供暖系统综合设计性实验教学改革与实践

沈雪莲， 陈金华， 秦子雄， 谭 力

（重庆大学土木工程学院，重庆404100）

0 引 言

近年来，南方的供暖需求日益增大。2012年全国两会上，全国政协委员张晓梅递交提案，建议南方地区冬天实行集中供暖，供暖成为全国性的需求，但由于南北有别，南方供暖在方式、技术、运营等方面均存在广阔的探索研究空间［1-2］。小型供暖系统综合实验是建筑环境与能源应用专业学生专业综合实验中比重最大的实验项目，共12学时，对学生掌握供暖系统专业知识，并适应当今社会需求，推动供暖技术应用及发展有着重要意义。但传统陈旧的教学模式难以适用当今人才培养的需求，加强和改进实验教学，是落实学生创新精神与实践能力培训的重要和有效方法［3-4］。改变以往的“教师讲三，学生听二练一”的被动学习模式，将实验进行改革，增加实验设计探索性，提高学生实践参与度，采用“学生为主，教师为辅，全程参与”的教学模式，不仅有利于帮助学生掌握理论知识，激发学生学习自主性，同时更有力地培养学生创新、设计性思维，提高其实践、分析、应用等综合能力［5-10］。此外，对于“双一流”研究型大学，依托博士、硕士点及重点实验室等学科平台，建设设计性、创新性综合实验，能促使本科实验紧跟学术研究前沿，激发学生的学习热情和创新意识，有利于向学科平台输送优秀的学生攻读硕士和博士学位，同时通过研学融合手段提高实验平台和大型仪器设备的使用效率［11-13］。供暖系统综合设计性实验，以国际科技合作计划项目为依托，结合实验教学需求及特点，将优秀科研成果转化为本科实验教学内容，对供暖实验进行设计性实验改革，并投入教学实践中。

1 实验平台及教学模式

1.1 实验平台概况

供暖系统综合设计性实验平台原为研究生科研实验平台，结合本科实验教学的要求和特点，对其进行了系统改造，使其同时满足本科实验教学及研究生科研实验的需求，大大提高了实验资源利用率。该实验平台系统综合性较高，可开设多种供暖末端系统实验，包括风机盘管系统、散热器供暖系统、多种形式新型辐射供暖系统等，其实验内容丰富且具有专业前沿性，实验系统先进具有较好的学习示范性。同时，该平台设置有能耗监测系统、空间围护结构温度监测系统等自动测试系统，而且配备有科研团队相关科研仪器设备可供本科实验教学借用。经研学融合，实验平台更具先进性科学性，为进行供暖系统综合设计性实验教学改革打下了基础。

供暖系统综合设计性实验平台共有3个供暖末端房间及1个热源机房（见图1、2）。

图1 热源机房

图2 实验平台改造

实验平台热源为一台交流定频双压缩机空气源热泵机组。该机组额定制热量为11 kW，额定制热功率为4．1 kW，机组内置水泵。空气源热泵机组空调水一部分可直接送至房间风机盘管、散热器、辐射地盘管系统等末端，另一部分可经由半容积式换热水箱一次侧管路送入水箱换热，水箱二次侧空调水与一次侧空调水换热后可送入房间毛细管网辐射末端。热源系统原理图如图3所示。

末端房间及其实验系统参数见表1。

1.2 实验教学模式

该实验为设计性、探索性综合实验，采用“学生为主，教师为辅，全程参与”的教学模式，即学生在教师的指导下，熟悉了解供暖实验系统及相关设备仪器，并通过教师提供的指导性资料进行自学，选择实验板块，自行设计实验方案，教师对学生实验方案进行批阅点评，学生根据最终的实验方案进行实验测试探索，获取实验数据进行整理分析。

由于学生对供暖系统的认识仅停留在浅层理论知识上，且本科学生已习惯灌输式教学模式，未经历系统的科研训练，所以需要一定的引导才能帮助他们更轻松更积极地参与到自主式实验探索中［14］。综合考虑实验平台条件、实验项目时间安排、实验教学目的及实验难度，教师设定了13个实验板块，并规划系统运行工况安排，为学生的实验设计提供一个落脚点，学生根据选择的实验板块，结合系统运行工况安排，设计实验方案，包括：实验目的、实验内容、实验测试参数及选用的仪器、实验测试方法步骤、数据整理分析方法等。每个实验题目由1个实验小组完成，每组人数不超过3人。此外，实验兴趣更浓厚的部分学生，如果希望进行多板块实验主题的探索，则允许各小组之间进行配合，要求配合小组一同协商实验方案，并在完成各自实验板块的实验测试工作之后，共享实验测试原始数据。

图3 热源系统原理图

表1 末端房间及其实验系统参数

整个实验过程中，学生为实验主体，教师提供辅助，包括：对实验流程及注意事项的介绍，实验系统及设备仪器的讲解，提供论文、规范、操作视频等自学资料，并方案批阅指导、实验问题答疑等。该教学模式相对传统教学模式，更能激发学生的探索欲望，加强对学生创新性思维的培养和实践、应用、分析等综合能力的锻炼。

2 实验教学实践

2.1 实验环节整体规划

供暖系统综合设计性实验面向3个教学班共109位学生，每组人数不超3人，每个班约有12～13个小组，整个实验项目共约39个小组。实验组数多，且实验本身自由度大，为保证实验教学的条理性及高效性，设置实验各环节的时间节点尤为重要。3个教学班的实验时间节点安排表如表2所示。

表2 供暖系统综合设计性实验教学进度安排

由于实验内容涵盖面广，在一个实验平台上要进行13个板块的实验（见表3），需合理规划各房间系统运行工况，实验内容涉及同样运行工况的各小组可根据自己的时间安排及实验内容彼此错开实验或配合实验，例如：客观实验的同学可协助主观实验的同学完成主观调查实验。各小组独立完成其实验内容又能共同维持系统的正常运行。

表3 供暖综合实验板块

此外，考虑到学生学习能力及自我发展定位的不同，设计性综合实验应具有伸缩性和延展性，让不同层次的学生都能有所收获，满足学生个性的发展需要［14］。所以除了3个教学班设有3轮实验测试外，另在增设第4轮实验作为实验补充及拓展。若学生在前期实验存在较大问题，严重影响实验科学性准确性，可在第4轮中重做实验。同时，1～3轮实验系统按规划的工况运行，该部分实验属于典型工况实验，其测试量及实验深度已满足该实验的基本教学要求，也适合大多数学生。对于部分能力较强、思维更活跃的同学，当其实验方案实验内容超过原先规划工况范围时，可在第4轮中增设实验，如此，既不会影响整个实验教学的正常进行，同时可满足不同层次学生的需求。

第1～3轮实验典型实验工况安排类似，以第一轮为例，详见表4。

表4 第一轮实验运行工况安排

2.2 多样化教学形式

供暖系统综合设计性实验采用现场集体课及课下教学视频相结合的教学形式。整个实验流程的介绍、相关纪律要求、注意事项的明确及实验系统的初步了解，通过现场集体课形式完成，既可达到教学效果也提高教学效率。但集体课形式往往存在学生知识接受效果差，部分同学“听不清、看不清”等问题，故对于实验系统的操作步骤及原则、相关自动化仪器设备的操作方法、实验大批量数据的分析案例等需要学生集中注意力接受知识点，且实验过程需要回顾的教学内容，则由老师录制相关教学视频，发送给每位学生课下自学。这种半开放式实验教学方式，将教学时间延伸到“12个学时”以外，让学生有更充分的时间精力理解消化知识，并进行知识的自我构建；将教学从课上延伸至课下，使学生的学习状态从“封闭的束缚态”转变为“开放的自由态”，更能挖掘其学习潜力，提高实验教学效果［15-16］。

2.3 学生实验方案设计

实验方案设计是设计性实验的重要环节。实验方案的科学性、完整性、可行性直接影响实验探索环节及数据分析总结环节的效果。教师前期提供的系统介绍、学习资料均为学生的方案设计提供支撑及指导，此外实验板块题目及系统运行工况表的制定，也为学生的方案设计提供落脚点。但除前期的相关指导外，后期教师对学生提供的实验方案的批阅，也尤为重要。供暖系统综合实验的学生实验方案批阅，按以下两点原则：

（1）实验方案应内容完整、方法相对科学且具有可行性。学生提交的实验方案应严格按教师提供方案书标准模板进行撰写，实验方案应从实验目的及内容、实验测试参数及仪器、实验方法及步骤、实验数据处理及分析方法等多个方面进行完整的思考，且主观实验应提供主观调查问卷。如不满足实验方案的完整性，则应要求学生补充相关内容。

另外，由于本科实验不同于科研实验，旨在锻炼学生的综合能力，培养学生创新思维，故实验方法科学性要求有所降低，具有一定科学性即可满足要求，但如果存在明显错误，严重影响实验安全及结果准确性，则需提出，要求学生修改。

同时，也必须重视实验方案的可行性。由于实验系统、设备仪器的局限性，当学生的实验内容超过实验平台所能提供的条件时，应明确并建议学生调整实验内容。

（2）避免过多干涉，以建设性意见为主。围绕激发学生学习兴趣及潜力，培养学生创新思维及综合能力的教学目的，除非实验方案存在严重不合理性、危险性以及超过实验平台能提供的实验外，教师在批阅实验方案时尽量不否定学生的实验方案，重点提供指导性的建议，帮助学生优化实验方案，提高实验科学性，合理性。

2.4 学生自主实验探索

学生实验测试与探索，是设计性实验另一重要环节，也是锻炼学生实践能力、观察能力的重要过程。供暖系统综合设计性实验涉及6类供暖末端、配置有9种及以上测试仪器及设备，可测试实验参数多达15种，以自动读取与手动记录相结合形式。即便是选择相同实验板块的各班小组，由于研究重点、思考深度等不同，其实验方案不尽相同，实验测试探索过程也各不相同。在实验测试过程中，实验平台每天早上9：00至晚上20：30均对学生开放，除早上运行启动实验系统外，学生可在实验开放时段自行安排实验进度，如遇问题可随时联系教师。此外教师轮流巡视，并提供及时指导，为学生营造一个自由轻松的实验环境，培养其独立发现问题解决问题的能力。

2.5 测试数据处理分析

供暖系统综合设计性实验的测试数据处理分析环节与验证性或演示性实验有着本质的区别，并非以验证某一理论为目标，而重在锻炼学生的分析、研究、总结能力，以发现问题，剖析问题为重点，故实验报告的实验结果具有开放性。同一实验板块的小组，由于实验方案及测试方法的不同，实验结果也可能存在差异；同一小组的成员，由于看问题的角度不同，思考的深度不同，其结论也可能不一致。教师在批阅实验报告时，不以结论为评判实验报告成绩的标准，而重在查看学生的数据处理合理性，分析思路条理性、严谨性以及问题思考深度等体现综合能力，创新思维的要素。

2.6 实验成绩评价标准

设计性实验仅依据实验报告进行实验成绩评价明显不够科学合理。该实验分为集体课讲解、实验方案设计、实验测试探索及实验数据分析4个环节，根据每个环节的重要性及工作量，划分其分数权重，教师对每个环节进行单独评分，再进行加权平均计算该门实验的综合成绩。讲解环节、实验方案书、实验操作环节、实验分析（报告）4个环节的权重分别为10%、25%、30%、35%。

3 改革与实践成效

为更好地了解实验的改革及实践效果，对学生发放调查问卷进行调研，统计结果显示，供暖系统综合设计性实验约79%的学生认为“有些难，但还能接受”，这说明实验的难度较为合理，对大多数学生均具有较好的能力提升作用。此外，供暖系统综合实验在加强专业知识掌握、激发学习兴趣、提高实验参与度、锻炼综合能力等方面均具有较理想的效果。相对于常规实验，95%的学生认为该设计性实验更能增加其学习的兴趣；80%的学生认为他们在该设计性实验过程中具有更高的参与度；86%的学生认为该设计性实验更能提高其综合能力；在各类能力的锻炼上，自主学习及思考能力的锻炼最为明显，约87%学生认为该方面得到锻炼（见图4）。

图4 各类能力锻炼的调查结果

此外，参与实验教学的老师也进行总结分析，均认为该实验中，学生积极性及学习热情明显高于常规实验。学生实验报告批阅过程中发现，部分实验小组，其成员间报告的分析深度、结论内容也不完全相同，此现象说明学生在实验过程中均独立思考分析，对实验测试结果各有不同的收获和感悟。

4 不足及改进

根据学生及老师反馈意见，本供暖系统综合设计性实验的改革和实践过程，仍存在以下几点不足。

（1）实验教学时间与学生考研时间发生冲突。作为设计性、探索性实验，需要学生投入更多的时间和精力，但实验教学时间处于学生考研的冲刺阶段，大大影响考研学生对实验的热情及参与度。

（2）实验教学管理需要加强。由于实验环节较多，学生自由度较高，按常规实验的管理方式由各班班长进行教学任务的通知，管理效率较低，效果较差。

（3）在进行供暖综合实验之前，学生对供暖系统知识的掌握整体较为薄弱，在实验方案设计、实验测试探索中，将理论知识应用于实践的能力较弱，在一定程度上影响实验效果。

针对实验改革与实践过程中存在的不足，在接下来的实验教学中，将进一步对供暖系统综合设计性实验进行优化改进。

（1）调整实验教学时间，避开学生考研冲刺阶段，确保每位同学均能更好地投入到实验中。

（2）尝试建立一个线上交流平台，教师的相关指导资料，教学视频及教学通知，均可通过该平台直接发送给学生，避开中间转述环节，提高教学效率及效果。

（3）供暖综合实验平台为实体系统，改进升级困难，且实体实验安排受制于室外气象条件，所以，将进一步建设供暖系统虚拟实验平台，学生可提前借助虚拟仿真实验学习和掌握供暖系统形式，通过虚拟实验探索系统运行特性，初步建立对供暖系统的全局性认识。在冬季供暖综合设计性实验中，学生将在对供暖系统有一定理解的基础上，结合虚拟实验过程中产生的思考，较有针对性地进行实验方案设计，并进行自主性实验探索。

5 结 语

供暖系统综合设计性实验于2017年9月申请为校实验教学改革项目，经教学平台改造、教学模式转换、教学方法提升等改革工作，于2018～2019年第一学期投入建筑环境与能源应用工程专业2016级本科实验教学中。实践表明，相比于传统实验项目，该项目更能激发学生学习兴趣及热情，能使学生从“被动式学习”状态转变为“自主式学习”状态，在培养学生设计性、创新性思维，锻炼学生实践应用、分析探索等综合能力上均具有明显的促进作用。供暖系统综合设计性实验项目教学改革效果明显。

·名人名言·

教师之为教，不在全盘授予而在相机诱导。

——叶圣陶