课程设计的改革与实践
朱颖心
北京 清华大学 建筑学院
建筑技术科学系 建筑环境与设备研究所
一．为什么要做综合课程设计？
综合课程设计是我们在培养本专业本科生中的最重要的环节之一，同时也是我们教学改革中最重要的一环。以往我们有4个2～3周的小型课程设计，分别与有关专业课一一对应，包括：空调、制冷、供热、锅炉。由于时间短，内容限制较窄，所以题目都比较小，学生没有发挥的余地，尤其是方案没有可选择性。大家做完了以后都差不多，学生的兴趣也不大，无法避免相互抄袭和应付差事的现象。另外由于方案没有可选择的余地，大家也不需要查手册和规范，任务书中给出的资料就已经很够用了。主要的收获是把课上讲过的设计计算和校核计算方法实践一遍，再了解一下设计说明书的写作流程和施工图的画法。
原来这种课程设计的方法存在着明显的局限，即没有发挥学生主动学习的积极性和创造力，学生在做各个子系统和部件的设计计算时没有问题，但缺乏对暖通空调系统整体的综合概念，缺乏对大方案的宏观把握能力。在做设计时，每一步做什么基本上都是一定的，不需要也不可能有别的选择，基本上按着规定的路子走下去就可以了，不需要知道这是为什么。因此这样培养出来的学生只会做一双“好手”，但不能做“好大脑”。
另外原来的制冷课程设计主要是设计四大件，但我校目前本专业本科生的培养方向是暖通空调系统，对制冷系统的掌握的要求首先是对整机系统在整个空调系统中的运行性能的把握，而不是内部的构件设计。暖通空调系统的全年运行控制方案设计也不是能够把几个部分分开来做的，必须把冷热源和系统合在一起考虑。因此课程设计的改革势在必行。
通过研究所全体骨干教师对我们教学模式改革方案的充分研讨，我们决定将原有各门专业课对应的课程设计学时抽出来，组成综合性的课程设计。其目的是通过课程设计，培养学生宏观把握和综合运用基础知识处理问题的能力。有关细节内容包括设计算法、设计规范与标准的应用等并不在专业课中讲授，而是通过设计过程来使学生充分理解与学会应用。学生通过课程设计达到如下目的：学会如何入手处理一个实际工程问题、如何应用基础知识，如何学习设计方法，了解法律、法规、规范与标准的应用，培养利用口头、文字和工程图准确表述设计意图的能力以及与他人、其他专业协作的能力。
由于综合课程设计的方案变化余地很大，也许学生所做的方案并没有完全包括所有专业课的内容，比如冬季采暖学生用的是水源热泵而不是锅炉，因此他就没有做锅炉房设计，而是做了一套水源处理和换热设备。这里就涉及到一个对教学效果评价的基本观点的问题。以往认为讲一门专业课，做一个课程设计，这门课就过关了。那么学生在课程设计中用热泵代替了锅炉是不是就等于锅炉的教学没有达到教学要求呢？我们认为不是的。因为在这里，课程设计的题目仅仅是一个载体，掌握入手解决问题和学习专业知识的方法才是课程设计最重要的目标。通过做这个设计，他学会了如何入手一个他从来没有干过的工作、如何去使用各种工具书和规范标准、从什么角度出发去考虑方案的优缺点从而确定方案、用什么手段实现自己的设计意图、遇到自己原来不懂的东西如何去学习或求得帮助等。不少同学表示，做过这个设计后，胆子就变大了，自信心也强了，再遇到其它类型没干过的设计项目也敢干了。
我们改革课程设计的做法是采用渐进的形式。1996年开始将空调与制冷课程设计合并，供热与锅炉课程设计合并；1998年将四个小设计完全合并，以一个建筑图已经确定的小型商用建筑为对象做综合课程设计。在这以前都是每个同学单干。1999年以一个建筑图已经确定的在武汉长江边上的一座3～4万平方米的中型商用写字楼为对象做综合课程设计，但由四个学生为一组合作完成。2000年开始在建筑设计教研室的协助下与建筑学四年级本科生的商用建筑课程设计结合，由建筑学学生设计3～4万平方米的三星级宾馆建筑本体，地点有位于青岛某海滨的一块地块和在北京城区的三块地块，由本专业学生与其配合设计暖通空调系统。
二．综合课程设计的基本内容和教学方法
目前，综合课程设计的基本要求内容是为建筑学学生提供的整个建筑设计暖通空调系统、冷热源系统以及全年运行与自动控制方案。全部学分为12学分（全部专业课学分为30学分，占40％）。进度包括4周的方案论证，6周的初步设计和6周的施工图。各阶段均有针对设计进度的课堂教学、现场参观和随堂答疑，基本保证每天至少有半天时间、至少有一位指导教师与学生在一起讲课或答疑。各阶段会安排学生参观一些建筑的系统和冷热源机房。尽管学生都经过认识实习和运行实习，但那时候他们的注意力重点是不同的。即便同是课程设计，在方案阶段、初步设计阶段和施工图阶段，学生在现场观察的重点也是不同的，因此有必要适时给他们提供观察的机会。各阶段末均有答辩，按三次答辩的成绩和期末提交的作业（设计说明书、图纸和软盘）给出总成绩。在评定成绩中对学生设计的创新性有所倾斜，保护和鼓励创新性思维，同时也考虑了建筑学学生的特殊建筑设计可能造成的设备系统设计的难度。根据具体设计内容安排学生学习使用一些设计支持分析软件，如全年负荷分析软件、CFD软件等。
由于作为设计作业题目的宾馆建筑空间形式非常丰富，除标准客房、高级套房、办公室以外，还有各种各样中、西餐厅、咖啡厅、多功能宴会厅、大小厨房、大报告厅（小剧场）、会议室、游泳馆、健身房、桑拿房、歌舞厅、大小商店、画廊、休息厅、电话交换机房、地下车库、员工生活工作区等。建筑学学生设计的建筑形式多变，外形多用玻璃幕墙和曲面形状，室内喜用大的连通空间如大中庭、室内挑台、玻璃顶的光廊等，并可能依斜坡地势造成室内空间的错落，空间形式非常复杂，往往必须通过看立体模型或三维效果图才能看懂。但他们多数考虑建筑热工方面的问题很少，而且复杂的空间给暖通空调系统的设计也带来很大难度，的确很富于挑战性。
方案论证阶段的任务包括：
（1） 与建筑师商讨围护结构热工性能确定、遮阳的设置、被动式节能方法的采用、机房与管井的安排、防火分区的划分、冷却塔的位置等。
（2） 从室内环境质量、节能、环境保护以及技术经济的角度确定暖通空调系统的形式和冷热源形式，从节能、环境友好、居住者健康、投资水平和运行费用等各个方面进行综合平衡。
通过本阶段的工作，学生学会了如何与建筑师配合，熟练掌握负荷计算方法，掌握不同系统和冷热源形式的适用性、经济性，了解其与地方法规是否适应等。比如在该地块是否允许使用燃煤锅炉，是否允许使用地下水用于水源热泵，接入城市热网和独立热源的成本孰高孰低等。本阶段要求写出方案论证报告，并做方案审查答辩。在答辩中教师肯定方案的优点，指出存在的不足，并要求在下一阶段给予调整。
初步设计阶段主要是在已经修改确定的方案基础上再进行深入设计，确定系统的细节，学会获得、使用各种设计手册和产品样本，并写出设计说明书。本阶段要求初步设计审查答辩，考查学生是否掌握了初步设计的步骤与方法，以及初步设计方案和内容是否正确。
施工图阶段要求学生每人出4～5张不同类型的施工图，需要包括几个基本方面：风系统平（剖）面图、机房布置图（空调机房或冷热源机房）、水系统图、控制系统原理图，还需要有组员负责施工图首页。要求四名组员的图纸合在一起基本能够反映整个建筑主要部分的设计情况。施工图阶段后的审查答辩是对整个设计内容的全面审查，需要考查学生的施工图反映的内容与其在设计说明书中表示的设计意图是否一致，有无矛盾。
每一阶段都有部分讲课。方案阶段的讲课内容主要包括一般设计院设计工作的基本过程，各专业协调内容和需要考虑的问题、冷热负荷具体的计算方法、方案论证需要考虑的方面、初投资和全年运行费的估算方法等。然后教师协助每个小组与建筑师接触、协商、确定方案。由于建筑学的学生对建筑热工考虑很少，所以在此阶段，我们的学生不得不帮助他们考虑围护结构的热工性能，或采用遮阳和玻璃温室的热压自然通风方案等来减少空调负荷，但必须有教师的协助。在本阶段，各个功能空间的室内设计参数标准均需要学生自己来确定，某些室内产热量也需要学生自己来确定。由于宾馆建筑中很多公共空间、娱乐空间在现行工具书中缺乏设计标准，照明、设备发热量、宾馆蒸汽用量等缺乏设计标准，需要学生引用其它资料进行论证，方法包括参考现有类似建筑的设计标准、利用人体热舒适理论自己确定、参考近几年来本科生暑期运行实习的调研结果等等。
初步设计阶段主要根据学生的进度给学生简要介绍管道计算、设备选择的设计和校核计算、气流组织的设计计算、消声设计计算等。各种设计计算方法在专业课中都不讲，因为学生计算能力都很强，用的时候看书跟着做并不难，讲了不用学生也记不住。在这里也只是讲原理和如何使用工具书，学生自己通过实践很容易就能够掌握。在使用工具书和产品样本时，某些产品，比如开利公司的表冷器所要求的特定设计计算方法就与教科书上给的不一致，所以学生牢固掌握基本原理和设计思路并能够灵活应用各种工具书才是最重要的。本阶段还要求学生做出全年运行的控制规则，包括在什么外部条件下各设备部件的运行方式、冷热源切换时间与方法等，要求用文字和原理图说明用何种传感器测量何部位的何种参数，如何依据这些测量参数来通过何种执行器控制何种设备等。目的是要求学生学会如何与自控专业人员配合，提出较完整的控制工艺要求，而且让学生学会考虑如何实现其全年运行意图。
在施工图阶段，我们挂出了设计院做的比较好的成套图纸给学生作参考。在最开始，利用一个单元的时间介绍AUTOCAD的使用规则，然后就由学生自己练习使用。此阶段，学生返工的情况最多，甚至可能导致更换设备、改变初步设计甚至调换机房、管井的位置，这是由于在初步设计阶段学生缺乏对建筑空间和设备、管道尺寸的概念导致绘图的时候才发现设备摆不下、管道走不开所致。但做过设计的学生反映，这种返工是很必要的，而且对学生建立工程概念的帮助很大，这比老师早早发现让学生改过来的效果更好，学生理解得更深。
课程设计的考核方式是每阶段的口头答辩、提交的书面材料以及平时的表现相结合，各阶段给出阶段成绩，期末给出总成绩。口头答辩要求学生用POWERPOINT做出演讲投影文件，严格控制时间。口头表达能力的好坏也在成绩中占有一定份额。提交的书面材料包括打印好的说明书、每人一张绘图仪出的图纸，以及以电子文档形式提交的其它图纸和计算用的EXCEL文件。
为保证课程设计的进行，研究所购置了30台计算机，开辟了本科生CAD教室，保证每个学生有一台计算机使用。另外还与清华同方人工环境工程公司协约为每个学生用绘图仪出一张1＃图纸的施工图，目的是让学生看到自己画出来的施工图到底是什么样子，避免仅在屏幕上看彩色线条造成的错觉。
目前综合课程设计的指导教师队伍有4～5人，均为本研究所的主力骨干教师。另外每年均有两名助教博士生、一名清华大学建筑设计院的暖通工程师参与指导、答疑。课程设计的主要参考书除专业课教科书外，还包括 中国建筑工业出版社的《空气调节设计手册》、《现代建筑空调技术丛书》，各种规范、标准、设计手册，以及由历届学生做课程设计时搜集来的产品样本。
三．效果
课程设计的培养目标是使学生通过设计过程进一步消化各专业课知识，主动学习如何入手处理较复杂的工程问题，学习工程设计方法与过程，了解标准、规范、法律、法规的运用，学习建筑与设备系统图的识图、制图，同时训练三个能力：(1) 组织与合作能力，包括与其它专业合作的能力和与同组人员合作的能力，设计组长的组织能力（2）应用基础知识处理非常规问题的能力，包括应用调查和产品调查、对策的可行性论证等（3）表达能力，包括文字表达、口头表达和绘图表达能力。学有余力的学生还可以在课程设计中学会使用DeST软件进行全年负荷和运行方案分析，以及使用STACH-3或PHOENICS等CFD软件设计特殊空间的气流组织。
学生在课程设计中表现都很活跃，部分成绩在班级里排名靠后的同学态度也十分积极，甚至自告奋勇担任设计组长。由于题目发挥的余地很大，即便是相同的建筑也不可能做出一样的方案，因此不同组间不可能抄袭。同组内由于各人有分工，所以也不可能出现抄袭。题目越富于挑战性，越能刺激学生的积极性，即建筑学学生设计得越复杂，我们学生的态度就越积极，而且每个组都在较劲要做得和别人不一样，要不同凡响。
同学们在课程设计中表现出了主动学习的精神，发挥了无穷的创造力。比如有一个组想用长江水来做水源热泵的水源，但有担心水处理投药会造成长江污染，为此他们找到环境系的老师请教，做出了合理的水处理方案。某组由于建筑学学生设计的建筑形式的限制，红线内留不出地下机房的泄爆空间，因此无法采用燃气或燃油锅炉，但宾馆又需要大量的热水和蒸汽。该组同学做了大量产品调查，找到了可产生蒸汽的蓄热式电锅炉，论证了在利用夜间低价电的情况下可以保证全年运行费低且有充足的热水和蒸汽供应。某组同学为了给在北京地块的宾馆做深井水源热泵，调查了该地块的地质水文条件和地下水使用政策来做可行性论证。一些打算使用地板采暖的同学不仅走访了厂家，还走访了多个示范工程；有的同学为宾馆的小剧场设计了座椅送风口；每年都有同学采用变风量系统或冰蓄冷系统并向有关研究生请教模拟分析的设计方法。关于车库和厨房的通风，不少同学结合了整个系统和相关空间的空调设计做了统一考虑。例如：为厨房和洗衣房设计了岗位送风，车库通风和整个建筑气流网络走向统一考虑，游泳池和厨房的冬季排风考虑了热回收，餐厅、厨房相连的空间考虑了合理有效的气流走向等等。尽管任务书不要求设计给排水系统，但不少同学在考虑冷热源时统一考虑了采暖、生活热水和蒸汽的热源，还有同学考虑了冷冻机排热回收加热生活热水。由于不少建筑空间形式复杂，不少人学习使用PHEONICS等CFD软件来设计气流组织，并向有关研究生请教如何计算高大玻璃中庭的负荷计算法、敞开大空间如何分区等。很多同学在气流组织设计方面考虑得很周到，比如冬季游泳池如何送热风才能使玻璃壁面和天花板不结露，如何只保证大中庭的人员活动区满足标准以减少能耗，如何使中庭上部空间的热空气不影响上部挑台式敞开空间的热环境等。这些都不需要教师的提示，而是同学们参考了其它专业参考书和《暖通空调》杂志受启发而考虑到的。还有不少同学学会利用DeST模拟建筑物的全年负荷来确定全年的运行模式。
同学们在做课程设计之初，任务对于他们来说是非常陌生又困难的，但通过整个环节，他们得到了很好的锻炼，主要的收获并不是学会了多少具体的设计计算方法，而是学会了如何入手做事。在和毕业班的座谈中，同学们多认为在学校的学习环节中，印象最深刻的一是运行实习，二是运行实习后的课程设计，这两个环节对学生向工程师身份的转化起了很大的作用。在这里，教师的作用是给同学们引导方向，借助课程设计的载体帮他们把以前学过的知识有机地串起来，只有他们遇到自己解决不了的问题时才协助他们解决，充分体现了“授之予渔”而不是“授之予鱼”。只要给大家充分发挥作用的余地，同学们的潜力往往超出教师的意料。
四．需要注意的问题
尽管在教学计划中，课程设计只有12学分，但实际上工作量是很大的。学生除了上其它8～10学分的课，剩余的课外时间都放到了课程设计上了。开头往往有学生认为一个学期那么长，不用着急，但到每次考核前都要连续熬夜。教师的工作量也很大，每天都要有人陪着学生。尽管只有一个班，我们却需要投入4～5位教师，按教学工作量每人只摊到2～3学分。三次考核每次至少一天。因为每个组至少要考核一小时，因此午餐时教师只能在教室一边吃盒饭，一边听学生讲。在辅导学生时，学生遇到的问题往往是实际工程中也很难处理的问题，或者说是现在设计院没有解决好的问题，所以对教师的实际工程能力是很严峻的考验。如果目前的技术水平解决不了，就应该明确告诉学生，而不能对付过去，因为要让学生知道目前解决不了的问题正是今后我们专业要研究的方向。因此新教师入校后均需要过实际工程能力锻炼这一关，否则他既不能指导课程设计，也不能指导运行实习。为了节省人力，我们每天只有一位教师负责陪学生，但学生问的问题却是全方位的，冷的、热的、控制方面的问题都有，所以指导教师的知识面必须宽。只熟悉自己研究方向有关的内容，不熟悉其它方向内容是不行的，因此我们鼓励每位教师去接触自己以前不熟悉的方向。
由于学生分组是自愿的，很可能出现某组整体偏强，某组整体偏弱的情况。学生各人的特长不同，本来就有人组织能力强，喜欢出主意；有人喜欢做具体事，不太愿意想得太多；有人依赖性很强，总指望别人负更多的责任；还有人忙于考“托”考“G”，课程设计投入很少。由于组长是自告奋勇的，所以每个组都会有灵魂人物，但可能出现过多喜欢出主意的人在同一组，导致意见不合；也可能除组长很强外，其它三位都很弱，导致整体设计水平不高，组长也得不上高分。为了既要锻炼他们自身的协调能力，又能够让每个人都能充分发挥特长，必要时教师应协助稍加调整。为了避免能力比较弱的学生依赖性太强，考核时是要个别答辩的，设计说明书的各章节要注明执笔者，保证文责自负，避免混水摸鱼，这样才能考核出真实水平。实际上教师在辅导答疑时已经很清楚设计方案主要是谁的想法，谁仅仅是做具体工作，谁做的工作很少。成绩是导向的工具，因此不同阶段考核得“优”的同学我们予以公开表扬，得“差”的同学要进行私下警告。期末成绩则根据各阶段的成绩综合给出。
在综合课程设计的建设和改革中，我们不断地进行了探索和改进，取得了一定的成绩。但今后还有很多问题需要解决。比如我们计划除保持原有的12学分的大课程设计外，另外再开设一些小学分的课程设计（2～6学分），如小型建筑HVAC、智能建筑设计、给排水设计、城市热网设计、建筑电气设计等，学生可以任选满12学分，这样可以为培养不同方向的人才打下基础。例如要向建筑自动化方向发展的同学可选择智能建筑设计、建筑电气设计和小型HVAC设计。有余力的同学可以在12学分的大综合课程设计外，加选建筑给排水设计或建筑电气设计。但是这样对师资的要求更高，而且需要和其它院系合作。我们将努力以达到这一理想目标。