新工科背景下“供热工程”课程的教学改革与实践

2023-12-12孙春艳雷翠红

教育教学论坛 2023年39期

王峰，孙春艳，雷翠红

（山西大学电力与建筑学院，山西太原 030031）

引言

“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”构成了新工科建设的“三部曲”，奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径［1］。高等工程教育迫切需要培养一批“大国工匠”和高层次工科创新人才［2］。建筑环境与能源应用工程专业（以下简称“建环专业”）的任务是采用人工环境与能源利用工程技术创造适合人类生活和工作的建筑环境与工艺环境，培养的学生应掌握建筑环境调控与能源利用的科学知识和实践方法［3］，符合新工科特征。因此，有必要针对建筑科技的安全化、智能化、节能化和环保化发展培养具有创新思维的人才，通过人才的输送培养促进专业的进步［4］。

“供热工程”课程是建环专业的主干专业课之一［5-6］，课程的主要内容是介绍以热水和蒸汽作为热媒的建筑物供暖系统与集中供热系统［7］，包含冬季室内热环境的营造与能源综合利用技术的知识，是一门专业实践性很强的课程［8-10］，由基本原理、供热系统、设计计算、设备选型、课程设计、专业实习等部分组成一个独立的课程体系。

随着经济社会的不断发展，人们认识到了专业课程教学在人才培养中的重要地位，并且新工科也对专业课程教学提出了新的任务和挑战。因此，“供热工程”课程的教学必须紧密结合新工科特征，与时俱进，探索新的课程体系和教学模式。

一、“供热工程”课程教学中存在的问题

（一）课程体系缺乏系统性

供热工程的总体思路是通过能源的生产、输送和应用的过程来解决用户用热需求。原有课程体系是按照室内供暖工程与室外集中供热工程两部分内容在教材中的章节顺序依次介绍的，学生学完课程知识后，虽然对每个部分的知识都了解，但是却难以形成整体的供热系统，对完整的供热工艺流程并不熟悉，在后续的“供热工程”课程中进行课程设计时，普遍存在“课上听得懂，课下不会做”的现象，对课程设计无从下手，不得不快速重学一遍教材［11-12］。这表明现有的课程体系并不能满足供热教学目标的要求。

（二）与相关专业基础课内容重叠

现有课程的内容之间存在重叠，这既是对学时的浪费，又是对教学资源的浪费。供热工程和流体输配管网之间就存在内容重叠的问题。“供热工程”第四章室内热水供暖系统的水力计算与“流体输配管网”第三章液体输配管网水力特征与水力计算相重叠［13］，二者都介绍了热水供暖系统管路水力计算的基本原理，重力循环和机械循环热水供暖管路的水力计算方法和例题。流体输配管网是先修课程，极大影响了后续供热工程内容的学习。两者内容重叠，导致学生在学习后者时不注意听讲，教学效果不尽如人意。因此，要优化“供热工程”课程体系。

（三）课程教学模式传统

教师在教学过程中多以传统的灌输式进行授课，虽然使用了多媒体，但也只是增加了信息量，缺少对学生自主学习能力的培养，学生始终处于被动接受知识的状态，缺乏对理论知识的深刻理解和灵活应用，很容易让学生觉得专业课没有深度［14］，难以激发学生的学习兴趣。例如，水压图是整个“供热工程”课程最重要的知识点和难点，在讲授水压图“四不一满”的基本技术要求时，学生虽然理解，但是在绘制水压图时却不明白如何运用，对供热系统水压图的绘制疑惑不解；学生在学习重力循环热水供暖系统水力计算时，虽然对并联环路节点平衡原理已经理解，但是具体到并联环路水力计算时就不会了。由此可见，在传统教学模式中，学生作为被动接受者，仅学到一些碎片化的专业知识，且只能靠死记硬背来应对考试，对能力的提高作用非常有限。因此，现有的传统教学模式已经不能满足新工科背景下对创新型人才培养的需求。

（四）教学内容落后

当今供热工程领域出现了很多新技术和新成果，而现有的各个版本的教材对新的技术和成果并未做详细的介绍。如太阳能吸收式热泵供暖技术、空气源热泵供暖技术、北方清洁能源供暖技术、长距离输送热水技术、新型末端散热设备等。很多高校由于课时限制，教师只讲授现有教材内的基础理论知识，再另外开设选修课介绍新技术和新成果。无形之中增加了学生负担，降低了学生的学习兴趣和学习效果。

二、供热工程课程教学改革与实践

“供热工程”课程内容多、图表多、公式多、涉及规范多和工程实践性强，且与当前国际国内出现的各种节能新设备和供热系统节能新理念密切相关，教学难度大。而课程仅有48学时，要让学生掌握课程全部的教学内容难度很大，必须修订教学大纲、优化课程体系和改变教学方法。

（一）修订教学大纲，融入课程思政

根据新工科背景下对人才培养的需求，调整“供热工程”课程目标，修订教学大纲。将课程目标设定为：教学过程中坚持以学生为中心，通过价值塑造、知识传授、能力培养“三位一体”的教书育人理念，以及课程教学内容的学习，使学生具备必需的供热工程基本知识和基本技能，培养学生供热工程能源规划、系统设计和运行管理等方面的能力，培养从事供热工程施工、管理的基本技能，以及运用所学基本知识解决实际工程问题的能力。培养学生自主学习、探索、创新、思辨和应用知识的能力。将课程思政融入教学大纲，培养学生爱国热情、敬业精神、工匠精神、团队协作精神和节能意识，以及“温暖千万家”的胸怀和争做“建筑节能领军人才”的决心。

（二）优化课程体系

将教学内容根据其性质、内容、逻辑关系进行模块化划分，并进行合理搭配，以实现新工科教学目标。将课程教学内容整合为五大模块：一是将室内供暖系统的设计热负荷、室内供暖系统的末端装置和室内热水供热系统部分组成热用户（能源使用）模块；二是集中供热系统、热水网络水压图和热水供热系统的水力工况组成热网（能源输送）模块；三是集中供热系统的热负荷和集中供热系统的热源组成热源（能源生产）模块；四是热水供热系统的集中运行调节对应调节控制模块；五是设计模块，设计模块是实践的指导，包括负荷计算、系统选择、水力计算和设备选型。五大模块边界清晰、相对独立，又覆盖了供热工程的基本理论和工程实践。根据每个模块的教学目标和各知识点的学习目标，进行课程教学设计，选择合适的教学方法，制订课程教学方案。

（三）探索教学方法，注重理论与实践相结合

为了满足新工科背景下对人才培养的需求，必须对授课过程进行详细认真、有针对性地设计。根据“供热工程”课程的特点，探索基于项目教学的教学方法，同时将案例用于作业、思考题和讨论题的设计，与课程设计训练共同融入教学体系。课前，给学生布置以实际工程项目改编的适合教学过程使用的题目。课中，去除大量技术细节与技巧性内容，教师以工程应用为依托介绍热用户、热源和热网等的相关知识；课后，学生通过自学和做项目掌握课上讲授内容的细节部分，并且在教师的指导下根据课程进度逐步完成项目设计所涉及的各部分内容，将课中理论教学与课后作业融为一体，边学边做，共同完成设计项目大作业，真正实现理论与实践相结合。教学过程中，将案例分析用于作业、思考题和课堂讨论题，训练学生分析问题和解决问题的能力。案例分析起到启发思考和衔接理论教学过程的作用，是实现从传统教学方法向启发式教学方法转变的关键所在，教师要认真设计课后作业、思考题和讨论题目，将课堂教学中的细节通过思考题或作业的方式留给学生课后学习和讨论。在教学中，引入注册公用设备工程师考试元素，逐步建立并完善案例库。

项目教学法结合案例分析法，以项目为主线，以学生为主体，以教师引导为辅助，增强了学生自主学习的能力，提高了学生解决工程实际问题的能力，激发学生的学习兴趣，同时很好地解决了课程学时不够的问题。

（四）改革教学模式

采用长江雨课堂智慧教学平台实现BOPPPS的教学新模式。通过图片、案例、问题、视频等进行问题导入，并进行前测，提高学生学习积极性；课中，鼓励学生积极参与教学，加深学生对所学内容的印象和理解，提升学生的学习兴趣；课后，通过作业和分组讨论检测学生的学习成果。另外，对部分内容采用现场教学的方式，学生可以看到实物，以更加直观的方式加深学生的印象，并通过提问、学生讲解等方式引导学生思考，培养其解决实际问题的能力。对于重点和难点内容，采用翻转课堂方式，以学生分组讨论、教师总结的方式讲授，教学效果事半功倍。例如，热力站及其设备相关内容的教学就是采用现场教学的方式，通过教师启发提问和学生讲解并现场寻找答案的方式学习热力站工艺流程、设备工作原理等内容，课后绘制热力站工艺流程图，学生一致反映喜欢这种教学方式。室内供暖系统水力计算是该课程重点和难点之一，采用翻转课堂方式进行教学。某建筑分别采取不同的供暖系统形式，分别为异程式机械循环热水供暖系统、同程式机械循环热水供暖系统、重力循环热水供暖系统、分户式热水供暖系统等，每组选择一种形式在课后进行水力计算，各组成员自行分工合作，并在课中各自讲解计算过程和计算结果，教师总结，学生反映这种方法学习效果非常好。学生还根据所学的水力计算原理，自己设计便捷使用的水力计算表，并用在课程设计和毕业设计中。

（五）教学内容注重与时俱进

在供热领域飞速发展的今天，“供热工程”课程的教学过程不能单纯依靠教材内容，而应该将新产品、新技术和新成果引入课堂。供热工程既解决了冬季室内热环境的问题，又涉及清洁供暖和分布式能源应用技术。因此，在教学中增加供热新技术、新设备的相关知识，比如太阳能供暖技术、空气源热泵供暖技术、北方清洁能源供暖技术、长距离输送热水技术、建筑节能新技术以及平板微热管在供热领域的应用技术等。新技术的引入既开阔了学生的视野，培养了学生不断探索的创新精神，又丰富了课程内容，提升了学生的自主学习能力和对专业的兴趣。