雙碳目標下建筑環境與能源應用工程新工科專業教材體系研究*

于國清

（上海理工大學環境與建筑學院）

2020 年，中國在第七十五屆聯合國大會上做出重要承諾：中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。[1]截至2020 年，我國建筑能耗已經約占全國能源消費總量的30%，建筑全過程產生的二氧化碳排放量約占全國碳排放量的40%。[2]建筑環境與能源應用工程專業（以下簡稱“建環”）作為新工科專業和建筑節能領域的關鍵專業之一，需要從人才培養體系出發，調整和完善現有教材體系，以滿足雙碳目標對建筑能源系統的新要求和新挑戰。

建環專業作為新工科專業，在雙碳目標的大背景下，完善專業教材體系需要同時兼顧新工科建設的理念，即工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系等，圍繞建環專業工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展。[3]

一、雙碳目標和新工科背景下建環專業發展的基本理念

建環專業培養的是具有供暖、通風、空調、冷熱源、凈化、燃氣等知識背景的專業人才，建筑系統中的空調系統能耗通常占到建筑能耗的 50%以上，因此，建環專業作為建筑節能領域涉及的關鍵專業之一，如何在不影響人居環境品質的前提下，降低空調系統能耗，快速實現建筑行業的碳排放達峰，是建筑領域應對雙碳目標的重要措施。目前，“雙碳”目標下建筑系統中的碳減排關鍵路徑主要包括：提高建筑領域的電氣化水平；發展清潔低碳能源替代；發展儲能技術及柔性建筑用能系統。[4]

新工科建設指南為我國本科專業教育未來明確了發展方向。根據新工科專業建設的需要，建環專業需要從人才培養結構多元化、課程資源多樣化、產教融合深入化等方面進行創新和改革。

因此，從建筑專業人才培養體系出發，探索完善現有教材體系，這對建筑節能目標的實現具有至關重要的作用。結合國家雙碳目標規劃，考慮新工科背景下建環專業的新內涵、新特征和新發展趨勢，提出建環專業教材出版的新思路。[5]建環專業教材體系的完善應面向未來、面向世界，以滿足國家和地區新經濟發展需要為目標，圍繞新興工科專業進行研究與探索，從而對傳統建環專業教材體系進行更新升級。

二、高校建環專業現有教材體系分析

為保證建環專業本科教學質量和人才培養質量，夯實學生的專業知識和專業技能，設定了現有的專業課程教材體系（見圖1），其中專業基礎課程主要涵蓋工程熱力學、傳熱學等7 門課程，專業核心課程主要包括建筑環境學、空調工程等10 門課程。根據課程內容及其應用場景又可分為“建筑環境營造”“能源應用”“電氣控制”三個模塊。

圖1 現有教材體系

在雙碳目標下，作為新工科專業的建環專業，為培養符合智能低碳建筑環境需要的新型專業技術人才，現有的教材出版仍有以下幾個方面需要完善：

1.部分教材在授課內容方面重復或與本科階段人才培養體系目標不符，如課程“流體輸配管網”的授課內容大多出自“供熱工程”“通風工程”“給排水工程”等課程內容，并未達到培養學生創新能力的要求；“熱質交換原理與設備”課程難度較大，知識點零碎，與本科人才培養目標不匹配。

2.在雙碳目標和新工科背景下，建筑能耗分析已成為培養本科人才的重點教學模塊，為順應國家戰略需求和滿足經濟社會發展需要，使本科生具有建筑能源系統相關領域的知識儲備已成為必須，需要對現有教材出版進行完善。

3.隨著科學技術的快速發展，很多建筑節能、智能設備制造、高品質建筑環境等領域的新技術得到廣泛應用，原有建環專業的培養體系面臨挑戰，如原有傳統教材中的示范案例單一過時，為幫助學生更好地將專業理論知識與新工程應用案例相結合，需要對傳統教學手段進行補充和更新。

總之，現有建環專業的教材體系主要圍繞傳統的專業內涵，以供熱、燃氣、通風及空調系統等相關課程為授課重點，偏重空調系統的基礎知識和理論學習，對可再生能源利用和高效儲能等技術不夠重視，導致建環專業與雙碳目標下新的建筑節能路徑脫節，難以培養學生的創新能力，滿足不了現階段的國家戰略需求。

三、基于雙碳目標和新工科背景的建環專業教材體系完善分析

（一）裁減現有教材體系中的重復或與本科階段人才培養體系目標不符的內容

現有建環專業的課程體系中，有部分課程教材內容重復，如“流體輸配管網”，“流體輸配管網”主要闡述的是通風空調、采暖供熱、城市燃氣、建筑給水排水、工廠動力和消防工程等所采用的各種流體輸配管網的基本原理和工程計算分析方法，在管網水力特征與水力計算等內容方面，大量與“供熱工程”“通風工程”“給排水工程”等課程內容重復，不僅缺失了“泵與風機”等關鍵內容，還增加了學生重復學習的任務，建議刪減此教材，恢復原教材“流體力學泵與風機”。為滿足雙碳目標下建環專業人才培養需求，建議增加泵和風機在用電和能耗方面的學習內容。

除部分課程內容重復外，還有部分課程的知識體系尚不成熟，如“熱質交換原理與設備”課程，是學生在學習“工程熱力學”“傳熱學”“流體力學”等專業基礎課程后，才能進行深入學習的一門課程，該課程重點探討了發生在建環工程領域里的動量、熱量和質量的傳遞現象和傳遞規律。該課程涉及內容廣、綜合性高，與“供熱工程”“暖通空調”“制冷技術”“鍋爐與鍋爐房設備”等課程關聯度高，由于學生尚未熟悉本專業相關設備的結構和特性，且傳熱、傳質理論推導繁多且復雜、知識點抽象，對本科培養階段的學生而言，理論性強、學習難度大、知識體系混亂、邏輯性較差。因此，建議對本教材的內容進行大幅刪減，只保留比較成熟且與其他教材不重復的內容。

（二）增加建筑能源管理系統相關的內容

中國建筑能源系統行業發展與未來中國戰略需求密切相關，建環專業作為建筑節能領域的關鍵專業，教材體系的設置尤為關鍵。傳統建環專業教材內容主要偏向建筑環境領域的理論分析和工程設計。在雙碳目標和新工科背景下，已經滿足不了國家戰略需求和經濟社會發展需要，需從設備運行、調試和維護等方面進一步優化教材內容，重視設備運行能耗的研究與分析，增加建筑能源管理系統分析與研究，完善現有教材內容，為全面培養國家需要的新建環人才而做出調整。

建筑能源管理系統主要包括能源系統管理、能耗實時監測、能耗統計及計費、設備遠程監控以及系統運營管理等功能模塊，[6]以建筑能源系統為核心（見圖2），利用物聯網技術、云計算平臺和移動交互終端，建立從系統末端（儀表設備端）到用戶端應用的橋梁，實現了物與人之間的信息快速傳達。通過智慧管控，讓數據更加準確、及時、生動，讓設備運行更加智能化，從而促進建筑綠色節能。

圖2 建筑能耗數據

通過建筑能源管理系統的分析可知，建筑智能設施和建筑節能領域涉及很多電氣控制相關的內容，包括電工與電子技術、建筑環境測試技術、建筑環境學、自動控制原理、供配電系統、建筑自動化、建筑設備控制技術等專業課程，但現有教材體系并不完善，需要新增能源法律法規、能源管理概論、節能技術、節能評估方法、能源審計方法等相關課程。培養學生計算建筑設備損耗和有效使用各種能源的方式方法的能力，具備使用建筑節能減排的措施和手段的能力，提高建筑節能評估、建筑能源審計的合理性、準確性和有效性。讓學生了解國家對建筑用能單位能源消費的監管、審核、節能量計算與評估，強化學生能源審計的知識儲備，使學生基本具備參與編寫建筑能源審計報告與建筑節能規劃報告的能力。

（三）增加能源生產和儲存相關的內容

隨著煤改電的推進，供熱熱源越來越依靠熱泵，加之光伏發電與建筑一體化的大規模應用，電力與建筑的聯系更加緊密。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定，使得能源的儲存也越來越重要。能源的儲存有多種形式，主要包括冷、熱、電的蓄存，以前熱和電的生產、儲存和使用各自為政，而現在的趨勢是互相融合，因此應該出版建筑能源生產、儲存與使用方面的教材，綜合這方面的最近應用進展，形成新的知識系統，使得學生能更好地適應技術的發展。

（四）大力發展電子教材

隨著科學技術發展，為解決傳統教學手段中難以實現的實驗和動態演示過程，如新的建筑節能技術方案、工程案例分析、專業實習場景再現等，很多教師以各種聲音、文字、圖片和影音文件為基礎，[7]通過多媒體和三維動畫等技術，將授課內容的聲、像、形、色集于一體，整理成電子教材，形成立體、多元、真實的教學情境，打破了傳統授課的時間、空間局限，提供了形象、直觀、高質量的課程教育，易于學生理解掌握，在建環專業教學過程中，電子教材可廣泛應用于理論分析、專業實踐、見習實習等方面，減少學生學習過程的枯燥乏味，為教師的教學以及學生的學習提供有效的支持和幫助，彌補建環專業實踐教學中存在的不足，為進一步探索建環專業實踐教學改革打下基礎。

1.出版專業課的配套電子教材

以“工業通風”課程為例：在學習各種排風罩的結構與工作原理，除塵器的類型、性能與除塵機理，氣態污染物的凈化方法時，如果能引入電子教材作為傳統授課方法的補充，按照授課（理論教材）→擴展（現場視頻）→演示（動態原理）→回溯的流程，提升學生對各種排風罩的結構與工作原理、除塵器的類型等的理解，加強學生理論聯系實際的能力，拓寬學生的視野，為培養學生的實際應用能力打下堅實的基礎。

從圖3 可以看出，電子教材并不獨立于傳統的紙質理論教材，相反，它依附于傳統紙質教材，是紙質教材的從屬與配套材料。電子教材有助于呈現和梳理紙質教材的重、難點內容，提升線下課堂教學效率。除了與授課教材直接配套的電子教材，還可通過構建多樣化的數字資源（如超星平臺）對已學內容進行二次擴展，培養學生課余時間學習的習慣，進一步培養學生的專業性。

圖3 授課流程

2.出版施工安裝相關內容的電子教材

現有的施工技術教材受制于文字的限制，許多施工安裝技術難以講解清楚，相比之下，電子教材具有很大的優勢。伴隨BIM 技術的興起，引入了全新的概念——虛擬建造，虛擬建造技術利用虛擬現實技術構建一個虛擬建造環境，在虛擬環境中建立周圍場景、建筑結構構件以及機械設備等的三維模型，對建筑構件和設備管路進行虛擬裝配，真實展現建筑施工步驟?；贐IM 的虛擬建造包括基于BIM 的施工模擬、基于BIM 的構件虛擬拼裝、基于BIM 的施工現場臨時設施規劃等方面?；贐IM 技術和多媒體技術，可以把施工安裝的過程清晰地展示出來，能幫助學生迅速了解和掌握這些技術，比傳統紙質教材具有極大的優勢。

3.出版專業英語電子教材

現有的專業英語教材是紙質教材，可以培養學生讀和寫的能力，但對于聽和說則無能為力?？梢猿霭鎸I英語音像教材，挑選高水平的學術報告和包含專業知識點的英文音像資料，有圖景和聲音，全面培養學生的聽說讀寫能力。

隨著智能手機的普及，諸多手機學習軟件應運而生，這也是構建全方位教材體系的一種方法。依循紙質教材的標準，通過智能手機端，將教材的重難點內容、學習思維、認知過程等同步進行更新與延伸，能夠在教學過程中有效彌補紙質教材靈活性不強、擴展不充分的缺陷，極大地調動學生的學習熱情和師生互動性?；诂F階段電子教材的發展趨勢，高校師生將會更加容易接納電子教材、習慣數字教材，數字教材將成為高校教學中的一種常態化教材。

四、結語

本文基于“雙碳目標”及“新工科”建設的背景和要求，結合現階段建環專業本科人才培養目標，推動專業課程體系的優化調整，完善教材體系。以服務國家戰略目標和經濟社會需求為核心，通過刪減現有教材體系中的重復內容、增加建筑能源系統相關的教材內容、增加電子教材內容等手段，優化構建較為完備的建環專業教材體系，為全面培養國家需要的新建環人才打好基礎。