張永建

（燕山大學 建筑工程與力學學院，河北秦皇島 066004）

經濟增長的驅動力主要來源于創(chuàng)新，因此，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)至關重要。創(chuàng)新是布魯姆教育目標分類法[1]中認知領域的最高層級，培養(yǎng)難度較大。創(chuàng)新性實驗教學[2]是一種理論與實踐相結合的綜合性的教學內容，是培育創(chuàng)新型人才的有效路徑。

冷熱源工程是為供熱系統(tǒng)和空調系統(tǒng)提供冷熱源服務，核心知識點為冷源及熱源的構造與原理，學生學習該課程前，要具備傳熱及流體等基本知識。與理論課程配套的實驗內容是蒸汽壓縮式制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)[3]，該制冷方式在當前暖通空調領域的應用十分廣泛。將創(chuàng)新思維[4]教學內容融入典型的制冷系統(tǒng)創(chuàng)新性實驗教學，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維并促進學科知識的融合發(fā)展。

1 實驗課程概況

制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)實驗設置的目的，是讓學生直觀地了解制冷系統(tǒng)的組成，其結構見圖1，并通過對實驗現(xiàn)象的觀察深入理解制冷的原理，以及相關換熱設備的熱力計算。制冷系統(tǒng)中包含三個子系統(tǒng)，分別是制冷劑系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)。制冷劑系統(tǒng)主要負責能量的轉移，而轉移的場所發(fā)生在兩個熱交換器中。在冷凝器中，高溫的制冷劑氣體向冷卻水放出熱量后由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在蒸發(fā)器中則是一個相反的過程，冷凍水向制冷劑放出熱量，冷凍水的水溫降低，制冷劑吸熱后發(fā)生相變。冷凍水是空調系統(tǒng)的冷量載體，通過冷凍水系統(tǒng)把冷量分布到各個用戶。

圖1 蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)結構

通過實驗設備上的壓力表，可以觀察壓縮機的吸氣壓力、排氣壓力；通過巡檢溫度儀可以檢測冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、冷卻水進出口水溫和冷凍水進出口水溫；利用轉子流量計可以檢測冷卻水及冷凍水的流量。有了冷卻水及冷凍水的進出口水溫和流量，就可以計算在冷凝器和蒸發(fā)器內制冷劑與水的換熱量。

2 現(xiàn)有實驗教學存在的不足

2.1 實驗內容有限，無法做到以點帶面

人類對客觀世界的認識往往表現(xiàn)為從理論與實踐兩方面螺旋式上升，實驗教學是一項很有代表性的實踐活動。但是現(xiàn)有的實驗教學還存在問題：比如由于時間問題，實驗課既要有理論講解的時間，又要留給學生足夠的操作時間，導致安排的實驗內容有限；在實驗講解過程中，只能針對實驗相關的概念和原理進行說明，然后就是操作步驟的演示，接下來是學生操作、教師指導，導致學生難以把實驗內容與其他相關知識相聯(lián)系，難以對實驗內容有一個清晰的定位，產生知識結構，生成自己的認知結構[5]。學生掌握的基本是碎片化知識，可以回答點對點的問題，但是難以解決復雜的工程問題。

2.2 實驗與工程應用聯(lián)系不緊密

實驗過程中教師關注的是實驗操作過程的準確性和實驗數(shù)據(jù)的完整性，更重視學生對實驗報告做出正確的解答，而忽略了實驗內容與實際工程應用的聯(lián)系。盡管學生經過了大量的學習和實踐，但對工程中的專業(yè)知識卻未能及時關注，理論和實踐之間未能產生有效聯(lián)系，進而無法有效地將課堂中的專業(yè)知識遷移到實際的生活和工作中。所有的教學活動都應以實際應用為主，以學生的職業(yè)發(fā)展為主，教學模式也應該與之相適應。

2.3 實驗更關注現(xiàn)象和原理，創(chuàng)新不足

實驗過程多以傳統(tǒng)的以教師為中心的講授模式為主，學生被動地接受知識，難以對知識進行加工，未能使新舊知識有效結合。同時，部分學生的學習缺少層次性，無法達到深度學習，停留在對現(xiàn)象、概念和原理的記憶和理解階段，未能向更高層次的認知階段遞進，無法創(chuàng)新。

3 創(chuàng)新性實驗教學設計

創(chuàng)新是高階認知[6]階段，是以低階認知為基礎，只有充分掌握低階認知后，才能產生創(chuàng)新。所以實驗教學不是直接從創(chuàng)新開始，而是以低階認知為始，以高階認知為終，創(chuàng)新是高階認知中的最高層次。

依據(jù)最近發(fā)展區(qū)[7]，教學應該發(fā)生在學生現(xiàn)有能力與發(fā)展?jié)摿χg。教師應該了解學生對現(xiàn)有知識的掌握情況，從而設計出當前課程的教學目標及內容，達到提高學生能力的目的。

因此，在實驗教學過程中，應按照加涅對智慧技能的劃分層次[8]，見圖2，安排教學內容，層層遞進，促進學生認知的深度發(fā)展，最終培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

圖2 智力技能結構

3.1 利用知識可視化方法講解概念、規(guī)則

3.1.1 制冷設備知識可視化

蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由多臺設備組成，如負責制冷劑升壓的壓縮機、進行熱交換的場所冷凝器與蒸發(fā)器，以及降壓用到的膨脹閥等。每一種制冷設備又包括多種類型，不同類型的設備適用于不同的場景。要讓學生對這些設備的具體概念有所了解，設備概念是對同類設備本質特征的識別，有了概念的認識，才能夠對不同設備進行分類，進而形成直觀印象。如果學生缺少基本的概念認知，即便接觸真實的設備也難以真正識別，更加難以在工程實踐中有效應用。

由于設備種類繁多，為了降低學生的認知負荷，可以通過知識可視化的方法對制冷設備進行分類，有利于學生對知識進行編碼，加強記憶。知識可視化[9]采用思維導圖[10]軟件Xmind[11]實現(xiàn)，通過思維導圖軟件可以把不同的制冷設備進行分類，見圖3。首先，學生通過思維導圖可了解各個具體概念的名稱；其次，借助圖片學生可認識各個設備的樣式；最后，學生能夠準確辨別不同類型的設備，見圖4。采用的實驗設備是常用的冰箱壓縮機，這種壓縮機屬于全封閉式活塞壓縮機，由活塞式壓縮機往上位概念移動，讓學生知道容積式壓縮機的概念。通過從學生最熟悉的下位概念入手，逐漸向上位概念上升，建立起概念之間的聯(lián)系，使知識具有層次性。教學設備的壓縮機外殼被置換成透明玻璃罩，學生可以清楚地看到壓縮機內活塞的運動建立起實物與概念之間的聯(lián)系，形成長時記憶。按照此類方法，分別講解制冷系統(tǒng)的其他設備，如冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥，從而使學生構建知識體系。

圖3 壓縮機分類

圖4 壓縮機形式

3.1.2 制冷原理可視化

學生只有掌握原理性的內容，才能更好地應用知識去實踐，然而原理性的知識往往難以直觀呈現(xiàn)，導致學生理解難度較大，更加影響了學生在實踐中的知識應用，這一問題可通過引入可視化的技術予以解決。

首先，通過設備的內部結構可視化，學生能夠看到制冷劑的運行狀態(tài)。由于冷凝器和蒸發(fā)器都做成了透明結構，可以看到冷凝器的盤管上不斷有制冷劑液滴生成，即制冷劑由氣體轉化為液體的過程；而在蒸發(fā)器內，可以看到制冷劑液體不斷沸騰，即制冷劑由液體轉化為氣體的過程。通過觀察這兩個設備內制冷劑狀態(tài)的變化，使學生明白蒸汽壓縮式制冷利用的制冷原理為相變制冷，也就是液體汽化法，見圖5，吸收式制冷也是相變制冷的一種方式，然后按照圖5 內容講解冷源的分類，拓展了學生對制冷原理的認知，使其建立起冷源的整體知識結構。

圖5 冷源分類

其次，教師可讓學生觸摸冷凝器及蒸發(fā)器的表面，感受其溫度的差異，產生感性認知[12]，然后利用蒸汽壓縮式制冷原理圖，見圖6，具體說明實驗原理。制冷的本質就是熱量的轉移。蒸汽壓縮式制冷，是通過創(chuàng)造一個高壓區(qū)和一個低壓區(qū)來實現(xiàn)能量轉移，高低壓區(qū)的創(chuàng)設是靠壓縮機與膨脹閥完成的，高壓區(qū)是由壓縮機壓縮制冷劑蒸汽使其升壓，目的是提高制冷劑的飽和溫度，使之與環(huán)境溫度具備合理的溫差，從而向環(huán)境放出熱量。這一過程發(fā)生在冷凝器中，放完熱的制冷劑由氣體轉化為液體。高溫高壓的液態(tài)制冷劑經過膨脹閥實現(xiàn)降壓，而減壓的主要目的是降低液態(tài)制冷劑的飽和溫度，從而實現(xiàn)向被冷卻空間或物體吸熱，吸收完熱量的制冷劑液體汽化后，被壓縮機吸回并壓縮，進入下一個循環(huán)。

圖6 蒸汽壓縮式制冷原理

最后，通過對比兩種液體汽化法制冷方式的異同點，讓學生明白同樣的制冷原理可以設計出不同的制冷系統(tǒng)，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。當學生深入理解了液體汽化法制冷的原理，知道制冷是通過創(chuàng)造高壓區(qū)和低壓區(qū)進行能量轉移這一原理，那么高壓區(qū)的創(chuàng)造，除了可以通過壓縮機完成，還可以通過其他的技術完成。溴化鋰吸收式制冷[13]就是以一套熱能系統(tǒng)替代壓縮機的功能。驅動方式由電能變成了熱能，熱能作為一種低品質的能源，更加節(jié)能。熱能的產生可以是工廠的廢熱或余熱，也可以由蒸汽、燃油、燃氣等產生。當學生抓住了問題的本質，就可以利用發(fā)散思維進行產品設計，并對產品進行創(chuàng)新。

3.2 利用流程圖可視化講解高級規(guī)則

當學生學會使用簡單規(guī)則來解決復雜問題，就具備了使用高級規(guī)則的能力。對于冷熱源工程實驗課程，學生要掌握各種制冷原理以及相應的制冷機組相關知識，并將其應用于解決工程問題。面對多種類的制冷機組，到底該如何選擇？有沒有優(yōu)先順序？考慮的依據(jù)是什么？制冷機組的選擇需要考慮節(jié)能、環(huán)保、經濟、安全以及后期維護運行等多種因素。各種建筑設計規(guī)范常常對設計中的細節(jié)做出要求，應當引導學生熟讀規(guī)范，這是讓學生進行工程實踐的必經之路。其中，《公共建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定了制冷機組的選擇順序，見圖7。由于暖通空調領域的能耗在我國總能耗中的占比較高，所以該領域的節(jié)能至關重要。因此，如果工業(yè)企業(yè)中有余、廢熱[14]，吸收式冷水機組可以利用這些熱能，降低能耗，節(jié)約成本；如果沒有工業(yè)余、廢熱，卻有豐富的可再生能源，則優(yōu)先使用太陽能、地熱能等并輔助使用冷熱源；如果以上兩點都無法實現(xiàn)，電力資源豐富，則可選擇壓縮式制冷機；如果以上都不滿足，但是燃氣供應充足，可以采用燃氣吸收式冷水機組；如果燃氣不足，但是燃煤或燃油充足，可以采用蒸汽吸收式制冷機組或燃油吸收式制冷機組。

圖7 冷源選擇流程

通過以上分析，可以確定各種機組選擇的優(yōu)先順序，有了層級，進一步可以解決工程問題。制冷機組的選擇是一個經濟技術分析的過程，也是一個多因素綜合考慮的過程，是在各種約束條件下逐漸縮小選擇范圍、最終找到最優(yōu)方案的過程，因此，也是一個聚合思維培養(yǎng)的過程。

3.3 建立專業(yè)素養(yǎng)元認知，培養(yǎng)獨立解決問題的能力

元認知[15]是對認知的認知，而專業(yè)素養(yǎng)元認知，則是對專業(yè)素養(yǎng)認知的認知，只有建立了元認知，才能具備獨立解決問題的能力。如果學生不具備專業(yè)素養(yǎng)元認知，僅僅掌握了一些專業(yè)知識，而不知道在什么時候、什么情景下使用這些知識，這些知識就變成了僵化的知識。在教學過程中，除了要講解專業(yè)知識、專業(yè)技能，還要融入元認知的訓練，促使學生能夠獨立學習、解決問題，成為具備終身學習[16]能力的人才。

專業(yè)素養(yǎng)元認知的建立可以分為四個步驟：一是學會辨別和界定專業(yè)問題。對于冷熱源工程，涉及的工程問題有冷熱負荷的計算、冷熱源系統(tǒng)設計等。二是形成專業(yè)問題的心理表征。心理表征[17]是對當前面對的專業(yè)工程問題產生相應的心理結構，用專業(yè)的概念和規(guī)則來表示問題的內涵。面對同樣的問題，不同的人產生的心理表征是不同的，而專業(yè)知識的學習就是通過提高學生的心理表征能力來提高思維高度。思維表征的結構在一定程度上決定了解決問題能力的高低。三是制定解決專業(yè)工程問題的具體計劃。工程問題的解決是一個復雜的過程，需要制定翔實的工作計劃。工程問題的解決過程中還涉及復雜的邏輯關系，要區(qū)分哪些步驟先做，哪些后做，哪些可以同時進行。四是對自己解決專業(yè)工程問題過程的監(jiān)測、調整與評價。監(jiān)測與調整是同步進行的，要在工程設計中隨時了解工作進度、檢查實施方案是否正確并及時做出調整。四是對設計過程的評價，包括是否完整地解決了工程需求、解決方案的效果如何等。

4 結語

冷熱源工程創(chuàng)新性實驗教學過程中結合智力技能提升路徑和知識可視化技術，綜合利用思維導圖、流程圖、實物圖等技術講解了冷熱源工程相關的概念、原理、工程規(guī)范等，減少了學生的認知負荷，建立了專業(yè)知識的認知結構，同時對學生的專業(yè)素養(yǎng)元認知技能進行訓練，由表及里、層層遞進，有效提高了學生自主解決問題的能力。