“新工科”背景下建筑環境與能源應用工程專業畢業設計的持續改進

王 蘭,劉 斌,郝長生

(石家莊鐵道大學機械工程學院,河北石家莊,050043)

一、引言

工程教育是高等教育體系中的重要部分。工程教育致力于受教育者的科學素養、工程意識及應用技能的培養,高等工程教育追求的目標是培養高水平的工程師。[1]當今世界工程科技突飛猛進,全球科技創新進入空前密集的活躍期,面臨百年未有之大變局,科技創新成為強大的推動力量,大力加強工程領域人才培養、提高國家競爭實力成為迫在眉睫的發展任務。以新技術、新產業、新業態、新模式為特征的新經濟呼喚工科建設的改革創新,2017年,教育部提出了“新工科”理念:問產業需求建專業,問技術發展改內容,問學校主體推改革,問學生志趣變方法,問內外資源創條件,問國際前沿立標準,以期提高未來工程師的專業技能、職業素質和創新能力。[2]“新工科”建設和發展是我國高等工程教育改革的目標和方向,對我國進一步深化工程教育改革、建設工程教育強國、催生新的產業革命、帶動國家經濟轉型升級有重要意義。

畢業設計作為高等工程教育中的重要環節,擔負著培養學生解決復雜工程問題能力的重要責任,對提高學生綜合實踐能力與素質、培養創新精神等都具有十分重要的作用。[3]與本科教育階段前期集中課堂教學不同,畢業設計需要學生在指導教師的指導下自己動手查閱文獻,運用專業計算軟件進行計算分析,并撰寫論文、設計說明書或使用專業繪圖軟件繪圖等。畢業設計是對大學生四年習得知識的提升和總結,反映了學生對基礎理論和專業知識的理解、掌握與運用的水平,反映了學生的學習能力、調查能力、協作能力、歸納總結能力及創新能力等,是學生綜合素質和高校教育質量水平的重要體現。學生畢業設計的質量不僅可以直觀衡量學校的教學水平,而且是判別該校學生畢業證和學位證含金量的重要根據,可以作為評判高校人才培養目標達成情況的重要參考因素。然而,當前國內部分高校工科畢業設計的質量不太理想,高校工科畢業設計還需要持續地改進和完善。[4]

建筑環境與能源應用工程專業(以下簡稱建環專業)培養從事工業與民用建筑供暖、通風及空氣調節系統的規劃設計、施工安裝、運行管理、研發制造等方面技術工作的高素質應用型人才?；谛鹿た评砟?根據國家新經濟發展形勢需要,很多高校的建環專業針對畢業設計中存在的問題進行了一系列改革,并取得了一些成果。[5]但是,建環專業畢業設計仍然存在一些問題,需要持續改進。本文對相關問題進行梳理和探討,并提出針對性建議,以期為建環專業畢業設計的持續改進提供可操作思路。

二、現存問題

(一)畢業設計內容陳舊

目前,高校工程專業的畢業設計內容往往與專業培養目標偏差較大,結合科研的選題研究內容偏理論化,與企業當前發展實際需求脫鉤,來源于工程實際的題目,設計內容又較為陳舊。當前經濟快速發展,工業與民用建筑結構形式增加,能源需求緊張,新設備、新系統不斷涌現,可再生能源應用更是發展迅猛,行業規范不斷修訂,而高校與企業聯系較少,難以根據專業規范及本行業發展要求及時更新教學內容,無法滿足新工科背景下專業人才訓練與培養的需求。

(二)指導教師工程經驗不足

我國高等工程教育中出現了工程弱化、工科理科化的現象。有研究指出,這主要是因為高校教師職稱評定制度及高?？蒲锌己嗽u價體制導向重論文、重科研、輕工程,存在著考核評定導向傾斜、評定標準單一等問題,且校企合作不到位,使高等工程教育存在一定的功利化傾向。[6]在這樣的大環境下,高校工科教師為了職稱晉升,達到學?？己藰藴?不得不將較多精力投入科研工作,與生產一線聯系甚少,導致工科教師和學生的理科化,阻礙了我國工科高端人才的培養和發展。[6]另外,多數高校工科教師是從學校到學校,缺乏設計院、監理、施工等工程單位的工作經歷和相關工程項目管理經驗,有些教師更是跨專業教學,沒有本專業基礎,更沒有企業中的工程實踐經歷。這些皆不利于我國工科高端人才的培養。

(三)學生工程素養較弱

高校學生在多年的理論學習中,已養成從課堂與教材中獲取知識的習慣,而畢業設計需要查閱大量專業文獻和規范,部分學生懈于篩選或閱讀與自己設計項目相關的資料,習慣于等、靠、要。然而,畢業設計項目是一項復雜的工程任務,需要基于專業軟件的綜合分析和計算完成,這讓很多學生在看到設計任務書時就心生畏懼,感覺無從下手。這主要是因為學生缺乏系統思維和工程實踐能力,在面對復雜工程問題時,不了解實際工程中常用的解決問題的方法,無法聯系工程實踐,缺乏工程思維,對本專業發展的前沿知識也知之甚少,缺少工程素養。

(四)學生對畢業設計不夠重視

畢業設計一般在第八學期,時值學生就業或考研的關鍵時期,學生難以全身心投入畢業設計。加之部分學生學風浮躁,只想應付差事,導致畢業設計質量不佳。在施工圖方面,較普遍的現象是圖紙表達不符合專業制圖標準,缺乏對新規范、新標準的體現,施工圖紙與工程實用要求相差較大。對一些重要的計算,學生不了解計算原理,只是盲目應用設計軟件進行計算,計算結果往往存在偏差,設備選型停留在設計手冊中的樣本,與實際工程應用脫節。

三、改進策略

(一)優化畢業設計內容

畢業設計是高等工程教育實踐教學中的重要環節,是高校實踐教學的最后環節,其內容應滿足本專業培養要求,要與工程實踐結合起來,且有一定的深度、難度和創新性。

石家莊鐵道大學機械工程學院(以下簡稱我院)建環專業在決定設計內容時,會結合學生就業需要及讀研方向,初步將畢業設計題目化為科研類、供暖工程類、空調通風工程類三個大類,并成立對應的三個項目組。其中,科研類題目主要針對讀研的學生,結合本專業的科技前沿方向及學生的需求確定研究內容。供暖和空調通風工程類題目則是結合本專業的工程實際,在與企業導師溝通交流的基礎上,確定設計內容。供暖和空調通風工程類題目引入最新的專業工程設計方案,結合當前專業發展前沿,加入了系統能耗計算、碳排放計算等內容。同時,我院結合科研單位、生產企業的需求,突出軌道交通的專業特色,還會視情況增設地鐵車站通風空調工程設計類題目及機車車輛空調、供暖及通風類設計題目,并結合當前的新能源發展趨勢,增加氫能機車與電力機車能耗計算、碳排放計算,優化系統方案設計。畢業設計完成后會請軌道交通設計院專家把關,確定具體的設計內容。此外,還增加了針對當前設計院普遍使用的設計方案的批判性思考環節,讓學生嘗試尋求替代方案,再進行能耗計算,選擇最優系統。為滿足一些學生在就業單位實習的需求,我院允許學生結合實習內容確定畢業設計內容,使學生既能安心實習鍛煉,又能順利畢業。在整個畢業設計期間,每個項目組都要細化設計的每個環節,逐條征求企業工程師意見,力求設計內容與工程實際應用無縫銜接。

(二)提高指導教師實踐能力

目前,“重科研、輕工程”是我國高等工科院校普遍存在的問題。為讓教師的科研工作“接地氣”,各地科技部門積極鼓勵和倡導高校教師“走出去”,通過校企聯合,研產結合,讓高校教師的科研項目落戶生產企業,使教師切身體驗科研為工程應用服務的重要性。這樣不僅可以實現科研服務于企業,而且可以讓教師在科研工作中豐富自己的工程經驗,讓企業反哺科研,使科研工作與企業生產之間形成閉環。此外,通過總結工程經驗,還能縮短甚至消除本專業校內人才培養與實際工程需求之間的距離。

我院建環專業與設計院、施工單位、供暖空調及通風設備廠家、暖通運行管理公司等企業簽訂合作協議,鼓勵指導教師直接深入工程單位,向企業專家、工程師、工人師傅取經,汲取行業工程一線知識。在校內,指導教師也要通過日常學習,持續跟進更新的專業規范和標準。近年來,建筑及建筑配套行業發展迅速,與建環專業有關的規范、標準更新很快,因此,指導教師需要持續跟進,避免學生的畢業設計中出現滯后于現行規范、標準的內容。當前,節能降耗、碳排放、碳中和理念與建環專業息息相關,因此,與專業相關的新設備、新工藝不斷涌現。指導教師需要時刻關注前沿技術發展。此外,建環系每周三下午固定空出2小時進行集體工程案例學習、交流,定期邀請校外企業專家、工程技術人員開展新技術講座,校企進行深度交流、學習。通過校內教師走出去,企業專家走進來,提高專業教師的工程素養。

(三)培養學生的工程素養

建設新型工業化、創新型國家、鑄就人才強國等一系列重大戰略部署,迫切要求我國由工程教育大國邁向工程教育強國。[5]走中國特色新型工業化道路,迫切需要培養一大批能夠適應和支撐產業發展的工程人才;建設創新型國家,提升我國工程科技隊伍的創新能力,迫切需要培養一大批創新型工程人才;增強綜合國力,應對經濟全球化的挑戰,迫切需要培養一大批具有國際競爭力的工程人才。[7]這些都指向了學生的工程素養的培養。國際技術與工程教育家協會于2020年發布的《技術與工程素養標準:技術和工程在STEM教育中的作用》闡述了技術與工程素養的要素,包括系統思維、創新能力、制造與制作能力、批判思維、樂觀精神、協作與溝通、倫理責任。[8]這要求工程師具備基本的科學、技術、工程和數學能力,過硬的專業技能、工程倫理及實踐動手能力。根據我國當前的產業布局及經濟發展要求,工程人才應具備工程實踐能力、工程創業能力、數字化能力、跨學科能力、工程倫理能力。[7]

我院建環專業基于新工科理念,要求指導教師在畢業設計過程中著重督促、引導學生根據實際情況合理地選擇設計方案,對設計進行先分解、再組合,同項目組學生分別提出自己的設計方案,討論、分析后再在指導教師的引導下確定最優方案。同時,指導教師要指導學生學習現行的行業規范、行業標準,引導學生在設計的每個環節都依據行業規范、行業標準進行,指導學生使用專業計算軟件進行計算,鼓勵學生對計算結果進行分析,學會判斷計算結果,培養學生獨立進行研究的能力。指導教師還要通過嚴肅認真的專業思想教育和科學精神教育,幫助學生充分認識科學研究的嚴謹性,教育學生端正學術態度,培養嚴謹細致的工作作風和勤奮認真的辦事態度。此外,我校建環專業的畢業設計中工程類項目多為供暖系統、中央空調系統、通風系統設計,而供暖、空調系統是建筑中的能耗大戶。因此,指導教師要鼓勵學生在畢業設計融入當前節能降耗新措施、碳排放、碳中和理念,關注工程倫理和社會可持續發展,以此提高學生的工程素養。

(四)高標準要求設計成果

每所學校都對學生畢業設計成果有自己的具體規定。研究型論文應包括文獻綜述、研究對象、研究方法、研究結果、分析與總結、參考文獻等部分。工程設計類應包括設計說明書、設計圖紙兩大部分。設計說明書包括設計條件、設計方案比選、設計計算分析、參考文獻等,繪圖需要用專業軟件,設計圖紙要符合本專業制圖標準。每所學校對論文和設計說明書都有自己的格式要求。

在滿足我校畢業設計基本要求的基礎上,指導教師指導過程要精細化,確保設計成果的規范化和工程化。指導教師要加強管理,強化學生對畢業設計重要性的理解,重視畢業設計的過程,強調不僅憑最后結果確定考核成績。在制定設計方案時,學生要先學習當前設計中的各種設計方案,熟悉每種方案的利弊,再針對自己的設計對象通過比選制定方案;在設計計算中,學生要先學習計算原理,細化每個計算參數的選取,再用軟件計算;在設備選型時,學生要先熟悉當前各種設備的特點,再針對自己的設計對象的特點進行設備選型;在繪制施工圖時,學生要先熟悉專業制圖標準,按照標準繪圖進行樣板圖學習,熟悉繪圖流程、內容、標準,再自己動手。這些環節都要由指導教師和企業導師共同把關,保證設計成果的精細化、規范化和工程化。

四、結語

新一輪科技革命和產業變革,將促進一系列新經濟與新產業的誕生和蓬勃興起。這對建環專業新工科建設來說既是發展機遇,又是嚴峻挑戰。如何通過畢業設計這個重要的實踐教學環節,培養建環專業學生的工程素養以適應新工科建設的需要,是一個需要持續跟進的課題。針對建環畢業設計中畢業設計內容陳舊、指導教師工程經驗不足、學生工程素養培養弱化、設計成果不夠精細、專業規范性不足等問題,我院探索了新工科背景下不斷提高建環專業畢業設計的改進措施,希望能為高等工程院校工程學科建設和專業人才培養提供借鑒,助力我國人才強國建設。