本科三年级建筑环境与能源应用工程专业《热力站系统节能技术与工程实践》项目化教学设计

本科三年级建筑环境与能源应用工程专业《热力站系统节能技术与工程实践》项目化教学设计

一、课程基本信息与学习目标的重构定位

本教学设计面向大学本科三年级建筑环境与能源应用工程专业学生，依托专业核心课程群中的《供热工程》与《流体输配管网》，在学完管网水力计算与水泵基本原理之后，进入“系统集成与节能运行”模块时实施。课程定位于从传统知识讲授转向“真实问题驱动、工程思维淬炼、跨学科视野统摄”的高阶项目化学习。依据“两性一度”的金课标准，本单元颠覆以往单一讲授平衡阀选型或变频调速原理的碎片化模式，以“热力站全要素能效提升”为系统载体，将流体力学、热力学、自动控制原理、环境经济学进行有机统整。学习目标采用SOLO分类理论与工程教育专业认证毕业要求指标点进行双向映射，使学生在完成本单元后，不仅能够解释“水泵相似律”或“水力失调度”等孤立知识点，更能够针对具体热力站运行数据，诊断系统能耗症结，提出包含水力平衡、变频调节、余热回收、智慧调控在内的集成化节能改造方案，并在方案中体现对“双碳”国家战略的深刻理解。课程思政锚点设定为“新质生产力与民生温度”，通过对老旧小区冷热不均痛点、供热能耗计量机制、跨季节储热技术前沿等议题的深度嵌入，培育学生的工程伦理意识与科技报国情怀。

二、核心概念图谱与学习进阶层级设计

依据学习进阶理论，本教学单元打破教材章节界限，重构知识逻辑。将“热力站节能”这一复杂工程问题解构为四个相互关联又逐层深化的进阶层级。第一层级为“元件级认知”：聚焦热力站核心设备，包括板式换热器的换热效率影响因素、静态平衡阀的流量特性曲线、变频水泵的全工况性能曲线。此层级强调“参数敏感性分析”，引导学生透过设备铭牌参数，洞察内部物理场的作用机制。第二层级为“系统级关联”：将孤立的设备连接成管网系统，重点揭示“阻力数-流量-功率”三元耦合关系。在此层级中，学生需深刻理解单一用户阀门调节如何引发全网水力工况重新分布，理解水泵变频不是孤立调速，而是与管网特性曲线的动态匹配。第三层级为“跨域级统摄”：引入热力站作为能量枢纽的概念，将“水力学”与“热力学”贯通。学生在此阶段需计算供热系统的热力学完善度，分析㶲损失在水力失调与换热不可逆过程中的分布规律，初步建立“高品质热能梯级利用”的系统思维。第四层级为“智慧级决策”：面向未来供热发展趋势，引入数字孪生、负荷预测、基于实时响应的平衡调节算法。此层级要求学生超越公式计算，在不确定性条件下做出优化决策，例如在保证最小水力失调度的前提下，寻求水泵能耗与热用户舒适度的帕累托最优边界。

三、教学实施过程：基于“虚拟-实体-决策”三阶互嵌的六环节深度探究

本教学单元总学时设定为4学时，分为两次课完成，采用课前翻转、课中深潜、课后延展的连续学习流。教学实施过程严格遵循“认知冲突创设→概念框架建构→协作问题求解→反思迁移应用”的探究循环。

（一）课前启动：真实世界困境的认知植入

课前一周通过学习通发布预热任务包，核心材料为西安某热力公司2024-2025供暖季的真实运行日报脱敏数据，以及一段由校企合作项目现场拍摄的3分钟纪实短片。短片中呈现典型老旧小区二次管网现状：近端用户室内温度高达26摄氏度需开窗散热，远端末端用户室内温度仅为14摄氏度并投诉至政务热线；与此同时，热力站循环水泵以工频50赫兹满负荷运转，单位供暖面积耗电量远超北方地区平均水平。学生在观看视频后，需完成两项前测任务：第一，基于伯努利方程与并联管路阻力特性，定性解释“近热远冷”现象产生的流体力学机理，以思维导图形式提交；第二，计算该热力站水泵当日的运行电费，并假设电价上浮情景进行成本估算。此环节旨在激活大二学年已学的流体力学知识，同时暴露学生仅会用公式却无法诊断系统级问题的思维断层。教师通过分析前测作业，精准定位学生关于“阀门的双重属性”认知误区——多数学生仅将阀门视为调节附件，未能理解阀门开度改变本质上是改变局部阻力系数，进而重塑整个管网的阻力谱分布。

（二）课中第一学时：思维可视化与核心概念的同化顺应

第一学时聚焦于“水力平衡的物理本质与技术实现路径”。课堂不设PPT逐页播放，代之以教师手绘系统图与交互式虚拟仿真实验穿插进行的生成性教学。首先，教师以前测作业中暴露的典型错误为认知冲突引爆点，在黑板上绘制包含一个热力站、三条建筑支路的简化二次网拓扑图，邀请学生上台标注各节点的压力分布趋势。当学生发现仅凭感性经验无法准确绘制水压图时，认知需求被强烈唤醒。随即引入天津大学国家级一流虚拟仿真实验课程资源中的“供热二次管网水力平衡调节”模块，但并非让学生自由漫游，而是采用“结构化的探究脚手架”策略-1。教师设置两组对照实验场景：场景一为所有建筑入口静态平衡阀保持出厂状态即全开，仅靠调节水泵频率控制总流量；场景二为利用静态平衡阀对各支路进行初调节，使各支路资用压头与设计流量相匹配。学生以两人为一组，操作虚拟设备，实时观测阀门开度、压差值、瞬时流量、水泵功率四个参数的联动变化。虚拟实验系统内置的快速水力仿真算法能够在学生调节阀门的瞬间，实时渲染出整网水力失调度分布云图和水压图折线变化，使抽象的“阻力数-流量比”定量关系转化为可感知的视觉反馈-1。在此过程中，教师巡回介入，关键处进行追问：为什么改变远端支路阀门对近端用户流量影响甚微？为什么水泵变频后功率下降的幅度往往达不到理论计算的转数比三次方？通过实验数据与理论公式的对峙，学生自主建构起“水力稳定性”与“水泵工作点漂移”这两个传统课堂难以讲透的核心概念。

（三）课中第二学时：从物理模型走向工程实体的映射

第二学时实现认知跃迁，从纯流体力学的平衡调节进入“热力-水力-能耗”耦合分析。此阶段采用案例驱动与实物教具拆解相结合的策略。教师引入经过脱敏处理的真实热力站工艺流程图与DCS系统历史运行曲线，呈现一个典型的悖论现象：某热力站在实施二级管网水力平衡调节后，各单元入口流量与设计流量的偏差由正负35%缩小至正负8%，但热力站总瞬时供热量并未显著下降，甚至部分时段有所上升。学生以项目咨询顾问身份组成六家“工程技术公司”，进行小组协作诊断。各小组需调用热力学第一定律，对热力站进行能量平衡建模，将供回水温度、室外温度、流量数据进行联立分析。此时，教师适时引入“换热器效能-热容量流比”理论，引导学生发现单纯调平流量而不控制供水温度设定值，可能导致换热器过度换热的隐性浪费。各组使用Excel搭建简易的换热器计算模型，模拟不同流量分配方案下二次网供水温度、回水温度与总换热量的变化趋势。为强化工程现场感，课堂设置“设备解剖”微环节，教师从实验室借用废弃的DN65口径静态平衡阀与小型不锈钢板式换热器，分小组传阅观察。学生通过旋拧阀杆感受不同开度下的机械手感，观察阀芯结构，并对照厂家样本曲线读取某一开度对应的Kv值；同时拆解板式换热器压紧螺栓，观察波纹板片的流道设计，讨论板间流速对污垢热阻与传热系数的双向影响。这种实体触觉体验与虚拟仿真形成互补，有效消解了学生对隐蔽工程设备的神秘感。

（四）课中第三学时：跨学科视野下的节能潜力挖掘

第三学时将边界从热力站自身扩展至源-网-荷-储协同视角，植入显著的跨学科融合基因。教师抛出真实工程瓶颈：某大型公共建筑群热力站，供暖季白天与夜间负荷差异巨大，当前采用定流量质调节运行模式，导致夜间“大流量小温差”现象严重，输配能耗居高不下。学生不仅需要从流体输配管网专业视角提出分时变频策略，更需引入自动控制原理中的PID参数整定概念。各小组利用MATLABSimulink搭建简化的室温-流量-室外温度反馈控制回路，模拟不同控制算法下供水温度设定值的响应曲线与超调量。此时，跨学科联结被进一步强化：能源经济学视角被正式引入课堂。教师提供当地电力市场峰谷分时电价曲线与碳排放因子动态变化数据，要求学生对自己提出的变频运行方案进行全生命周期成本分析。学生需计算水泵变频装置的投资回收期，并在“设备寿命周期内总成本最低”与“瞬时碳排放最小”两个目标之间进行权衡决策。更有小组自主提出将夜间谷电时段用于蓄热，探讨蓄热水罐容积与板换选型的匹配关系。这一环节的教学意图在于让学生清醒认识到，技术上的“可行”不等于工程上的“最优”，工程师的决策永远是资源约束条件下的多目标优化。

（五）课中第四学时：系统思维统摄下的集成方案生成与迭代优化

第四学时进入成果集成与高阶思维外显化阶段。各“工程技术公司”需提交针对同一初始工况的综合节能改造方案。为增加任务挑战性，教师临场追加限制条件：假设热力站位于历史文化街区，土建改造空间受限，无法增容电力线路或增设大型蓄热水罐。学生必须在前三学时形成的初步方案基础上进行“减法”与“精调”。此时，课堂形态转变为类似工程设计院图纸会审的模式。每个小组将方案用投影仪投射至大屏幕，从水力平衡方案、水泵选型与变频策略、控制逻辑、节能效益评估四个维度进行五分钟路演。其他小组成员扮演业主方、审图中心专家、运行维护班长等多元角色，从可施工性、操作便捷性、故障容错率等非技术指标进行质询。在此过程中，学生被迫跳出“参数最优”的技术乌托邦，思考如何以最简设备改动、最少的阀门执行器数量实现接近于理想调节效果的工程妥协方案。教师在这一环节的主导作用是“认知支架的撤除”与“元认知提示”，例如提问：你的方案在极端寒潮工况下是否依然具备鲁棒性？你的节能率计算是基于设计工况还是部分负荷工况的平均加权？经过一轮质询与方案修订，各组方案从最初的“追求极致”收敛为“工程满意”，学生在认知冲突中深刻体悟到理论与实践、理想模型与真实系统的辩证关系。

（六）课后延展：大任务拆解与持续性学习评价

课后学习任务不再设置传统的章节习题，而是发布为期三周的综合性大作业。学生需以三人小组为单位，对校园内某实际热力站或文献中某典型热力站进行节能审计与再设计。任务书仅提供该热力站的基础设计图纸、近一个月的运行日志及设备铭牌参数，所有流量缺失数据、围护结构热工参数需学生自行通过合理假定或查阅国家标准图集进行反算。任务明确要求输出三份成果：第一，基于水压图分析的水力工况诊断报告，必须包含现状水力失调度计算与最不利环路识别；第二，至少提出两种不同技术路径的改造方案，并对二者进行技术经济比较；第三，一份面向供热公司管理层汇报的PPT，要求将专业术语转化为决策者可理解的商业语言，并体现对国家“深入推进公共机构节能”政策的响应。评价标准采用量规形式，分别从流体力学原理应用深度、多方案比选逻辑严密性、工程制图规范性、非技术因素考量成熟度四个维度进行等级评定。该大作业与后续课程《建筑自动化》形成内容衔接，学有余力的学生可进一步将自控策略细化，作为大学生节能减排竞赛的培育项目。

四、跨学科视野的深层渗透与思政元素的有机嵌合

本教学设计坚决避免贴标签式的跨学科拼盘，而是以能量为核心大概念，实现物理、化学、数学、信息科学的自然内嵌。在物理学科层面，课程不断回扣伯努利方程、牛顿内摩擦定律、热力学第二定律，但并非简单重复公式，而是聚焦于定律在管网系统中的约束条件与适用范围。例如分析水泵汽蚀现象时，引导学生从流体压强与温度的物性关系出发，理解必须同时保证压力高于汽化压力这一物理前提。在化学学科层面，引入换热设备结垢机理，通过碳酸钙沉淀的溶度积常数与温度负相关特性，解释为什么过量提高供水温度会加剧板片结垢速率，进而逐年劣化换热效能-4。在数学工具层面，课程不回避复杂计算，而是指导学生运用数值积分方法处理非整定工况下的水泵能耗累计值，运用多元线性回归从运行数据中辨识管网阻力特征系数。信息科学维度的融入则通过智慧供热场景实现：学生需理解基于物联网的室温采集器数据如何在边缘计算网关中被清洗、压缩，并作为前馈信号参与供水温度的重设-5。

课程思政以“润物细无声”的方式贯穿始终。在介绍水力平衡时，教师援引某老旧小区由于二次网失衡导致顶层住户长期放水、底层住户依然寒冷的社会新闻，引导学生反思技术缺失背后的民生之痛，建立“供热公平是民生保障底线”的价值认同。在讲解水泵变频节能的巨大潜力时，同步呈现我国特高压输电与大规模可再生能源并网的国家成就，启发学生理解电力驱动的供热设备是新型电力系统需求侧响应的关键柔性资源，将水泵变频与“西电东送”进行跨尺度关联。课程尾声，教师展示西安城投热力集团与高校合作的跨季节储热工程案例，将工业余热、夏季太阳能通过大型储热体跨季挪用的技术路线，诠释为新质生产力在民生领域的典型应用-3。这种从技术细节跃升到文明形态的认知升华，使学生在掌握硬核专业知识的同时，建立起面向未来的专业使命感。

五、学业评价体系：全过程、多模态、高阶能力导向

本教学设计的评价体系彻底摒弃期末一张卷定终身的模式，构建形成性评价与终结性评价的黄金比例。单元总成绩由三部分构成：课前前测思维可视化作业占比百分之十，重点关注学生调用先验知识分析工程问题的逻辑建模能力，而非答案正确性；课中虚拟仿真操作与小组方案路演占比百分之四十，由教师评价、组间互评、虚拟实验系统自动采集的操作轨迹数据共同合成，系统记录学生调节阀门的尝试次数、参数设置的极端值探索行为、在面对负反馈时的调试策略，这些过程数据比最终平衡结果更能反映探究品质；课后大作业占比百分之五十，采用企业项目评审常用的答辩形式，邀请已毕业参与供热设计工作的校友以行业专家身份参与线上点评。评价量规的一级指标包括问题界定准确性、学科原理应用适切性、方案创新性、约束条件考量周全性、沟通表达有效性五个方面。特别设立“跨学科联结洞察奖”与“工程伦理意识突出奖”，激励学生在规范性报告中突破常规思维框架。所有评价结果最终以个人成绩单与小组改进建议报告单的双重形式反馈，不仅评定等级，更明确指出学生目前在系统建模能力、临界思维或经济性分析方面所处的SOLO层级，并提供指向下一层级的自主学习资源建议。

六、教学资源支撑与环境保障

本教学单元的实施对教学资源提出了较高要求，但绝非盲目堆砌高科技设备。核心资源依托国家级虚拟仿真实验教学一流课程共享平台，选取其中与热力站水力平衡直接关联的核心实验模块，并通过API接口获取学生操作日志用于教学研究-1。实体资源方面，本教研室自行研制了可移动式透明有机玻璃管网教具，包含三支路并联系统，配备小型离心泵、针型阀与转子流量计，虽未达到工业级压力等级，但完全满足阻力特性定性演示需求