基于新工科人才培养要求的建环专业实验教学内容的改革探索

李俊梅 蔺 洁 王宏燕 李炎锋

北京工业大学城市建设学部 北京 100124

新工科建设是应对经济发展、产业变革和全球竞争，推动我国迈向高等教育强国的重要举措。区别于传统的工程教育理念，“新工科”是一种新型的工程教育理念，即“大工程观”。一方面“大工程观”强调培养具有全球视野、跨界整合能力、创新创业能力、应用实践能力的综合性、复合型工程科技人才，主要面向新技术、新业态、新模式和新产业，服务于产业现实急需和未来经济发展需要；另一方面，大工程观要改变传统工程教育实践缺乏的缺陷，注重工程教育的应用实践性，还要改变工程教育专业领域较窄的问题，强调跨学科性，注重传统理科转向工科应用，加强传统工科专业之间的交叉复合，与科学、艺术、人文、社会、经济等其他学科之间的交叉融合[1-3]。

建筑环境与能源应用工程专业(简称“建环专业”)是在原供暖通风与空调工程专业的基础上为适应经济技术和社会发展的需要，经过多次专业拓展、更名发展而来的，是一门跨行业、跨学科的新型交叉学科，专业范围涉及采暖、通风、空调、给排水、消防、新能源利用、城市燃气、建筑节能技术、建筑设施智能技术等多个领域。近年来，建环专业以促进健康和可持续发展理念为指导，服务国家创新驱动发展战略，紧密结合节能环保、新能源开发利用、双碳目标等热点方向，利用“互联网”“大数据”和“云计算”等先进手段提升建筑能效、发展智慧建筑能源和智能热网，是名副其实的新工科专业，也是成功入选我国新工科专业建设的众多专业之一[4，5]。教育部新工科建设的启动与推进，为建环专业的进一步发展提供了新的机遇，但在其人才培养的各个环节势必也会提出新的更高的要求。

结合建环专业面临的新形势，进一步培养学生的研究和创新能力、多学科知识的融合能力、解决复杂工程问题的能力，社会意识、家国情怀、团队精神、跨学科和系统思维是建环专业新工科背景下人才培养的主要目标。

实验教学是建环专业人才培养的主要实践环节，是培养学生创新能力、实践动手能力、解决实际问题能力、团队合作意识的关键[6]。在新工科背景下，专业实验教学如何在实验内容设置、实验教学方法上适应新工科建设的人才培养的需求还需进行进一步的探索。以下以北京工业大学建环专业实验教学为例，对新工科背景下实验教学的改革进行初步的探索。

1 传统实验教学在新工科人才培养方面存在的问题和不足

我校建环专业的实验教学经过多年的实践探索，已形成了结合本校学生实际和专业特色的实验教学体系。在巩固课堂理论课学习内容，培养学生实际操作能力、解决实际问题能力等方面发挥了巨大的作用。但是随着形势和社会发展特别是新工科对人才素质要求的不断提高，现有的实验教学体系存在的不足日益明显。主要表现在：

1.1 系统综合实验平台及实验内容缺乏

目前开设的实验多是结合理论课的需要，实验内容设置关联性不强，学生能够接触的实验内容有限，形不成整体的系统概念。建环专业是一个工程性很强的专业，其专业课程的设置有着很强的工程背景，各主干专业课之间有很强的联系性，适合开发必要的综合性、工程性强的实验平台，并设置相应的实验内容。学生能结合自己的专业方法，充分应用所学的技术基础知识，在实验课中发挥自己的主观能动性和创造性。

1.2 创新实验创新性不足

目前开设的4个创新实验在实验方法和实验内容多是沿袭传统实验，且实验内容多年不变，已无法体现出创新性，对学生创新能力的培养作用有限，急需结合科研实际、专业新技术、新方法设定新的创新实验内容。

1.3 现有实验平台中专业前沿技术含量不足

现有的智慧建筑、新能源、可再生能源应用等行业热点内容没有引入实验教学，学生对这些新技术的理解仅限于理论，无法深入理解这些新技术在专业中的实际应用效果。

2 结合新工科背景，建环专业实验内容和实验教学体系的改进

针对以上不足，为应对新工科人才培养的实际需要，我校建环专业在实验教学方面进行了以下改革。

2.1 专业实验教学内容的整合与优化

原有的实验课程设置分组基本上按课程开设的时间进行，缺乏系统性和各实验之间的关联。我校15版教学计划中专业实验课程的设置如表1所示。

基于此，在20版教学计划中，我们将专业实验依据专业基础课实验、专业课实验又重新进行了归类分层。第一层次专业实验1，是专业基础实验。该层次的实验中包括建筑环境测试技术综合实验、风机性能实验、水泵性能实验、光环境和声环境的测量实验等。通过该层次的实验，使学生能熟练掌握专业常规仪器的使用，理解专业基础设备的工作原理及性能，为后续的专业实验奠定基础；第二层次专业实验2，主要涉及供热、空调、通风相关的实验，包括热水供暖系统实验、热网水力工况实验、供热系统性能测试综合试验、空气热湿与净化处理及运行调节实验、除尘器性能实验、教室自然通风量测定实验等，通过完成该层次的实验教学，可以进一步加深和巩固学生对所学的供暖、通风、空调课程所讲授的专业知识的理解。第三层次专业实验3，主要涉及冷热源和自控系统相关的实验，包括自动控制原理实验、自动控制系统实验、制冷系统性能综合实验、锅炉房工艺与设备综合实验等。通过该层次实验，学生进一步理解冷热源系统的工作原理以及自控系统在暖通空调系统中的应用。实验设置如见表2。

表2 20版教学计划中专业实验内容的设置

通过将实验内容的归类整合，使专业实验得以循序渐进地完成。学生在完成实验的同时，对专业课程的组成脉络、暖通空调系统的组成也有了较清晰的认识，加深了对专业知识的理解和动手能力的提升。

2.2 创新实验平台的搭建和创新实验内容的更新

创新实验是我校在传统实验教学的基础上，为培养学生的创新能力设置的实验项目。以往的创新实验包括：水泵性能与管网匹配实验、制冷装置调控特性及压缩机性能实验、空调系统及空气处理过程实验、供热系统性能测试综合实验，这些实验的设定虽然在当初有一定的创新性，但是多年实验内容不变，相关内容的创新性已经严重不足。基于此，在新工科和双碳背景下，我们将新能源、大数据、互联网技术等引入了创新实验教学，新搭建了太阳能光伏、光热实验平台、风光互补发电实验平台、智慧供热、供冷综合实验平台、热管热回收实验平台、建筑设备自动化实训平台等，代表性实验台如图1至图3所示。在此基础上增加了太阳能光伏、光热系统性能综合实验、低碳多能互补能源系统实验、基于物联网的建筑能耗数据挖掘与评价实验、小温差高效相变储热(冷)技术实验、供热、供冷系统性能的评价分析实验、空调房间流场与温度场的测量与评价分析实验、建筑设备自动化实验等。这些创新平台和实验内容的增加，使得学生对新能源、大数据和节能技术在建筑中的应用有了深层次的理解，利用大数据分析对系统的性能进行优化、分析、评价提升了学生解决实际问题的能力和手段。

图1 建筑设备自动化实训平台

图2 空气冷(热)回收实验台

图3 水洗过滤物实验平台

2.3 创新实验课程考核方式的改革

原有的创新实验课程考核只有通过、不通过两种方式，完全体现不出学生的能力和水平，必须对创新实验的考核方式和考核内容进行改革。基于此，我们从创新实验的准备、操作、实验报告等环节对学生的实验情况进行考核，并在最后增加了答辩环节，通过这些环节的考核，一方面督促学生认真完成实验，另一方面多环节的考核使成绩更加公平公正，能充分体现出学生的能力和水平。

结语

新工科建设对建环专业的人才培养提出了更新、更高的要求。在新工科背景下，针对建环专业传统实验教学在人才培养方面存在的不足，对现有实验体系进行了优化整合，在创新实验中加入了互联网、大数据、新能源利用、智慧供冷、供热等新工科内容，并进一步完善实验考核环节。通过实验教学的改革，进一步加深了学生对专业前沿技术的理解，提升了其解决问题的能力和手段，为建环专业新工科人才培养奠定了必要的基础。