建筑能源领域碳达峰碳中和项目式教学实践

【摘""要】我国碳达峰碳中和（以下简称“双碳”）目标的提出对高校人才培养提出了新要求。如何对传统专业进行转型升级，以适应“双碳”需求是现阶段亟待解决的问题。项目式教学有助于实现“双碳”背景下传统专业可持续发展、高质量发展的内在要求。文章以建筑能源相关课程为例，介绍碳达峰碳中和项目式教学实践，通过紧跟“双碳”技术发展前沿、不断更新教学内容、开展线上线下混合式项目式教学，多位一体构建建筑能源相关课程“双碳”知识体系，不断提升教学效果。【关键词】碳达峰碳中和；建筑能源；项目式教学；课程改革一、引言《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中首次提出了“节能减排”，明确“十一五”期间能耗和主要污染物排放总量的约束性指标，这是党和政府对人民的庄严承诺。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布了我国的碳达峰与碳中和目标。“双碳”目标的制定对我国经济发展的各个领域均有深远影响。培养具有“双碳”思维和知识结构的创新型人才是国家“双碳”战略实现的重要保障[1]。为此，教育部印发了《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》《高等学校碳中和科技创新行动计划》等重要文件，鼓励推进“双碳”相关专业的学科建设和人才培养。然而，当前面向“双碳”战略的知识体系与人才培养模式尚未建立，难以培养出符合“双碳”战略需求的创新型人才，导致我国“双碳”战略关键核心技术领域对创新型人才的需求与当前人才培养乏力之间的矛盾不断加深。因此，高等教育必须从“双碳”战略的新视角重新审视现有人才培养模式，探索创新型人才培养的新途径。根据《2023中国建筑与城市基础设施碳排放研究报告》显示，我国建筑运行阶段的碳排放占全国能源相关碳排放总量的21.6%；当考虑基础设施时，全国建筑业全过程碳排放总量更是占全国能源相关碳排放的47.1%。因此，建筑领域实现“双碳”目标的压力巨大，承担着艰巨的节能减排任务。建筑环境与能源应用工程专业（以下简称“建环专业”）与我国节能减排、新能源与可再生能源利用等战略息息相关，是与“双碳”关系最为密切的专业[2]。目前，国内各高校的建环专业尚缺乏对建筑能源领域“双碳”新技术的重视，因此，必须不断调整和完善建环专业的教学体系，以适应“双碳”战略对建环专业人才培养的要求。在“双碳”背景下，对建环专业人才培养目标、课程体系、教学方法进行综合改革，不仅顺应国家发展战略的新要求，也是实现建环专业跨越式发展的重要途径[3]。建环专业最早起源于建筑供热，在后续发展过程中逐渐融入了空调、通风、燃气等内容，与建筑、环境、能源、土木等专业领域密切相关，属于传统工科专业。专业课程往往采用灌输式的教学模式，无法满足“双碳”战略对新知识、新技术的要求。文章依托“空调冷热源工程”“绿色建筑与建筑节能”等建筑能源相关的专业课程，介绍项目式教学在建环专业“双碳”人才培养过程中的应用。通过项目式教学，将我国“双碳”战略及相关技术融入教学内容；通过线上线下混合式、案例式教学等方式，帮助学生了解我国建筑领域“双碳”的最新进展，初步学会“双碳”技术的应用，提高建环专业人才培养与社会需求的适应度。二、“双碳”背景下传统教学模式的局限（一）教学内容陈旧“双碳”战略旨在加速清洁能源的利用，培养新能源产业人才，促进绿色技术创新[4-5]。实现建筑“双碳”的重要途径是大力发展太阳能等清洁能源技术，减少传统化石能源的使用，构建以新能源为主体的建筑冷热源系统[6]。然而，新能源在建筑冷热源中的应用程度远不及传统技术，现有“空调冷热源工程”课程教材的核心内容仍以电动压缩式制冷、直燃吸收式制冷、燃煤锅炉、燃气锅炉等传统技术为主，对于新能源技术只是开展科普式讲解；“绿色建筑与建筑节能”课程的主要内容是建筑围护结构设计，虽涉及了少部分新能源相关内容，但对其原理与应用的阐述均不够详尽。“双碳”相关技术的发展及更新速度快，且具有很强的学科交叉性，使其无法取代传统技术在特定专业教材中的地位，而且教材的更新速度也远远低于技术迭代的速度，这些原因共同导致了在当前的教学过程中无法充分体现“双碳”技术相关内容。对于与“双碳”密切相关的建环专业学生来说，除了要掌握教材中的相关基础理论外，还应主动了解教材以外的知识，并进行多学科知识与理念的交叉思考，将所学知识应用于解决实际问题，不断提高专业素养，这样才能满足国家、社会对“双碳”人才的要求[7]。（二）学生实践能力不足在传统灌输式教学模式下，学生往往只注重基础理论知识的学习，养成了死记硬背的习惯，虽然能学到很多知识，但却不知道如何应用于实际生产环节。在“双碳”背景下，相关企业面临转型的巨大压力，往往要求毕业生具备一定的实践能力，能够在不同场景中选择适宜的“双碳”技术，且能迅速参与生产与社会服务活动，缩短学校与社会间的过渡期。因此，在开展理论教学时，有必要安排与理论知识相配套的实践环节，让学生能够学以致用，这样不仅有利于学生掌握专业知识，也有利于提升学生的实践能力。（三）考核方式单一传统工科教学模式下，学生的学习效果主要通过考试成绩认定，这种评定方式忽略了学习过程中对学生思维和创新能力的培养[8]。根据国际工程教育理念，培养学生的目的不仅仅是使其掌握知识，还应包括对知识的运用及综合能力的提升。考试结果只能考查学生对知识点的掌握情况，无法评价学生综合能力的达成情况，也不能完全覆盖工程教育对学生的培养要求。同时，建筑能源领域“双碳”相关技术是不断发展的，对于很多问题的解决并不存在准确或唯一的答案，因而无法通过考试结果考核学生的学习情况。因此，课程必须开展多样化的考核以评价“双碳”人才培养目标的达成情况。三、项目式教学在“双碳”人才培养中的作用项目式教学的出发点是以学生为中心，通过布置具有一定难度的项目任务，引导学生积极探索，在解决实际问题的过程中主动获取知识。在项目实施过程中，学生同时进行知识学习和项目实践，从课堂中学习支撑实践的理论知识，在实践中对理论知识有更深入了解[9]。项目式教学在“双碳”人才培养中的作用是使学生在学习过程中养成自主学习的能力，因而，在学生了解传统建筑冷热源系统原理的基础上可引导学生对新技术、新能源相关信息进行查阅与对比分析，对学生的专业能力、学习能力、思考能力、创新能力、沟通能力等多方面进行全面训练。为达到项目式教学的目的，学生需要分析现有建筑能源系统存在的问题，并提出创新性解决方案以减少碳排放并实现“双碳”目标，培养自身的综合素养和解决问题的能力；任课教师需要紧跟建筑能源领域“双碳”技术发展前沿，不断更新教学内容，通过多种教学方式，多位一体地构建建筑能源领域“双碳”知识体系，多种教学手段并用，实时了解项目开展进度，并及时给予指导。四、基于“双碳”人才培养的项目式教学实践（一）项目式教学设计项目设计是项目式教学的关键环节，整个教学过程需围绕项目的组织实施而开展，项目设计决定着项目式教学的成败及最终效果。因此，设计项目内容时要充分考虑学生的知识背景与能力特点；同时，需要与科技前沿或工程实践相结合，兼具一定的前瞻性、创新性和挑战性[10]。“空调冷热源工程”课程的主要内容为建筑冷源与热源的工作原理与基本设备等；“绿色建筑与建筑节能”课程的主要内容为建筑本体、建筑供能系统与用能末端的节能技术等。2门课程均与建筑能源系统密切相关，且课堂教学重点内容为基础理论部分，要求学生掌握建筑制冷、供热原理与理论技术。项目式教学的目的是将理论知识与实际应用相结合，引导学生将课堂学到的知识用于解决实际问题，为学生提供更加全面、深入的学习体验。为实现培养“双碳”人才的目的，任课教师在“空调冷热源工程”与“绿色建筑与建筑节能”2门课程中均设置了与建筑能源领域“双碳”技术相关的项目任务，要求学生通过自学、教师指导和线上教学资源，了解建筑冷热源系统效率的改进技术、被动式超低能耗建筑与零能耗建筑技术、新能源与可再生能源的利用技术，认识到“双碳”技术在建筑能源领域应用的迫切性，并能够将其应用于校园建筑的节能改造。项目式教学的任务需要分组完成，根据学生意愿提供2类项目，一类为调研性课题，一类为实践性课题。调研性课题要求学生学会使用学校图书馆的文献数据库，查阅最新相关文献，了解最新的建筑能源领域“双碳”技术及其工程应用，并能够对其经济性、优缺点进行分析，阐明其在未来建筑能源领域“双碳”中的应用前景。实践性课题要求学生以校园内的特定建筑（宿舍、教学楼、图书馆）为研究对象，通过实地测试、调研分析、模拟计算等方式，分析所研究建筑节能减排的潜力，提出节能改造措施，并对改造前后建筑的碳排放、运行能耗等指标进行对比分析。项目式教学设计既考虑了不同学生的特点，起到因材施教的作用，又涵盖了建筑能源领域“双碳”前沿技术与工程实践，能够使学生多方面的能力得到锻炼。（二）项目式教学方法1.线上线下混合式教学项目式教学的开展需要为学生提供大量的课外学习资源，使学生充分了解建筑能源领域“双碳”新技术及与其相关的工程实践，但又不能占用太多理论课学时。因此，在授课过程中，2门课程均开展了线上线下混合式教学，利用线上优质教学资源对学生的思维进行引导与启发。在项目式教学过程中，任课教师利用学堂在线平台为学生提供了国家精品线上课程“绿色建筑与可持续发展”与“建筑冷热源”。线上学习部分有江亿院士讲解中国建筑领域实现碳中和的途径、林波荣教授介绍山东交通学院图书馆等国内外建筑节能典范、石文星教授介绍各种节能的冷热源设备、朱颖心教授介绍集中供冷等新型冷热源形式。学生可以根据线上学习内容利用超星学习通、雨课堂等线上教学平台开展讨论，课堂上任课教师也会针对线上学习内容开展讨论与考核，检验线上学习效果。2.案例式教学对于工科专业的人才培养，除了要求学生掌握技术的基本原理外，还需要其掌握相关技术的应用。与教材中刻板的文字内容相比，图文并茂的工程实例及视频讲解显然更具吸引力。为提高学生的知识应用能力，任课教师基于多年教学实践积累的大量实际工程案例制作了视频案例库，在课堂上介绍知识点的同时播放与之相关的案例，为学生完成项目任务提供借鉴。学生通过专题片《大国工匠》了解世界最高的抽水蓄能电站大坝——江苏句容抽水蓄能电站项目、中国建设工程鲁班奖——天府人文艺术图书馆的种植屋面技术，通过近年来我国举办的冬奥会、亚运会，了解大型体育场馆的节能设计。这些实际工程案例不仅让学生了解到我国建筑能源领域“双碳”技术的发展与实际应用，也将课程教学与思想政治教育有机结合，使学生深刻了解我国向世界展示出的绿色发展理念；同时，培养学生的大国工匠精神，使学生切实了解本专业毕业生对国家发展的重要作用，培养学生成长为有理想、敢担当、能吃苦、肯奋斗的新时代专业人才。3.项目指导由于布置的项目任务具有一定难度，很难由学生独立完成，因此，项目式教学鼓励师生之间开展密切的互动与交流，促进知识共享与技术创新。任课教师在项目中担任指导者和引导者等角色，给予学生必要的支持与指导。不同于课堂集中指导，项目式教学过程中的指导采用“集中+分散”的形式。在项目开始阶段、中期阶段及结题阶段，任课教师会利用课堂时间开展答疑、答辩和交流。在项目开展过程中，项目负责人可以随时联系任课教师，就与项目相关的资料、设备等问题进行咨询。任课教师时刻关注项目开展情况，并在课堂教学中不断提供项目指导及相关案例，培养学生的创新思维。同时，项目式教学也鼓励各小组之间相互借鉴经验、分享成果，形成良好的交流合作氛围。（三）项目式教学评价由于项目任务由小组共同完成，因此，项目式教学评价也由任课教师的单一主体改为任课教师+学生互评，评价内容包含项目式教学成果的完成情况、项目汇报情况，以及学生的态度责任、团队协作能力等[8]。1.课程考核方式在“空调冷热源工程”“绿色建筑与建筑节能”2门课程考核中，项目式教学成绩在课程总成绩中的占比均为30%。项目式教学成绩包括2部分：小组成绩与组内成绩。小组成绩占比为20%，各小组通过集中答辩的形式参加项目考核，任课教师根据项目成果给出成绩。组内成绩占比为10%，由各项目小组自行确定，组长组织组内学生相互打分，主要依据组内各成员对项目成果的贡献度。2.教学效果评价及时反馈教学效果并进行持续改进是提升人才培养质量的关键环节。项目式教学结束后，任课教师利用燕山大学金智教务系统向所有学生发放了调查问卷，对项目式教学效果进行评价。问卷结果显示，100%的学生认识到了建筑节能减排对我国“双碳”战略的重要意义，超过90%的学生通过项目式教学主动学习了多种建筑能源领域“双碳”相关技术，并了解了部分建筑能源领域“双碳”技术的应用，超过80%的学生认为项目式教学的效果优于传统教学模式。同时，学生也对项目式教学提出了意见，如组织测试仪器培训、校外项目参观等，以提高实践能力。通过项目式教学，学生充分认识到了“双碳”相关技术在建筑能源领域应用的迫切性，并能够将其应用于校园建筑的节能改造中。学生提出了大量校园建筑节能改造措施，包括围护结构节能改造、供热系统改造、太阳能等新能源的应用等，有很多措施在近几年的校园节能改造中得到了应用，学生也通过校园的变