双碳战略下建筑环境与能源应用专业课程教学改革探讨

厚彩琴 曲德虎 王刚

摘    要：文章以双碳战略为背景，结合建筑环境与能源应用专业特点，分析了教学改革的必要性、关键问题和瓶颈，提出了新的教学方法，并以“通风与空调工程”课程为例，通过ADDIE[Analysis（分析）、Design（设计）、Development（开发）、Implementation（实施）、Evaluation（评价）]教学模型，从内容优化、课堂设计、教学策略及教学深化扩展、效果评价等方面，针对不同模块授课内容设计扩充课程资源，改进教学方法手段，将项目驱动、团队协作框架等环节嵌入整个教学过程，重点培养学生自主学习、解决问题的能力，进而培养出顺应时代发展、有专业前瞻性的高级人才。

关键词：建筑环境与能源应用专业;教学改革;ADDIE教学模型;人才培养

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）10-0045-04

一、引言

教育部印发的《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》指出，要将绿色低碳理念纳入教育教学体系，广泛开展绿色低碳教育、科普、科研活动，增强社会公众绿色低碳意识，加快推进超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展，鼓励高校实施碳中和交叉学科人才培养专项计划，围绕化石能源绿色开发、低碳利用、减污降碳等碳减排关键技术，二氧化碳捕集、利用、封存等碳负排关键技术，推动高校加快储能和氢能领域人才培养[1]。新时代赋予建筑能源行业新的使命和发展机遇。在能源侧，须加快构建多元化清洁能源供应体系，推动风光水火储多能互补、电气冷热多元聚合互动，提高整体能效。在建筑侧，须科学匹配建筑围护结构与室内设备，改善使用体验，降低建筑能耗。另外，在区域能源层面，须积极推动能源服务改革，坚持以人为本、人与自然和谐发展的理念，促进集散式能流网络一体化发展，推进多能协同互补、梯级利用，建设可持续发展的绿色集约型社会。

二、专业课程体系现状及存在的问题

现行的建筑环境与能源应用专业课程体系是在最新专业更名后，根据专业发展方向和专业指导委员会大纲要求设置的[2]，主要存在3个方面的问题。首先，专业课中部分内容与专业基础课重复，部分内容缺乏基础支撑和指引。例如，“流体输配管网”作为专业课，其核心内容与“水力计算”“工程流体力学泵与风机”课程内容重复，未能突出专业应用背景和一般问题。学生学习抓不住重点，导致其在后续“供热工程”课程中再次学习水力失调、热力失调等概念时发生混淆，甚至产生混乱。其次，专业课授课顺序不科学。例如，流体输配的问题在很多专业课中都有不同程度的体现，但每门课只限于讲授本课程中较狭隘的部分，学生无法窥见理论应用全貌，更无法做到“一通百通”。流体输配网络作为能流系统中的关键一环，须与其他子系统匹配，才能起到“输配”作用。学生面对相互割裂的知识点，很难建立起知识间的联系。最后，专业导论未能起到疏导作用。对于刚进入大学的学生来说，如果导论不能帮助其建立专业核心精神、明确核心问题及核心方法、树立专业信心，将直接影响其后续专业课的学习。同时，专业课程体系过于繁杂，课程有6门之多，但训练内容陈旧、知识联系不紧密，导致学生的专业素养未能得到充分训练。例如，“制冷工程”课程先于“空调工程”课程开设，学生在没有掌握空调负荷计算、空调系统设计等知识体系时就着手设计空调冷源，对知识一知半解。

在教学改革中，如果一个专业不能根据社会发展及时做出改变就会被时代抛弃。因此，建筑环境与能源应用专业课程教学改革的关键在于：明确专业核心，精简专业课程体系，打通课程间的壁垒，用大作业、大设计训练学生，培养专业精、知识熟、终身学习的专业人才。

三、新课程体系设计

新课程体系对专业课程进行了适当删减，整合了部分内容，增加了一些新内容（图1）。考虑到专业应用背景，教师整合了“工程流体力学泵与风机”“流体输配管网”两门课程，同时适当补充了“全面水力平衡”课程的部分内容，将“制冷原理与设备”“空调中的制冷技术”“建筑冷热源”“冷热源工程”等课程内容凝练为新的“冷热源工程”课程，并将重点转向全面热回收的区域能源体系。教师将原有的6门课程合并压缩为4门，同时引入“BIM应用技术”“智慧交通”等新技术、新方向的课程知识扩充知识体系，以适应新的发展需要。

在新课程体系中，“通风与空调工程”作为建筑环境与能源应用专业的主干课程，不仅内容被重新审核编排，增加了智慧综合能源系统、热泵/光储直柔、碳排放计算原理及计量方法等新内容，同时也调整了有关蓄能系统知识的学时。

四、ADDIE教学模型及应用举例

ADDIE教学模型涵盖了教学设计过程的一系列核心步骤，其将系统化的教学设计分为分析（Analysis）、设计（Design）、开发（Development）、实施（Implementation）和评价（Evaluation）5个步骤[3]，以保证高效地进行课程设计与实施。根据该模型特性，同时考虑到“通风与空调工程”课程内容多样性和系统性的特点，教师结合多年的教学经验，拟对不同的内容采取不同教学方法（图2）[4]。文章以“通风与空调工程”课程的风系统设计为例，介绍ADDIE模型应用于教学设计的具体思路、方法、实施过程和成效（图3）。

（一）分析阶段

本阶段，教师根据学生已有知识储备、学习特点和学习风格，针对不同内容进行教学方法和教学过程设计。由于大三学年学生已具备了一定的自学、探究、理论聯系实际的能力，掌握了流体动力，运动学，各种流动的特点、计算，传热传质及能量转换等基础知识，对各种室内参数评价及标准也有所知晓，因此，“通风与空调工程”课程针对 大三学生开设。风系统作为教学重点，是为了保证室内的热湿环境、气流分布、噪声控制、空气品质等参数而设计的起输配作用的管道、阀门、控制器等构成的子系统。其主要任务是综合通风空调需求、空气热湿状态、热（冷）媒状态、水力特性等条件，根据热力学定律和传递过程原理设计输配管道，匹配热工设备。该部分内容结合课程思政和双碳目标，有意扩展建筑全生命周期碳排放、通风排放的碳效应及排放量计算、风机及空气处理设备如何利用可再生能源、系统节能及显热/全热回收等知识。

在教学过程中，教师以图书馆通风空调系统为例，引导学生逐步深入问题的本质：图书馆多功能会议室的室内空气品质可能会存在什么样的问题？用什么方式可以改善这些问题？室外环境如何影响空气处理过程，如何影响输配系统？如何考虑节能环保？如何评价室内空气品质及热舒适度？教师通过一系列设问引出自然通风、机械通风、置换通风、定/变风量空调系统、单/双风道系统等概念，以旧推新，引导学生以“流体力学”“工程热力学”“建筑环境学”等课程中的知识支撑新的课程内容。事实上，这是一个从理念到概念，再到基本原理的科学探索过程。

（二）设计阶段

本阶段主要梳理本单元教学知识点，提炼出自然/机械通风全面通风量计算、置换通风及使用条件、房间气流组织设计及计算3个小模块，并把其作为教学重难点，同时，根据不同内容的难度和特点采用不同的教学策略。

全面通风量（Q）是指为满足各种规范规定的空气环境需要，用来稀释房间的有害物浓度（某有害物浓度为cs）或排除余热、余湿所需的室外空气。微分方程为Q·cs·dτ+m·dτ-Q·c·dτ=V·dc[5]。在设定理想条件下，假设污染物在室内均匀散发、送风气流和室内空气的混合在瞬间完成、送排风气流的温度相差不大时，方程简化为

，   。当室外通风量一定时，室内有害物初始浓度为c1，经过某时刻τ后得出浓度c2，公式为c2=c1exp（      ）+（   +cs）[1-exp（     ）]。通过公式Q =           -               得出非稳定状态下的全面通风

换气量Q。

教师通过设定理想条件，给定边界条件，简化方程计算维度，引导学生从实际问题出发，通过数学工具与热量/质量传递、平衡等热物理知识相结合，深入辅助学习专业课程。置换通风相较于传统的稀释污染物的局部或全面通风具有明显特征，因此，学生有必要深入理解置换通风与稀释通风在通风效率、能耗等方面的差异，了解置换通风的实质是由物理场的非平衡势差决定的。教师可通过索斯风管和手术室垂直单向流的动画展示置换通风的独特效果。这种可视化（动画）素材将枯燥的说教浓缩至5 min以内，极大地提升了学习效果和效率。

气流组织设计属于非平衡定态热力学问题。对本科学生而言，该部分内容对数学处理的要求较高。例如，空气在房间的非等温受限射流、贴附射流长度、射流温差衰减计算等都是通过流体流动和热质交换等理论与经验相结合，直接从物理图像入手厘清气流组织的结构，然后结合案例分析讲授工程设计的一般方法。通过某工程的施工图来讲解该系统做了哪些内容（管道布置、风口种类及选择、气流组织方式等），需要满足哪些参数（温度、湿度、工作区气流速度），用什么参数（阿基米德数、射流自由度、射程、温差衰减度）来评价效果，将概念、设计、评价融为一体，一方面增强了知识的系统性，另一方面教会了学生如何读懂施工图，并进行计算、设计、绘制施工图，有助于实现学生从课堂到工程现场的过渡。

（三）发展阶段

在明确学习对象、熟知学习内容、提炼出重难点并采用不同的教学策略后，本阶段重在利用线上资源扩展知识体系，内化知识要点[6]。第一，教师通过课后作业的方式，督促学生利用线上资源学习自然通风、机械通风、置换通风的实例，归纳总结不同点和适用场景。基于此，将静态的知识点转化为情景记忆，使课堂内容得以内化。第二，教师通过大作业（调研）的方式，引导学生利用线上资源自主学习有关室内环境空气质量评价、绿色建筑、建筑节能及其评价，以及全生命周期建筑碳排放评估等目前热点和急需掌握的知识，并鼓励学有余力的学生用CFD仿真模拟软件对各种场景开展模型仿真，为其继续深造或就业奠定基础。

（四）实施阶段

在此阶段，教师先利用10～15 min的时间用于鼓励学生观察并思考周围建筑（教室、体育馆、图书馆等）的室内温湿度等参数如何满足不同季节需求，引出通风（自然通风、机械通风、置换通风）及空调的概念，进一步深入分析通风和空调系统的不同[空气处理方式及流程、参数要求、污染物稀释（置换）等]。教师在学生讨论后，用设计阶段提出的不同教学手段对全面通风量、自然通风中和面及通风口面积、空调系统空气热湿处理、室内空气品质及评价、冷热源及节能、建筑碳排放及减少碳排放措施和意义等知识点逐步进行讲解，通过全面通风量的公式推导，系统讲解如何用数学知识解决工程问题，利用动画生动形象地展示手术室的气体流动及温湿度梯度分布，用工程实例施工图培养学生识图能力，也可让学生自己绘图，增加学生学有所用的满足感和自豪感，激发求知欲，解答学生在讨论阶段提出的问题并进行适当补充和扩展。

（五）评价阶段

课程最后阶段为评价巩固环节。首先，教师提供位于本地区的教学楼、宾馆、航站楼、精密仪器电子厂房、冷库等建筑的图纸，通过空调系统方案模拟竞标的方式，鼓励学生以小组为单位，在方案竞争的框架内，全面思考系统的热力学完善性、经济性、可持续性，并进行空间气流组织、冷热源的方案设计。其次，在小组方案完成后进行组间互评，主要考虑因素及评价指标包括污染物扩散、氣流分布均匀性（是否存在流动滞留区）、室内环境舒适性、主要耗能设备、可再生能源利用情况、碳排放概况、可持续发展性等。小组间要指出各组设计的优劣，并提出优化方案。最后，进行讨论点评，即每组推选一位代表进行设计方案讲解，阐述方案，各组学生则互相质疑提问，并和教师一起查资料，通过比较实际设计案例进行优化。例如，如果设计地点发生改变，以及周围的自然资源和可再生能源分布不同，该如何变更设计方案，如何最大程度利用可再生能源（如太阳能、风能、沿海城市潮汐能等），利用天然冷热源（如江河湖泊和地热能），减少化石能源消耗，尽可能减少碳排放等。通过组内合作、组间互评，培养学生的团队协作精神和精益求精、严谨细致的工程品质。

五、结束语

文章从新时代国家重大战略需求出发，结合建筑环境与能源应用专业特点，分析了教学改革的背景、必要性、关键问题和瓶颈，提出对不同内容采取不同方法的教学策略，并以“通风与空调工程”课程改革为例，引入ADDIE教学模型重新设计教学过程。从课程导入到内容选取，采用不同教学手段，扩展各种教学资源和工具，引入碳中和碳达峰策略，基于全生命周期碳足迹追踪及碳排放量计算、光储直柔等新技术、新目标，培养学生提出问题、思考问题的能力，以及借助不同手段，集思广益，团结协作解决问题，直至最后保质保量高效完成实际工程项目的能力。这种教学方法在教授学生传统理论知识的同时，融入时代发展需求、前沿技术及社会责任，将项目驱动、团队协作的框架有機嵌入到课程中，重基础知识的建立、重数学及计算机软件等工具的应用、重知识体系的扩充，帮助学生树立积极主动、勤于思考、自主学习、终身学习的意识和能力，实现培养优秀的工程技术人才的目标。

参考文献：

[1]  教育部关于印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》的通知[A/OL].（2022-04-24）[2023-02-19]. http：//www.moe.gov.cn/src-site/A08/s7056/202205/t20220506_625229.html.

[2]  符永正，刘冬华，焦良珍.关于建筑环境与设备工程专业若干问题的探讨[J].中国大学教学，2012（4）：40-42.

[3]  姚娟娟，王世存.基于ADDIE模型的化学翻转课堂设计：以人教版“氧化还原反应”为例[J].化学教学，2017（7）：37-40.

[4]  郑恩楠.PBL模式在本科教学中的应用与探索[J].黑龙江教育（理论与实践），2022，76（3）：59-60.

[5]  孙一坚，沈恒根.工业通风[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2010：16-18.

[6]  洪燕.基于CDIO理念的土木工程专业建筑类课程一体化教学设计初探[J].高等建筑教育，2022，31（5）：96-107.

收稿日期：2023-02-07                                                          修回日期：2023-03-06

作者简介：厚彩琴（1973—），女，甘肃定西人，兰州理工大学土木工程学院副教授，研究方向为建筑节能、可再生能源利用。

基金项目：2021年兰州理工大学线上线下混合式教学一流课程建设项目