“双碳”背景下“工业通风”课程案例式教学改革与实践

摘

要：工业通风在工业建筑室内健康环境营造和国家“双碳”目标实现上扮演着重要角色。“工业通风”课程案例式教学改革与实践对课程教学模块化、课程安排及组织实施、课程实践内涵及课程考核与评价标准进行了探讨。整个教学过程秉持一个中心、两个基本点，即以全过程考核为中心，以课程理论与实践应用并重和创新能力培养胜于传统卷面分为基本落脚点，以期培养学生解决复杂工程问题的能力，提升实践创新意识，为国家经济社会发展贡献力量。关键词：双碳；工业通风；课程案例；教学改革；教学实践中国在第75届联合国大会上宣布力争2030年前完成碳达峰，2060年前实现碳中和的目标承诺，该目标对于能源相关专业既是机遇又是挑战。依据《中国建筑能耗研究报告2022》的统计数据，工业能耗约占社会总能耗的70%，其中工业建筑能耗占15%，且大部分是环境控制能耗[1]。节能高效的工业通风方式是控制工业建筑室内环境、减少碳排放的最佳途径，因此，要实现工业建筑行业的“双碳”目标，势必要加强对工业通风基本控制理论的理解和工程实际应用能力的培养。“工业通风”是高等院校建筑环境与能源应用工程专业的核心必修课程之一，在“暖通空调”“流体输配管网”“建筑环境学”等专业课程修完后开设，课程讲授内容包括通风设计、除尘原理、净化技术三大部分，主要介绍工业建筑室内空气污染物通风控制理论与技术、通风排气颗粒物净化原理及技术、通风排气有害气体净化机理等基本理论知识，是一门涉及建筑、环境、化学、公共卫生等多学科的复杂课程[2]。“工业通风”是一门重要性极高的课程，通过该课程的学习，旨在培养学生对工业通风设计基本原理及方法、环境卫生相关设计规范及标准、通风系统运维与节能方法的掌握，具备控制生产过程中产生的粉尘、有害气体、高温、高湿，创造良好的生产环境和保护大气环境的工程应用能力，能够做到知行合一，学以致用。为适应“双碳”背景下高等教育与服务产业发展对专业人才的需求，“工业通风”课程教学亟待改革，能够凸显人才培养、课程体系与应用教学实践模式，增强学生的学习热情和参与度，提升学生对本课程的实践创新意识和能力，实现课程教学目的与保障教学质量的同时，扎实推进理论与实践并重的教学改革思路。一、“工业通风”课程教学改革现状当前，“工业通风”课程教学主要采纳传统灌输式教学方法，一方面，教学资料老旧，学生学习兴趣不高，师生课堂互动少，教学效果差；另一方面，“工业通风”概念多、知识面广且涉及学科交叉，学生需要提前了解流体力学、毒理学、环境科学等相关知识，在实际教学中，学生的基础不够扎实，对某些知识点的理解困难，且课程设置学时较少，为完成教学进度，教师往往回避难懂的知识点或一带而过，使得学生只能一知半解。为克服传统课堂中存在的问题，提高“工业通风”课程的教学质量，增强学生对本课程实训的实践创新意识，提升学生对“工业通风”课程综合知识的实践应用能力，众多学者对“工业通风”课程教学改革进行了探索，依据“工业通风”课程改革内容的不同，分为理论课教学改革和实践教学改革两类。张艳秋通过任务驱动结合翻转课堂、增加设计环节、调整考核要求、加强产教融合等方法重点培养学生的专业应用能力[3]。于敏基于TMB体系分析学生行为特性确定线下授课模式，优化实践教学环节，调整考核方案，进而引导学生以最佳状态学习内容[4]。王冰等采用线上线下混合教学方式，通过教学内容、教学方法、考核方式的改革提升学生的就业竞争力[5]。易灿南等基于CBE工程教育专业认证理念对课程能力培养指标体系进行划分，通过排风罩、净化装置选择能力训练促进工程教育认证毕业要求的达成[6]。张孝强等将网络平台和翻转课堂结合，增强课堂师生互动，提升学生课堂参与度，发挥学生主观能动性，提升学习效率[7]。皮子坤等将CDIO理念与工业通风课设相结合，在课设选题、时间安排、考核角度方面进行改革，进而促进学生自主学习，培养学生沟通及解决问题的能力[8]。刘雪莉等借助文献调研配合问卷调查，采用启发式教学，增加学生学习积极性，提高学生解决实际问题的能力[9]。徐超等将现代教学工具与多媒体结合，帮助学生掌握更多的专业知识[10]。黄婷等通过优化课程设计时间安排和选题，完善课程设计考核方法，提升学生对课程设计的掌握程度[11]。不难发现改革的落脚点都是帮助学生掌握理论知识和提升实际应用能力，关键是激发学生学习热情和积极性。尽管已有研究通过翻转课堂、混合式教学等方法并结合CBE工程教育理念在教学改革上取得了一定的成果，但大部分研究忽视了学生创新能力的培养，且前沿科研案例在教学改革中的应用匮乏，任务式的调动短期内虽可提高学习效果，但很难持久。二、“双碳”背景下案例式教学在“工业通风”课程教学中的应用结合“双碳”目标，以“工业通风”课程案例教学为抓手，鼓励学生参与教师科研项目，提倡学生参加课程相关的节能减排社会实践与科技竞赛，分期、分时段走进实验室和企业进行实训，将参赛作品视为载体，学生依据社会实践、企业实训现场发现的新问题，结合课程领域的知识，运用科研项目中的新方法、新技术，提出创新性解决方案，进而提升学生对“工业通风”课程综合知识的实践应用能力。（一）课程内容教学模块化创新“工业通风”课程整个教学过程（理论环节、实践环节）均采用模块划分的课程教学方式，结合工业通风设计理论及流程，课程知识点可分为通风气流原理、通风管道输运、通风除尘净化三个模块。在理论教学环节过程中，教师要摒弃传统的章节授课方式，例如，介绍通风方法时要按照全面通风、局部通风的顺序系统完整讲授，转而采用工程案例式授课方式，即教师将复杂的工程系统进行简化，依托课程知识点归类进一步模块化，最终按照知识模块顺序逐一讲授，通过多个经典案例的講解覆盖课程所有核心知识点，完成对应毕业目标和毕业要求指标点。为保证教学活动高效有序进行，在理论教学环节将学生按照课程知识点模块进行分组，并随着案例讲解及时调换小组所属模块，在24个学时内保证理论教学案例讲解数量在6个以上，提供每名学生每个模块超过2次小组学习机会，每个学习小组案例汇报6次以上，班级人均至少1次。针对不同教学模块，教学过程中教师还会采用科技前沿讲座、翻转课堂、虚拟现实技术等手段加强师生互动，提升学生学习专注力，帮助学生掌握新型节能通风方式、管道阻力优化方法、除尘净化烟气余热回收等知识，更好地将“双碳”目标融入“工业通风”课程教学。（二）课程安排及组织实施优化案例式教学重新恢复学生的学习主体地位，打破传统重理论、轻实践的教学思维，全过程贯穿理论与实践并举理念，该教学模式主要分为教学手段、教学内容模块化、第二课堂及实践实训四个重要组成部分。理论教学环节占总学时的2/3，共计16个学时，每个教学周只安排2个课时。整个授课过程分为5个阶段，各阶段的具体教学安排如下。1.课前准备阶段。建立课程交流群（微信或QQ），上课前一周发布教学案例，组织学生按照不同模块划分为3个学习小组（模块I、II、III），到下一个教学案例时，小组成员不变但所属模块按排列组合方式进行调整，每个小组安排一名学习组长，课前组织组员针对教学案例，认真做好本模块的预习工作，查阅资料，制作小组汇报的PPT。2.翻转课堂阶段。该阶段继续以学生为主体，分为小组热点前沿动态分享和模块知识点讲解两个部分，每个小组汇报的时间约15分钟，学生提问和任课教师点评5分钟，总时长不超过1个小时，需要注意的是，每个小组汇报的学生均由任课教师现场随机抽取，教师点评主要从模块知识点理解、如何助力“双碳”目标完成的角度对学生进行引导。3.教学讲解阶段。教师就教学案例，结合学生汇报情况，按模块顺序进行核心知识点讲解，每个模块每次课安排3～4个核心知识点和1～2次提问互动环节，确保每个模块知识点在15分钟内可以讲授完毕，单个案例教学讲解总时长不超过45分钟，讲解时可采用多媒体视频、虚拟现实技术、科技前沿成果等形式帮助学生理解和消化知识点。4.第二课堂阶段。这一教学阶段并非要求全体学生参与，鼓励专业学生积极参加与“工业通风”课程相关的科研课题、创新创业训练计划项目、节能减排社会实践与科技竞赛以及学术会议等。5.实践实训阶段。按照教学安排，这一教学阶段共计有8个学时，学生分时、分期进实验室，每个学生至少参与课程实验4项，实践环节会安排4个课时的企业实习、实训，整个教学过程中学生须完成3次通风设计的大作业。（三）课程实践内涵提升实践教学环节主要包括案例式课程教学、第二课堂、课程设计与实验、企业实习实训四个重要组成部分。实践教学环节占总学时的1/3，共计8个学时，主要用于实验教学和企业实习实训。整个实践教学环节分为4个阶段，各阶段的具体教学安排如下。1.案例教学阶段。将后续教学阶段的部分实际案例提前引进理论教学环节，使得学生在课前准备和翻转课堂学习过程中发现问题，任课教师对这些问题进行解惑，同时对实际工程中不同模块的设计问题进行归纳总结，帮助学生带着问题思考、设计方案等进入下一阶段的学习。2.课程设计与实验阶段。整个教学过程中每位学生完成3次课程设计大作业，按照理论环节学生分组情况（模块I、II、III），提前给定题目并安排各小组选择模块，每次设计各小组负责的模块不同，课程设计的题目与课程实验、实习实训企业的案例保持一致；学生分时、分期进实验室，帮助学生了解设计原理，掌握数据测试方法，更好地做到理论联系实际。3.第二课堂阶段。针对目前工业通风领域工程设计的难点、痛点，借助掌握的理论知识，学生设计出工业通风领域新方案、产品等，积极参与教师科研课题、创新创业训练计划项目、节能减排社会实践与科技竞赛，得到同行专家宝贵的建议，不断完善产品和方案，提升学生的创新实践能力，助力国家“双碳”目标达成。4.实习实训阶段。为获取工业通风除尘系统不同关键部件的参数，将班级学生按模块分为3个小组，各小组分别对不同模块的重要参数进行实时监测，并对记录数据进行分析；邀请企业专家针对学生课程设计、现场实测发现的问题进行讲解，并就系统设计方案进行回顾，让“工业通风”课程理论知识与实践充分融合。（四）课程考核与评价标准改进结合“工业通风”课程案例式教学与实践方案，提出更适应工程教育认证理念和学生发展的考核新方法，即一个核心，两个基本点，一个核心是坚持全过程考核，两个基本点是课程理论与实践应用并重、创新能力胜于卷面分数，课程考核与评价标准改进的主要内容如下。1.全过程考核（采用百分制），包括翻转課堂（20%）、课程设计（20%）、课程实验（15%）、实习实训（15%）、期末考试（30%）五个部分，即平时成绩占总成绩的70%，期末考试成绩占总成绩的30%，第二课堂作为平时成绩的加分项，最多可加总成绩的10%，但保证学生平时总成绩不超过70分。2.单次翻转课堂随机抽人汇报的成绩为小组所有成员此次平时成绩；每次课程设计小组成员的平均成绩为小组所有成员此次平时成绩；每位学生课程实验报告、实习实训心得总结为其平时成绩；期末考试成绩参考卷面得分；第二课堂加分主要参考学生的竞赛获奖、学术成果情况。3.翻转课堂阶段会邀请教务督导、其他专任教师听课，成绩为听课教师打分、课程教师打分、学生互评的平均分；课程设计要邀请设计院专家评阅，成绩为专家评阅成绩和任课教师评阅成绩的平均分；课程实验、实习实训会成绩为企业专家评阅成绩和任课教师评阅成绩的平均分；期末考试采用笔试和答辩两种形式，笔试占70%，问题答辩占30%，总成绩为二者的平均分。为加强过程性考核，鼓励学生提升实践创新能力，紧跟国家“双碳”战略，考核标准会向能力培养倾斜，不再拘泥课堂表现这类细节考核，新的考核体系既有团队协作，又包含个人表现，理论与实践并重。需要注意的是，学生有两个考核环