新工科背景下基于創新能力培養的制冷技術課程教學改革與實踐

莊兆意　王斌　劉乃玲　崔萍　張林華

［摘 要］在建筑環境與能源應用工程專業的專業課程體系中，制冷技術課程占據非常重要的地位。對制冷技術課程進行教學改革有利于在現有教學平臺的基礎上，提高學生的創新意識及綜合素質。以課程的改革創新為基本點，通過引入熱泵系統和空調機組系統的仿真模擬平臺、加強教師團隊的建設、建設“理論授課+虛擬仿真+工程實訓”三合一教學體系，以提高學生的學習積極性和主動性。

［關鍵詞］制冷技術；教學改革；創新能力

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0053-03

世界范圍內新一輪的綜合國力競爭愈演愈烈，與此同時科技革命和產業變革也在加速進行。為此，2017年2月以來，教育部積極開展新工科研究與實踐，先后形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，共同構成了新工科建設“三部曲”，期望探索領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等工程教育強國建設[1]。建筑環境與能源應用工程專業是立足于創造健康、舒適且節約能耗的辦公和居住環境的專業。制冷技術作為建筑環境與能源應用工程專業的一門專業課程，在“綠色建筑，節能先行”的大環境下扮演著重要角色。隨著綠色建筑的概念深入人心，社會對于擁有豐富實踐經歷和較強動手能力的人才需求愈加迫切。如何提高制冷技術課程的教學質量，以及如何讓剛走出校門的學生具備參與工程建設的能力成了一項迫在眉睫的任務。為此，筆者所在的研究團隊秉持以創新能力培養為目標，對制冷技術課程進行教學改革及實踐，從理念引領、內容及方法創新角度開展教學改革，通過教學內容和教學方法的論證與實踐，就教學理念、教學方式等方面進行了分析與總結[2]。以期突破現有教學方法所形成的桎梏，實現真正的產教合一。

一、制冷技術課程教學改革的背景

山東建筑大學始建于1956年，自建校之初建筑環境與能源應用工程專業就被作為一項重點學科設立。經過60余年的辛苦耕耘，該專業逐漸形成了一支優秀的教師團隊，并且取得了豐碩的科研和教學成果。制冷技術課程作為該專業的一門專業課，其課程安排主要分為課堂授課、實驗課程、空調制冷綜合課程設計；課程總課時為40學時，其中理論授課為38學時，實驗課程為2學時，綜合課程設計與空調課程相結合，一般安排在學期末統一進行，通常為5周。此課程安排旨在學生能夠將所學的制冷技術和空氣調節課程內容有效地落實到工程實踐，加深學生對知識點的理解及掌握。

但是，隨著近些年學科的不斷發展，以及專業方向的不斷調整，現行的制冷技術課程教學方案、較為單一的課程體系和填鴨式的課堂教學模式下培養出來的學生，已無法滿足當今社會對于工程類專業的專業性人才的需求，有以下幾個問題亟待解決。

（一）教學方式

山東建筑大學的建筑環境與能源應用工程專業每年收受約170名新生，分為4個班級，目前制冷技術課程采用的是2個班級合堂授課方式，這和原有的4個班級大合堂授課相比，授課效果在一定程度上有所提升，但是該專業學生的理論基礎相差較大，因此單一的教學方式無法照顧到每一位學生；同時，不同的學生對于自己未來的規劃也不盡相同，根據歷年本專業本科畢業生畢業去向數據可知：有半數以上的本科畢業生選擇考研；而超過40%的畢業生則選擇畢業后直接進入設計、施工等相關企業或地產公司（見表1）。相比于前者，后者則更希望可以在校內擁有一定的實踐機會，以提高自己的動手能力和專業熟練度。

由此可見，對未來有著不同規劃的學生對于理論基礎和實踐能力的需求也大相徑庭。因此，對于不同人生規劃的學生采用統一的教學模式勢必難以達到良好的實際教學效果，也不能使全部的學生都可以得到自己所需的知識及能力。

（二）教師資源

該專業相較于其他工科專業而言有著更強烈的實踐需求，因此，專業教師不僅要擁有扎實的理論基礎，還要具備較為豐富的實踐經驗。該專業歷經多年的發展目前已經初步形成了以老中青為代表的教師團隊，但只有老一輩的教師擁有較豐富的工程實踐經驗，而這些教師的數量相比于參與課堂教學較多的青年教師數量就略顯單薄。目前大多數院校都是青年博士畢業直接進課堂，雖然這些青年教師對專業知識有著深刻的理解，但是參與過實際工程建設的經驗較少，對于實際工程中的操作細節缺少完整的認識，這就使得課堂內容多以講述課本知識為主，這種填鴨式的課堂教學形式容易使學生感到乏味，進而影響教學質量。同時，專業課程涉及環境保護、能源應用等眾多的內容，不僅增加了學生學習相關知識的難度，而且一定程度上影響了學生專業課程知識學習效率和質量[3]。因此，專業課程的課堂教學應以課本知識為基礎，以工程案例為輔，通過案例吸引學生注意力、激發學生的思考。制冷技術作為建筑環境與能源應用工程專業重要的一門課程，對于任課教師的要求更是如此，因此，“雙師型”教師的缺少，也是目前制冷技術課程教學改革所面臨的一個重要難題。

（三）實踐條件

制冷技術是一門實踐性較強的專業課程，課程中所涉及的各種制冷機組、制冷系統及其組成構件，因為其占地面積大、設備昂貴等，無法在校內進行建設，教學實驗設備與學生比例失調矛盾也較為突出，導致開放性實驗室培養模式難以實行，導致學生把理論應用到實踐的環節受到制約[4]。為提高學生實踐能力，本科階段大都采用實地參觀實習的方式，但方法也有著較大的限制，例如存在通勤安全、企業機房的申請難度以及學生只能參觀而不能參與實際建設等問題，使得課程存在實踐機會有限、實踐效果不佳等問題。

制冷技術課程的改革和創新的思路總體為建立一套相對完善的課程體系，加強校企合作，提升學生在學習過程中的主動性和參與度。用現有教學資源、師資力量及企業平臺，轉變傳統的灌輸式教學模式，通過內容比較、問題引入，激發學生探索、求知的興趣，充分調動學生的自主學習意識[5]。教師課堂講授與學生實際動手操作相結合，以理論學習與工程實踐互補的方式開闊學生視野，做好理論與實踐的銜接工作，在夯實學生專業基礎理論的同時，培養學生的實踐創新能力。

二、教學改造方案

基于上述現行的制冷技術課程教學方案存在的弊端，結合新工科背景下對于培養學生創新能力的要求，擬從以下幾點進行教學改革。

（一）引入虛擬仿真實驗平臺

模擬仿真教學過程是應用計算機模擬模型開展仿真教學，是學生在教師指導下通過觀察、討論、思考等方法主動獲取知識的過程[6]。引入虛擬仿真實驗平臺可以有效緩解學生實踐機會少、實踐能力差的現狀。目前，學校和北京象新力科技有限公司合作，共同研發了熱泵性能及空調機組性能虛擬仿真實驗平臺。學生可通過改變相關參數（室內溫度、環境溫度等），觀察各設備的運行情況，通過后臺仿真模型實時計算，給出各設備的運行曲線及性能參數（耗功率、制熱/冷量、性能系數等）。

仿真模擬實驗平臺可以通過三維虛擬現實技術和底層數學模型相聯系等手段實現交互操作，學生可以通過改變熱泵機組的運行工況，實現對熱泵機組（蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流裝置等）各部件實時運行的狀態及性能的改變；也可通過改變空調機組的運行工況，實現對機組各組成部件的運行狀態及性能的改變，繪制運行曲線或生成實驗報告。

通過此平臺學生可以自己動手設計并搭建一套完整的由熱泵系統（地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵）和末端空調系統（全空氣系統、風機盤管+新風系統）組成的系統，主要可以操作設備及部件連接，觀察移動及調試等操作，并通過可視化三維系統構建和數值模擬來實現模擬結果。

將熱泵性能及空調機組性能虛擬仿真實驗平臺引入制冷技術課程體系中，學生通過虛擬環境下的漫游認知、實操練習、理論計算及設備性能分析等環節，可加深對課堂教學理論的理解，熟悉和掌握暖通空調設計流程及重難點。同時，計算機模擬仿真為學生提供了可以操縱、觀察和分析的模型，能激發學生探索性學習活動的積極性，這種教學模式能夠迅速提高學生對于網絡理論與實踐相結合的整合能力，實現從理論到實踐的飛躍[7]。此外，還能提升學生的系統工程思維及解決工程實際的能力，培養學生的創新意識與科學研究素養。

（二）加強教師團隊建設

在我國，校企合作培養“雙師型”職教師資已經具備了理論基礎、現實基礎、政策基礎和關聯基礎，為構建校企合作培養“雙師型”職教師資的機制提供了理論支撐、政策依據和工作基礎[8]。為此，針對“雙師型”教師稀缺的現狀，結合校外專業設計團隊，以骨干教師為主體，通過專業工程師帶隊，加強對青年教師和“雙師”型教師的培養。在提高青年教師理論素質的基礎上，進一步加大青年教師與企業的產學研合作，對教師進行專業知識與工程實踐的培訓，鼓勵他們考取專業注冊資格證書。同時，學院可與暖通行業中的企業建立長期合作關系，邀請企業的專業人員加入課程教學團隊，邀請合作企業中有豐富工程經驗的工程師走進課堂。具體而言，有以下幾種方式。

1.通過開展形式多樣的實地考察培訓活動，提升青年教師的實踐和教學能力，并在校內定期開展教師知識技能大賽或課堂競賽。

2.利用與建筑工程公司、設計院以及設備生產企業的交流機會，加強青年教師的工程實踐能力的培訓。如，挑選部分青年教師趕赴相關實踐基地參與工程項目或技術研發項目，掌握先進的專業知識和技能。

3.邀請經驗豐富的設計工作人員來校講座，提高教學團隊的教學質量與綜合技能水平。將前沿的科學技術與實際工程案例結合起來，強化教師對理論實踐的認知能力。

（三）形成“理論授課+虛擬仿真+工程實訓”三合一教學體系

建設“理論授課+虛擬仿真+工程實訓”相結合的綜合實踐教學體系，應從以下幾點著手。

1.采用開放性實驗。放棄原有的學生被動接受的實驗形式，采取開放性實驗教學，注重訓練學生實際動手能力，提高學生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

2.設置綜合課程設計。建筑環境與能源應用工程專業課程設計宜選取多門課交叉項目，使學生掌握整個空調系統的組成，從系統原理到設備選型再到系統優化控制等，熟悉本專業與其他專業的接洽融合，通過課程設計強化學生的系統知識。

3.校內理論學習、虛擬仿真實驗與校外實訓聯合教學。校內學理論，做虛擬仿真實驗，在校外實訓基地將課堂知識延伸到具體的工程項目。通過觀摩學習及動手操作，加深對所學知識的印象，提高學生的動手能力，激發他們的學習興趣。

4.鼓勵學生參與校企合作項目。與合作企業進行充分的溝通交流，共同商議校外企業實訓基地的搭建問題，合理分配校內與校外實訓的時間問題，探討校企合作教學模式。

三、結語

通過上述的一系列改革措施，學生在課堂的學習積極性將得到明顯提升，對課程知識點的理解和認識也會更加深刻。在引入仿真模擬實驗平臺之后，學生對于熱泵系統和空調機組的組成和運行過程將更加熟悉，參加國內各類設計大賽或者挑戰杯的學生也會越來越多。通過實踐教學體系的實施，達到一些傳統的教學目標，如培養學生的科學思維和創新思維能力，提高學生獨立動手、分析解決問題和進行科學研究的能力，實現提高學生自主學習能力和創新創業能力的教學目標[9]。在此教學模式的教導下，學生的理論知識將會更加扎實，創新能力也會得到進一步的提高，在畢業季的就業高潮中將會具備強有力的競爭力。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 黃治同.面向“新工科”復合型創新人才培養的教學模式綜合改革與實踐[J].教育教學論壇，2019（16）：224-225.

[2] 彭雅軒.新工科背景下材料力學課程教學改革探索[J].科技視界，2019（32）：159-160.

[3] 于戈.建筑環境與能源應用工程專業人才培養體系探索[J].四川建材，2019，45（7）：228-229.

[4] 陳明東.空調用制冷技術教學改革探討[J].寧夏農林科技，2012，53（2）：76-77.

[5] 方趙嵩，冀兆良.論《制冷技術》的教學改革[J].制冷，2015，34（2）：55-59.

[6] 李建軍，吳志平.高校工科專業課程計算機模擬與仿真教學研究[J].中南林業科技大學學報（社會科學版），2008（5）：133-136.

[7] 邢敏，黃嵐.計算機模擬仿真教學的研究與實踐[J].現代教育科學，2007（1）：152-153.

[8] 謝勇旗. 校企合作培養“雙師型”職教師資機制研究[D].天津：天津大學，2014.

[9] 周恒濤，劉海燕，虞婷婷.建筑環境與能源應用工程專業“新工科”人才培養模式改革的研究與實踐[J].教育現代化，2019，6（70）：28-29.

［責任編輯：雷 艷］