新工科背景下能动专业学生创新能力提升路径探索

2023-11-22史维秀冉檬檬史永征

教育教学论坛 2023年35期

史维秀，冉檬檬，史永征

（北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 102616）

引言

以新的发展理念引领发展，坚持创新、协调、绿色、开放及共享的发展理念。把创新作为引领发展的第一动力，把人才作为支撑发展的第一资源［1］。在2022年10月召开的中国共产党第二十次全国代表大会中，将科技自立自强能力显著提升作为全面建设社会主义现代化国家开局起步关键时期的主要目标之一［2］，创新能力的提升是科技提升的基础条件。21世纪技能联盟提出学生培养中不可或缺的三套技能，分别是学习与创新技能、数字素养技能及职业与生活技能［3］，并建议对于大多数的教育系统项目式学习能让学生更加深入地学习，将课堂所学的知识运用到解决实际问题中，实现理论和实践的效率转化。

本文从注重科研训练专业实践课程建设，强化线上资源应用、强化校内实践资源的应用、强化专业相关实验建设、强化虚拟仿真实践项目建设，融入STEAM教育理念的课堂教学建设角度探索了能源与动力工程专业学生创新能力提升的路径，将学生的创新能力培养贯穿于整个人才培养体系中，在大学不同阶段的学习中得到不同方式的体现。

一、注重科研训练专业实践课程建设

科研训练主要是以科研项目为载体进行创新性实践学习及研究。对于项目式学习，更为完善的表述是2008年巴克教育研究所出版的《项目学习教师指南》一书，这本书将项目式学习定义为对真实世界中的问题，学生经过精心设计作品，对具体项目进行规划和实施的探究过程。学生通过对项目进行设计—实施—复盘解决的过程，能基本掌握课程所学内容［4］。21世纪技能联盟指出项目式学习是学生基于真实世界给出的解决问题的过程，是多视角多侧面的思考模式而非单一线性的，学生在科研项目的准备和进行过程中，能够通过主动研究找出答案，与他人合作找出解决问题的方法，最终完成项目并进行科学研究探索。

二、强化线上资源应用

现场实习一般是教师带领学生每天到达一个实习地点，对相应的系统、设备等进行参观实习，了解相应的实际工程应用、设备安装及系统运行等。有些实习内容，比如建筑节能技术改造等，无法在现场同时实习改造前及节能改造后的系统对比、节能效果，现场实习效果受到不利影响。

线上实习受时间和地点的限制较少，时间上相对具有学习的高效性。专家给学生进行讲解时，往往总是围绕一个主题进行所有相关实践经验的汇总，同时展示多个实践项目并进行深入分析，学生可以实现多角度深入学习。能源与动力工程线上实习内容主要包括前沿类（储能与节能国际研讨会、清华大学建筑节能学术周报告、世界储能大会）、实践类（北京大兴国际机场中的能源动力系统设计及设施、建筑能源系统碳减排）、认知类（应对气候变化的中国视角、能源与中国社会变迁、能源与人类文明发展）。其中，储能与节能国际研讨会是由西安交通大学、国际传热传质中心、中国工程热物理协会等联合举办，报告及研讨内容包括储能与节能前沿热点问题和最新研究成果进展，英文主题报告“Longer Term Energy Storage Opportunities and Progress”受到专家和学者的广泛关注。大兴机场能源系统设计及设施项目，现场参观受到位置的限制，很多系统性强的内容、细节性内容不容易学习或影响现场参观效果，线上实习可以将局部系统更好地展示出来，让学生看得更清楚明白，深入地认知了解。

线上报告实习涉及内容广泛，工程案例学习性及专业针对性强，专家经历不同，可以从专业角度、不同方向进行报告和线上深入讨论，能够加强学生对专业认识的深度，提升学生的工程实践能力，同时可以补充现场实习的短处，优化整体实习效果。

三、强化校内实践资源的应用

实践基地建设对学生实践能力提升至关重要。应充分利用学校内的实践资源，强化校内实践资源的使用，结合校内工程实践中心、校内锅炉房及换热站、中法能源培训中心等场所，提升校内实践在学生创新能力培养中的重要作用。

（一）工程实践创新中心

工程实践创新中心开设课程主要有工程训练基础课、专业实训、创新课程等，在传统车、铣、铇、磨，钳、铸、焊、拆装等课程基础上不断改革创新，增设了数控车、数控铣、现代制造技术、机器人拼装等先进制造技术授课，通过有序的金工实习安排，学生能够实现基本加工能力，对以后的专业课学习打下坚实的基础，提升实际动手能力，创新加工是实现学生综合能力提升的体现。

工程实践中心设置了开放实验室，以多学科综合交叉为重点，引导非土木类专业学生利用开放实验室相关资源进行创新实践；以设计、创新为重点，鼓励土木类专业高年级学生和研究生结合专业领域发展开展研究，因材施教，灵活变通，让学生从不同角度综合利用开放资源，完成自我创新能力的提升。同时，中心还设置了创新工坊，除了每年组织专题培训20余次外，还开设创新工坊项目立项，学生积极加入创新工坊中去，认真开展机械设计，并以小组形式积极参加工程训练综合能力竞赛、机械创新设计大赛等，并获得创新设计奖励。

（二）校内锅炉房、换热站等实践场地

大兴校区的锅炉房、换热站以及西城校区换热站，是学校建设的基础热源设施，主要功能为提供校内正常生活使用的冬季供暖热水及全年其他生活用热水。对于能源与动力工程专业的学生，强化锅炉房及换热站的认识实习，是提高专业基础实践能力的重要方面。校内设施的申请使用，对学生实践能力的提升起到很好的效果，尤其是在供暖季开展相关实践，更能从系统运行的角度让学生全面了解热源。

实习主要包含以下具体内容：锅炉房和换热站的实际运行，认识其工作过程和调节过程；采集运行数据，学生对热源及换热系统运行数据进行分析，了解其运行过程；学习认识锅炉房平台，深入认识锅炉房系统，掌握锅炉设备的工作原理，熟悉锅炉房系统的燃气供应、烟风系统等工作流程；认识气候补偿器，以及气候补偿器在锅炉房系统中的应用、调节过程，并现场采用气候补偿器系统进行运行调节，认识气候补偿器的实际工程应用，让学生掌握实际应用过程；现场进行锅炉房安全运行指导，让学生了解安全运行的重要性及锅炉房安全问题的处理过程和操作方法；现场指导学生锅炉房供热流量及热量的基本方法以及锅炉房运行过程中的其他环节；指导学生认识不同的换热站工程，包括主要换热器类型为容积式换热器、管壳式换热器及板式换热器等；换热站的具体设备及工作流程，基于供水温度调节法和回水温度调节法的换热站具体调节过程等。

（三）中法能源培训中心

中法能源培训中心设置在我校的西城校区，经过多年的建设，已经具备较为完善的实践条件。中心内设施主要包括蒸汽锅炉房应用系统、热水锅炉房系统、供热管网系统、燃气壁挂炉与太阳能耦合供热系统、地源热泵系统、空调运行系统等多套设施，能够实现专业相关系统认知、设备安装与运行等，使学生对整个系统有更深入的认识，对专业理论知识的应用起到很好的促进作用。

四、强化专业相关实验建设

专业相关实验主要包括热工测试技术实验、专业基础实验、专业实验等，在原有实验内容的基础上，梳理实验教学体系，完善相关实验内容，提升学生专业学习效果。热工测试技术主要开展热电偶的制作与标定、燃气安全阀性能测试、噪声检测与隔声测量、风管流速和流量测定及建筑围护结构传热性能测试。通过相关实验，学生了解相关设备的结构、工作原理及系统性能测试过程，在理论学习的基础上，通过实践对系统运行及应用有更全面的认识了解。

专业基础实验主要是对基础理论知识的全面覆盖，包括干空气定压质量比热测定、饱和蒸汽P—t关系、材料导热系数测定、空气横掠单管时平均换热系数测定、中温辐射时物体黑度测定等，使同学具备解决基础问题的知识和技能，为解决复杂问题提供基本原理与方法，从而训练学生的动手实践能力、分析观察能力和综合思考能力，提升学生的科学研究素养和创新意识。

专业实验涵盖面广泛，包括蒸气压缩式制冷系统、锅炉运行效率测定实验、换热器性能综合实验、太阳能光电转换实验、太阳能光热转换实验、太阳辐射监测、实验燃气热值测定、燃气火焰传播速度测定、实验大气式燃烧器工作性能测定实验等。

实验过程中，学生以个人或分组的形式开展，在熟悉实验系统及实验步骤的基础上开展相关操作，获得实验数据并撰写实验报告。通过专业实验，可以强化学生对专业系统的认识和应用，强化知识的理解和运用，提升能源与动力工程专业的基本测试技能。

五、强化虚拟仿真实践项目建设

考虑部分学期课程授课为线上授课方式，为保证学生实验课程的正常进行，虚拟仿真实验教学成为实验课教学的一种重要方式，同时虚拟仿真实验可操作性强，可以避免线下实验工况调整受限的问题，能够拓宽实验运行工况的范围，强化学生对整个系统运行的认识。我专业拥有国家级建筑用能虚拟仿真中心，开设了燃气锅炉运行、热泵系统运行、流体力学、太阳能光伏系统等多项虚拟仿真实验，能够让学生从原理认知学习、知识点考核、系统方案设计、系统搭建、系统运行、实验结果分析等角度完善对知识的实践学习，系统参数可调节性强，能够较全面实现学生实验培养的要求，达到较好的教学水平。

虚拟仿真实践项目的开展，可以克服传统的重书本知识的教学方式，在教学过程中梳理教学基本内容，融入虚拟仿真实训，将传统教学内容与虚拟仿真工程实践结合，将感知学习与认知学习相结合，构建课程虚拟仿真实训场景链，综合考虑教学重点和难点，结合实际教学功能，完善教学方案，提升教学效果。

六、融入STEAM教育理念的课堂教学建设

课程改革与建设是提高学生专业知识和创新能力的重要手段，也是学生夯实专业基础的重要环节。基于探究导向主题、问题导向主题、技能导向主题的方式，梳理专业课程的知识体系及框架，在现有基础知识点讲授的前提下，完善相关的科学研究前沿动态，高新技术创新应用，技术的工程示范及推广，实际工程设计案例及工艺布置等内容，构建及优化了知识丰富及工程技术性强的STEAM教学内容。

在热源与供热管网课程中热源的教学过程中，以锅炉本体和锅炉房设计为要点，从点到线再到面逐层开展，围绕相关知识点，不断补充检索相关内容，将最新的科研动态以及技术创新融入教学中，让学生了解书本以外的内容，提高对知识深度、广度及技术应用性的了解。重视工艺设计的重要性，强化对锅炉房系统工艺流程及工艺布置设计，通过方案对比彰显工艺布置的重要性。以结构设计和系统设计为主线，体现数学思维在系统设计中的重要性。

在融入STEAM理念教学内容的基础上，进行教学过程的设计。根据课程内容整合的层次性，教学过程中采用不同的目标指向，对于锅炉本体的学习中，主要以锅炉本体内部结构、工作过程及锅炉技术研究为学习目标，而对于锅炉房部分学习过程中，主要以锅炉房系统流程和工程设计为学习目标。在教学设计中，采用探究导向、问题导向等方式，引导学生提前进行相关文献检索及查阅，探究现有的科学研究前沿和新技术应用，并采用课堂讨论与分析的方式，进行相关内容的探讨，学生针对相关内容选题进行PPT汇报，深入科学技术以及工程应用中。围绕相关特定的技术问题，比如锅炉水循环恶化问题，要求学生进行问题分析，并提出改进方式等。围绕锅炉房设计中技术应用问题，以不同系统中的技术应用为探讨点，强化学生对先进系统的认识。