新工科背景下智慧建筑能源与环境课程项目式教学设计与实践研究

2021-01-10郑雪晶龙正伟孙贺江

高教学刊 2021年37期

郑雪晶龙正伟孙贺江

摘要：针对新工科背景下建筑环境与能源应用工程专业面临的挑战，分析了本专业课程项目式教学内容及方法。结合天津大学建筑环境与能源应用工程专业培养方案，设计并实践了项目式教学，包括目标导向型项目和开放式项目。实践表明，项目式教学实践有助于促进传统工科专业升级改造，能够激发学生主动学习意识，提升创新实践能力和沟通能力，激发教师转变教学思维，提升教学效果。

关键词：新工科;智慧建筑能源;项目式教學

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）S1-0096-03

Abstract： In view of the challenges faced by constructing Environment and Energy Application Engineering major under the new engineering background， this paper analyzes the content and methods of project-based teaching of this major. Based on the training program of built Environment and Energy Application Engineering in Tianjin University， this study designed and practiced project-based teaching， including goal-oriented project and open project. The practice shows that project-based teaching practice can promote the upgrading and transformation of traditional engineering majors， stimulate students' active learning consciousness， improve their innovative practice ability and communication ability， motivate teachers to change their teaching thinking and improve the teaching effect.

Keywords： new engineering; smart building energy; project-based teaching

在全球一体化和人工智能影响下，社会对人才培养要求越来越高。新知识和新技术的产生与应用速度快于大学教育模式、培养体系、课程内容等修订和更新周期，高等工程教育必须进行深刻变革和全面创新[1]。建筑环境与能源应用工程专业是一门注重创新与工程实践的传统工科专业。面对第四次工业革命和日益复杂的城市人居环境可持续发展问题，以绿色技术、BIM技术和建筑工业化等新兴热点的科技创新为中心的建筑产业现代化成为行业发展的动力。建筑环境与能源应用领域迫切需求大量基础知识扎实、学科背景丰富、兼具实践与创新能力、具有国际化视野的复合型人才。

一、项目式教学的特点

项目式教学是以学生为中心的教学方法，将知识逻辑模块与工程实践深度融合，学生组建团队通过解决一个开放式问题的经历来学习，鼓励学生不断搜寻信息，自我评价[2]。通过训练学生可以获得团队协作、人际关系处理、问题与沟通解决等方面的能力和技能。指导教师由过去被动授课，转变为激发学生积极性，辅导和提供资源，帮助学生构建知识体系。

项目式教学任务包括建立课堂文化、设计与计划、与课程目标对应、管理教学活动、评估学生的学习、搭建学习平台、参与和指导学生。可以分为建立课堂文化、设计与课标对应的方案、管理教学活动、评估学生的学习这四个实施的阶段。教学过程中，教师的角色定位不再是负责课堂讲授、测验、考试的教师，而是转变为学习的引导者[3]。鼓励学生积极地提问、保持好奇心和进行交流学习，积极创造鼓励每个学生发言的学习环境。项目式教学过程重点关注学科专业的融合性、关联性、开放性、交互性，注重软硬件结合，突破传统纸质教材的局限，添加可视性强的动态图例，能够实时补充更新生动的实践案例，根据学生个性化发展需求拓展教学内容，强调学生们在试图解决问题的过程中实现体验转换，在体验转换中产生新知识、发展新技巧和能力。

二、天津大学建筑环境与能源应用工程专业的发展与挑战

天津大学建筑环境与能源应用工程专业，前身是供热供煤气与通风工程专业，成立于1956年，是全国成立最早的八个高校“暖通”专业之一，获批高等学校特色专业建设点，并被列入卓越工程师教育培养计划、天津市品牌专业，顺利通过由住建部组织的全国高等学校建筑环境与设备工程专业（本科）教育评估，于2020年获批为国家级一流本科专业建设点。以专业教师为基础，建立了天津市室内空气环境质量控制重点实验室、天津市建筑环境与能源重点实验室、天津市生物质废物利用重点实验室，以及天津市有机固废安全处置与能源利用工程研究中心等支撑平台。在建筑节能技术、建筑环境营造、智慧供热系统、地铁穿山隧道防排烟技术和有机固废能源化利用技术等方面作出了显著贡献。本专业毕业生已经成为国有大中型企业、科研院所和设计院等的技术中坚力量，在航空航天、建筑业、制造业、服务业等众多领域服务国民经济建设。

面对第四次工业革命和日益复杂的城市建筑环境与能源问题，其内涵与外延发生了深刻的变化。人居环境可持续发展对建筑环境与能源应用工程专业提出新的要求，以绿色技术、BIM技术和建筑工业化等新兴热点的科技创新为中心的建筑产业现代化成为行业发展的动力。“专”“通”结合、交叉融合、满足行业科技创新需求的宽口径人才培养问题亟需解决[4]。以“互联网+、人工智能、大数据”为主要增长点的新经济模式日益影响社会生活，新工科建设背景下，面对科技革命和产业变革、全球化和智能化，建筑环境与能源应用工程专业需要积极探索信息化、人工智能、大数据、云平台等新型技术与传统专业的融合方式，以推动新技术革命与专业的知识、能力、素质要求深度融合为导向，定位培养引领建筑环境与能源领域未来发展的拔尖创新型人才[5]。

三、建筑环境与能源应用工程专业项目式教学内容

天津大学建筑环境与能源应用工程专业面向国家碳达峰、碳中和目标和国家经济建设对人才的需求，培养能够在建筑环境、建筑节能与建筑能源专业领域，从事工程设计、研究开发、施工管理、系统运行或能源管理工作的德智体美劳全面发展的社会主义事业合格建设者和可靠接班人。结合本专业培养方案，在建筑冷热源、给排水、建筑电气、建筑设备自动化等课程中，增加在智慧热网、空调水系統、建筑给排水系统等智慧建筑水资源可持续利用、水系统平衡、优化调度等方面项目式教学，设计集中供热系统调节与控制、智慧建筑电气及建筑给排水系统等项目，形成建筑能耗大数据分析、负荷预测、建筑设备智能调控、智慧建筑给排水等课程单元。通过项目式教学，转变专业教学理念，结合人工智能、信息化来培养人才，推进专业方向不断升级改造，提升可持续竞争力。

四、建筑环境与能源应用工程专业项目式教学设计实践

项目式教学的设计包括三方面内容：（1）专业针对性，结合新工科建设要求，根据专业领域的特点和人才培养目标，融入人工智能、大数据、云平台等新技术，综合智慧建筑环境能源系统要求进行项目设计。（2）知识的更新，着眼工程教育的本义，优化知识结构，在教学内容中渗透新科学、新技术、新方法，淘汰陈旧内容。（3）可实现性，因材施教，考虑学生的个性化，根据学生的自身兴趣、知识层面和能力水平，设计学生能力水平能够完成的项目。

建筑环境与能源应用工程专业项目式教学设立两种层次的实践性项目（图1），鼓励学生以3～5人为团队，结合课程内容，进行软硬件设计，并制作演示系统，期末进行展示，并作为大作业考核。鼓励参加校内外各种大赛，包括但不限于挑战杯比赛、创新创业大赛、节能大赛等。

（一）目标导向型实践项目

要求学生软硬件设计，并购买元器件搭建，包括建筑给排水演示系统、建筑空调系统演示系统、建筑光伏演示系统、建筑空气质量监测系统、气象参数监测系统等。典型的案例包括：

1. 电动机的控制：电动机是建筑供能与供水控制系统中最核心的动力设备，包括水泵、风机、空调等，因此电动机的运转控制是建筑电气系统中最基础但也是最核心的一个控制系统，要求学生组织队伍，可以针对不同的场景（水泵控制、空调控制、防排烟控制），设计电动机的控制系统。

2. 智能热网：云计算、大数据和物联网等先进技术已逐渐融入到供热、供燃气与通风空调系统中，智慧供热及智慧供燃气等技术发展从“自动化”向“数字化”演进。通过建筑用能大数据分析，研究建筑用能规律，要求学生组织队伍，制定热网调控策略，可以通过手机、电脑来进行控制，实现热网调控。

3. 室内空气质量的监测：分析我国住宅室内空气污染的原因，一方面是劣质建材和家具产生大量的化学污染，另一方面是室外大气PM2.5等污染通过各种通风路径传入室内，造成住宅室内空气质量差，严重威胁我国居民的身体健康。要求学生组织队伍，针对室内主要的污染物（PM2.5、VOC），设计室内空气质量监测系统，可以是离线手持装置，鼓励开发基于物联网的室内空气质量监测系统，调动学生的积极性。

4. 空调系统监测系统：实现室内二氧化碳、风管温度、水管温度、风管孔板压差的监测，集成显示空调机组实验台数据。

（二）开放式实践项目

目标是引导学生发挥创造性，鼓励参加各种创新性大赛，比如挑战杯、创新创业大赛，给学生提供一个目标系统的描述，不限定具体形式，让学生自己发挥，进行软硬件设计，制造出系统，比如零能耗建筑系统、舒适性空调系统、智能通风系统、空气病毒探测系统等。典型的案例包括：

1. 建筑电气演示系统，建筑电气包括配电系统、空调系统、消防系统、照明系统，要求学生组建队伍，选择典型的一种建筑电气系统，开发演示系统，动态演示其运行与功能。

2. 新型建筑给排水系统开发，本项目是开放式的题目，不做任何的限定，任由学生发挥创造性，调动兴趣，提出愿意实现的建筑给排水系统，实现水资源可持续利用，但要求要有创新性，鼓励参加国家和学校组织的科技竞赛。

五、项目式教学的实践效果

（一）促进传统工科专业改造融合

通过项目式教学，融合专业课知识点与人工智能、大数据等新兴技术，增强“人才培养”“科学研究”“设计实践”三方融合互动。使学生掌握坚实的建筑环境与能源应用专业工程领域理论知识，具备开放的知识结构和综合运用多元知识解决专业领域问题的实践能力。

（二）激发学生课程学习兴趣，增强主动学习意识和创新思维

项目的设计突出学生的主体地位，强调学生的主动性与探索性。充分考虑学生的个性化与专业兴趣，与传统教学方法相比，项目式教学更能激发学生的主动学习意识和创新思维。学生课堂评价的满意度显著提升。

（三）提升学生创新实践能力，强化协作意识与沟通能力

完成项目任务的过程中，学生以3～5人为团队，查阅相关文献，对项目内容进行深入讨论和思考，提出设计方案，开展实验研究，进行数据处理和分析、成果整理与汇报，这一系列的能力训练，能够在有效提升学生创新实践能力的同时，强化学生在团队中的沟通和协作能力，保证课程目标的实现。