基于新工科人才培養要求的建環專業實驗教學內容的改革探索

李俊梅 藺 潔 王宏燕 李炎鋒

北京工業大學城市建設學部 北京 100124

新工科建設是應對經濟發展、產業變革和全球競爭，推動我國邁向高等教育強國的重要舉措。區別于傳統的工程教育理念，“新工科”是一種新型的工程教育理念，即“大工程觀”。一方面“大工程觀”強調培養具有全球視野、跨界整合能力、創新創業能力、應用實踐能力的綜合性、復合型工程科技人才，主要面向新技術、新業態、新模式和新產業，服務于產業現實急需和未來經濟發展需要；另一方面，大工程觀要改變傳統工程教育實踐缺乏的缺陷，注重工程教育的應用實踐性，還要改變工程教育專業領域較窄的問題，強調跨學科性，注重傳統理科轉向工科應用，加強傳統工科專業之間的交叉復合，與科學、藝術、人文、社會、經濟等其他學科之間的交叉融合[1-3]。

建筑環境與能源應用工程專業(簡稱“建環專業”)是在原供暖通風與空調工程專業的基礎上為適應經濟技術和社會發展的需要，經過多次專業拓展、更名發展而來的，是一門跨行業、跨學科的新型交叉學科，專業范圍涉及采暖、通風、空調、給排水、消防、新能源利用、城市燃氣、建筑節能技術、建筑設施智能技術等多個領域。近年來，建環專業以促進健康和可持續發展理念為指導，服務國家創新驅動發展戰略，緊密結合節能環保、新能源開發利用、雙碳目標等熱點方向，利用“互聯網”“大數據”和“云計算”等先進手段提升建筑能效、發展智慧建筑能源和智能熱網，是名副其實的新工科專業，也是成功入選我國新工科專業建設的眾多專業之一[4，5]。教育部新工科建設的啟動與推進，為建環專業的進一步發展提供了新的機遇，但在其人才培養的各個環節勢必也會提出新的更高的要求。

結合建環專業面臨的新形勢，進一步培養學生的研究和創新能力、多學科知識的融合能力、解決復雜工程問題的能力，社會意識、家國情懷、團隊精神、跨學科和系統思維是建環專業新工科背景下人才培養的主要目標。

實驗教學是建環專業人才培養的主要實踐環節，是培養學生創新能力、實踐動手能力、解決實際問題能力、團隊合作意識的關鍵[6]。在新工科背景下，專業實驗教學如何在實驗內容設置、實驗教學方法上適應新工科建設的人才培養的需求還需進行進一步的探索。以下以北京工業大學建環專業實驗教學為例，對新工科背景下實驗教學的改革進行初步的探索。

1 傳統實驗教學在新工科人才培養方面存在的問題和不足

我校建環專業的實驗教學經過多年的實踐探索，已形成了結合本校學生實際和專業特色的實驗教學體系。在鞏固課堂理論課學習內容，培養學生實際操作能力、解決實際問題能力等方面發揮了巨大的作用。但是隨著形勢和社會發展特別是新工科對人才素質要求的不斷提高，現有的實驗教學體系存在的不足日益明顯。主要表現在：

1.1 系統綜合實驗平臺及實驗內容缺乏

目前開設的實驗多是結合理論課的需要，實驗內容設置關聯性不強，學生能夠接觸的實驗內容有限，形不成整體的系統概念。建環專業是一個工程性很強的專業，其專業課程的設置有著很強的工程背景，各主干專業課之間有很強的聯系性，適合開發必要的綜合性、工程性強的實驗平臺，并設置相應的實驗內容。學生能結合自己的專業方法，充分應用所學的技術基礎知識，在實驗課中發揮自己的主觀能動性和創造性。

1.2 創新實驗創新性不足

目前開設的4個創新實驗在實驗方法和實驗內容多是沿襲傳統實驗，且實驗內容多年不變，已無法體現出創新性，對學生創新能力的培養作用有限，急需結合科研實際、專業新技術、新方法設定新的創新實驗內容。

1.3 現有實驗平臺中專業前沿技術含量不足

現有的智慧建筑、新能源、可再生能源應用等行業熱點內容沒有引入實驗教學，學生對這些新技術的理解僅限于理論，無法深入理解這些新技術在專業中的實際應用效果。

2 結合新工科背景，建環專業實驗內容和實驗教學體系的改進

針對以上不足，為應對新工科人才培養的實際需要，我校建環專業在實驗教學方面進行了以下改革。

2.1 專業實驗教學內容的整合與優化

原有的實驗課程設置分組基本上按課程開設的時間進行，缺乏系統性和各實驗之間的關聯。我校15版教學計劃中專業實驗課程的設置如表1所示。

基于此，在20版教學計劃中，我們將專業實驗依據專業基礎課實驗、專業課實驗又重新進行了歸類分層。第一層次專業實驗1，是專業基礎實驗。該層次的實驗中包括建筑環境測試技術綜合實驗、風機性能實驗、水泵性能實驗、光環境和聲環境的測量實驗等。通過該層次的實驗，使學生能熟練掌握專業常規儀器的使用，理解專業基礎設備的工作原理及性能，為后續的專業實驗奠定基礎；第二層次專業實驗2，主要涉及供熱、空調、通風相關的實驗，包括熱水供暖系統實驗、熱網水力工況實驗、供熱系統性能測試綜合試驗、空氣熱濕與凈化處理及運行調節實驗、除塵器性能實驗、教室自然通風量測定實驗等，通過完成該層次的實驗教學，可以進一步加深和鞏固學生對所學的供暖、通風、空調課程所講授的專業知識的理解。第三層次專業實驗3，主要涉及冷熱源和自控系統相關的實驗，包括自動控制原理實驗、自動控制系統實驗、制冷系統性能綜合實驗、鍋爐房工藝與設備綜合實驗等。通過該層次實驗，學生進一步理解冷熱源系統的工作原理以及自控系統在暖通空調系統中的應用。實驗設置如見表2。

表2 20版教學計劃中專業實驗內容的設置

通過將實驗內容的歸類整合，使專業實驗得以循序漸進地完成。學生在完成實驗的同時，對專業課程的組成脈絡、暖通空調系統的組成也有了較清晰的認識，加深了對專業知識的理解和動手能力的提升。

2.2 創新實驗平臺的搭建和創新實驗內容的更新

創新實驗是我校在傳統實驗教學的基礎上，為培養學生的創新能力設置的實驗項目。以往的創新實驗包括：水泵性能與管網匹配實驗、制冷裝置調控特性及壓縮機性能實驗、空調系統及空氣處理過程實驗、供熱系統性能測試綜合實驗，這些實驗的設定雖然在當初有一定的創新性，但是多年實驗內容不變，相關內容的創新性已經嚴重不足。基于此，在新工科和雙碳背景下，我們將新能源、大數據、互聯網技術等引入了創新實驗教學，新搭建了太陽能光伏、光熱實驗平臺、風光互補發電實驗平臺、智慧供熱、供冷綜合實驗平臺、熱管熱回收實驗平臺、建筑設備自動化實訓平臺等，代表性實驗臺如圖1至圖3所示。在此基礎上增加了太陽能光伏、光熱系統性能綜合實驗、低碳多能互補能源系統實驗、基于物聯網的建筑能耗數據挖掘與評價實驗、小溫差高效相變儲熱(冷)技術實驗、供熱、供冷系統性能的評價分析實驗、空調房間流場與溫度場的測量與評價分析實驗、建筑設備自動化實驗等。這些創新平臺和實驗內容的增加，使得學生對新能源、大數據和節能技術在建筑中的應用有了深層次的理解，利用大數據分析對系統的性能進行優化、分析、評價提升了學生解決實際問題的能力和手段。

圖1 建筑設備自動化實訓平臺

圖2 空氣冷(熱)回收實驗臺

圖3 水洗過濾物實驗平臺

2.3 創新實驗課程考核方式的改革

原有的創新實驗課程考核只有通過、不通過兩種方式，完全體現不出學生的能力和水平，必須對創新實驗的考核方式和考核內容進行改革。基于此，我們從創新實驗的準備、操作、實驗報告等環節對學生的實驗情況進行考核，并在最后增加了答辯環節，通過這些環節的考核，一方面督促學生認真完成實驗，另一方面多環節的考核使成績更加公平公正，能充分體現出學生的能力和水平。

結語

新工科建設對建環專業的人才培養提出了更新、更高的要求。在新工科背景下，針對建環專業傳統實驗教學在人才培養方面存在的不足，對現有實驗體系進行了優化整合，在創新實驗中加入了互聯網、大數據、新能源利用、智慧供冷、供熱等新工科內容，并進一步完善實驗考核環節。通過實驗教學的改革，進一步加深了學生對專業前沿技術的理解，提升了其解決問題的能力和手段，為建環專業新工科人才培養奠定了必要的基礎。