新工科背景下基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的制冷技術(shù)課程教學改革與實踐

莊兆意　王斌　劉乃玲　崔萍　張林華

［摘 要］在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的專業(yè)課程體系中，制冷技術(shù)課程占據(jù)非常重要的地位。對制冷技術(shù)課程進行教學改革有利于在現(xiàn)有教學平臺的基礎(chǔ)上，提高學生的創(chuàng)新意識及綜合素質(zhì)。以課程的改革創(chuàng)新為基本點，通過引入熱泵系統(tǒng)和空調(diào)機組系統(tǒng)的仿真模擬平臺、加強教師團隊的建設(shè)、建設(shè)“理論授課+虛擬仿真+工程實訓”三合一教學體系，以提高學生的學習積極性和主動性。

［關(guān)鍵詞］制冷技術(shù)；教學改革；創(chuàng)新能力

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0053-03

世界范圍內(nèi)新一輪的綜合國力競爭愈演愈烈，與此同時科技革命和產(chǎn)業(yè)變革也在加速進行。為此，2017年2月以來，教育部積極開展新工科研究與實踐，先后形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，共同構(gòu)成了新工科建設(shè)“三部曲”，期望探索領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等工程教育強國建設(shè)[1]。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)是立足于創(chuàng)造健康、舒適且節(jié)約能耗的辦公和居住環(huán)境的專業(yè)。制冷技術(shù)作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，在“綠色建筑，節(jié)能先行”的大環(huán)境下扮演著重要角色。隨著綠色建筑的概念深入人心，社會對于擁有豐富實踐經(jīng)歷和較強動手能力的人才需求愈加迫切。如何提高制冷技術(shù)課程的教學質(zhì)量，以及如何讓剛走出校門的學生具備參與工程建設(shè)的能力成了一項迫在眉睫的任務(wù)。為此，筆者所在的研究團隊秉持以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標，對制冷技術(shù)課程進行教學改革及實踐，從理念引領(lǐng)、內(nèi)容及方法創(chuàng)新角度開展教學改革，通過教學內(nèi)容和教學方法的論證與實踐，就教學理念、教學方式等方面進行了分析與總結(jié)[2]。以期突破現(xiàn)有教學方法所形成的桎梏，實現(xiàn)真正的產(chǎn)教合一。

一、制冷技術(shù)課程教學改革的背景

山東建筑大學始建于1956年，自建校之初建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)就被作為一項重點學科設(shè)立。經(jīng)過60余年的辛苦耕耘，該專業(yè)逐漸形成了一支優(yōu)秀的教師團隊，并且取得了豐碩的科研和教學成果。制冷技術(shù)課程作為該專業(yè)的一門專業(yè)課，其課程安排主要分為課堂授課、實驗課程、空調(diào)制冷綜合課程設(shè)計；課程總課時為40學時，其中理論授課為38學時，實驗課程為2學時，綜合課程設(shè)計與空調(diào)課程相結(jié)合，一般安排在學期末統(tǒng)一進行，通常為5周。此課程安排旨在學生能夠?qū)⑺鶎W的制冷技術(shù)和空氣調(diào)節(jié)課程內(nèi)容有效地落實到工程實踐，加深學生對知識點的理解及掌握。

但是，隨著近些年學科的不斷發(fā)展，以及專業(yè)方向的不斷調(diào)整，現(xiàn)行的制冷技術(shù)課程教學方案、較為單一的課程體系和填鴨式的課堂教學模式下培養(yǎng)出來的學生，已無法滿足當今社會對于工程類專業(yè)的專業(yè)性人才的需求，有以下幾個問題亟待解決。

（一）教學方式

山東建筑大學的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)每年收受約170名新生，分為4個班級，目前制冷技術(shù)課程采用的是2個班級合堂授課方式，這和原有的4個班級大合堂授課相比，授課效果在一定程度上有所提升，但是該專業(yè)學生的理論基礎(chǔ)相差較大，因此單一的教學方式無法照顧到每一位學生；同時，不同的學生對于自己未來的規(guī)劃也不盡相同，根據(jù)歷年本專業(yè)本科畢業(yè)生畢業(yè)去向數(shù)據(jù)可知：有半數(shù)以上的本科畢業(yè)生選擇考研；而超過40%的畢業(yè)生則選擇畢業(yè)后直接進入設(shè)計、施工等相關(guān)企業(yè)或地產(chǎn)公司（見表1）。相比于前者，后者則更希望可以在校內(nèi)擁有一定的實踐機會，以提高自己的動手能力和專業(yè)熟練度。

由此可見，對未來有著不同規(guī)劃的學生對于理論基礎(chǔ)和實踐能力的需求也大相徑庭。因此，對于不同人生規(guī)劃的學生采用統(tǒng)一的教學模式勢必難以達到良好的實際教學效果，也不能使全部的學生都可以得到自己所需的知識及能力。

（二）教師資源

該專業(yè)相較于其他工科專業(yè)而言有著更強烈的實踐需求，因此，專業(yè)教師不僅要擁有扎實的理論基礎(chǔ)，還要具備較為豐富的實踐經(jīng)驗。該專業(yè)歷經(jīng)多年的發(fā)展目前已經(jīng)初步形成了以老中青為代表的教師團隊，但只有老一輩的教師擁有較豐富的工程實踐經(jīng)驗，而這些教師的數(shù)量相比于參與課堂教學較多的青年教師數(shù)量就略顯單薄。目前大多數(shù)院校都是青年博士畢業(yè)直接進課堂，雖然這些青年教師對專業(yè)知識有著深刻的理解，但是參與過實際工程建設(shè)的經(jīng)驗較少，對于實際工程中的操作細節(jié)缺少完整的認識，這就使得課堂內(nèi)容多以講述課本知識為主，這種填鴨式的課堂教學形式容易使學生感到乏味，進而影響教學質(zhì)量。同時，專業(yè)課程涉及環(huán)境保護、能源應(yīng)用等眾多的內(nèi)容，不僅增加了學生學習相關(guān)知識的難度，而且一定程度上影響了學生專業(yè)課程知識學習效率和質(zhì)量[3]。因此，專業(yè)課程的課堂教學應(yīng)以課本知識為基礎(chǔ)，以工程案例為輔，通過案例吸引學生注意力、激發(fā)學生的思考。制冷技術(shù)作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)重要的一門課程，對于任課教師的要求更是如此，因此，“雙師型”教師的缺少，也是目前制冷技術(shù)課程教學改革所面臨的一個重要難題。

（三）實踐條件

制冷技術(shù)是一門實踐性較強的專業(yè)課程，課程中所涉及的各種制冷機組、制冷系統(tǒng)及其組成構(gòu)件，因為其占地面積大、設(shè)備昂貴等，無法在校內(nèi)進行建設(shè)，教學實驗設(shè)備與學生比例失調(diào)矛盾也較為突出，導致開放性實驗室培養(yǎng)模式難以實行，導致學生把理論應(yīng)用到實踐的環(huán)節(jié)受到制約[4]。為提高學生實踐能力，本科階段大都采用實地參觀實習的方式，但方法也有著較大的限制，例如存在通勤安全、企業(yè)機房的申請難度以及學生只能參觀而不能參與實際建設(shè)等問題，使得課程存在實踐機會有限、實踐效果不佳等問題。

制冷技術(shù)課程的改革和創(chuàng)新的思路總體為建立一套相對完善的課程體系，加強校企合作，提升學生在學習過程中的主動性和參與度。用現(xiàn)有教學資源、師資力量及企業(yè)平臺，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的灌輸式教學模式，通過內(nèi)容比較、問題引入，激發(fā)學生探索、求知的興趣，充分調(diào)動學生的自主學習意識[5]。教師課堂講授與學生實際動手操作相結(jié)合，以理論學習與工程實踐互補的方式開闊學生視野，做好理論與實踐的銜接工作，在夯實學生專業(yè)基礎(chǔ)理論的同時，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

二、教學改造方案

基于上述現(xiàn)行的制冷技術(shù)課程教學方案存在的弊端，結(jié)合新工科背景下對于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的要求，擬從以下幾點進行教學改革。

（一）引入虛擬仿真實驗平臺

模擬仿真教學過程是應(yīng)用計算機模擬模型開展仿真教學，是學生在教師指導下通過觀察、討論、思考等方法主動獲取知識的過程[6]。引入虛擬仿真實驗平臺可以有效緩解學生實踐機會少、實踐能力差的現(xiàn)狀。目前，學校和北京象新力科技有限公司合作，共同研發(fā)了熱泵性能及空調(diào)機組性能虛擬仿真實驗平臺。學生可通過改變相關(guān)參數(shù)（室內(nèi)溫度、環(huán)境溫度等），觀察各設(shè)備的運行情況，通過后臺仿真模型實時計算，給出各設(shè)備的運行曲線及性能參數(shù)（耗功率、制熱/冷量、性能系數(shù)等）。

仿真模擬實驗平臺可以通過三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)和底層數(shù)學模型相聯(lián)系等手段實現(xiàn)交互操作，學生可以通過改變熱泵機組的運行工況，實現(xiàn)對熱泵機組（蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置等）各部件實時運行的狀態(tài)及性能的改變；也可通過改變空調(diào)機組的運行工況，實現(xiàn)對機組各組成部件的運行狀態(tài)及性能的改變，繪制運行曲線或生成實驗報告。

通過此平臺學生可以自己動手設(shè)計并搭建一套完整的由熱泵系統(tǒng)（地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵）和末端空調(diào)系統(tǒng)（全空氣系統(tǒng)、風機盤管+新風系統(tǒng)）組成的系統(tǒng)，主要可以操作設(shè)備及部件連接，觀察移動及調(diào)試等操作，并通過可視化三維系統(tǒng)構(gòu)建和數(shù)值模擬來實現(xiàn)模擬結(jié)果。

將熱泵性能及空調(diào)機組性能虛擬仿真實驗平臺引入制冷技術(shù)課程體系中，學生通過虛擬環(huán)境下的漫游認知、實操練習、理論計算及設(shè)備性能分析等環(huán)節(jié)，可加深對課堂教學理論的理解，熟悉和掌握暖通空調(diào)設(shè)計流程及重難點。同時，計算機模擬仿真為學生提供了可以操縱、觀察和分析的模型，能激發(fā)學生探索性學習活動的積極性，這種教學模式能夠迅速提高學生對于網(wǎng)絡(luò)理論與實踐相結(jié)合的整合能力，實現(xiàn)從理論到實踐的飛躍[7]。此外，還能提升學生的系統(tǒng)工程思維及解決工程實際的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與科學研究素養(yǎng)。

（二）加強教師團隊建設(shè)

在我國，校企合作培養(yǎng)“雙師型”職教師資已經(jīng)具備了理論基礎(chǔ)、現(xiàn)實基礎(chǔ)、政策基礎(chǔ)和關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)，為構(gòu)建校企合作培養(yǎng)“雙師型”職教師資的機制提供了理論支撐、政策依據(jù)和工作基礎(chǔ)[8]。為此，針對“雙師型”教師稀缺的現(xiàn)狀，結(jié)合校外專業(yè)設(shè)計團隊，以骨干教師為主體，通過專業(yè)工程師帶隊，加強對青年教師和“雙師”型教師的培養(yǎng)。在提高青年教師理論素質(zhì)的基礎(chǔ)上，進一步加大青年教師與企業(yè)的產(chǎn)學研合作，對教師進行專業(yè)知識與工程實踐的培訓，鼓勵他們考取專業(yè)注冊資格證書。同時，學院可與暖通行業(yè)中的企業(yè)建立長期合作關(guān)系，邀請企業(yè)的專業(yè)人員加入課程教學團隊，邀請合作企業(yè)中有豐富工程經(jīng)驗的工程師走進課堂。具體而言，有以下幾種方式。

1.通過開展形式多樣的實地考察培訓活動，提升青年教師的實踐和教學能力，并在校內(nèi)定期開展教師知識技能大賽或課堂競賽。

2.利用與建筑工程公司、設(shè)計院以及設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的交流機會，加強青年教師的工程實踐能力的培訓。如，挑選部分青年教師趕赴相關(guān)實踐基地參與工程項目或技術(shù)研發(fā)項目，掌握先進的專業(yè)知識和技能。

3.邀請經(jīng)驗豐富的設(shè)計工作人員來校講座，提高教學團隊的教學質(zhì)量與綜合技能水平。將前沿的科學技術(shù)與實際工程案例結(jié)合起來，強化教師對理論實踐的認知能力。

（三）形成“理論授課+虛擬仿真+工程實訓”三合一教學體系

建設(shè)“理論授課+虛擬仿真+工程實訓”相結(jié)合的綜合實踐教學體系，應(yīng)從以下幾點著手。

1.采用開放性實驗。放棄原有的學生被動接受的實驗形式，采取開放性實驗教學，注重訓練學生實際動手能力，提高學生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

2.設(shè)置綜合課程設(shè)計。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)課程設(shè)計宜選取多門課交叉項目，使學生掌握整個空調(diào)系統(tǒng)的組成，從系統(tǒng)原理到設(shè)備選型再到系統(tǒng)優(yōu)化控制等，熟悉本專業(yè)與其他專業(yè)的接洽融合，通過課程設(shè)計強化學生的系統(tǒng)知識。

3.校內(nèi)理論學習、虛擬仿真實驗與校外實訓聯(lián)合教學。校內(nèi)學理論，做虛擬仿真實驗，在校外實訓基地將課堂知識延伸到具體的工程項目。通過觀摩學習及動手操作，加深對所學知識的印象，提高學生的動手能力，激發(fā)他們的學習興趣。

4.鼓勵學生參與校企合作項目。與合作企業(yè)進行充分的溝通交流，共同商議校外企業(yè)實訓基地的搭建問題，合理分配校內(nèi)與校外實訓的時間問題，探討校企合作教學模式。

三、結(jié)語

通過上述的一系列改革措施，學生在課堂的學習積極性將得到明顯提升，對課程知識點的理解和認識也會更加深刻。在引入仿真模擬實驗平臺之后，學生對于熱泵系統(tǒng)和空調(diào)機組的組成和運行過程將更加熟悉，參加國內(nèi)各類設(shè)計大賽或者挑戰(zhàn)杯的學生也會越來越多。通過實踐教學體系的實施，達到一些傳統(tǒng)的教學目標，如培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新思維能力，提高學生獨立動手、分析解決問題和進行科學研究的能力，實現(xiàn)提高學生自主學習能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教學目標[9]。在此教學模式的教導下，學生的理論知識將會更加扎實，創(chuàng)新能力也會得到進一步的提高，在畢業(yè)季的就業(yè)高潮中將會具備強有力的競爭力。

［ 參 考 文 獻 ］

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[9] 周恒濤，劉海燕，虞婷婷.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)“新工科”人才培養(yǎng)模式改革的研究與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（70）：28-29.

［責任編輯：雷 艷］