建筑环境与能源应用工程专业自主研究型实验平台建设

端木琳, 袁鹏丽, 王宗山, 李祥立, 舒海文

(大连理工大学， 土木工程学院, 辽宁 大连 116024)

原供热、通风与空调专业的人才培养目标基本是为相关设计院输送人才[1]。随着社会经济发展及生活水平的提高,人们对工作和生活环境的舒适性、经济性、安全性要求的日益增长,且我国的工业化逐渐发展、产业结构不断变化,多个行业正向高、精、尖发展,部分行业需要严格的室内环境,如数据中心、洁净室等,这就提高了对室内环境控制专业人才的能力需求[2]。现阶段对室内环境的要求导致建筑环境的设备工程系统变得越来越综合化、复杂化,而为营造适宜室内环境的能源消耗量比例增大。据统计,采暖及空调能耗约占总能耗的30%[3],造成我国环境污染严重。面对当前严峻的能源环境形势,对建筑环境与能源应用工程专业的人才质量提出了新要求,对人才培养提出了更大的挑战。因此,建筑环境与能源应用工程专业须由以往单一的专业人才培养目标转变为培养具有宽厚的理论基础、良好的工程师素质、适应社会变化等的专业人才[4]。

建筑环境与能源应用工程专业的人才应具有处理常规工程问题的基本能力、处理复杂工程问题的综合能力、应用先进理念和技术创造性地解决工程问题的创新能力、适应职业拓展与转型的通识能力[5]。为实现上述人才培养目标,在教学培养过程中,须逐步实现由“知识导向型”与“科学导向型”向“能力导向型”与“实践导向型”转变[6]。对工科专业而言,培养的是面向应用层面的具有实践能力和创新精神的专业人才,实验教学是高等工科院校培养学生实践能力的关键,不可忽视[7]。 然而,工科院校普遍存在重理论教学、轻实践教学,重知识、轻能力,重书面考核、轻实践操作的教学模式[8],一些高校对实验教学重视不够,实验设备陈旧、实验方案传统,该种传统设备资源及教育方式不利于对学生的实践能力、知识运用能力和创新能力的培养[9],无法培养出现今社会所需的建筑环境与能源应用工程专业人才。因此,建设可培养学生创新能力和自主研究能力的专业实验平台对实现本专业的人才培养目标至关重要。

我校建筑环境与能源应用工程专业在2000年建设专业实验室初期,便思考如何建设一个既能反应专业内涵,又能培养学生实践能力的实验平台。对原有实验平台存在的不足进行分析,针对存在的问题,以建设综合性和创新性实验平台的思想为基础,于2004年建立和完善了兼具教学和培养学生能力的实验平台,并在该实验平台上开展了近13年的实践教学,取得了显著效果。

1 原有实验平台的不足

在原有的实验平台上,占据比例较大的是演示性与验证性实验,如通风、锅炉及流体输配等。该类实验仅涉及单一设备的基础实验平台,仅能训练专业基本技能。在原有实验平台的条件下,主要是“教师教、学生学”的知识传输型模式,采用“领着走”的传统方式,如教师给定实验项目、实验原理、实验仪器、测试方法、实验步骤,学生只需验证和重复教科书已有的内容[10]。仅依靠演示性、验证性实验平台,无法发挥学生的主观能动性。

原有实验平台相互独立、功能单一、关联较小,各实验环节未形成有机结合,无法锻炼学生的自主思维能力。由于原有实验平台单一固定、无法适应本专业的发展变化,导致学生所学知识比较陈旧,无法满足现今社会对建筑环境与能源应用工程专业的人才需求。

2 实验平台建设思想

建筑环境与能源应用工程专业培养的人才不仅应具有设备工程师的能力,还需具有利用最少的能源消耗,为人类营造良好的室内环境的能力[11]。因此,本专业内涵也发生了变化,不再是单纯创造舒适的室内环境,而应以最小的能耗与环境为代价创造适宜的人工环境。最新的专业内涵对本专业人才的培养提出了新的挑战,须重点培养人才的综合能力及创新能力。

总结多年教学经验及调研,在深入理解建筑环境与能源应用工程专业的内涵及人才培养目标后,提出了以下自主研究型实验平台的建设构想。

(1) 人的认识规律为人类通过不断的实践到认识、循环反复,最终达到真正的实践[12]。因此,结合人的认识规律,自主研究型实验平台应具有可开设综合和创新实验项目的能力,学生通过自主设计实验,在自主研究型实验平台上进行不断的实践再认识,灵活运用所学专业知识,在实践过程中发现问题、分析问题、解决问题。

(2) 自主研究型实验平台建设应具有培养学生动手能力与发现问题的作用,实验平台建设应基于实际工程,提前训练学生的工程师素质,为今后的实际工作奠定必要的基础。

(3) 自主研究型实验平台应充分反映学科特点,源于科研实际、紧跟学科发展主流,为学生提供本学科的前沿技术,以提高学生的科研和创新意识。

3 自主研究型实验平台建设内容

针对上述实验平台建设构想,在原有实验平台的基础上,建设了多个综合性与创新性实验平台。

基于面向工程、以学生为主体的原则,建设了太阳能-土壤源热泵空调系统实验台、组合式空气处理系统实验台、人工环境与室内空气品质实验台。该综合实验平台由能源采集系统、能量输送、监测控制系统以及末端用户组成,各实验台间相互联系、协同服务(见图1)。

(1) 太阳能-土壤源热泵空调系统实验台以土壤热量为能量来源,是一套完备的建筑用冷热源。主要设备包括地埋管土壤换热器、水源热泵机组、冷却塔、蓄热水箱、电磁流量计、太阳集热器、控制系统等。该实验平台于2004年建成,采用西门子自动控制系统,随着科技的发展以及实验需要,于2012年增设太阳能,将太阳能与土壤源热泵相结合,并将西门子自动控制系统更新为具有远程异地控制功能的芬兰Fedilix自控系统,通过基于Web的图形工作站进行现场温度、湿度、压力、流量、热量、电机频率、阀门等多参数数据采集监测,系统可自动运行及控制调节。该系统是我国东北地区第一个实用性土壤源热泵空调系统,结合组合式空气处理系统实验平台,在满足本学科实验室及办公室近300 m2空调使用外,还作为教学和科学研究实验平台,为人工环境小室和暖通空调系统实验台提供冷热源。

图1 自主研究型综合实验平台

在太阳能-土壤源热泵空调系统与组合式空气处理系统实验平台上,可开展对材料物性测试、系统性能测试、系统优化分析等实验内容,部分实验项目见表1。传统获取土壤、蓄热材料或其他材料物性参数的方法是通过查表,学生仅获取了某数值,但对影响物性参数的因素理解不深刻。在该实验平台上,由学生主动思考获得物性参数的机理并自主进行实验设计,锻炼了学生主动思考的能力,拓宽了学生对物性参数获取方法的认识。太阳能-土壤源热泵空调系统还为学生提供了综合分析的平台,学生身临实际工程现场,通过对系统运行、调试,深入理解理论教学中的专业知识。

表1 太阳能-土壤源热泵空调系统与组合式空气处理系统实验台部分自主型实验项目

(2) 人工环境与室内空气品质实验台包括人工环境小室、配套的环境参数及室内空气品质相关测试仪器仪表。人工环境实验小室参照国际标准ISO5219建设,通过控制调节土壤源热泵空调及风冷热泵的运行参数,使小室达到某一特定的室内环境,可通过切换通风管路阀门实现室内不同的气流组织形式,创造各种人工环境实验所需的实验条件。人工环境与室内空气品质实验台可开展气流组织、通风量、室内热舒适等自主型实验项目,部分实验项目见表2。

表2 人工环境与室内空气品质实验台自主型部分实验项目

在理论课程中会对“小室压差及风量控制实验”“风速与气流组织关系”的相关内容进行讲解,若仅仅将认识停留在课堂理论知识而不实践,则对各参数间关系产生较片面的理解。在该实验平台上,由学生自主实践去挖掘参数间的联系,从实践中发现实际运行结果与理论间的差异,并分析造成该差异的原因。实验项目“探究在固定送风方式下室内工作区各区域人员最佳舒适度体验的最优送风状态”,由学生自主设计实验,寻找舒适度与送风状态间的关系。学生通过大量的实验,最终发现两者关系,从而更加快速有效地获得最佳送风状态点。人工环境与室内空气品质实验平台为学生对理论课程的深入理解提供了有利条件,并发现基于实际工程的实验结果与理论知识间的差异,分析造成差异的原因,锻炼了学生独立思考的能力,培养了科研意识。该实验平台也可服务于“建筑环境学”理论课程。

该自主研究型实验平台并非单一的某个设备或者末端,是指整套的设备系统。从2004年起至今,在综合性实验平台上已开展了90～105个实验项目,可开展从专业基础课程实验,到对空调系统的组成和原理、空调设备结构认识等实验,再到后期自主完成空调系统的调试、运行和故障诊断,最后到由学生自主进行实验设计、解决相关问题。学生依靠该实验平台,将所学到的专业知识进行整合,分析实验过程中存在的问题,并通过自主查阅资料及思考,逐步解决问题,锻炼了学生独立思考的能力、培养了创新意识。本专业自主研究型实验平台的建设均基于实际工程及科研项目,学生利用实际工程不断地实践与认识,最终达到真正的实践。在此基础上,学生参与到实际的科研项目中,提前了解学科前沿,有利于引领学生形成科研和创新思维、提高其创新能力[13],为实现建筑环境与能源应用工程专业人才培养目标提供扎实的平台基础。

4 自主研究型实验平台的应用效果

自主研究型实验平台建设完成后,对本专业的学生开放使用,采用全程开放式实验教学模式,并开展创新实践活动,由“教师教、学生学”改变为“学生学、教师辅”的知识传输模式。基于自主研究型实验平台,学生自主选题,其在实验中的地位由传统的受体转为主体,由传统的仅进行操作测试,变为自主实施整个实验内容的全过程,包括实验准备、实验方案、实验收尾过程。以小组为单位,采用项目化运作方式,所在团队内部开展整个实验方案的讨论,如实验目的、实验所需仪器、实验方法等。通过自主研究型实验平台的建设,从多方面提升了学生组织、分工、协调和团队合作的能力,培养了学生综合运用课堂理论知识分析、解决实际中遇到的较复杂问题的能力,有利于形成较强的独立工作能力,为今后的工作和学习奠定坚实的基础。

自主研究型实验平台历经近13年的应用,取得了显著成效,激发了学生主动思考的意愿、培养了学生的创新精神、锻炼了学生分析问题和解决问题的能力。对应用自主研究型实验平台的学生进行了效果反馈调查,结果如下:

(1) 学生普遍认为,自主研究型实验平台的建设,促进了学生自主发现实际工程中存在的问题,并思考从哪方面入手解决问题,对今后参加工作非常有帮助。

(2) 采用与以往不同的自主研究型实验平台,可锻炼学生认真独立思考解决问题的能力和团队合作能力。在团队合作的过程中,往往会存在意见不一的现象,但通过互相交流,认真听取别人意见, 最终使得双方共同进步。

(3) 本专业的自主研究型实验平台的建设均基于实际工程,让学生提前接触到实际工程中会出现的问题,并灵活运用专业课程的知识分析工程实际问题,专业知识得到了巩固,且自己会真正地去思考、去领悟。

(4) 自主研究型实验平台的建设使用不仅基于实际工程,也源于科研项目,该类实验平台不仅使学生接触到实际工程,还可激发学生的科研兴趣,培养科研创新思维。

5 结语

建筑环境与能源应用工程专业的实验平台需具有教学和培养学生自主研究、发现问题、解决问题的功能,因此建设具有综合性和创新性的实验平台至关重要。为实现专业人才培养目标,我校建筑环境与能源应用工程专业建设了多个基于实际工程及科研项目的自主研究型实验平台,旨在充分调动学生的主观能动性、培养学生的创新意识与创新能力。经过近13年的应用,取得了显著效果。自主研究型实验台为激发学生主动思考的能力及创新能力提供了保障，锻炼了学生分析问题和解决问题的能力、充分发挥了培养创新人才的重要作用。

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