雙碳目標(biāo)下建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程 新工科專業(yè)教材體系研究

[摘 要]雙碳目標(biāo)和新工科背景下，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)作為建筑節(jié)能領(lǐng)域的關(guān)鍵專業(yè)之一，需要從人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，調(diào)整和完善現(xiàn)有教材體系。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教材體系完善的基本思路是：裁減現(xiàn)有教材中的重復(fù)授課內(nèi)容和知識(shí)體系混亂的內(nèi)容；優(yōu)化教材體系，重視建筑能源系統(tǒng)能耗研究與分析；增加電子教材，保證授課內(nèi)容與授課形式與時(shí)俱進(jìn)。通過完善現(xiàn)有教材體系，適應(yīng)雙碳目標(biāo)和新工科對建筑能源系統(tǒng)的新要求。

[關(guān)鍵詞]雙碳目標(biāo)；新工科；建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程；教材體系

[中圖分類號(hào)] G642? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2024） 02-0072-04

2020年，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上做出重要承諾：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。[1] 截至2020年，我國建筑能耗已經(jīng)約占全國能源消費(fèi)總量的30%，建筑全過程產(chǎn)生的二氧化碳排放量約占全國碳排放量的40%。[2]建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（以下簡稱“建環(huán)”）作為新工科專業(yè)和建筑節(jié)能領(lǐng)域的關(guān)鍵專業(yè)之一，需要從人才培養(yǎng)體系出發(fā)，調(diào)整和完善現(xiàn)有教材體系，以滿足雙碳目標(biāo)對建筑能源系統(tǒng)的新要求和新挑戰(zhàn)。

建環(huán)專業(yè)作為新工科專業(yè)，在雙碳目標(biāo)的大背景下，完善專業(yè)教材體系需要同時(shí)兼顧新工科建設(shè)的理念，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系等，圍繞建環(huán)專業(yè)工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展。[3]

一、雙碳目標(biāo)和新工科背景下建環(huán)專業(yè)發(fā)展的基本理念

建環(huán)專業(yè)培養(yǎng)的是具有供暖、通風(fēng)、空調(diào)、冷熱源、凈化、燃?xì)獾戎R(shí)背景的專業(yè)人才，建筑系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)能耗通常占到建筑能耗的 50%以上，因此，建環(huán)專業(yè)作為建筑節(jié)能領(lǐng)域涉及的關(guān)鍵專業(yè)之一，如何在不影響人居環(huán)境品質(zhì)的前提下，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，快速實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的碳排放達(dá)峰，是建筑領(lǐng)域應(yīng)對雙碳目標(biāo)的重要措施。目前，“雙碳”目標(biāo)下建筑系統(tǒng)中的碳減排關(guān)鍵路徑主要包括：提高建筑領(lǐng)域的電氣化水平；發(fā)展清潔低碳能源替代；發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)及柔性建筑用能系統(tǒng)。[4]

新工科建設(shè)指南為我國本科專業(yè)教育未來明確了發(fā)展方向。根據(jù)新工科專業(yè)建設(shè)的需要，建環(huán)專業(yè)需要從人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)多元化、課程資源多樣化、產(chǎn)教融合深入化等方面進(jìn)行創(chuàng)新和改革。

因此，從建筑專業(yè)人才培養(yǎng)體系出發(fā)，探索完善現(xiàn)有教材體系，這對建筑節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。結(jié)合國家雙碳目標(biāo)規(guī)劃，考慮新工科背景下建環(huán)專業(yè)的新內(nèi)涵、新特征和新發(fā)展趨勢，提出建環(huán)專業(yè)教材出版的新思路。[5]建環(huán)專業(yè)教材體系的完善應(yīng)面向未來、面向世界，以滿足國家和地區(qū)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要為目標(biāo)，圍繞新興工科專業(yè)進(jìn)行研究與探索，從而對傳統(tǒng)建環(huán)專業(yè)教材體系進(jìn)行更新升級(jí)。

二、高校建環(huán)專業(yè)現(xiàn)有教材體系分析

為保證建環(huán)專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能，設(shè)定了現(xiàn)有的專業(yè)課程教材體系（見圖1），其中專業(yè)基礎(chǔ)課程主要涵蓋工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)等7門課程，專業(yè)核心課程主要包括建筑環(huán)境學(xué)、空調(diào)工程等10門課程。根據(jù)課程內(nèi)容及其應(yīng)用場景又可分為“建筑環(huán)境營造”“能源應(yīng)用”“電氣控制”三個(gè)模塊。

在雙碳目標(biāo)下，作為新工科專業(yè)的建環(huán)專業(yè)，為培養(yǎng)符合智能低碳建筑環(huán)境需要的新型專業(yè)技術(shù)人才，現(xiàn)有的教材出版仍有以下幾個(gè)方面需要完善：

1.部分教材在授課內(nèi)容方面重復(fù)或與本科階段人才培養(yǎng)體系目標(biāo)不符，如課程“流體輸配管網(wǎng)”的授課內(nèi)容大多出自“供熱工程”“通風(fēng)工程”“給排水工程”等課程內(nèi)容，并未達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的要求；“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程難度較大，知識(shí)點(diǎn)零碎，與本科人才培養(yǎng)目標(biāo)不匹配。

2.在雙碳目標(biāo)和新工科背景下，建筑能耗分析已成為培養(yǎng)本科人才的重點(diǎn)教學(xué)模塊，為順應(yīng)國家戰(zhàn)略需求和滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，使本科生具有建筑能源系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)儲(chǔ)備已成為必須，需要對現(xiàn)有教材出版進(jìn)行完善。

3.隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很多建筑節(jié)能、智能設(shè)備制造、高品質(zhì)建筑環(huán)境等領(lǐng)域的新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，原有建環(huán)專業(yè)的培養(yǎng)體系面臨挑戰(zhàn)，如原有傳統(tǒng)教材中的示范案例單一過時(shí)，為幫助學(xué)生更好地將專業(yè)理論知識(shí)與新工程應(yīng)用案例相結(jié)合，需要對傳統(tǒng)教學(xué)手段進(jìn)行補(bǔ)充和更新。

總之，現(xiàn)有建環(huán)專業(yè)的教材體系主要圍繞傳統(tǒng)的專業(yè)內(nèi)涵，以供熱、燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)等相關(guān)課程為授課重點(diǎn)，偏重空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論學(xué)習(xí)，對可再生能源利用和高效儲(chǔ)能等技術(shù)不夠重視，導(dǎo)致建環(huán)專業(yè)與雙碳目標(biāo)下新的建筑節(jié)能路徑脫節(jié)，難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，滿足不了現(xiàn)階段的國家戰(zhàn)略需求。

三、基于雙碳目標(biāo)和新工科背景的建環(huán)專業(yè)教材體系完善分析

（一）裁減現(xiàn)有教材體系中的重復(fù)或與本科階段人才培養(yǎng)體系目標(biāo)不符的內(nèi)容

現(xiàn)有建環(huán)專業(yè)的課程體系中，有部分課程教材內(nèi)容重復(fù)，如“流體輸配管網(wǎng)”，“流體輸配管網(wǎng)”主要闡述的是通風(fēng)空調(diào)、采暖供熱、城市燃?xì)?、建筑給水排水、工廠動(dòng)力和消防工程等所采用的各種流體輸配管網(wǎng)的基本原理和工程計(jì)算分析方法，在管網(wǎng)水力特征與水力計(jì)算等內(nèi)容方面，大量與“供熱工程”“通風(fēng)工程”“給排水工程”等課程內(nèi)容重復(fù)，不僅缺失了“泵與風(fēng)機(jī)”等關(guān)鍵內(nèi)容，還增加了學(xué)生重復(fù)學(xué)習(xí)的任務(wù)，建議刪減此教材，恢復(fù)原教材“流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”。為滿足雙碳目標(biāo)下建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)需求，建議增加泵和風(fēng)機(jī)在用電和能耗方面的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

除部分課程內(nèi)容重復(fù)外，還有部分課程的知識(shí)體系尚不成熟，如“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程，是學(xué)生在學(xué)習(xí)“工程熱力學(xué)”“傳熱學(xué)”“流體力學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程后，才能進(jìn)行深入學(xué)習(xí)的一門課程，該課程重點(diǎn)探討了發(fā)生在建環(huán)工程領(lǐng)域里的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象和傳遞規(guī)律。該課程涉及內(nèi)容廣、綜合性高，與“供熱工程”“暖通空調(diào)”“制冷技術(shù)”“鍋爐與鍋爐房設(shè)備”等課程關(guān)聯(lián)度高，由于學(xué)生尚未熟悉本專業(yè)相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特性，且傳熱、傳質(zhì)理論推導(dǎo)繁多且復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)抽象，對本科培養(yǎng)階段的學(xué)生而言，理論性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大、知識(shí)體系混亂、邏輯性較差。因此，建議對本教材的內(nèi)容進(jìn)行大幅刪減，只保留比較成熟且與其他教材不重復(fù)的內(nèi)容。

（二）增加建筑能源管理系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容

中國建筑能源系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展與未來中國戰(zhàn)略需求密切相關(guān)，建環(huán)專業(yè)作為建筑節(jié)能領(lǐng)域的關(guān)鍵專業(yè)，教材體系的設(shè)置尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)建環(huán)專業(yè)教材內(nèi)容主要偏向建筑環(huán)境領(lǐng)域的理論分析和工程設(shè)計(jì)。在雙碳目標(biāo)和新工科背景下，已經(jīng)滿足不了國家戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，需從設(shè)備運(yùn)行、調(diào)試和維護(hù)等方面進(jìn)一步優(yōu)化教材內(nèi)容，重視設(shè)備運(yùn)行能耗的研究與分析，增加建筑能源管理系統(tǒng)分析與研究，完善現(xiàn)有教材內(nèi)容，為全面培養(yǎng)國家需要的新建環(huán)人才而做出調(diào)整。

建筑能源管理系統(tǒng)主要包括能源系統(tǒng)管理、能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測、能耗統(tǒng)計(jì)及計(jì)費(fèi)、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控以及系統(tǒng)運(yùn)營管理等功能模塊，[6]以建筑能源系統(tǒng)為核心（見圖2），利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算平臺(tái)和移動(dòng)交互終端，建立從系統(tǒng)末端（儀表設(shè)備端）到用戶端應(yīng)用的橋梁，實(shí)現(xiàn)了物與人之間的信息快速傳達(dá)。通過智慧管控，讓數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、及時(shí)、生動(dòng)，讓設(shè)備運(yùn)行更加智能化，從而促進(jìn)建筑綠色節(jié)能。

通過建筑能源管理系統(tǒng)的分析可知，建筑智能設(shè)施和建筑節(jié)能領(lǐng)域涉及很多電氣控制相關(guān)的內(nèi)容，包括電工與電子技術(shù)、建筑環(huán)境測試技術(shù)、建筑環(huán)境學(xué)、自動(dòng)控制原理、供配電系統(tǒng)、建筑自動(dòng)化、建筑設(shè)備控制技術(shù)等專業(yè)課程，但現(xiàn)有教材體系并不完善，需要新增能源法律法規(guī)、能源管理概論、節(jié)能技術(shù)、節(jié)能評(píng)估方法、能源審計(jì)方法等相關(guān)課程。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算建筑設(shè)備損耗和有效使用各種能源的方式方法的能力，具備使用建筑節(jié)能減排的措施和手段的能力，提高建筑節(jié)能評(píng)估、建筑能源審計(jì)的合理性、準(zhǔn)確性和有效性。讓學(xué)生了解國家對建筑用能單位能源消費(fèi)的監(jiān)管、審核、節(jié)能量計(jì)算與評(píng)估，強(qiáng)化學(xué)生能源審計(jì)的知識(shí)儲(chǔ)備，使學(xué)生基本具備參與編寫建筑能源審計(jì)報(bào)告與建筑節(jié)能規(guī)劃報(bào)告的能力。

（三）增加能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存相關(guān)的內(nèi)容

隨著煤改電的推進(jìn)，供熱熱源越來越依靠熱泵，加之光伏發(fā)電與建筑一體化的大規(guī)模應(yīng)用，電力與建筑的聯(lián)系更加緊密。汽車用電與建筑用電融合在一起，汽車的充電和用電也成為建筑用電中重要的一部分。由于可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定，使得能源的儲(chǔ)存也越來越重要。能源的儲(chǔ)存有多種形式，主要包括冷、熱、電的蓄存，以前熱和電的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用各自為政，而現(xiàn)在的趨勢是互相融合，因此應(yīng)該出版建筑能源生產(chǎn)、儲(chǔ)存與使用方面的教材，綜合這方面的最近應(yīng)用進(jìn)展，形成新的知識(shí)系統(tǒng)，使得學(xué)生能更好地適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。

（四）大力發(fā)展電子教材

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，為解決傳統(tǒng)教學(xué)手段中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)演示過程，如新的建筑節(jié)能技術(shù)方案、工程案例分析、專業(yè)實(shí)習(xí)場景再現(xiàn)等，很多教師以各種聲音、文字、圖片和影音文件為基礎(chǔ)，[7]通過多媒體和三維動(dòng)畫等技術(shù)，將授課內(nèi)容的聲、像、形、色集于一體，整理成電子教材，形成立體、多元、真實(shí)的教學(xué)情境，打破了傳統(tǒng)授課的時(shí)間、空間局限，提供了形象、直觀、高質(zhì)量的課程教育，易于學(xué)生理解掌握，在建環(huán)專業(yè)教學(xué)過程中，電子教材可廣泛應(yīng)用于理論分析、專業(yè)實(shí)踐、見習(xí)實(shí)習(xí)等方面，減少學(xué)生學(xué)習(xí)過程的枯燥乏味，為教師的教學(xué)以及學(xué)生的學(xué)習(xí)提供有效的支持和幫助，彌補(bǔ)建環(huán)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的不足，為進(jìn)一步探索建環(huán)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革打下基礎(chǔ)。

1.出版專業(yè)課的配套電子教材

以“工業(yè)通風(fēng)”課程為例：在學(xué)習(xí)各種排風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)與工作原理，除塵器的類型、性能與除塵機(jī)理，氣態(tài)污染物的凈化方法時(shí)，如果能引入電子教材作為傳統(tǒng)授課方法的補(bǔ)充，按照授課（理論教材）→擴(kuò)展（現(xiàn)場視頻）→演示（動(dòng)態(tài)原理）→回溯的流程，提升學(xué)生對各種排風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)與工作原理、除塵器的類型等的理解，加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，拓寬學(xué)生的視野，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從圖3可以看出，電子教材并不獨(dú)立于傳統(tǒng)的紙質(zhì)理論教材，相反，它依附于傳統(tǒng)紙質(zhì)教材，是紙質(zhì)教材的從屬與配套材料。電子教材有助于呈現(xiàn)和梳理紙質(zhì)教材的重、難點(diǎn)內(nèi)容，提升線下課堂教學(xué)效率。除了與授課教材直接配套的電子教材，還可通過構(gòu)建多樣化的數(shù)字資源（如超星平臺(tái)）對已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行二次擴(kuò)展，培養(yǎng)學(xué)生課余時(shí)間學(xué)習(xí)的習(xí)慣，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)性。

2.出版施工安裝相關(guān)內(nèi)容的電子教材

現(xiàn)有的施工技術(shù)教材受制于文字的限制，許多施工安裝技術(shù)難以講解清楚，相比之下，電子教材具有很大的優(yōu)勢。伴隨BIM技術(shù)的興起，引入了全新的概念——虛擬建造，虛擬建造技術(shù)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬建造環(huán)境，在虛擬環(huán)境中建立周圍場景、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及機(jī)械設(shè)備等的三維模型，對建筑構(gòu)件和設(shè)備管路進(jìn)行虛擬裝配，真實(shí)展現(xiàn)建筑施工步驟。基于BIM的虛擬建造包括基于BIM的施工模擬、基于BIM的構(gòu)件虛擬拼裝、基于BIM的施工現(xiàn)場臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃等方面?；贐IM技術(shù)和多媒體技術(shù)，可以把施工安裝的過程清晰地展示出來，能幫助學(xué)生迅速了解和掌握這些技術(shù)，比傳統(tǒng)紙質(zhì)教材具有極大的優(yōu)勢。

3.出版專業(yè)英語電子教材

現(xiàn)有的專業(yè)英語教材是紙質(zhì)教材，可以培養(yǎng)學(xué)生讀和寫的能力，但對于聽和說則無能為力?？梢猿霭鎸I(yè)英語音像教材，挑選高水平的學(xué)術(shù)報(bào)告和包含專業(yè)知識(shí)點(diǎn)的英文音像資料，有圖景和聲音，全面培養(yǎng)學(xué)生的聽說讀寫能力。

隨著智能手機(jī)的普及，諸多手機(jī)學(xué)習(xí)軟件應(yīng)運(yùn)而生，這也是構(gòu)建全方位教材體系的一種方法。依循紙質(zhì)教材的標(biāo)準(zhǔn)，通過智能手機(jī)端，將教材的重難點(diǎn)內(nèi)容、學(xué)習(xí)思維、認(rèn)知過程等同步進(jìn)行更新與延伸，能夠在教學(xué)過程中有效彌補(bǔ)紙質(zhì)教材靈活性不強(qiáng)、擴(kuò)展不充分的缺陷，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和師生互動(dòng)性。基于現(xiàn)階段電子教材的發(fā)展趨勢，高校師生將會(huì)更加容易接納電子教材、習(xí)慣數(shù)字教材，數(shù)字教材將成為高校教學(xué)中的一種常態(tài)化教材。

四、結(jié)語

本文基于“雙碳目標(biāo)”及“新工科”建設(shè)的背景和要求，結(jié)合現(xiàn)階段建環(huán)專業(yè)本科人才培養(yǎng)目標(biāo)，推動(dòng)專業(yè)課程體系的優(yōu)化調(diào)整，完善教材體系。以服務(wù)國家戰(zhàn)略目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求為核心，通過刪減現(xiàn)有教材體系中的重復(fù)內(nèi)容、增加建筑能源系統(tǒng)相關(guān)的教材內(nèi)容、增加電子教材內(nèi)容等手段，優(yōu)化構(gòu)建較為完備的建環(huán)專業(yè)教材體系，為全面培養(yǎng)國家需要的新建環(huán)人才打好基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉潔）

基金項(xiàng)目：2022年度上海理工大學(xué)本科教學(xué)研究與改革項(xiàng)目資助。

作者簡介：于國清（1971—），男，博士，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院建筑環(huán)境與能源工程系副主任，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：太陽能利用與建筑節(jié)能。