建筑环境与能源应用专业创新实验课程的实践

蔺 洁, 陈 超, 张思琦

(北京工业大学 a.建筑工程学院；b.北京绿色建筑环境与节能技术重点实验室，北京 100124)

0 引 言

培养学生创新能力是现代高等教育的首要目标[1-3]。创新能力是在技术和各种实践活动领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力[4-6]。一个人的创新能力通常有两部分组成[7]。一部分指人的智力，即人具有的知识和阅读、理解、记忆等的能力[8-9]。通常一个人掌握的知识越多，与智力相关的能力就会越高，创新能力越强的可能性越大[10-12]；另一部分指一个人在遇到问题时能迅速找到解决问题方法的能力[13]。尽管对学生这两方面创新能力的培养贯穿于学习过程的各个阶段，但因各阶段学习内容不同、实施形式不同，需要展示的能力不同，因此培养创新能力的过程及细节不尽相同。对于第一部分能力的培养大多通过课堂教学过程来实现，而对于第二部分能力则在实践教学过程中培养机会居多[14-15]。对于工科专业而言，为了实现学生创新能力的培养，如何配合课堂教学尽可能地发挥实验课程特有的作用？如何在实验教学中提高学生创新能力，发挥实验教学对学生创新意识、创新精神、创新能力的培养作用，并最终达到促进学生知识、能力、素质综合发展的目的？本文针对专业创新实验课的实践教学过程进行了有益尝试。

供热系统性能综合实验是我校为建筑环境与能源应用工程专业的本科生开设的一门综合实验课程。近些年随着该专业内涵的不断扩大，用人单位对于应届毕业生能力、素质要求的不断提升，原有的实验课都是基于某一门专业课内容设置的，对具体知识的理解、掌握及应用设计的很到位，但缺少对多个知识点融会贯通及综合应用的环节，故原有实验不利于实施对学生创新能力的培养，需要增设融合几门课程知识的综合类实验。为此，学校增设了供热系统性能综合实验，该实验基于多热源、多末端、实尺寸的供热系统性能实验平台，该平台给学生提供了多项实验内容，涉及很多知识，为学生综合运用知识和充分发挥个性能力提供可能。这门课程开设4年，已取得一定效果。

1 供热系统性能综合实验台

供热系统性能综合实验台被设计为一个真实的输配系统。搭建之始考虑到该实验平台既要满足科研需要又要满足平时用户对室内环境的冷热需求，因此该系统把常规冷热源和末端全部包含进去。该实验台由冷/热源、末端和管路组成。3个不同的热源分别是：电锅炉，市政集中供热和空气源热泵机组。系统末端有3种类型：散热器，混凝土辐射地板和风机盘管。管路系统设计为2种形式：一次和二次循环。实验台系统如图1所示。

图1 实验台设计图

由图中可见，该实验系统的运行工况有多种形式，典型模式有：锅炉直供散热器的一次循环系统、市政间接供热的地板供热系统以及空气源热泵直供风机盘管的系统，这3种形式中的每一类热源或者末端都可以换为其他形式，实际运行模式灵活多样。实验室有这样一个可以实现多种运行模式的系统，为学生完成多种运行模式提供了可能，也为学生提供了多个可能遇到的常见专业问题，借此为他们提供较多的锻炼机会。

2 创新实验课程的设计及实施

供热性能综合实验系统所完成的多种运行工况涉及到本专业诸多专业课的相关内容，有：供热工程、流体输配管网、空气调节、冷热源工程以及自动控制原理等课程。该实验平台尽管可以实现系统的供冷或供热，因实验开课时间在冬季学期，因此在这样一个实验台上实施学生创新能力培养主要依托于系统供热运行。下面从实验的设计理念、实验过程的设计流程、实验结果考核3个方面分析对该创新实验进行阐述。

2.1 实验的设计理念

本实验的设计宗旨兼顾了专业知识和教学规律两个方面。从专业知识角度设计时需要考虑的重点是该实验台可提供哪些实验？这些实验的难易程度及可操作性如何？学生可能遇到的专业问题有哪些？该如何找到解决问题的方法？经过反复考虑最终实验内容确定为：①熟悉供热系统及常用设备的组成、结构、工作原理；②熟悉供热工程常用测试仪器的测量原理、掌握测试方法及操作规程；③通过测试热用户与供热系统在不同连接方式下的用热量及能耗等参数，进行系统性能分析及能耗分析，掌握能耗分析方法；④通过测试热用户不同散热设备热工性能，掌握散热设备实验测试方法，建立散热设备散热量与影响因素之间的关系式；⑤通过一、二次网路性能调节，测试换热器热工性能，熟悉换热器的工作原理；⑥熟悉混水装置的工作原理，并进行混水装置性能测试；⑦通过进行一、二次管网性能调节和水力稳定性研究，掌握供热系统运行调节方法。可以看到，在实验台上可以设计完成的实验项目很多，学生可以有选择地做。设计较多实验内容的目的是从专业角度尽可能多地向学生展现该实验台在专业上可能遇到的、需要解决的典型问题，开阔学生视野，引导学生积极思考。同时整个实验内容设计时也考虑了既要考察学生对专业知识的理解与掌握又要考察他们对知识体系的融会贯通以及在工程实际中灵活应用知识的能力。

而从教学规律角度制定实验目标考虑的重点是如何通过实验教学，训练学生的思维能力，发展学生的智力，培养学生获取知识、运用知识、创造知识的能力。在这个过程中，为了发挥实验教学自身优势，根据该实验内容丰富、可选择空间大的特点，学生可根据自己的时间和兴趣选择实验内容；同时为了促进学生知识转化能力的提高、完成由学习者到实践者的转化，提高学生发现与探究系统规律的能力，学生被要求提前预习实验，实验前需完成的工作有：①查阅文献、制定实验方案。学生需要先温习已学知识、弥补自己知识的不足之处。这个过程可以增强学生自我学习和科学思维的能力；②确定实验方法。这一过程学生要经历分析、比较、总结、归纳等思维活动，最终选定实验方法；③制定实验操作步骤。该过程通过要求学生计划详细的实验步骤，来训练学生思维的缜密性、逻辑性、理解能力及思辨能力。实验前学生完成上述工作后要经过教师检查，教师还会与学生研讨其方案的合理性及可操作性，给出必要提醒及建议。可见，这个环节与以往实验过程有极大不同，整个实验设计体现的教学理念就是让学生自主地在实验过程中发现问题、锻炼学生寻找解决问题方法的能力。在整个实验过程中学生通过对实验之初的计划、实验过程操作、实验现象观察、实验故障处理、实验数据分析,有效提高自身分析问题和解决问题的能力；整个实验教学对于学生开阔视野、拓宽思路、激发灵感、提高素质、培养创新能力具有特殊作用。这种实验模式显示出了其不可替代的作用。

2.2 实验过程的设计流程

根据实验方法不同，通常可以把实验教学分成4个层次：第1层次为演示类实验，这类实验主要是为了让学生通过观察课堂已学理论知识，加强学生对于该知识的理解及掌握，学生实验中的可创作性不强。第2层次为验证类实验，这类实验主要是为了验证已学知识，将课堂理论内容通过实验再现，加强学生对于该知识的理解及掌握，学生实验中有一定的可创作性。第3层次为综合类实验，这类实验主要以设计性方式开展，学生们不仅按实验内容完成试验、在实验完成过程中还会出现一些问题需要个人发挥主观能动性来解决，该实验除了运用课堂所学知识，对学生实验过程的主动性、灵活性程度要求增多。第4层次是以探索为目标的创新性实验，这类实验不仅要学生掌握科学实验的方法、技能和验证已知科学原理、重现自然现象，更重要的是提高他们迅速解决问题的能力以及探究事物规律的能力。实验教学的4个层次体现了从培养知识型人才向培养应用型人才的转变。由于实验的目标层次不同、方法不同，实验的教学效果就会有差异。为了培养学生创新能力，“供热系统性能综合实验”定位在第4层次，并兼顾其他。因此在实验中为了尽可能多地提供给学生创造思维的训练机会，除了实验内容丰富、灵活，在实验具体实施细节上也有意识地把实验过程与探索规律模式有机结合起来。例如：实验要求学生按照每一个项目内容来做。并且实验前，学生要准备实验预案并自己完成实验指导书；实验中，学生自己制定实验具体流程与步骤。如果在实验中学生遇到问题，教师也不轻易给予帮助。学生实在难以解决时要向教师说明自己都尝试了哪些方法，教师在此基础上帮助分析问题症结，再引导学生寻找解决方法。整个实验过程中教师的作用就是把握学生的思维方向，引导他们运用正确的思维方法，养成创新的思维习惯，让实验过程成为学生体验科学探索过程的再现。在这样的科学探究模式下，实现在课程实验教学中培养学生灵活的应变能力、创造性解决问题的能力、及科学探索精神的目标。

供热系统性能综合实验中的重点按照项目内容又分为5个：①测试热用户与供热系统在不同连接方式下的用热量及能耗，进行系统性能分析及能耗分析，并完成能耗分析报告；②测试稳定条件下热用户末端散热设备散热量Q，建立散热设备的散热量与热媒流量G和温差ΔT的关系，比较该方法与国家标准中散热设备散热量的热盒子方法的差别，提交测试报告；③测试板式换热器热工性能，要求有测试数据及换热器的工作效率分析报告；④进行混水装置性能测试，要求有测试数据分析报告；⑤进行一、二级网性能调节测试，画出供热系统运行调节曲线。这5个项目内容的划分是遵循事物发展规律及专业特点定的。学生在具体完成时遵守如下实验流程：①选择不少于3项实验项目；②完成实验预分析报告，包含：实验目的、内容、步骤、实验结果及分析、注意事项等；③教师审核、批改，完善实验预案；④完成实验；⑤分析实验数据，得出结论；⑥实验总结，完成实验报告。可见，整个实验流程的设计目标是为了在教学实验中最大限度地发挥学生主观能动性，让学生通过实验真正掌握认知世界事物规律的真谛，提高自主学习能力、信息获取能力、观察分析能力、实验研究能力、表达沟通能力、交往合作能力等实践能力的培养；学会利用实验手段去证明或推翻理论的方法，最终提高发现与探究未知世界的能力。

2.3 实验考核标准

由于本实验内容丰富，实施过程灵活，难易程度不均，故实验考核机制所规定的“全面化、过程化和客观化”形式就不能仅局限于实验报告，特增加了答辩环节。答辩形式也由最初的老师问、学生答，发展为学生问、学生答；学生问、老师答等多种形式。学生问答形式中，学生需要做PPT来讲实验思路、实验分析、实验过程、实验中遇到的问题及解决的方法。而学生问、老师答环节中学生提的很多问题都是专业前沿问题，有的问题甚至还没有确切答案。这无疑为学生继续探索知识起到引领作用。从整个过程来看类似人类探索新知识的历程，这种实验过程对指导教师的要求更高，指导教师已不再是一个只需要熟悉实验内容及过程并指导学生完成实验的指挥员，已变成懂得创新规律特点、具备较强的教育理论知识、能够协助学生完成实验的助手及帮助者；成为学生探索知识的引路者。

3 结 语

通过对“供热系统性能综合实验”项目的实施，提高了建筑环境与能源应用专业学生的创新能力和参加实验的积极性，这种教学模式在培养学生创新能力、综合应用知识的能力以及创造性思维方面都有一定成效。但是在这个创新教学模式运行过程中也存在着一些问题。比如学生实验效果参差不齐，学生对实验结果进行分析研究的能力不足，实验平台本是教学与科研的承载体，但实际运用中没有很好地将学生实验与教师科研紧密结合起来，因此还要进一步进行教学理论研究，解决在实验教学探索过程中出现的新问题，实验教学才能取得理想结果，达到培养人才的目的。