“新工科”背景下建筑环境与能源应用工程专业毕业设计的持续改进

王 兰,刘 斌,郝长生

(石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄,050043)

一、引言

工程教育是高等教育体系中的重要部分。工程教育致力于受教育者的科学素养、工程意识及应用技能的培养,高等工程教育追求的目标是培养高水平的工程师。[1]当今世界工程科技突飞猛进,全球科技创新进入空前密集的活跃期,面临百年未有之大变局,科技创新成为强大的推动力量,大力加强工程领域人才培养、提高国家竞争实力成为迫在眉睫的发展任务。以新技术、新产业、新业态、新模式为特征的新经济呼唤工科建设的改革创新,2017年,教育部提出了“新工科”理念:问产业需求建专业,问技术发展改内容,问学校主体推改革,问学生志趣变方法,问内外资源创条件,问国际前沿立标准,以期提高未来工程师的专业技能、职业素质和创新能力。[2]“新工科”建设和发展是我国高等工程教育改革的目标和方向,对我国进一步深化工程教育改革、建设工程教育强国、催生新的产业革命、带动国家经济转型升级有重要意义。

毕业设计作为高等工程教育中的重要环节,担负着培养学生解决复杂工程问题能力的重要责任,对提高学生综合实践能力与素质、培养创新精神等都具有十分重要的作用。[3]与本科教育阶段前期集中课堂教学不同,毕业设计需要学生在指导教师的指导下自己动手查阅文献,运用专业计算软件进行计算分析,并撰写论文、设计说明书或使用专业绘图软件绘图等。毕业设计是对大学生四年习得知识的提升和总结,反映了学生对基础理论和专业知识的理解、掌握与运用的水平,反映了学生的学习能力、调查能力、协作能力、归纳总结能力及创新能力等,是学生综合素质和高校教育质量水平的重要体现。学生毕业设计的质量不仅可以直观衡量学校的教学水平,而且是判别该校学生毕业证和学位证含金量的重要根据,可以作为评判高校人才培养目标达成情况的重要参考因素。然而,当前国内部分高校工科毕业设计的质量不太理想,高校工科毕业设计还需要持续地改进和完善。[4]

建筑环境与能源应用工程专业(以下简称建环专业)培养从事工业与民用建筑供暖、通风及空气调节系统的规划设计、施工安装、运行管理、研发制造等方面技术工作的高素质应用型人才。基于新工科理念,根据国家新经济发展形势需要,很多高校的建环专业针对毕业设计中存在的问题进行了一系列改革,并取得了一些成果。[5]但是,建环专业毕业设计仍然存在一些问题,需要持续改进。本文对相关问题进行梳理和探讨,并提出针对性建议,以期为建环专业毕业设计的持续改进提供可操作思路。

二、现存问题

(一)毕业设计内容陈旧

目前,高校工程专业的毕业设计内容往往与专业培养目标偏差较大,结合科研的选题研究内容偏理论化,与企业当前发展实际需求脱钩,来源于工程实际的题目,设计内容又较为陈旧。当前经济快速发展,工业与民用建筑结构形式增加,能源需求紧张,新设备、新系统不断涌现,可再生能源应用更是发展迅猛,行业规范不断修订,而高校与企业联系较少,难以根据专业规范及本行业发展要求及时更新教学内容,无法满足新工科背景下专业人才训练与培养的需求。

(二)指导教师工程经验不足

我国高等工程教育中出现了工程弱化、工科理科化的现象。有研究指出,这主要是因为高校教师职称评定制度及高校科研考核评价体制导向重论文、重科研、轻工程,存在着考核评定导向倾斜、评定标准单一等问题,且校企合作不到位,使高等工程教育存在一定的功利化倾向。[6]在这样的大环境下,高校工科教师为了职称晋升,达到学校考核标准,不得不将较多精力投入科研工作,与生产一线联系甚少,导致工科教师和学生的理科化,阻碍了我国工科高端人才的培养和发展。[6]另外,多数高校工科教师是从学校到学校,缺乏设计院、监理、施工等工程单位的工作经历和相关工程项目管理经验,有些教师更是跨专业教学,没有本专业基础,更没有企业中的工程实践经历。这些皆不利于我国工科高端人才的培养。

(三)学生工程素养较弱

高校学生在多年的理论学习中,已养成从课堂与教材中获取知识的习惯,而毕业设计需要查阅大量专业文献和规范,部分学生懈于筛选或阅读与自己设计项目相关的资料,习惯于等、靠、要。然而,毕业设计项目是一项复杂的工程任务,需要基于专业软件的综合分析和计算完成,这让很多学生在看到设计任务书时就心生畏惧,感觉无从下手。这主要是因为学生缺乏系统思维和工程实践能力,在面对复杂工程问题时,不了解实际工程中常用的解决问题的方法,无法联系工程实践,缺乏工程思维,对本专业发展的前沿知识也知之甚少,缺少工程素养。

(四)学生对毕业设计不够重视

毕业设计一般在第八学期,时值学生就业或考研的关键时期,学生难以全身心投入毕业设计。加之部分学生学风浮躁,只想应付差事,导致毕业设计质量不佳。在施工图方面,较普遍的现象是图纸表达不符合专业制图标准,缺乏对新规范、新标准的体现,施工图纸与工程实用要求相差较大。对一些重要的计算,学生不了解计算原理,只是盲目应用设计软件进行计算,计算结果往往存在偏差,设备选型停留在设计手册中的样本,与实际工程应用脱节。

三、改进策略

(一)优化毕业设计内容

毕业设计是高等工程教育实践教学中的重要环节,是高校实践教学的最后环节,其内容应满足本专业培养要求,要与工程实践结合起来,且有一定的深度、难度和创新性。

石家庄铁道大学机械工程学院(以下简称我院)建环专业在决定设计内容时,会结合学生就业需要及读研方向,初步将毕业设计题目化为科研类、供暖工程类、空调通风工程类三个大类,并成立对应的三个项目组。其中,科研类题目主要针对读研的学生,结合本专业的科技前沿方向及学生的需求确定研究内容。供暖和空调通风工程类题目则是结合本专业的工程实际,在与企业导师沟通交流的基础上,确定设计内容。供暖和空调通风工程类题目引入最新的专业工程设计方案,结合当前专业发展前沿,加入了系统能耗计算、碳排放计算等内容。同时,我院结合科研单位、生产企业的需求,突出轨道交通的专业特色,还会视情况增设地铁车站通风空调工程设计类题目及机车车辆空调、供暖及通风类设计题目,并结合当前的新能源发展趋势,增加氢能机车与电力机车能耗计算、碳排放计算,优化系统方案设计。毕业设计完成后会请轨道交通设计院专家把关,确定具体的设计内容。此外,还增加了针对当前设计院普遍使用的设计方案的批判性思考环节,让学生尝试寻求替代方案,再进行能耗计算,选择最优系统。为满足一些学生在就业单位实习的需求,我院允许学生结合实习内容确定毕业设计内容,使学生既能安心实习锻炼,又能顺利毕业。在整个毕业设计期间,每个项目组都要细化设计的每个环节,逐条征求企业工程师意见,力求设计内容与工程实际应用无缝衔接。

(二)提高指导教师实践能力

目前,“重科研、轻工程”是我国高等工科院校普遍存在的问题。为让教师的科研工作“接地气”,各地科技部门积极鼓励和倡导高校教师“走出去”,通过校企联合,研产结合,让高校教师的科研项目落户生产企业,使教师切身体验科研为工程应用服务的重要性。这样不仅可以实现科研服务于企业,而且可以让教师在科研工作中丰富自己的工程经验,让企业反哺科研,使科研工作与企业生产之间形成闭环。此外,通过总结工程经验,还能缩短甚至消除本专业校内人才培养与实际工程需求之间的距离。

我院建环专业与设计院、施工单位、供暖空调及通风设备厂家、暖通运行管理公司等企业签订合作协议,鼓励指导教师直接深入工程单位,向企业专家、工程师、工人师傅取经,汲取行业工程一线知识。在校内,指导教师也要通过日常学习,持续跟进更新的专业规范和标准。近年来,建筑及建筑配套行业发展迅速,与建环专业有关的规范、标准更新很快,因此,指导教师需要持续跟进,避免学生的毕业设计中出现滞后于现行规范、标准的内容。当前,节能降耗、碳排放、碳中和理念与建环专业息息相关,因此,与专业相关的新设备、新工艺不断涌现。指导教师需要时刻关注前沿技术发展。此外,建环系每周三下午固定空出2小时进行集体工程案例学习、交流,定期邀请校外企业专家、工程技术人员开展新技术讲座,校企进行深度交流、学习。通过校内教师走出去,企业专家走进来,提高专业教师的工程素养。

(三)培养学生的工程素养

建设新型工业化、创新型国家、铸就人才强国等一系列重大战略部署,迫切要求我国由工程教育大国迈向工程教育强国。[5]走中国特色新型工业化道路,迫切需要培养一大批能够适应和支撑产业发展的工程人才;建设创新型国家,提升我国工程科技队伍的创新能力,迫切需要培养一大批创新型工程人才;增强综合国力,应对经济全球化的挑战,迫切需要培养一大批具有国际竞争力的工程人才。[7]这些都指向了学生的工程素养的培养。国际技术与工程教育家协会于2020年发布的《技术与工程素养标准:技术和工程在STEM教育中的作用》阐述了技术与工程素养的要素,包括系统思维、创新能力、制造与制作能力、批判思维、乐观精神、协作与沟通、伦理责任。[8]这要求工程师具备基本的科学、技术、工程和数学能力,过硬的专业技能、工程伦理及实践动手能力。根据我国当前的产业布局及经济发展要求,工程人才应具备工程实践能力、工程创业能力、数字化能力、跨学科能力、工程伦理能力。[7]

我院建环专业基于新工科理念,要求指导教师在毕业设计过程中着重督促、引导学生根据实际情况合理地选择设计方案,对设计进行先分解、再组合,同项目组学生分别提出自己的设计方案,讨论、分析后再在指导教师的引导下确定最优方案。同时,指导教师要指导学生学习现行的行业规范、行业标准,引导学生在设计的每个环节都依据行业规范、行业标准进行,指导学生使用专业计算软件进行计算,鼓励学生对计算结果进行分析,学会判断计算结果,培养学生独立进行研究的能力。指导教师还要通过严肃认真的专业思想教育和科学精神教育,帮助学生充分认识科学研究的严谨性,教育学生端正学术态度,培养严谨细致的工作作风和勤奋认真的办事态度。此外,我校建环专业的毕业设计中工程类项目多为供暖系统、中央空调系统、通风系统设计,而供暖、空调系统是建筑中的能耗大户。因此,指导教师要鼓励学生在毕业设计融入当前节能降耗新措施、碳排放、碳中和理念,关注工程伦理和社会可持续发展,以此提高学生的工程素养。

(四)高标准要求设计成果

每所学校都对学生毕业设计成果有自己的具体规定。研究型论文应包括文献综述、研究对象、研究方法、研究结果、分析与总结、参考文献等部分。工程设计类应包括设计说明书、设计图纸两大部分。设计说明书包括设计条件、设计方案比选、设计计算分析、参考文献等,绘图需要用专业软件,设计图纸要符合本专业制图标准。每所学校对论文和设计说明书都有自己的格式要求。

在满足我校毕业设计基本要求的基础上,指导教师指导过程要精细化,确保设计成果的规范化和工程化。指导教师要加强管理,强化学生对毕业设计重要性的理解,重视毕业设计的过程,强调不仅凭最后结果确定考核成绩。在制定设计方案时,学生要先学习当前设计中的各种设计方案,熟悉每种方案的利弊,再针对自己的设计对象通过比选制定方案;在设计计算中,学生要先学习计算原理,细化每个计算参数的选取,再用软件计算;在设备选型时,学生要先熟悉当前各种设备的特点,再针对自己的设计对象的特点进行设备选型;在绘制施工图时,学生要先熟悉专业制图标准,按照标准绘图进行样板图学习,熟悉绘图流程、内容、标准,再自己动手。这些环节都要由指导教师和企业导师共同把关,保证设计成果的精细化、规范化和工程化。

四、结语

新一轮科技革命和产业变革,将促进一系列新经济与新产业的诞生和蓬勃兴起。这对建环专业新工科建设来说既是发展机遇,又是严峻挑战。如何通过毕业设计这个重要的实践教学环节,培养建环专业学生的工程素养以适应新工科建设的需要,是一个需要持续跟进的课题。针对建环毕业设计中毕业设计内容陈旧、指导教师工程经验不足、学生工程素养培养弱化、设计成果不够精细、专业规范性不足等问题,我院探索了新工科背景下不断提高建环专业毕业设计的改进措施,希望能为高等工程院校工程学科建设和专业人才培养提供借鉴,助力我国人才强国建设。