面向碳达峰、碳中和的建筑能源专业跨学科课程体系设计

周勃 孙成才 杨忠华 徐雪璐

摘  要：面向我国碳达峰、碳中和目标，为适应能源产业变革和人才需求的变化，建筑能源专业重新设计跨学科知识体系，通过剖析多学科交叉的内在逻辑，预测双碳目标下的人才需求，提出跨学科链条课程、合作课程，实践环节多学科交叉组织实施办法，基于平台建设培养面向双碳目标的新工科人才。

关键词：工程教育；学科交叉；课程体系；人才培养；建筑环境与能源应用专业

中圖分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）25-0013-04

Abstract： Facing the goals of carbon peak and carbon neutralization in China， in order to adapt to the change of energy industry and the change of talent demand， this paper redesigns the interdisciplinary knowledge system of building energy major. By analyzing the internal logic of interdisciplinary and predicting the talent demand under the dual-carbon goal， this paper puts forward the implementation method of interdisciplinary chain courses， cooperative courses and interdisciplinary organization in practical links， and trains new engineering talents for dual-carbon goal based on platform construction.

Keywords： engineering education; interdisciplinary; curriculum system; talent training; building environment and energy application

全球能源革命引领了新能源、节能环保、循环经济和人工智能等产业的涌现，并且正在改变着人类生产、生活的用能方式，越来越多的创新技术需要多个不同学科、甚至过去毫无关系的学科之间交叉融合，能源领域曾经高度分化的理论和技术呈现出深度融合的发展态势[1]。同时，新理论、新技术、新工艺及新方法形成和发展的周期在不断缩短，加快了知识老化的速度，知识更新工程是高等教育普遍面临的问题[2-3]。多学科交叉融合教育成为全球高等教育发展的必然趋势，跨学科课程体系设计是人才培养所面临的重大问题。

中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[4]。目前，我国碳排总量为美国两倍多、欧盟三倍多，碳达峰所需的碳排放减量更高，碳中和实施的时间更短[5]。双碳目标的深层次问题是能源，工业、交通、建筑是能源消费的三大领域，其中建筑能耗已占全社会能耗的三分之一。建筑环境与能源应用工程（以下简称“建筑能源”）专业与节能减排、新能源、可再生能源利用等国家战略新兴产业息息相关，特别是建筑运行过程所产生的碳排放量占总排量的28%[6-7]。为此，建筑能源专业应主动适应国家经济社会发展的需求改革课程体系，以服务战略新兴产业的“中国视角”来重新审视专业课程的边界和关系。

跨学科与多学科的区别在于，它是以解决复杂工程实际问题为目标，通过深入挖掘专业内涵以及梳理不同学科知识，因而关键是研究如何突破单独学科的边界。跨学科课程体系不仅仅是对相互关联的课程进行合并、整合、重组和优化，还要研究如何开设跨学科课程链、组建跨学科教学团队、跨学科平台保障和跨学科合作机制等，从而克服单一学科的弊端[8]。本文首先通过剖析建筑能源专业多学科交叉知识范畴为例，建立课程体系的内在逻辑，然后梳理碳达峰碳中和目标给行业发展模式带来颠覆性的改变，预测未来新兴产业人才的需求，设计跨学科课程体系和组织实施方法。

一  跨学科课程体系设计

双碳目标已上升为国家战略，任何专业都不能置身事外。为此，本专业根据外部评价、行业调查、毕业生反馈结果来分析国家战略需求、区域经济发展、人才需求分析和职业资格标准四个方面，重建了交叉学科知识体系，明确了培养目标，并分别提炼了未达成的毕业要求和培养的核心能力，在此基础上建立跨学科课程体系，如图1所示。跨学科课程体系框架如图2所示，首先在低年级根据国家战略产业和区域经济发展需求循序渐进地引入专业导论、学课前沿、跨学科平台课程，然后从大三开始通过实践课程融合科创大赛实践跨学科专业知识，第八学期通过分析人才需求保证毕业证书与职业资格对接。

二  实现双碳目标的人才需求预测

随着双碳目标的确立，节能减排技术、非化石能源系统、电力系统与用能需求的集成等技术创新必将引发新的发展格局，结合本专业已有的特色优势和专业定位，预测建筑能源专业的人才需求有以下方面。

（一）  清洁供暖

我国城乡建筑总规模为750亿m2，其中北方城镇需要供暖的建筑面积达到200亿m2。供暖排放占运行碳排放的近70%（居住建筑）和43%（公共建筑），是建筑碳中和需要解决的最大问题[9]。随着城镇化进程、南方供热需求的攀升，这就使得建筑运行需要的电、热负荷进一步增加，从而使得建筑运行的二氧化碳间接排放不断攀升。在无法减弱供热需求的情况下，未来清洁供暖将成为旺盛需求，要求建筑能源专业的毕业生们了解国内外供暖技术的适用性和局限性，基于定量和定性的数据选择和评估适合的最终解决方案，教学实施过程应在课程目标、课程设计指导方面有明确界定和考核指标。

（二）  可再生能源利用

可再生能源主要分为传统水电，新兴的光伏、风电，以及物质能（垃圾发电、生物燃料等）、地热能和潮汐能等。多元互补的能源系统要求高比例的可再生能源与管网、负荷、储能一体化设计运维，但是可再生能源从生产、输配、储存、消费到回收的环节繁多且复杂，存在深刻的学科壁垒。因此在大三阶段，建筑能源专业以冷热源替代为水能、风能、太阳能等非化石能源为主线，构建从可再生能源发电到终端用能优化匹配的完整知识体系，围绕能源消费方式低碳化转型要求，阐述从能源脱碳到消费终端节能的绿色技术。

（三）  能源系统运维

建筑运行能耗主要包括：①建筑室内环境营造的能耗（供热、供冷、通风和照明）；②建筑公共设施的能耗（电梯、供水、生活热水和配电）；③功能性设备的能耗（电气、办公、充电和信息系统），建筑电气化率提升是节能减排的核心抓手。以前专业课程重视前期设计和施工，忽略长期运行能效及维护管理，因此在建筑智能控制、建筑节能和城市能源供应的课程设计中增加了光储混合系统，以及配套的电加热、电解制氢气、储能装置等内容。在课程设计中要求学生掌握节能减排和环境模拟软件，在保证室内环境参数的条件下尽量减少冷、热负荷需求，再通过仿真平台优化系统运行参数提升系统整体能效。

（四）  无氟制冷

目前，气体压缩类制冷剂大多是非二氧化碳类温室气体（氢氟烃、氢氯氟烃），而常用教材还采用氟利昂制冷循环。为此，本专业在大一环境导论课程中，学习制冷工质有效的替代和循环方法，大二工程热力学课程中介绍无氟制冷技术，大三的空调冷热源中介绍吸收式制冷，大四选修课介绍二氧化碳工质热泵产品，并评价很多发达国家都推广的燃气驱动的冷热电三联供系统。因此，高等教育不能再照搬国际前沿技术经验了，跨专业课程体系应该另辟蹊径。本专业通过建筑能源大讲堂和专创融合，根据国家需求来实时更新课程中的相关前沿创新技术。

（五）  数字化设计

数字化设计共性技术主要包括建筑几何建模和优化技术，可视化模拟技术，以及基于人工智能与机器学习的智能技术等。数字化技术的飞速发展，为建筑室内环境营造技术发展提供了软件平台，并衍生出包括信息采集、数据可视化、参数化生成设计和智能建造等相关的建筑信息化方法，特别适合于绿色建筑、零碳建筑、建筑节能相关课程中应用。本专业从大二下学期开始将课程目标统一聚焦为：零碳能源体系、工业流程低碳化、绿色建筑，专业教师结合各自课程特点讲授低碳、零碳技术的发展沿革，最大限度地挖掘数字化技术的减排潜力便于将不同技术单元集成耦合，促进跨学科课程群全链条协同。

三  跨学科课程的组织实施

（一）  跨学科链条课程的设置

面向碳达峰、碳中和，根据产业的人才需求，将每个课程模块目标根据毕业要求进行分解，使得每个链条课程没有明显的学科烙印，不受学科专业领域界限的限制，在一个课程模块内通过课程设计实现学习过程中的交叉或整合。由课程设计来组合课程体系链条，保证各课程链条服务于特定的行业功能，同时各链条的逻辑关系并行且相对独立，如果行业需求改变了，可以对一个或几个课程链条进行调整而不会影响其他链条，这就便于对课程体系进行充实和更新以快速适应新技术、新产业的发展需求。

（二）  跨学科合作课程

学校建立创新创业教育学院，以培养学生的创新意识，鼓励不同学科的学生自发组成跨学科项目组，便于本科生发展个人兴趣开展各类科创项目，通过跨学科教研团队的骨干教师指导主动探索的学生完成跨学科合作课程。目前，建筑能源专业与测控专业、自动化、机器人专业以研究生联合培养、双创项目、科技竞赛为支点，建立围绕建筑智能化、能源物联网、建筑节能等专业特色，将学科知识与专业知识相互渗透、整合、重组和优化，使得跨学科教研团队充分融合科教资源，使得跨学科合作课程的交叉融合成为常态。

（三）  实践环节的多学科交叉

建筑能源专业的实践环节：虚拟仿真实验、专业认识实习、软件操作、创新实习、课程设计和毕业实习，设计思想是数学建模、工程情境、实践能力、创新意识、设计能力和实际工程能力。首先，采用虚拟仿真实验可以充分融合跨学科核心课程知识，实施水泵电机匹配、管道降阻、高效传热等节能设计方案；其次，课程设计基于绿色产业需求反向设计（图3），聚焦传统暖通空调以及建筑节能、能源供应、建筑智能化和人工环境控制全面系统地培养学生的工程实践能力；最后，毕业设计题目要求贯穿前期的双创和竞賽项目，融合节能、能效、减排三个要素，在跨学科课程体系中提升学生综合素质和能力。

四  跨学科课程的平台建设

跨学科教学研究与科学研究应互为支撑，一方面跨学科教学活动需要科研项目更新迭代知识本体；另一方面，科研则需要跨学科人才培养提供有力的人才资源。为保障科教融合，跨学科的平台建设就是保障和实施跨学科专业建设的重要环节。基于科教深度融合建立多方协同平台及教学资源库成果，精准抽取和重组跨学科课程体系的系统理论和应用领域来优化课程设置和内容。

（一）  实践平台

跨学科课程体系组织实施过程中势必要求协同统筹跨学院、跨专业的教学平台资源。为此，本专业通过建立校企联合培养实践基地、跨学科专业综合实验室，以及学科交叉综合训练课程等措施保障跨学科课程的组织实施。首先，遵循优势互补的原则长期稳定地开展校企合作，保障实践平台能够按照培养方案的规定开展实践性教学活动。其次，按照课程链条搭建跨学科实验室，教学团队分属建环、土木、力学、电气和信息，课程的教学设计通过虚拟仿真实验室，完成方案设计—运行调节—优化改进的过程。依托跨学科实验室，尝试运用灵活多样考核方式考察学生实践能力、创新能力、组织管理能力和团队协作能力等，在此基础上建立了不同课程体系课程和实践教学的学业过程性评价方法。最后，在素质拓展、劳动教育等课程群中设置学科交叉训练课程，围绕系统节能、新能源利用等跨学科项目案例，面向高年级学生展开以项目参与式实习，一般采用案例研讨和现场提问的教学方式，根据项目任务目标要求将学生分为若干实习小组，每个小组指派跨学科教研团队的教师指导，学生必须经历分工、合作、交流、研讨的多次循环过程后才能选出最优能源方案，由方案论证的过程和结果评价小组的实训成绩，由此保障科教融合的顺利实施。

（二）  科研平台

科研活动对人才培养、学科建设以及专业建设具有重要的作用，具体表现在：①科研任务是源于行业、产业、企业当前和未来面临的工程问题，是真实问题，在实际的应用场景中，只需要按照需求提取相应的知识库，从而改变原来的单一学科体系求知惯性；②科学问题往往都具有多学科交叉融合特征，是复杂工程问题的研究，师生在合作开展科研项目中，会逐渐体会到各种视角、见解、概念和理论，并意识到团队合作和交流沟通的重要性，有利于培养自己的团队意识和交流合作的能力。因此，科学研究除了具备实践教育教学应用性和综合性的特点外，还表现在科学研究对学生的未来发展和促进相关学科专业建设和发展上的潜能，而且科研平台建设能够提供实施培养方案需要的先进的实验条件和研究设备，为更深层次的实践和创新提供保障。

（三）  创新平台

多学科交叉融合一般都包含创新要素，专业依托学赛融合、专创融合搭建创新平台将课程教学内容与产业需求相结合，因此创新平台本质上也是科教融合的平台。一方面，专业教师通过企业调研和研究提出创新创业选题，或作为相关课程的教学内容；另一方面通过聘请新能源、机电节能等行业的能源管控负责人担任学生创业导师，引导学生锻炼多学科角度观察、包容反思和跨文化素质。例如，本科生在创新平台中得到学业指导教师和企业顾问的共同指导，完成的国家级大创项目“沈阳市大型公共建筑能耗调查及节能策略研究”是将建环和信息、自动化学科融合，通过各类传感器监测建筑运行能耗，诊断建筑能耗的不利因素，并制定降低能耗的运行策略，最后还研制了能源系统调控装置。学生可根据自己的兴趣和职业规划自主制定研究计划，充分发挥个人天赋和特长，同时教师设定工程情境，实施研究参与式学习、项目导向学习、采用现代工具等多元化教学模式，实现真正意义上的定制人才培养。

五  结束语

综上所述，紧密围绕实现双碳目标的重大需求，跨学科课程体系的设计不仅仅是建环专业自身内涵拓展的内在需要，同时也充分考虑国家社会经济发展的外在要求，以提出明确的就业前景为前提，为学生提供多种可能的个性发展和职业发展选择，而非基于专业方向的课程模块。这样的跨学科课程体系面向具有挑战性的实际问题，往往要求参与者对其热爱，有较强的思辨能力和创新实践能力，将会给学生带来较大的获得感，促成直接的学习动机，从而抵御传统教育的功利性因素。如果未来能够积极创新教学考评机制和改革教学模式，将有利于破除跨学科课程体系的管理壁垒，促发学生主动、自觉地寻找解决方案，从而逐渐形成主动学习和自主学习的习惯。

参考文献：

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[5] 张贤，郭偲悦，孔慧等.碳中和愿景的科技需求与技术路径[J].中国环境管理，2021（1）：65-70.

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[9] 龙惟定，梁浩.我国城市建筑碳达峰与碳中和路径探讨[J]．暖通空调，2021，51（4）：1-17．