双碳目标下建筑环境与能源应用工程 新工科专业教材体系研究

[摘 要]双碳目标和新工科背景下，建筑环境与能源应用工程专业作为建筑节能领域的关键专业之一，需要从人才培养目标出发，调整和完善现有教材体系。建筑环境与能源应用工程专业教材体系完善的基本思路是：裁减现有教材中的重复授课内容和知识体系混乱的内容；优化教材体系，重视建筑能源系统能耗研究与分析；增加电子教材，保证授课内容与授课形式与时俱进。通过完善现有教材体系，适应双碳目标和新工科对建筑能源系统的新要求。

[关键词]双碳目标；新工科；建筑环境与能源应用工程；教材体系

[中图分类号] G642            [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2024） 02-0072-04

2020年，中国在第七十五届联合国大会上做出重要承诺：中国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。[1] 截至2020年，我国建筑能耗已经约占全国能源消费总量的30%，建筑全过程产生的二氧化碳排放量约占全国碳排放量的40%。[2]建筑环境与能源应用工程专业（以下简称“建环”）作为新工科专业和建筑节能领域的关键专业之一，需要从人才培养体系出发，调整和完善现有教材体系，以满足双碳目标对建筑能源系统的新要求和新挑战。

建环专业作为新工科专业，在双碳目标的大背景下，完善专业教材体系需要同时兼顾新工科建设的理念，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系等，围绕建环专业工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展。[3]

一、双碳目标和新工科背景下建环专业发展的基本理念

建环专业培养的是具有供暖、通风、空调、冷热源、净化、燃气等知识背景的专业人才，建筑系统中的空调系统能耗通常占到建筑能耗的 50%以上，因此，建环专业作为建筑节能领域涉及的关键专业之一，如何在不影响人居环境品质的前提下，降低空调系统能耗，快速实现建筑行业的碳排放达峰，是建筑领域应对双碳目标的重要措施。目前，“双碳”目标下建筑系统中的碳减排关键路径主要包括：提高建筑领域的电气化水平；发展清洁低碳能源替代；发展储能技术及柔性建筑用能系统。[4]

新工科建设指南为我国本科专业教育未来明确了发展方向。根据新工科专业建设的需要，建环专业需要从人才培养结构多元化、课程资源多样化、产教融合深入化等方面进行创新和改革。

因此，从建筑专业人才培养体系出发，探索完善现有教材体系，这对建筑节能目标的实现具有至关重要的作用。结合国家双碳目标规划，考虑新工科背景下建环专业的新内涵、新特征和新发展趋势，提出建环专业教材出版的新思路。[5]建环专业教材体系的完善应面向未来、面向世界，以满足国家和地区新经济发展需要为目标，围绕新兴工科专业进行研究与探索，从而对传统建环专业教材体系进行更新升级。

二、高校建环专业现有教材体系分析

为保证建环专业本科教学质量和人才培养质量，夯实学生的专业知识和专业技能，设定了现有的专业课程教材体系（见图1），其中专业基础课程主要涵盖工程热力学、传热学等7门课程，专业核心课程主要包括建筑环境学、空调工程等10门课程。根据课程内容及其应用场景又可分为“建筑环境营造”“能源应用”“电气控制”三个模块。

在双碳目标下，作为新工科专业的建环专业，为培养符合智能低碳建筑环境需要的新型专业技术人才，现有的教材出版仍有以下几个方面需要完善：

1.部分教材在授课内容方面重复或与本科阶段人才培养体系目标不符，如课程“流体输配管网”的授课内容大多出自“供热工程”“通风工程”“给排水工程”等课程内容，并未达到培养学生创新能力的要求；“热质交换原理与设备”课程难度较大，知识点零碎，与本科人才培养目标不匹配。

2.在双碳目标和新工科背景下，建筑能耗分析已成为培养本科人才的重点教学模块，为顺应国家战略需求和满足经济社会发展需要，使本科生具有建筑能源系统相关领域的知识储备已成为必须，需要对现有教材出版进行完善。

3.随着科学技术的快速发展，很多建筑节能、智能设备制造、高品质建筑环境等领域的新技术得到广泛应用，原有建环专业的培养体系面临挑战，如原有传统教材中的示范案例单一过时，为帮助学生更好地将专业理论知识与新工程应用案例相结合，需要对传统教学手段进行补充和更新。

总之，现有建环专业的教材体系主要围绕传统的专业内涵，以供热、燃气、通风及空调系统等相关课程为授课重点，偏重空调系统的基础知识和理论学习，对可再生能源利用和高效储能等技术不够重视，导致建环专业与双碳目标下新的建筑节能路径脱节，难以培养学生的创新能力，满足不了现阶段的国家战略需求。

三、基于双碳目标和新工科背景的建环专业教材体系完善分析

（一）裁减现有教材体系中的重复或与本科阶段人才培养体系目标不符的内容

现有建环专业的课程体系中，有部分课程教材内容重复，如“流体输配管网”，“流体输配管网”主要阐述的是通风空调、采暖供热、城市燃气、建筑给水排水、工厂动力和消防工程等所采用的各种流体输配管网的基本原理和工程计算分析方法，在管网水力特征与水力计算等内容方面，大量与“供热工程”“通风工程”“给排水工程”等课程内容重复，不仅缺失了“泵与风机”等关键内容，还增加了学生重复学习的任务，建议删减此教材，恢复原教材“流体力学泵与风机”。为满足双碳目标下建环专业人才培养需求，建议增加泵和风机在用电和能耗方面的学习内容。

除部分课程内容重复外，还有部分课程的知识体系尚不成熟，如“热质交换原理与设备”课程，是学生在学习“工程热力学”“传热学”“流体力学”等专业基础课程后，才能进行深入学习的一门课程，该课程重点探讨了发生在建环工程领域里的动量、热量和质量的传递现象和传递规律。该课程涉及内容广、综合性高，与“供热工程”“暖通空调”“制冷技术”“锅炉与锅炉房设备”等课程关联度高，由于学生尚未熟悉本专业相关设备的结构和特性，且传热、传质理论推导繁多且复杂、知识点抽象，对本科培养阶段的学生而言，理论性强、学习难度大、知识体系混乱、逻辑性较差。因此，建议对本教材的内容进行大幅删减，只保留比較成熟且与其他教材不重复的内容。

（二）增加建筑能源管理系统相关的内容

中国建筑能源系统行业发展与未来中国战略需求密切相关，建环专业作为建筑节能领域的关键专业，教材体系的设置尤为关键。传统建环专业教材内容主要偏向建筑环境领域的理论分析和工程设计。在双碳目标和新工科背景下，已经满足不了国家战略需求和经济社会发展需要，需从设备运行、调试和维护等方面进一步优化教材内容，重视设备运行能耗的研究与分析，增加建筑能源管理系统分析与研究，完善现有教材内容，为全面培养国家需要的新建环人才而做出调整。

建筑能源管理系统主要包括能源系统管理、能耗实时监测、能耗统计及计费、设备远程监控以及系统运营管理等功能模块，[6]以建筑能源系统为核心（见图2），利用物联网技术、云计算平台和移动交互终端，建立从系统末端（仪表设备端）到用户端应用的桥梁，实现了物与人之间的信息快速传达。通过智慧管控，让数据更加准确、及时、生动，让设备运行更加智能化，从而促进建筑绿色节能。

通过建筑能源管理系统的分析可知，建筑智能设施和建筑节能领域涉及很多电气控制相关的内容，包括电工与电子技术、建筑环境测试技术、建筑环境学、自动控制原理、供配电系统、建筑自动化、建筑设备控制技术等专业课程，但现有教材体系并不完善，需要新增能源法律法规、能源管理概论、节能技术、节能评估方法、能源审计方法等相关课程。培养学生计算建筑设备损耗和有效使用各种能源的方式方法的能力，具备使用建筑节能减排的措施和手段的能力，提高建筑节能评估、建筑能源审计的合理性、准确性和有效性。让学生了解国家对建筑用能单位能源消费的监管、审核、节能量计算与评估，强化学生能源审计的知识储备，使学生基本具备参与编写建筑能源审计报告与建筑节能规划报告的能力。

（三）增加能源生产和储存相关的内容

随着煤改电的推进，供热热源越来越依靠热泵，加之光伏发电与建筑一体化的大规模应用，电力与建筑的联系更加紧密。汽车用电与建筑用电融合在一起，汽车的充电和用电也成为建筑用电中重要的一部分。由于可再生能源的间歇性和不稳定，使得能源的储存也越来越重要。能源的储存有多种形式，主要包括冷、热、电的蓄存，以前热和电的生产、储存和使用各自为政，而现在的趋势是互相融合，因此应该出版建筑能源生产、储存与使用方面的教材，综合这方面的最近应用进展，形成新的知识系统，使得学生能更好地适应技术的发展。

（四）大力发展电子教材

随着科学技术发展，为解决传统教学手段中难以实现的实验和动态演示过程，如新的建筑节能技术方案、工程案例分析、专业实习场景再现等，很多教师以各种声音、文字、图片和影音文件为基础，[7]通过多媒体和三维动画等技术，将授课内容的声、像、形、色集于一体，整理成电子教材，形成立体、多元、真实的教学情境，打破了传统授课的时间、空间局限，提供了形象、直观、高质量的课程教育，易于学生理解掌握，在建环专业教学过程中，电子教材可广泛应用于理论分析、专业实践、见习实习等方面，减少学生学习过程的枯燥乏味，为教师的教学以及学生的学习提供有效的支持和帮助，弥补建环专业实践教学中存在的不足，为进一步探索建环专业实践教学改革打下基础。

1.出版专业课的配套电子教材

以“工业通风”课程为例：在学习各种排风罩的结构与工作原理，除尘器的类型、性能与除尘机理，气态污染物的净化方法时，如果能引入电子教材作为传统授课方法的补充，按照授课（理论教材）→扩展（现场视频）→演示（动态原理）→回溯的流程，提升学生对各种排风罩的结构与工作原理、除尘器的类型等的理解，加强学生理论联系实际的能力，拓宽学生的视野，为培养学生的实际应用能力打下坚实的基础。

从图3可以看出，电子教材并不独立于传统的纸质理论教材，相反，它依附于传统纸质教材，是纸质教材的从属与配套材料。电子教材有助于呈现和梳理纸质教材的重、难点内容，提升线下课堂教学效率。除了与授课教材直接配套的电子教材，还可通过构建多样化的数字资源（如超星平台）对已学内容进行二次扩展，培养学生课余时间学习的习惯，进一步培养学生的专业性。

2.出版施工安装相关内容的电子教材

现有的施工技术教材受制于文字的限制，许多施工安装技术难以讲解清楚，相比之下，电子教材具有很大的优势。伴随BIM技术的兴起，引入了全新的概念——虚拟建造，虚拟建造技术利用虚拟现实技术构建一个虚拟建造环境，在虚拟环境中建立周围场景、建筑结构构件以及机械设备等的三维模型，对建筑构件和设备管路进行虚拟装配，真实展现建筑施工步骤。基于BIM的虚拟建造包括基于BIM的施工模拟、基于BIM的构件虚拟拼装、基于BIM的施工现场临时设施规划等方面。基于BIM技术和多媒体技术，可以把施工安装的过程清晰地展示出来，能帮助学生迅速了解和掌握这些技术，比传统纸质教材具有极大的优势。

3.出版专业英语电子教材

现有的专业英语教材是纸质教材，可以培养学生读和写的能力，但对于听和说则无能为力。可以出版专业英语音像教材，挑选高水平的学术报告和包含专业知识点的英文音像资料，有图景和声音，全面培养学生的听说读写能力。

随着智能手机的普及，诸多手机学习软件应运而生，这也是构建全方位教材体系的一种方法。依循纸质教材的标准，通过智能手机端，将教材的重难点内容、学习思维、认知过程等同步进行更新与延伸，能够在教学过程中有效弥补纸质教材灵活性不强、扩展不充分的缺陷，极大地调动学生的学习热情和师生互动性。基于现阶段电子教材的发展趋势，高校师生将会更加容易接纳电子教材、习惯数字教材，数字教材将成为高校教学中的一种常态化教材。

四、结语

本文基于“双碳目标”及“新工科”建设的背景和要求，结合现阶段建环专业本科人才培养目标，推动专业课程体系的优化调整，完善教材体系。以服务国家战略目标和经济社会需求为核心，通过删减现有教材体系中的重复内容、增加建筑能源系统相关的教材内容、增加电子教材内容等手段，优化构建较为完备的建环专业教材体系，为全面培养国家需要的新建环人才打好基础。

参考文献：

[1] 习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话（全文）[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1678546728556033497&wfr=spider&for=pc， 2021年12月10日.

[2] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2020[M].北京：中國建筑工业出版社，2020.

[3] 教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知-教高司函〔2017〕6号[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html，2021年12月10日.

[4]吕石磊，王冉.“30·60”双碳目标下建环专业的教学改革与思考[J].高教学刊，2021，7（30）：62-65，69.

[5]高蓬辉，张东海，黄建恩，等.专业认证背景下的新工科人才培养体系构建[J].中阿科技论坛：中英文，2021（9）：145-148.

[6] http：//www.ake.com.cn/index_21.aspx， 2021年12月17日.

[7]齐庆莹，凌荣根，孙福，等.视频教学在工科专业实习中的应用[J].中国科教创新导刊，2012（1）：77.

（责任编辑：刘洁）

基金项目：2022年度上海理工大学本科教学研究与改革项目资助。

作者简介：于国清（1971—），男，博士，上海理工大学环境与建筑学院建筑环境与能源工程系副主任，教授，硕士研究生导师，研究方向：太阳能利用与建筑节能。