[出处] 教育教学论坛_2022年第15期

周军莉 苗磊 邓勤犁 康鑫 肖雪

[关键词] 独立实验课;虚实结合;科研竞赛

[基金项目] 2021年度武汉理工大学教学改革研究项目“基于工程教育专业认证的建环实践教学改革与实践”（W2019086）

[作者简介] 周军莉（1977—），女，湖北天门人，博士，武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授（通信作者），主要从事建筑环境研究;苗 磊（1990—），男，四川广元人，博士，武汉理工大学土木工程与建筑学院讲师，主要从事建筑消防研究;邓勤犁（1985—），男，湖北荆州人，博士，武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授，主要从事建筑环境与建筑节能研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）15-0053-04 [收稿日期] 2021-10-16

对于高等院校工科学生而言，一般要求其具有较高的实践能力和综合设计能力。实验教学是高等院校理工科专业教学中重要的组成部分，它不仅是学生获得知识的重要途径，而且对培养学生的自学能力、工作态度、实际工作能力、科学研究能力和创新能力具有十分重要的作用，对实现培养学生的知识、能力、素质起着关键的作用[1]。建筑环境与能源应用工程（以下简称建环专业）属于工学土木类本科专业之一。在建环专业实验教学探索方面，已有高校建成了高质量的实验平台，介绍了一些实验教学实践经验[2-4]，但还未见到针对独立实验课的改革论述。针对传统课程实验零散不系统、不受重视等问题，我系在2017版培养方案制定过程中对专业实验进行了梳理整合，开始设置独立实验课，力求构建一个科学合理的实验教学体系，提高学生的动手能力和创新能力。经过三届学生的培养，陆续取得了一些成效。

一、传统课程设置

建环专业主干课程包括基础课：“工程热力学”“传热学”“流体力学”;专业基础课：“热质交换原理与设备”“流体输配管网”;专业课：“建筑环境测试技术”“建筑环境学”“冷热源工程”“供热工程”“通风工程”“空调工程”等[5]。改革以前，我系实验课基本都附属于理论课存在，由具体理论课授课团队负责。我校传统实验教学存在如下缺点：（1）场地有限，正常运行的成套实验设备少。实验设备故障率高直接影响学生对专业的接受程度。据统计，在以往每年的毕业生座谈会上，总会有超过70%的学生抱怨专业实验设备故障多，实验结果误差大。（2）实验环节不受重视。尽管实验课占用理论课总课时及学分，但实验课往往安排在理论课后期，专业课时缩减导致实验课时更少，学生常常忽视实验课。（3）实验项目指導性强，创新性不足。已有实验项目强调实验指导书，固定实验步骤，学生只需按照步骤进行，做完实验后增加少许结果分析和误差分析。实验项目中缺乏自主创新性实验。（4）实验项目孤立、不系统。实验项目往往单纯由某一理论课教师负责，单一理论课教师指导下的实验往往无法体现知识点之间的关联性。

二、改革举措

针对已有实验设置问题，我系认真整合实验设备，积极拓展资源，调整实验教学体系，建成了以虚实结合、竞赛联动为主要特点的实验课体系，开设单独实验课。独立实验课最低学分0.5，对应课时为16。课时的增加带动实验项目也相应增加。

（一）开发虚拟实验，开展虚实结合项目

虚拟实验室就是利用分散的信息和通信技术以创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子实验平台[6]。我系通过联合开发及自主开发形式增设虚拟实验项目，丰富实验资源。

2017年，我系搭建了中央空调虚拟仿真实验平台。中央空调虚拟仿真实验教学平台软件通过3D仿真建模软件，以1∶1比例还原某酒店真实场景的布置、主要设备放置、系统连接形式、设备连接形式、管道连接方式等。通过该虚拟仿真实验平台，学生可进行如下系统的实验实践：冷源系统、热源系统、多联机系统、风机盘管加独立新风系统、全空气系统、通风系统。涉及的课程包括热质交换原理与设备、空调工程、通风工程、供热工程、流体输配管网等。后期升级过程中，陆续增加了水力平衡计算、线上考试等模块。该虚拟仿真实验平台中的设备部分可以很好地结合已有实验设备进行虚实结合实验。而水力计算部分，则可以开展设计性实验。虚拟实验中的飞行模式部分，教师可以布置开放性实验，要求学生自选管路系统进行分析说明。该平台除供本专业学生进行专业实验教学以外，还可为建筑学、工程管理、市政工程等专业进行暖通空调辅助学习。

2019年以来，我系青年教师利用MATLAB语言自行开发了工程热力学及流体输配管网虚拟仿真实验。这些小型虚拟实验也被集成到了虚拟实验室电脑中。虚拟仿真实验丰富了我系实验项目，解决了设备故障多、场地紧张等问题。

（二）联动科研竞赛，增设创新性项目

加强综合性、设计性、创新性实验，树立以学生为本，知识传授、能力培养、素质提高协调发展的教育理念，是现代教育改革和发展的必然要求。团队积极从科研及竞赛中寻求支撑，增设学生积极性高、更能发挥主观能动性的实验项目。

科研可以支撑教学，教学也可以反哺科研[7，8]。武汉理工大学为培养本科生创新能力，每年均鼓励学生自主申报国家大学生创新性实验计划等项目，这类项目往往与实验紧密相关;另一方面，基于常设的地铁站环境测试实验，可收集整理每年的学生测试结果，最终汇总进行环境影响因素的趋势性科学分析和研究。这则是实验反哺科研的案例。科研设备也可支撑本科实验教学。我系实验设备可分为三类：（1）教学类。这些设备是实验课的主要支撑硬件条件。（2）检测类。本专业成立之初购买了一批建筑节能方向的检测仪器，如空气品质类检测设备、温湿度记录仪等，可直接支撑建环专业“环境学”和“建筑环境测试技术”等课程的授课。而建筑气密性测试系统等大型设备，则可以进行演示性实验。（3）科研类。这部分设备一般由科研经费购买。在部分创新性实验项目中，学生可使用教师科研设备进行操作。

另外，我系将实验环节与专业教指委的各项学术竞赛活动，如CAR-ASHRAE学生设计竞赛紧密相连。组委会每年11月中旬发布竞赛通知并公布设计题目，要求参赛团队在当年11月至第二年的7月份完成设计并提交作品。在成果提交中，调研往往是必备的一项。在实验课的项目设置中，我系确定CAR-ASHRAE设计竞赛调研实验项目为创新性实验。

（三）成立实验团队，细化实验制度

为解决实验项目零散不系统等问题，我系成立了独立实验课，相应成立了以骨干教师为主的实验教学团队，在实验团队中，包括校级精品课程名师、青年名师、海外优秀青年回国人才、楚天学子等人。实验团队教研活动基于本科教研活动时间或者线上实验QQ教研群展开。团队细化实验制度，确定实验时间和项目，讨论实验考核规则。通过定期的团队教研，实验教师全盘掌握整体实验教学情况，并可在单独实验课中紧密联系其他知识点，加深学生的理解能力。

目前我系开设的必修实验课程包括建环基础实验（0.5学分，16课时）、建环综合实验1（1学分，32课时）、建环综合实验2（0.5学分，16课时），已编写完成统一格式的实验课指导手册电子讲义。在实验项目开设时间方面，团队参考通识性教育中的普通化学、普通物理实验，将一般性实验项目设定在每周固定时间，开放性、创新性实验则选取后半学期集中时间进行展开。实验课开设实验项目如下表1所示。

独立实验课最终成绩由不同实验项目成绩共同构成，一般实验项目考核标准为实验预习20%，实验操作40%，实验报告40%。演示性实验项目主要考核学生对设备的了解程度，设计性实验和创新性实验考核标准另外单独设置。

三、实施成效

目前所设实验项目中，既有中小型设备让学生动手，学习必修课程知识点;又有大型设备让学生参观思考，联动科研竞赛，推动学生进行创新性实验，了解科研动向;还积极利用计算机技术，虚实结合，促使学生加深了解专业设备和系统。独立实验课开课以来，学生实验课满意度提升了40%。

与之相应，学生的实践能力也大幅度提高，在相关实践竞赛等活动中取得了好成绩。目前已有12名学生空调设计作品连续获得CAR-ASHRAE设计竞赛优秀奖及三等奖，3名学生获海尔磁悬浮杯设计竞赛三等奖，1名学生获人环奖竞赛优秀奖，2名学生获施耐德创新案例挑战赛中国区金奖，3名学生获中国制冷空调行业大学生科技竞赛二等奖。获奖学生占比25%以上。另外，实验课结合创新实践专业课及实践周，学生的创新积极性也大幅度提高，每年均获批立项3～4项本科生科研训练项目。2021年，我系能源与建筑环境教学科研团队被评为校级师德建设先进团队。

结语

实验教学是理论联系实际的关键环节，其教学任务旨在提高学生的科学素养，培养学生的工程实践技能、科学的思维能力。本文总结了传统实验设置的缺点，基于虚拟实验平台，以师资团队和专业竞赛项目为支撑，提出了实验改革举措，介绍了实施成效。本文可为其他高校开设独立实验课提供参考。

随着时代的进步和专业的发展，该实验体系也将会被持续优化。后续团队将继续加强基于互联网的虚拟平台建设，推动新实验大楼综合性实验平台建设、实操基地建设，持续对实验项目和考核过程予以优化，以全面提高实验教学质量，完成由理论知识到实践操作的转化过程，开阔学生的视野，提高学生的科学素养，培养“适应能力强，实干精神强，创新意识强”的建环高素质卓越人才。