程學科專業，即“工程學”，是實現工程活動的專門學科、技術手段和方法的知識體系，包含研發、設計和制造活動在內的造物實踐活動，與工程科學、工程技術密切聯系[3]。工程知識不同于科學知識，也不是技術知識的簡單相加，而是技術知識和非技術知識的綜合集成，工程知識的豐富性決定了工程師角色的多樣化。工程師不僅是設計者、現場施工的技術指導者、技術管理者、技術操作者，而且是工程知識的主要創造者和負載者[4]。工程教育指培養工程人才的社會活動與學校教育，是根據社會要求和受教育者身心發展規律，由工程教育實施者有目的、有計劃、有組織對受教育者施加全面系統的影響，以達到預期目的的社會活動過程[5]。

美國國家航空航天局（NASA）對工程師職業性質描述為“工程師用數學及科學知識設計新的物品、構思新技術以解決新的實際問題。”工程師解決實際問題的思維過程為：先確定需求或問題→研究需求或問題→提出解決方案→選擇最佳解決方案→制造模型→測試、評估解決方案→溝通解決方案→重新設計或改良最初設計，從而實現閉環螺旋上升。在這個過程中，工程師作為專業性職業之一，具有多樣化復合身份。這就決定了培養工程師的工程教育也應具有多樣性和多層次性，需要在工程教育的全過程充分體現工程活動的屬性，強化工程思維能力的培養。高等工程教育中的工程師培養，以工程實踐教育為主線，在人才培養方案中將自然科學、工程技術和人文社科教育相結合，旨在為工程師培養提供綜合化、多學科的知識基礎與思維能力，而工程實踐課程就是實現這一目標的主要載體。

1.2 適應工程認證對工程思維培養的要求

工程教育是面向工程社會活動的人才需求培養工程師，肩負構建工程知識體系、培養工程能力和養成工程師素質這三大任務，既要體現工程的實踐性與全局觀，又注重工程人才的使用價值。潘云鋼等[6]認為，建環專業工程認證標準強化了以工程實踐能力為目標的教育培養要求，學生在學習期間就應以良好的工程思維方式、較強的工程思維能力作為培養方向，要培養學生結合工程實際進行思考和設計的能力。工程思維是工程技術人員應具備的核心能力，與科學思維相比，工程思維具有價值定向、工程項目主體與時空邊界的唯一性特征。比如，面對環控領域的供需問題，在確定工程技術措施時，要注意建筑邊界條件與限制條件，結合工程性質及功能、規模、當地條件、施工能力、經濟性和運行管理能力，運用工程思維，優化集成適宜技術，才能真正滿足實際需求。

筆者通過梳理工程認證通用標準，總結出畢業要求12 條蘊含的工程人才知識、能力和素質的構成及其內在邏輯關系，如圖1 所示。

圖1 基于項目的工程教育過程、教育要素與教育目標Fig.1 Project-based engineering education process,elements and objectives

貫穿工程實踐活動全過程及其要素的工程實踐思維，通過以項目為載體的工程集成性，也體現在工程教育全過程中，正好形成了人才培養全過程的工程教育思維設計。工程過程從決策（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）到運行（Operate），簡稱CDIO，普遍被認為是工程文化教育的一種先進思想和培養模式[7]。工程活動基本單位是項目，項目實施全過程集成了各項工程要素，從而形成基于項目為載體的工程教育實踐活動。工程教育培養學生學以致用，能夠提出問題并用所學知識分析復雜工程問題；通過設計/開發解決問題的方案，要求能考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素，對復雜問題進行工程研究；然后利用現代工程工具和信息技術工具開展項目全過程實踐。在項目設計、研究與崗位實踐過程中，建立工程多元價值理念和工程職業規范，包括工程與社會、環境和可持續發展、個人和團隊、管理與決策等；能夠就復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，學會學習從而有不斷學習和適應發展的能力。

1.3 工程實踐教育體系設計

工程認證標準強調培養學生“解決復雜工程問題的能力”，支持畢業要求的所有課程都應該將“解決復雜工程問題”的能力培養作為教學目標。因此，工程實踐課程教學設計必然融合理論與實踐，以項目案例為載體，樹立工程教育觀，課程體系及教學目標涵蓋工程知識傳授、工程能力提升和工程素質培養，將工程思維訓練融于教育全過程的各個要素，如圖2 所示。

圖2 專業教育教學體系設計中的工程思維框架Fig.2 Engineering thinking framework in the professional education and teaching system design

在工程教育觀的指導下，明確課程教學目標，以工程項目為載體，把專業所需的知識、應達到的能力和應具備的素養等融入教學全過程，形成工程思維的一體化培養。基于以上工程教育培養工程思維的要求，本文以《暖通空調運行管理》課程為例進行分析。

2 《暖通空調運行管理》課程中的工程理念

2.1 建立建筑環控的通風優先理念

暖通空調作為人居環境調控技術，以滿足用戶室內環境品質需求作為運營管理的最終目的，將室內空氣環境作為整體服務對象，應以健康安全優先原則，體現以人為本的工程價值觀，協調好熱舒適與室內空氣品質保障的關系。通風是建筑的基本需求，供暖和空調只是建筑部分時間和空間的需求，但目前建筑暖通空調系統運行管理中普遍存在重冷暖輕通風的問題。付祥釗[8]最早提出了通風優先的環控理念，認為在暖通空調工程的設計、施工、調適、運行等各個階段，應先做通風內容，后再做熱濕調控（供暖、空調等）內容，室內空氣質量控制優先，并協調好熱濕調控與通風的關系。因此，在暖通空調運行管理教學安排上，通風作為室內環境調控的優先技術方案，獨立成章，優先講授，強化建筑合理通風的運行管理工程原則與方法。通風優先原則下空氣熱濕處理后的供暖和空調作為環控補充手段，協同營造健康舒適的室內熱濕環境，遵循少用或適用的原則，按全年冷熱負荷進行動態調控，從而實現全年運行的合理用能。

2.2 培養項目運營管理的全過程理念

建設項目全生命期包括從啟動策劃、設計、施工、運行、改造、拆除和使用后評價等不同階段。建筑使用階段時間和能耗占比最大，課程重點針對建筑運營階段的暖通空調系統節能管理，并增加項目使用后評價，從而形成建筑全過程能源管理的工程理念與工程方法。在項目全生命期中，從前期規劃設計、安裝調試和運行管理、改造更新及報廢處置五個階段，具有時間發展的單向性，前期的發展狀況對后期相連或不直接相連的過程都有影響。國標《空調通風系統運行管理標準（GB 50365-2019）》術語區別了調試和調適，明確“調適”指通過對空調通風系統的調試、性能驗證、驗收、季節性工況驗證進行全過程管理，以確保實現設計意圖和滿足用戶的實際使用要求的工程程序和方法。暖通空調系統運行管理本身就是一個系統調適的過程，根據建筑負荷的全年變化，將用戶需求、末端設備、管網輸配和冷熱源系統作為整體對象，培養學生項目整體觀和系統分析方法。

2.3 樹立建筑環控與運行節能相協同的工程系統思維

建筑設施設備系統主要包括：冷熱源系統、空調機組及通風系統、水系統等機電設備與環境參數控制系統等，環控系統要與建筑能源使用相適應，才能實現建筑整體節能。基于衛生、安全、節能、環保和經濟適用的原則，暖通空調運行節能是運行管理的重點任務，其能耗強度與營造的室內環境品質相關。在確保用戶室內環境品質前提下，不能犧牲室內環境品質為代價減少運行能耗，要實現環境品質和建筑整體能效提升。通過工程案例研究，掌握項目用戶環控需求和建筑使用特性，采用持續調適實現供需平衡是關鍵。在面向建筑能耗總量控制的公共建筑節能管理體系中，室內環境參數作為方案、設計、建造、調試和運行過程的優化目標，在滿足能耗總量和環境安全要求的前提下，盡可能提供一個更加健康、舒適的室內環境品質。

將以上三個工程理念融于教學內容設計，體現暖通空調系統運營的工程思維和實踐方法，把暖通空調系統運行節能作為建筑全生命期能源管理中的關鍵環節，通過科學的理念、適宜的技術和可行的工程方法與管理制度保障，培養學生工程系統思維能力，建立因時因地因項目不同的個性化、精細化運營理念。

3 課程教材建設中的工程思維設計

現有建筑設備運行管理教材及教學主要是高職專業針對運維技能培訓，關注機電設備及系統故障診斷與排除，多為技術細節的羅列，缺少系統性即共性問題分析，對項目整體性能體現不足，不利于學生整體工程觀和工程方法的形成。本科專業教材建設作為課程建設的重要基礎，其知識體系設計必須融入工程教育理念，教材建設指導思想也遵循工程教育觀，教材內容體現未來新經濟發展對具有綜合性、多維度能力的新型工程科技人才的緊迫需求。工程認證的首要理念就是以學生為中心，教材建設也應實現“教與學”深度融合，“學與做”一致要求。筆者主編出版教材《暖通空調運行管理》框架設計融入工程思維[9]，著力體現工程知識的實踐性，有利于培養學生的工程系統思維和工程實踐能力，如圖3 所示。

圖3 《暖通空調運行管理》教材中的工程思維設計Fig.3 Engineering thinking design in HVAC Operation Management textbook

通過教材建設支撐工程思維培養，主要體現在以下四個轉變：（1）章節設計從注重知識體系轉變到以學生應用知識的新媒體設計；（2）由教師編教材轉變到教師與工程師聯合編寫教材；（3）教材使用要從課堂單向講授向教學雙向互動轉變，教學融合，實現教材即課堂；（4）教材使用評價從知識點覆蓋型向培養目標達成度產出的轉變。筆者將工程思維培養融入教材體系設計，教材內容體系如表1所示。

表1 《暖通空調運行管理》教材內容體系Table 1 Content system of HVAC Operation Management textbook

圍繞建筑室內環境調控和建筑能源有效利用，教學內容從用戶側室內環境需求出發，到冷熱供需匹配、空氣供應系統和冷熱媒的輸送系統及冷熱源，再到整個建筑設施設備系統的智能化、信息化的集成平臺，最后通過運行管理制度實現建筑安全、經濟、節能和高效運營。通過重新構建教材知識體系，使教材各章節的內在聯系更加緊密，實現教材知識點的專業性與系統性、完整性與有效性更好地融合，教材編寫特點已另文發表[10]。

4 課程教學方法與教學評價

工程教育基于CDIO 模式對教法和學法給出的指引，對解決理論與實踐、通用知識與專門知識的協同問題提供了教學實踐思路。作為工程實踐課程的教學，在以學生為主體、教師為主導的教學過程中，工程實踐思維訓練呈現多維雙向作用教學融合關系，如圖4 所示。

圖4 工程實踐課程教學中教法與學法的融合Fig.4 Integration of teaching&learning method in engineering practice course

4.1 體現工程思維能力培養的教學設計

由于暖通空調系統本身的復雜性，課程建設采用案例研究與項目實踐相結合的教學方法。在項目案例選用過程中堅持室內環境品質保障前提下的節能運行管理，并且遵循系統性能整體優化前提下的系統能效提升，著重強化建筑系統全過程、全空間的運行管理理念。在項目調適過程中，堅持技術與非技術融合的通風優先節能運行管理理念；將日常調節與全年運行相結合，傳統冷熱源與新能源相結合；立足用戶需求，實現供需動態平衡調節；依托信息技術集成化數字平臺，適應未來數字化運營管理。

根據建筑暖通空調系統運行管理的核心知識單元和主要知識點建立案例庫和項目庫，課程教學可利用校園建筑項目開展現場教學與實踐，要求學生完成一個實際建筑項目的暖通空調系統運行調適方案的設計說明，并對運行方案合理性進行對比分析，獨立提交調研報告。充分利用線上線下教學平臺資源，激發學生主動學習的興趣，培養學生獨立思考、分析工程問題和解決工程計算的能力，引導主動學生查閱專業標準與規范，主動通過自主學習和小組實踐團隊協作獲得專業知識和技能。

4.2 形成產出導向的課程綜合評價

以問題導向，通過立體教材資源與學習通、雨課堂等線上平臺學習資源相結合，引導學生進行線上線下混合式學習，培養其識別、表達和分析暖通空調系統運行管理工程技術問題的思維方法和實踐能力。以項目為載體的實踐性教學評價，能夠有效提高學生的參與度，形成對話、質疑、研討的實踐學習氛圍，同時引導學生從認識工程到項目實踐，再到研究工程的思維訓練，為學生分析和表達復雜工程問題的能力奠定基礎。

課程考核以考核學生能力培養目標的達成為主要目的，以檢查學生對各知識點的掌握及應用能力為重要內容，通過非標準考核進行綜合評價。學生線上學習時長、完成練習量、參與討論數等進行納入平時考核；采用平時作業、調研報告、項目大作業和小組互評等方式評定學生平時成績；期末考核采用開放命題的非標準試卷進行綜合測試。強化平時考核，實施多元評價，平時考核+大作業占60%，期末非標測試只占40%。課程考核后組織教學團隊進行教學后評價，開展教學反思持續改進教學方法與教學評價，尤其是圍繞如何把控案例教學實施過程提升教學實效，如何尊重學生的個體差異增強學生項目實踐的獲得感等，探索學生工程實踐能力培養的有效性。

5 小結

本文圍繞學生工程思維能力培養，以《暖通空調運行管理》課程為例，提出了工程實踐課程教學應以項目為載體的全過程工程思維教學設計，從課程的工程理念、教材建設、教學方法設計和評價等方面分析了專業實踐教育中融入工程思維訓練的方法和路徑。在工程實踐課程建設與教學改革實踐中，學生工程思維能力培養還需更深入實踐與探索解決以下問題：如何實現教師隊伍從技術思維到工程思維的提升？如何將運行管理理念貫通到全過程管理從而形成全生命期工程系統思維？如何依托校企工程教育創新協作平臺從教材建設、教學實施到課后評價的全方位開放體系實現產教融合協同育人？如何評價教材選用項目案例的代表性？以及如何保證工程項目教學案例表述的規范性？

通過項目案例的課程建設與教學實踐來培養學生的工程思維能力，本質上是理論與實踐的相融合，在國外高等工科教育中已是比較通用的教學法，在國內近年來也逐步得到重視。讓學生成為教學活動主體，有利于工科學生的工程問題解決能力及綜合素質的培養，強化了工程項目現場的學習體驗；通過方案分析、設計、實施和運行管理全過程訓練，促進了工程實踐能力的培養和工程系統思維的形成，是持續提升工程教育質量的重要途徑。