“建筑環(huán)境與能源應用工程”專業(yè)實驗教學改革研究

程向明 李翠敏

摘要：“建筑環(huán)境與能源應用工程”專業(yè)實驗是建環(huán)專業(yè)課程的重要組成部分，實驗條件的限制直接影響學生對所學知識的消化和應用。本文通過分析實驗內(nèi)容、實驗設備和實驗考核方式的不合理性，給出了專業(yè)實驗教學改革的方向，并將部分改革成果實施在教學中，收到很好的教學效果。

關鍵詞：建筑環(huán)境與能源應用工程；專業(yè)實驗；教學改革；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0106-02

建筑環(huán)境與能源應用工程是以建筑環(huán)境為學科基礎，培養(yǎng)學生能夠從事工業(yè)與民用建筑環(huán)境技術領域的工作，使學生具有建筑設施的設計、相關設備的安裝、調(diào)試以及建筑自動化與能源管理應用能力。隨著城市建設的加快、建筑節(jié)能技術的發(fā)展、以及國家一系列節(jié)能減排相關政策法規(guī)的頒布和實施，建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存，面臨緊迫的專業(yè)建設任務。本學科帶實驗的專業(yè)課程有工程熱力學、傳熱學、流體力學、熱質(zhì)交換原理與設備、建筑環(huán)境學、燃氣輸配等，通過實驗教學可使學生更深刻地掌握專業(yè)理論知識，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和綜合素質(zhì)。本科實驗教學的主要目標是培養(yǎng)學生應用理論知識解決工程實際問題的能力和設計創(chuàng)新能力，因而以培養(yǎng)學生綜合能力為主的實驗教學，理應發(fā)揮重要作用。隨著專業(yè)更名為建筑環(huán)境與能源應用工程，新教學大綱對專業(yè)實驗提出了更高的要求。陳舊的實驗教學模式亟待更新，實驗教學的改革勢在必行。筆者基于多年的專業(yè)課教學及實驗教學的經(jīng)驗，研究了專業(yè)實驗的教學改革方向。

一、實驗教材和實驗內(nèi)容

在教材上，專業(yè)實驗的教材基本是沿用上世紀80年代的編寫模式，按部就班地從實驗目的、實驗器材、實驗原理、實驗步驟流水賬一樣地進行羅列出，甚至于記錄試驗用的表格都已經(jīng)設計好。一些實驗僅有內(nèi)部編寫的講義，對實驗過程介紹也不詳細，使學生在閱讀過程中弄不清重點，對實驗效果肯定大打折扣。另一方面，由于建筑環(huán)境與能源應用工程各專業(yè)課之間知識具有滲透性，因此以往的教材在實驗內(nèi)容和原理上相似度大的地方可以相互合并。例如“供熱工程”課程的“熱網(wǎng)水力工況分析實驗”和“流體輸配管網(wǎng)”的“水泵特性曲線和流體水力工況測定實驗”就可以合并成一個實驗放在“流體輸配管網(wǎng)”課程下。部分實驗教材重復要求的內(nèi)容較多，如流速、流量、壓差的測量，幾乎每個實驗都重復這些內(nèi)容，使實驗顯得主次不明。因此可以將這些內(nèi)容統(tǒng)一安排在某一典型實驗課中專門介紹，這樣既避免了瑣碎的重復，又節(jié)省了教學資源。

在教材內(nèi)容上，部分實驗課程設置不能涵蓋專業(yè)目錄的教學要求，沒有隨著理論課內(nèi)容的改變而突出重點，例如，“建筑環(huán)境學”課程的實驗“對噴淋水室的噴水性能測試”就與“熱質(zhì)交換原理與設備”課程的實驗比較雷同，而“建筑環(huán)境學”的側(cè)重點在室內(nèi)外空氣環(huán)境和設備，原有的實驗課程設置滿足不了理論課程的教學要求。目前我校的建環(huán)專業(yè)課實驗將重復性內(nèi)容經(jīng)過了合并和精簡，并將實驗性質(zhì)由原來的大多數(shù)演示性實驗向綜合性實驗轉(zhuǎn)變，收到了較好的實驗教學效果。

二、實驗硬件設備

建環(huán)專業(yè)實驗應以學生為主體，通過學生的實際操作加深學生對所學理論知識的消化和理解。特別是對于專業(yè)主干課程如“暖通空調(diào)”等，開設的實驗多為演示性和驗證性實驗，限制了學生的動手能力。我校在原有的實驗設施基礎上，新建了“風機盤管測試實驗室”和“濕空氣焓差研究實驗室”將暖通空調(diào)、制冷系統(tǒng)、氣流組織等技術平臺綜合到一起，主要用于實踐教學和學生實習，提高了學生學習的主動性和積極性，并通過實驗培養(yǎng)了學生分析問題和解決實際問題的能力。

建環(huán)專業(yè)實驗由于涉及到有壓氣體和燃氣，實驗臺的設計如果不合理，勢必會存在潛在的安全隱患。如工程熱力學課程中的“二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及p-v-t關系測定”實驗裝置見圖1。在本實驗中，要用到壓力臺將二氧化碳氣體加壓到9.8MPa的高壓，如果承壓玻璃的質(zhì)量不過關，或者承壓玻璃與水銀杯的連接出現(xiàn)質(zhì)量問題，就會在加壓過程中因承壓玻璃承受不住壓力而爆裂破碎，水銀杯里的水銀也會噴濺到實驗臺上，將對操作者的人身安全造成威脅。因此，這種實驗裝置有很大的改進空間：將承壓玻璃換成不銹鋼，在側(cè)面開條縫狀小口用鋼化玻璃密封以觀察二氧化碳的臨界狀態(tài)變化；傳遞壓力的物質(zhì)也可將水銀改作其他的無毒介質(zhì)。

除此之外，“燃氣熱值測定實驗”所用氣源為家用液化石油氣罐，連接燒嘴和加濕器的管道為膠皮管。眾所周知，液化石油氣罐由于安全隱患而逐漸被天然氣管道代替，因此在此實驗臺中也應將液化氣罐和膠皮軟管更換成天然氣管道和金屬軟管并安裝燃氣報警裝置。總之，實驗教學平臺的建設，應該在首先保證安全的前提下盡可能地發(fā)揮學生的主觀能動性，有利于新的教學方法的實施。

三、實驗教學方法

明確了專業(yè)實驗的內(nèi)容后，及時地更新實驗教學手段對于能否保證實驗教學的質(zhì)量，實現(xiàn)培養(yǎng)目標，完成實驗室功能的拓展等方面都有影響。新大綱中對于提高學生科研意識和創(chuàng)新意識的要求，也對專業(yè)實驗室建設提出了更高的要求。筆者認為，實驗教學方法的改革應體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.提高學生主體參與意識。采取開放型實驗教學方式，使學生成為實驗主體，成為建環(huán)專業(yè)實驗教學方法改革的主要方向。實驗報告的編寫也可由學生自由組織，對表格的設計、數(shù)據(jù)的處理都可以有=發(fā)揮很大的自由性。專業(yè)實驗的教學，應讓學生參與進來，盡可能地使每個學生都動手操作，形成自己的想法。

2.培養(yǎng)科研和創(chuàng)新能力。暖通實驗很多為開放性實驗，學生可根據(jù)所學的專業(yè)理論知識和現(xiàn)有的實驗儀器，自己設計實驗項目和處理數(shù)據(jù)，而不必拘泥于以往的既定的實驗項目。有意識地培養(yǎng)學生的科研意識和創(chuàng)新能力，對激發(fā)學生學習的興趣、開展創(chuàng)新思維鍛煉都大有裨益。例如“強迫對流管族管外換熱系數(shù)測定”實驗，理論課上教師只講解用對流準則關聯(lián)式來求解強迫對流換熱系數(shù)，理論性很強，學生需要很長時間進行消化，并對工程上怎樣測算不同工況的傳熱系數(shù)比較迷茫。實驗時，教師可以只講解換熱系數(shù)的測試方法，而不必像實驗教材上指定實驗目的、實驗步驟等，學生可以制定出各種工況下的傳熱系數(shù)的測定如：（1）不帶翅片管外強迫對流的傳熱系數(shù)的測定；（2）帶翅片管外強迫對流換熱測定；（3）流體縱向外掠過管外時強迫對流換熱系數(shù)測定；（4）流體橫掠圓管對流換熱系數(shù)測定等一系列的工況，并通過計算機繪制不同工況下Sh數(shù)與其他準則數(shù)的函數(shù)關系，研究影響強迫對流換熱系數(shù)的因素，并給出具體工況下的對流換熱系數(shù)的表達式。通過這種實驗方式，可激發(fā)學生科學研究的能動性和創(chuàng)新意識。

3.引入數(shù)值分析教學。建環(huán)專業(yè)實驗系統(tǒng)不應是暖通原理的簡單演示和驗證，而實驗內(nèi)容延伸到暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能新技術、建筑熱工對暖通負荷及能耗的影響、建筑能耗模擬分析等。通過配置建筑能耗模擬分析的相關教學軟件，使學生通過實驗系統(tǒng)的軟件平臺掌握當前工程領域中采用的暖通能耗模擬分析及評價工具，切實感受到所學專業(yè)知識在工程環(huán)境中的應用實況，初步樹立能源效率意識和工程觀念。目前，本科教學中可視化程度和本科實用性兼顧的數(shù)值模擬軟件可選擇Airpak、Fluent等，通過對簡單物理模型的分析，加深對動量微分方程、能量方程、傳質(zhì)微分方程等具體的應用。

四、實驗考核方式

一般情況下，專業(yè)課的實驗成績是計入到相應的理論課成績中的，所占比例也很小，這將導致學生和理論課教師對專業(yè)實驗的重視程度不夠，因此，可以把專業(yè)課與專業(yè)實驗單獨考核，形成專門的實驗考核體制。另一方面，傳統(tǒng)的專業(yè)實驗考核方法是基于學生的實驗報告、數(shù)據(jù)處理的完成情況和學生在試驗中的表現(xiàn)進行綜合考評，但由于實驗條件的限制，往往是若干個同學合并成一組做同一個實驗，對實驗結(jié)果的處理基本一致，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于實驗課程的考核，要兼顧學生對理論知識的綜合運用、實驗過程的相互協(xié)調(diào)能力和團隊合作精神及實驗創(chuàng)新精神等多個方面的因素。

綜上，傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學已跟不上暖通行業(yè)快速發(fā)展的腳步，對建環(huán)專業(yè)實驗課程的改革，不僅要著眼于實驗教材、實驗內(nèi)容、實驗教學方法、實驗設備以及考核方式，改變傳統(tǒng)的實驗教學理念和教學模式，使專業(yè)實驗教學從理論課教學中獨立出來，讓專業(yè)實驗教學也成為培養(yǎng)暖通人才的另一重要的途徑。

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