建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討

張 洋 楊晚生 劉 琳 高云飛 顏 彪

（1.廣東工業(yè)大學(xué)基建處 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 研究目的和意義

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加速發(fā)展，建筑環(huán)境控制技術(shù)不斷提升，建筑節(jié)能和綠色建筑應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，因此培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為主的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在學(xué)生的培養(yǎng)中占有很重要的地位[1]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

本專業(yè)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是在相關(guān)專業(yè)課程中設(shè)置針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過典型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)或獨(dú)立實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生獲得對(duì)理論知識(shí)的感性認(rèn)知和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在一定程度上起到了積極的作用，尤其是對(duì)于一些專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)起到了良好的作用[2]。但由于受學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)模式、操作水平、投入等因素的影響，這種教學(xué)模式存在創(chuàng)新性不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)缺乏主動(dòng)性等缺點(diǎn)[3,4]，同時(shí)由于受教學(xué)學(xué)時(shí)所限，有些專業(yè)課程未能在課程教學(xué)中設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，這也在一定程度上影響了教學(xué)效果。目前，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題如下：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面主要存在不同課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較窄、重復(fù)、單一、陳舊[3]、不能涵蓋課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)內(nèi)容與理論教學(xué)脫節(jié)等問題；同時(shí)一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備是按照傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有隨著教學(xué)內(nèi)容的更新而發(fā)展，造成了教學(xué)內(nèi)容陳舊、重復(fù)等現(xiàn)象[5]。例如本專業(yè)基礎(chǔ)課程《流體輸配管網(wǎng)》中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如“水泵特性曲線和流體水力工況測(cè)定實(shí)驗(yàn)”在與《流體力學(xué)》中的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)或類同；如流速、流量、壓差的測(cè)量，幾乎每個(gè)實(shí)驗(yàn)都重復(fù)這些內(nèi)容[1]，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容顯得主次不明；《傳熱學(xué)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如果設(shè)置不合理有可能與《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容類同。在教學(xué)內(nèi)容上，部分實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置不能涵蓋專業(yè)目錄的教學(xué)要求，沒有隨著理論課內(nèi)容的改變而突出重點(diǎn)。例如在本專業(yè)的《傳熱學(xué)》課程實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置時(shí)，未能充分考慮新技術(shù)發(fā)展（如高效熱管導(dǎo)熱技術(shù)、蒸發(fā)冷卻技術(shù)等）所形成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容顯得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊單一，使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本專業(yè)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備龐大復(fù)雜，不僅占地面積大、模塊化配置少、操作繁瑣、質(zhì)量低劣，經(jīng)常損壞，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行；同時(shí)有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備還存在安全隱患，例如工程熱力學(xué)課程中的《二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及P-V-T 關(guān)系測(cè)定》實(shí)驗(yàn)裝置中，要將二氧化碳?xì)怏w加壓到9.8MPa 的高壓，如果承壓玻璃的質(zhì)量不過關(guān)，或者承壓玻璃與水銀杯的連接出現(xiàn)質(zhì)量問題，就會(huì)在加壓過程中因承壓玻璃承受不住壓力而爆裂破碎，對(duì)操作者的人身安全造成威脅[1]。

（3）教學(xué)模式

專業(yè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)以學(xué)生為主體，通過學(xué)生實(shí)際操作加深其對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，但目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)多為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，一定程度上限制了學(xué)生的動(dòng)手能力，不利于學(xué)生感性認(rèn)知的拓展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式缺少開放性和創(chuàng)新性，不具有拓展性和互動(dòng)性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一般都是按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試報(bào)告按步驟進(jìn)行操作，缺少探索性研究?jī)?nèi)容，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基本處于被動(dòng)式地位，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和初步科研能力[4]。

因此，如何在理論教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)拓展性、開放性和創(chuàng)新性，并激發(fā)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)理論知識(shí)的探求產(chǎn)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力是目前改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式急需解決的問題之一。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)措施

本專業(yè)的基礎(chǔ)課程包括工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、熱質(zhì)交換原理與設(shè)備、建筑環(huán)境學(xué)、流體輸配管網(wǎng)、自動(dòng)控制原理等；專業(yè)課程包括空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)工程、制冷技術(shù)、建筑環(huán)境測(cè)試技術(shù)、燃?xì)夤?yīng)工程、供熱工程、冷熱源工程、潔凈室與凈化空調(diào)技術(shù)、綠色建筑與建筑節(jié)能、建筑電氣、建筑設(shè)備自動(dòng)化、工程造價(jià)、工程管理等。不同的學(xué)校由于地域和專業(yè)發(fā)展的差異，其課程設(shè)置的學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不盡相同，因此，課程設(shè)置的基本原則是以專業(yè)規(guī)范為主，強(qiáng)調(diào)并突出各學(xué)校的專業(yè)特色，這為不同地域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置提供了很大的靈活性和自由性。

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，提出如下改進(jìn)措施：

（1）拓展更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的陳舊、單一[3]，內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展脫節(jié)主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容和技術(shù)發(fā)展的脫節(jié)。專業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展使得專業(yè)知識(shí)不斷更新，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容由于各種原因未能及時(shí)進(jìn)行更新。針對(duì)此問題，應(yīng)調(diào)整和更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使之能適應(yīng)專業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求。例如《傳熱學(xué)》課程的導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生也可以掌握基本的導(dǎo)熱變化規(guī)律，理解相關(guān)導(dǎo)熱的基本機(jī)理，但對(duì)于目前在工程應(yīng)用中利用較多的熱管導(dǎo)熱技術(shù)的認(rèn)識(shí)就無法從實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得認(rèn)知。廣東工業(yè)大學(xué)有關(guān)教師利用科研項(xiàng)目的平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種扁平熱管式傳熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置（見圖1），拓展了原有的導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使得學(xué)生對(duì)于高效導(dǎo)熱熱管的工程應(yīng)用有了更深入的了解。

圖1 扁平熱管式傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Flat heat pipe experimental device for heat transfer performance

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)性問題

在不同的專業(yè)課程中存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重復(fù)性問題，這主要是由于課程體系和教材內(nèi)容變更與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的滯后引起的。隨著專業(yè)的不斷發(fā)展，課程體系涵蓋的內(nèi)容也在不斷拓展，教材內(nèi)容隨著課程體系的變化獲得了較為及時(shí)的改革，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由于其實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新性問題，未能及時(shí)同步改變，二者出現(xiàn)偏差。針對(duì)這一問題，應(yīng)梳理相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)課程的特點(diǎn)制訂出合理的教學(xué)內(nèi)容。如可以將《流體力學(xué)》和《流體輸配管網(wǎng)》課程中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重復(fù)性。《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》是在原有傳熱學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合傳熱傳質(zhì)技術(shù)的發(fā)展而獨(dú)立形成的一門基礎(chǔ)課程，盡管其理論內(nèi)容上已經(jīng)非常成熟，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大部分高校仍然是利用原有的傳熱學(xué)或其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，這樣不僅存在實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)內(nèi)容不匹配的問題，而且可能使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容重復(fù)，不能確切反映出本專業(yè)領(lǐng)域傳熱傳質(zhì)技術(shù)的工程應(yīng)用和發(fā)展。針對(duì)此問題，廣東工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用有關(guān)專業(yè)教師結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，研制出新型的適合于一種適合于《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（見圖2）。該實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置可以對(duì)固體除濕材料的吸濕和再生過程進(jìn)行不同工況下的測(cè)試，固體除濕材料的除濕和再生過程是一個(gè)典型的傳熱傳質(zhì)過程，也是本專業(yè)工程中較為常見的一種技術(shù)應(yīng)用模式，這樣既避免了原來采用傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的重復(fù)性問題，進(jìn)一步加深了熱質(zhì)交換原理的工程應(yīng)用內(nèi)容，取得了較好的教學(xué)效果。

圖2 固體除濕再生測(cè)試裝置Fig.2 Solid desiccant regeneration test device(improved version)

（3）實(shí)驗(yàn)開放性和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式多為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，限制了學(xué)生創(chuàng)新性思考能力，不利于學(xué)生感性認(rèn)知的拓展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式缺少開放性和創(chuàng)新性，不具有拓展性和互動(dòng)性，缺少探索性研究?jī)?nèi)容，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基本處于被動(dòng)式學(xué)習(xí)的地位，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和初步的科研能力[4]。同時(shí)，由于受課程學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容也僅僅是以典型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容展開教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不能涵蓋教學(xué)內(nèi)容，其教學(xué)內(nèi)容和模式的創(chuàng)新性也存在不足。針對(duì)此問題，結(jié)合本專業(yè)工程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在充分結(jié)合專業(yè)特色和地域差異性的基礎(chǔ)上，提出以創(chuàng)新性、開放性創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目為引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革[5]。例如針對(duì)《建筑節(jié)能與綠色建筑》專業(yè)選修課程受學(xué)時(shí)限制未能設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)實(shí)，提出以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練為平臺(tái)的輔助課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即通過大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目的獲得，建立相關(guān)開放性、創(chuàng)新性和探索性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為理論教學(xué)提供實(shí)踐平臺(tái)。例如針對(duì)建筑節(jié)能與綠色建筑中的熱壓?jiǎn)栴}，在理論教學(xué)中僅能從理論上進(jìn)行講授，學(xué)生在講完后缺少感性認(rèn)識(shí)，無法真正掌握其作用機(jī)理，利用相關(guān)材料設(shè)計(jì)出熱壓顯示測(cè)試裝置（見圖3）并對(duì)其不同高度的熱壓和溫度進(jìn)行測(cè)試，不僅能有助于學(xué)生對(duì)抽象理論問題的認(rèn)識(shí)，更能激發(fā)學(xué)生探索相關(guān)自然機(jī)理的熱情。針對(duì)綠色建筑與建筑節(jié)能不同屋頂隔熱方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，理論教學(xué)僅僅是通過相關(guān)傳熱系數(shù)和傳熱量的計(jì)算比較分析不同隔熱方式的效果，并不能直觀地感受到不同隔熱方式的差異性，因此可根據(jù)華南地區(qū)屋面的隔熱方式設(shè)計(jì)出不同的模塊化綠化屋面、蓄水屋面、反射涂料屋面、通風(fēng)屋面、隔熱磚屋面、蒸發(fā)冷卻屋面等測(cè)試平臺(tái)，學(xué)生可以通過測(cè)試平臺(tái)的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)獲得對(duì)不同隔熱模式的定量影響評(píng)價(jià)分析，從而獲得理論知識(shí)在工程應(yīng)用中的創(chuàng)新性比較和探索。圖4 為廣東工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教師所建立的的屋面綠化隔熱測(cè)試平臺(tái)，該測(cè)試平臺(tái)已經(jīng)成為本專業(yè)師生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

圖3 熱壓顯示測(cè)試裝置Fig.3 Hot press display test device

圖4 復(fù)合式綠化蓄水屋面隔熱測(cè)試平臺(tái)Fig.4 Heat insulation test platform for composite green water storage roof

（4）非實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的直觀性演示

實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)在整個(gè)課程的教學(xué)學(xué)時(shí)中所占的比例一般都不高，這主要受實(shí)驗(yàn)條件和教學(xué)學(xué)時(shí)的限制。但有些理論知識(shí)僅僅通過課堂講授難以達(dá)到良好的教學(xué)效果，如何提高學(xué)生對(duì)非實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知和理解是所有工科專業(yè)教學(xué)中存在的問題之一。為解決此問題，任課教師可利用各種資源在授課過程中給學(xué)生通過相關(guān)直觀性模型演示的方法強(qiáng)化學(xué)生的感性認(rèn)知。例如在《制冷技術(shù)》教學(xué)過程，磁懸浮離心式冷水機(jī)組是目前較為先進(jìn)的制冷機(jī)組之一，單純依靠理論講解其原理學(xué)生對(duì)其缺少深刻的認(rèn)識(shí)，為此可利用相關(guān)教學(xué)模型為學(xué)生在課堂上演示磁懸浮的原理，這樣可以達(dá)到良好的教學(xué)效果。圖5 為《制冷技術(shù)》教學(xué)中采用的太陽能磁懸浮電機(jī)來直觀演示磁懸浮冷水機(jī)組的教學(xué)模型。圖6 為直觀演示制冷系統(tǒng)的教學(xué)模型。這些教學(xué)模型具體直觀性強(qiáng)、體積小、可以現(xiàn)場(chǎng)演示、價(jià)格低、便于攜帶，在理論教學(xué)中可以達(dá)到很好的輔助教學(xué)效果。

圖5 用于直觀演示磁懸浮制冷機(jī)組的教學(xué)模型Fig.5 Teaching model of magnetic suspension refrigeration unit

圖6 可用于直觀演示制冷系統(tǒng)原理的教學(xué)模型Fig.6 Teaching model of refrigeration system principle

3 結(jié)束語

隨著建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)提出了更高的要求，陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和內(nèi)容亟待更新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革勢(shì)在必行。強(qiáng)調(diào)通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可使學(xué)生更深刻地掌握專業(yè)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和提升學(xué)生的綜合素質(zhì)目前是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)所面臨的一個(gè)重要課題，希望本文能對(duì)建環(huán)專業(yè)的發(fā)展起到積極的作用。