新工科背景下基于创新能力培养的制冷技术课程教学改革与实践

［摘 要］在建筑环境与能源应用工程专业的专业课程体系中，制冷技术课程占据非常重要的地位。对制冷技术课程进行教学改革有利于在现有教学平台的基础上，提高学生的创新意识及综合素质。以课程的改革创新为基本点，通过引入热泵系统和空调机组系统的仿真模拟平台、加强教师团队的建设、建设“理论授课+虚拟仿真+工程实训”三合一教学体系，以提高学生的学习积极性和主动性。

［关键词］制冷技术；教学改革；创新能力

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）04-0053-03

世界范围内新一轮的综合国力竞争愈演愈烈，与此同时科技革命和产业变革也在加速进行。为此，2017年2月以来，教育部积极开展新工科研究与实践，先后形成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，共同构成了新工科建设“三部曲”，期望探索领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等工程教育强国建设[1]。建筑环境与能源应用工程专业是立足于创造健康、舒适且节约能耗的办公和居住环境的专业。制冷技术作为建筑环境与能源应用工程专业的一门专业课程，在“绿色建筑，节能先行”的大环境下扮演着重要角色。随着绿色建筑的概念深入人心，社会对于拥有丰富实践经历和较强动手能力的人才需求愈加迫切。如何提高制冷技术课程的教学质量，以及如何让刚走出校门的学生具备参与工程建设的能力成了一项迫在眉睫的任务。为此，笔者所在的研究团队秉持以创新能力培养为目标，对制冷技术课程进行教学改革及实践，从理念引领、内容及方法创新角度开展教学改革，通过教学内容和教学方法的论证与实践，就教学理念、教学方式等方面进行了分析与总结[2]。以期突破现有教学方法所形成的桎梏，实现真正的产教合一。

一、制冷技术课程教学改革的背景

山东建筑大学始建于1956年，自建校之初建筑环境与能源应用工程专业就被作为一项重点学科设立。经过60余年的辛苦耕耘，该专业逐渐形成了一支优秀的教师团队，并且取得了丰硕的科研和教学成果。制冷技术课程作为该专业的一门专业课，其课程安排主要分为课堂授课、实验课程、空调制冷综合课程设计；课程总课时为40学时，其中理论授课为38学时，实验课程为2学时，综合课程设计与空调课程相结合，一般安排在学期末统一进行，通常为5周。此课程安排旨在学生能够将所学的制冷技术和空气调节课程内容有效地落实到工程实践，加深学生对知识点的理解及掌握。

但是，随着近些年学科的不断发展，以及专业方向的不断调整，现行的制冷技术课程教学方案、较为单一的课程体系和填鸭式的课堂教学模式下培养出来的学生，已无法满足当今社会对于工程类专业的专业性人才的需求，有以下几个问题亟待解决。

（一）教学方式

山东建筑大学的建筑环境与能源应用工程专业每年收受约170名新生，分为4个班级，目前制冷技术课程采用的是2个班级合堂授课方式，这和原有的4个班级大合堂授课相比，授课效果在一定程度上有所提升，但是该专业学生的理论基础相差较大，因此单一的教学方式无法照顾到每一位学生；同时，不同的学生对于自己未来的规划也不尽相同，根据历年本专业本科毕业生毕业去向数据可知：有半数以上的本科毕业生选择考研；而超过40%的毕业生则选择毕业后直接进入设计、施工等相关企业或地产公司（见表1）。相比于前者，后者则更希望可以在校内拥有一定的实践机会，以提高自己的动手能力和专业熟练度。

由此可见，对未来有着不同规划的学生对于理论基础和实践能力的需求也大相径庭。因此，对于不同人生规划的学生采用统一的教学模式势必难以达到良好的实际教学效果，也不能使全部的学生都可以得到自己所需的知识及能力。

（二）教师资源

该专业相较于其他工科专业而言有着更强烈的实践需求，因此，专业教师不仅要拥有扎实的理论基础，还要具备较为丰富的实践经验。该专业历经多年的发展目前已经初步形成了以老中青为代表的教师团队，但只有老一辈的教师拥有较丰富的工程实践经验，而这些教师的数量相比于参与课堂教学较多的青年教师数量就略显单薄。目前大多数院校都是青年博士毕业直接进课堂，虽然这些青年教师对专业知识有着深刻的理解，但是参与过实际工程建设的经验较少，对于实际工程中的操作细节缺少完整的认识，这就使得课堂内容多以讲述课本知识为主，这种填鸭式的课堂教学形式容易使学生感到乏味，进而影响教学质量。同时，专业课程涉及环境保护、能源应用等众多的内容，不仅增加了学生学习相关知识的难度，而且一定程度上影响了学生专业课程知识学习效率和质量[3]。因此，专业课程的课堂教学应以课本知识为基础，以工程案例为辅，通过案例吸引学生注意力、激发学生的思考。制冷技术作为建筑环境与能源应用工程专业重要的一门课程，对于任课教师的要求更是如此，因此，“双师型”教师的缺少，也是目前制冷技术课程教学改革所面临的一个重要难题。

（三）实践条件

制冷技术是一门实践性较强的专业课程，课程中所涉及的各种制冷机组、制冷系统及其组成构件，因为其占地面积大、设备昂贵等，无法在校内进行建设，教学实验设备与学生比例失调矛盾也较为突出，导致开放性实验室培养模式难以实行，导致学生把理论应用到实践的环节受到制约[4]。为提高学生实践能力，本科阶段大都采用实地参观实习的方式，但方法也有着较大的限制，例如存在通勤安全、企业机房的申请难度以及学生只能参观而不能参与实际建设等问题，使得课程存在实践机会有限、实践效果不佳等问题。

制冷技术课程的改革和创新的思路总体为建立一套相对完善的课程体系，加强校企合作，提升学生在学习过程中的主动性和参与度。用现有教学资源、师资力量及企业平台，转变传统的灌输式教学模式，通过内容比较、问题引入，激发学生探索、求知的兴趣，充分调动学生的自主学习意识[5]。教师课堂讲授与学生实际动手操作相结合，以理论学习与工程实践互补的方式开阔学生视野，做好理论与实践的衔接工作，在夯实学生专业基础理论的同时，培养学生的实践创新能力。

二、教学改造方案

基于上述现行的制冷技术课程教学方案存在的弊端，结合新工科背景下对于培养学生创新能力的要求，拟从以下几点进行教学改革。

（一）引入虚拟仿真实验平台

模拟仿真教学过程是应用计算机模拟模型开展仿真教学，是学生在教师指导下通过观察、讨论、思考等方法主动获取知识的过程[6]。引入虚拟仿真实验平台可以有效缓解学生实践机会少、实践能力差的现状。目前，学校和北京象新力科技有限公司合作，共同研发了热泵性能及空调机组性能虚拟仿真实验平台。学生可通过改变相关参数（室内温度、环境温度等），观察各设备的运行情况，通过后台仿真模型实时计算，给出各设备的运行曲线及性能参数（耗功率、制热/冷量、性能系数等）。

仿真模拟实验平台可以通过三维虚拟现实技术和底层数学模型相联系等手段实现交互操作，学生可以通过改变热泵机组的运行工况，实现对热泵机组（蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置等）各部件实时运行的状态及性能的改变；也可通过改变空调机组的运行工况，实现对机组各组成部件的运行状态及性能的改变，绘制运行曲线或生成实验报告。

通过此平台学生可以自己动手设计并搭建一套完整的由热泵系统（地源热泵、水源热泵、空气源热泵）和末端空调系统（全空气系统、风机盘管+新风系统）组成的系统，主要可以操作设备及部件连接，观察移动及调试等操作，并通过可视化三维系统构建和数值模拟来实现模拟结果。

将热泵性能及空调机组性能虚拟仿真实验平台引入制冷技术课程体系中，学生通过虚拟环境下的漫游认知、实操练习、理论计算及设备性能分析等环节，可加深对课堂教学理论的理解，熟悉和掌握暖通空调设计流程及重难点。同时，计算机模拟仿真为学生提供了可以操纵、观察和分析的模型，能激发学生探索性学习活动的积极性，这种教学模式能够迅速提高学生对于网络理论与实践相结合的整合能力，实现从理论到实践的飞跃[7]。此外，还能提升学生的系统工程思维及解决工程实际的能力，培养学生的创新意识与科学研究素养。

（二）加强教师团队建设

在我国，校企合作培养“双师型”职教师资已经具备了理论基础、现实基础、政策基础和关联基础，为构建校企合作培养“双师型”职教师资的机制提供了理论支撑、政策依据和工作基础[8]。为此，针对“双师型”教师稀缺的现状，结合校外专业设计团队，以骨干教师为主体，通过专业工程师带队，加强对青年教师和“双师”型教师的培养。在提高青年教师理论素质的基础上，进一步加大青年教师与企业的产学研合作，对教师进行专业知识与工程实践的培训，鼓励他们考取专业注册资格证书。同时，学院可与暖通行业中的企业建立长期合作关系，邀请企业的专业人员加入课程教学团队，邀请合作企业中有丰富工程经验的工程师走进课堂。具体而言，有以下几种方式。

1.通过开展形式多样的实地考察培训活动，提升青年教师的实践和教学能力，并在校内定期开展教师知识技能大赛或课堂竞赛。

2.利用与建筑工程公司、设计院以及设备生产企业的交流机会，加强青年教师的工程实践能力的培训。如，挑选部分青年教师赶赴相关实践基地参与工程项目或技术研发项目，掌握先进的专业知识和技能。

3.邀请经验丰富的设计工作人员来校讲座，提高教学团队的教学质量与综合技能水平。将前沿的科学技术与实际工程案例结合起来，强化教师对理论实践的认知能力。

（三）形成“理论授课+虚拟仿真+工程实训”三合一教学体系

建设“理论授课+虚拟仿真+工程实训”相结合的综合实践教学体系，应从以下几点着手。

1.采用开放性实验。放弃原有的学生被动接受的实验形式，采取开放性实验教学，注重训练学生实际动手能力，提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。

2.设置综合课程设计。建筑环境与能源应用工程专业课程设计宜选取多门课交叉项目，使学生掌握整个空调系统的组成，从系统原理到设备选型再到系统优化控制等，熟悉本专业与其他专业的接洽融合，通过课程设计强化学生的系统知识。

3.校内理论学习、虚拟仿真实验与校外实训联合教学。校内学理论，做虚拟仿真实验，在校外实训基地将课堂知识延伸到具体的工程项目。通过观摩学习及动手操作，加深对所学知识的印象，提高学生的动手能力，激发他们的学习兴趣。

4.鼓励学生参与校企合作项目。与合作企业进行充分的沟通交流，共同商议校外企业实训基地的搭建问题，合理分配校内与校外实训的时间问题，探讨校企合作教学模式。

三、结语

通过上述的一系列改革措施，学生在课堂的学习积极性将得到明显提升，对课程知识点的理解和认识也会更加深刻。在引入仿真模拟实验平台之后，学生对于热泵系统和空调机组的组成和运行过程将更加熟悉，参加国内各类设计大赛或者挑战杯的学生也会越来越多。通过实践教学体系的实施，达到一些传统的教学目标，如培养学生的科学思维和创新思维能力，提高学生独立动手、分析解决问题和进行科学研究的能力，实现提高学生自主学习能力和创新创业能力的教学目标[9]。在此教学模式的教导下，学生的理论知识将会更加扎实，创新能力也会得到进一步的提高，在毕业季的就业高潮中将会具备强有力的竞争力。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 黄治同.面向“新工科”复合型创新人才培养的教学模式综合改革与实践[J].教育教学论坛，2019（16）：224-225.

[2] 彭雅轩.新工科背景下材料力学课程教学改革探索[J].科技视界，2019（32）：159-160.

[3] 于戈.建筑环境与能源应用工程专业人才培养体系探索[J].四川建材，2019，45（7）：228-229.

[4] 陈明东.空调用制冷技术教学改革探讨[J].宁夏农林科技，2012，53（2）：76-77.

[5] 方赵嵩，冀兆良.论《制冷技术》的教学改革[J].制冷，2015，34（2）：55-59.

[6] 李建军，吴志平.高校工科专业课程计算机模拟与仿真教学研究[J].中南林业科技大学学报（社会科学版），2008（5）：133-136.

[7] 邢敏，黄岚.计算机模拟仿真教学的研究与实践[J].现代教育科学，2007（1）：152-153.

[8] 谢勇旗. 校企合作培养“双师型”职教师资机制研究[D].天津：天津大学，2014.

[9] 周恒涛，刘海燕，虞婷婷.建筑环境与能源应用工程专业“新工科”人才培养模式改革的研究与实践[J].教育现代化，2019，6（70）：28-29.

［责任编辑：雷 艳］