雙碳戰略下建筑環境與能源應用專業課程教學改革探討

厚彩琴 曲德虎 王剛

摘? ? 要：文章以雙碳戰略為背景，結合建筑環境與能源應用專業特點，分析了教學改革的必要性、關鍵問題和瓶頸，提出了新的教學方法，并以“通風與空調工程”課程為例，通過ADDIE[Analysis（分析）、Design（設計）、Development（開發）、Implementation（實施）、Evaluation（評價）]教學模型，從內容優化、課堂設計、教學策略及教學深化擴展、效果評價等方面，針對不同模塊授課內容設計擴充課程資源，改進教學方法手段，將項目驅動、團隊協作框架等環節嵌入整個教學過程，重點培養學生自主學習、解決問題的能力，進而培養出順應時代發展、有專業前瞻性的高級人才。

關鍵詞：建筑環境與能源應用專業;教學改革;ADDIE教學模型;人才培養

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）10-0045-04

一、引言

教育部印發的《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》指出，要將綠色低碳理念納入教育教學體系，廣泛開展綠色低碳教育、科普、科研活動，增強社會公眾綠色低碳意識，加快推進超低能耗、近零能耗、低碳建筑規?；l展，鼓勵高校實施碳中和交叉學科人才培養專項計劃，圍繞化石能源綠色開發、低碳利用、減污降碳等碳減排關鍵技術，二氧化碳捕集、利用、封存等碳負排關鍵技術，推動高校加快儲能和氫能領域人才培養[1]。新時代賦予建筑能源行業新的使命和發展機遇。在能源側，須加快構建多元化清潔能源供應體系，推動風光水火儲多能互補、電氣冷熱多元聚合互動，提高整體能效。在建筑側，須科學匹配建筑圍護結構與室內設備，改善使用體驗，降低建筑能耗。另外，在區域能源層面，須積極推動能源服務改革，堅持以人為本、人與自然和諧發展的理念，促進集散式能流網絡一體化發展，推進多能協同互補、梯級利用，建設可持續發展的綠色集約型社會。

二、專業課程體系現狀及存在的問題

現行的建筑環境與能源應用專業課程體系是在最新專業更名后，根據專業發展方向和專業指導委員會大綱要求設置的[2]，主要存在3個方面的問題。首先，專業課中部分內容與專業基礎課重復，部分內容缺乏基礎支撐和指引。例如，“流體輸配管網”作為專業課，其核心內容與“水力計算”“工程流體力學泵與風機”課程內容重復，未能突出專業應用背景和一般問題。學生學習抓不住重點，導致其在后續“供熱工程”課程中再次學習水力失調、熱力失調等概念時發生混淆，甚至產生混亂。其次，專業課授課順序不科學。例如，流體輸配的問題在很多專業課中都有不同程度的體現，但每門課只限于講授本課程中較狹隘的部分，學生無法窺見理論應用全貌，更無法做到“一通百通”。流體輸配網絡作為能流系統中的關鍵一環，須與其他子系統匹配，才能起到“輸配”作用。學生面對相互割裂的知識點，很難建立起知識間的聯系。最后，專業導論未能起到疏導作用。對于剛進入大學的學生來說，如果導論不能幫助其建立專業核心精神、明確核心問題及核心方法、樹立專業信心，將直接影響其后續專業課的學習。同時，專業課程體系過于繁雜，課程有6門之多，但訓練內容陳舊、知識聯系不緊密，導致學生的專業素養未能得到充分訓練。例如，“制冷工程”課程先于“空調工程”課程開設，學生在沒有掌握空調負荷計算、空調系統設計等知識體系時就著手設計空調冷源，對知識一知半解。

在教學改革中，如果一個專業不能根據社會發展及時做出改變就會被時代拋棄。因此，建筑環境與能源應用專業課程教學改革的關鍵在于：明確專業核心，精簡專業課程體系，打通課程間的壁壘，用大作業、大設計訓練學生，培養專業精、知識熟、終身學習的專業人才。

三、新課程體系設計

新課程體系對專業課程進行了適當刪減，整合了部分內容，增加了一些新內容（圖1）。考慮到專業應用背景，教師整合了“工程流體力學泵與風機”“流體輸配管網”兩門課程，同時適當補充了“全面水力平衡”課程的部分內容，將“制冷原理與設備”“空調中的制冷技術”“建筑冷熱源”“冷熱源工程”等課程內容凝練為新的“冷熱源工程”課程，并將重點轉向全面熱回收的區域能源體系。教師將原有的6門課程合并壓縮為4門，同時引入“BIM應用技術”“智慧交通”等新技術、新方向的課程知識擴充知識體系，以適應新的發展需要。

在新課程體系中，“通風與空調工程”作為建筑環境與能源應用專業的主干課程，不僅內容被重新審核編排，增加了智慧綜合能源系統、熱泵/光儲直柔、碳排放計算原理及計量方法等新內容，同時也調整了有關蓄能系統知識的學時。

四、ADDIE教學模型及應用舉例

ADDIE教學模型涵蓋了教學設計過程的一系列核心步驟，其將系統化的教學設計分為分析（Analysis）、設計（Design）、開發（Development）、實施（Implementation）和評價（Evaluation）5個步驟[3]，以保證高效地進行課程設計與實施。根據該模型特性，同時考慮到“通風與空調工程”課程內容多樣性和系統性的特點，教師結合多年的教學經驗，擬對不同的內容采取不同教學方法（圖2）[4]。文章以“通風與空調工程”課程的風系統設計為例，介紹ADDIE模型應用于教學設計的具體思路、方法、實施過程和成效（圖3）。

（一）分析階段

本階段，教師根據學生已有知識儲備、學習特點和學習風格，針對不同內容進行教學方法和教學過程設計。由于大三學年學生已具備了一定的自學、探究、理論聯系實際的能力，掌握了流體動力，運動學，各種流動的特點、計算，傳熱傳質及能量轉換等基礎知識，對各種室內參數評價及標準也有所知曉，因此，“通風與空調工程”課程針對 大三學生開設。風系統作為教學重點，是為了保證室內的熱濕環境、氣流分布、噪聲控制、空氣品質等參數而設計的起輸配作用的管道、閥門、控制器等構成的子系統。其主要任務是綜合通風空調需求、空氣熱濕狀態、熱（冷）媒狀態、水力特性等條件，根據熱力學定律和傳遞過程原理設計輸配管道，匹配熱工設備。該部分內容結合課程思政和雙碳目標，有意擴展建筑全生命周期碳排放、通風排放的碳效應及排放量計算、風機及空氣處理設備如何利用可再生能源、系統節能及顯熱/全熱回收等知識。

在教學過程中，教師以圖書館通風空調系統為例，引導學生逐步深入問題的本質：圖書館多功能會議室的室內空氣品質可能會存在什么樣的問題？用什么方式可以改善這些問題？室外環境如何影響空氣處理過程，如何影響輸配系統？如何考慮節能環保？如何評價室內空氣品質及熱舒適度？教師通過一系列設問引出自然通風、機械通風、置換通風、定/變風量空調系統、單/雙風道系統等概念，以舊推新，引導學生以“流體力學”“工程熱力學”“建筑環境學”等課程中的知識支撐新的課程內容。事實上，這是一個從理念到概念，再到基本原理的科學探索過程。

（二）設計階段

本階段主要梳理本單元教學知識點，提煉出自然/機械通風全面通風量計算、置換通風及使用條件、房間氣流組織設計及計算3個小模塊，并把其作為教學重難點，同時，根據不同內容的難度和特點采用不同的教學策略。

全面通風量（Q）是指為滿足各種規范規定的空氣環境需要，用來稀釋房間的有害物濃度（某有害物濃度為cs）或排除余熱、余濕所需的室外空氣。微分方程為Q·cs·dτ+m·dτ-Q·c·dτ=V·dc[5]。在設定理想條件下，假設污染物在室內均勻散發、送風氣流和室內空氣的混合在瞬間完成、送排風氣流的溫度相差不大時，方程簡化為

，? ?。當室外通風量一定時，室內有害物初始濃度為c1，經過某時刻τ后得出濃度c2，公式為c2=c1exp（? ? ? ）+（? ?+cs）[1-exp（? ? ?）]。通過公式Q =? ? ? ? ? ?-? ? ? ? ? ? ? ?得出非穩定狀態下的全面通風

換氣量Q。

教師通過設定理想條件，給定邊界條件，簡化方程計算維度，引導學生從實際問題出發，通過數學工具與熱量/質量傳遞、平衡等熱物理知識相結合，深入輔助學習專業課程。置換通風相較于傳統的稀釋污染物的局部或全面通風具有明顯特征，因此，學生有必要深入理解置換通風與稀釋通風在通風效率、能耗等方面的差異，了解置換通風的實質是由物理場的非平衡勢差決定的。教師可通過索斯風管和手術室垂直單向流的動畫展示置換通風的獨特效果。這種可視化（動畫）素材將枯燥的說教濃縮至5 min以內，極大地提升了學習效果和效率。

氣流組織設計屬于非平衡定態熱力學問題。對本科學生而言，該部分內容對數學處理的要求較高。例如，空氣在房間的非等溫受限射流、貼附射流長度、射流溫差衰減計算等都是通過流體流動和熱質交換等理論與經驗相結合，直接從物理圖像入手厘清氣流組織的結構，然后結合案例分析講授工程設計的一般方法。通過某工程的施工圖來講解該系統做了哪些內容（管道布置、風口種類及選擇、氣流組織方式等），需要滿足哪些參數（溫度、濕度、工作區氣流速度），用什么參數（阿基米德數、射流自由度、射程、溫差衰減度）來評價效果，將概念、設計、評價融為一體，一方面增強了知識的系統性，另一方面教會了學生如何讀懂施工圖，并進行計算、設計、繪制施工圖，有助于實現學生從課堂到工程現場的過渡。

（三）發展階段

在明確學習對象、熟知學習內容、提煉出重難點并采用不同的教學策略后，本階段重在利用線上資源擴展知識體系，內化知識要點[6]。第一，教師通過課后作業的方式，督促學生利用線上資源學習自然通風、機械通風、置換通風的實例，歸納總結不同點和適用場景。基于此，將靜態的知識點轉化為情景記憶，使課堂內容得以內化。第二，教師通過大作業（調研）的方式，引導學生利用線上資源自主學習有關室內環境空氣質量評價、綠色建筑、建筑節能及其評價，以及全生命周期建筑碳排放評估等目前熱點和急需掌握的知識，并鼓勵學有余力的學生用CFD仿真模擬軟件對各種場景開展模型仿真，為其繼續深造或就業奠定基礎。

（四）實施階段

在此階段，教師先利用10～15 min的時間用于鼓勵學生觀察并思考周圍建筑（教室、體育館、圖書館等）的室內溫濕度等參數如何滿足不同季節需求，引出通風（自然通風、機械通風、置換通風）及空調的概念，進一步深入分析通風和空調系統的不同[空氣處理方式及流程、參數要求、污染物稀釋（置換）等]。教師在學生討論后，用設計階段提出的不同教學手段對全面通風量、自然通風中和面及通風口面積、空調系統空氣熱濕處理、室內空氣品質及評價、冷熱源及節能、建筑碳排放及減少碳排放措施和意義等知識點逐步進行講解，通過全面通風量的公式推導，系統講解如何用數學知識解決工程問題，利用動畫生動形象地展示手術室的氣體流動及溫濕度梯度分布，用工程實例施工圖培養學生識圖能力，也可讓學生自己繪圖，增加學生學有所用的滿足感和自豪感，激發求知欲，解答學生在討論階段提出的問題并進行適當補充和擴展。

（五）評價階段

課程最后階段為評價鞏固環節。首先，教師提供位于本地區的教學樓、賓館、航站樓、精密儀器電子廠房、冷庫等建筑的圖紙，通過空調系統方案模擬競標的方式，鼓勵學生以小組為單位，在方案競爭的框架內，全面思考系統的熱力學完善性、經濟性、可持續性，并進行空間氣流組織、冷熱源的方案設計。其次，在小組方案完成后進行組間互評，主要考慮因素及評價指標包括污染物擴散、氣流分布均勻性（是否存在流動滯留區）、室內環境舒適性、主要耗能設備、可再生能源利用情況、碳排放概況、可持續發展性等。小組間要指出各組設計的優劣，并提出優化方案。最后，進行討論點評，即每組推選一位代表進行設計方案講解，闡述方案，各組學生則互相質疑提問，并和教師一起查資料，通過比較實際設計案例進行優化。例如，如果設計地點發生改變，以及周圍的自然資源和可再生能源分布不同，該如何變更設計方案，如何最大程度利用可再生能源（如太陽能、風能、沿海城市潮汐能等），利用天然冷熱源（如江河湖泊和地熱能），減少化石能源消耗，盡可能減少碳排放等。通過組內合作、組間互評，培養學生的團隊協作精神和精益求精、嚴謹細致的工程品質。

五、結束語

文章從新時代國家重大戰略需求出發，結合建筑環境與能源應用專業特點，分析了教學改革的背景、必要性、關鍵問題和瓶頸，提出對不同內容采取不同方法的教學策略，并以“通風與空調工程”課程改革為例，引入ADDIE教學模型重新設計教學過程。從課程導入到內容選取，采用不同教學手段，擴展各種教學資源和工具，引入碳中和碳達峰策略，基于全生命周期碳足跡追蹤及碳排放量計算、光儲直柔等新技術、新目標，培養學生提出問題、思考問題的能力，以及借助不同手段，集思廣益，團結協作解決問題，直至最后保質保量高效完成實際工程項目的能力。這種教學方法在教授學生傳統理論知識的同時，融入時代發展需求、前沿技術及社會責任，將項目驅動、團隊協作的框架有機嵌入到課程中，重基礎知識的建立、重數學及計算機軟件等工具的應用、重知識體系的擴充，幫助學生樹立積極主動、勤于思考、自主學習、終身學習的意識和能力，實現培養優秀的工程技術人才的目標。

參考文獻：

[1]? 教育部關于印發《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》的通知[A/OL].（2022-04-24）[2023-02-19]. http：//www.moe.gov.cn/src-site/A08/s7056/202205/t20220506_625229.html.

[2]? 符永正，劉冬華，焦良珍.關于建筑環境與設備工程專業若干問題的探討[J].中國大學教學，2012（4）：40-42.

[3]? 姚娟娟，王世存.基于ADDIE模型的化學翻轉課堂設計：以人教版“氧化還原反應”為例[J].化學教學，2017（7）：37-40.

[4]? 鄭恩楠.PBL模式在本科教學中的應用與探索[J].黑龍江教育（理論與實踐），2022，76（3）：59-60.

[5]? 孫一堅，沈恒根.工業通風[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2010：16-18.

[6]? 洪燕.基于CDIO理念的土木工程專業建筑類課程一體化教學設計初探[J].高等建筑教育，2022，31（5）：96-107.

收稿日期：2023-02-07? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-03-06

作者簡介：厚彩琴（1973—），女，甘肅定西人，蘭州理工大學土木工程學院副教授，研究方向為建筑節能、可再生能源利用。

基金項目：2021年蘭州理工大學線上線下混合式教學一流課程建設項目