1. 引言
实验教学是工科院校教学活动的重要组成部分，不仅能使学生掌握实验的基本技能，提高实际操作能力，而且能加强理论与实践的联系，培养学生实践能力、研究能力、创新能力及科学态度 [1] [2]。因此各高校对实验教学环节所占比例都有下限规定。建筑环境与能源应用工程专业作为典型的工科专业，传统的实验教学存在与理论教学衔接不紧密、实验课程重视不足等问题。
成果导向教学(Outcome Based Education，简称OBE)是1981年由Spay等人提出的，很快得到了广泛重视和认可。它基于反向设计，由需求决定培养过程，很大程度上保证了教育目标和结果的一致性 [3]。建环专业以培养应用研究和应用实践型人才为培养目的，实验教学也应根据该目标做相应的改革。因此，以提高学生工程应用能力为目的，以知识体系为载体，改革教学内容、方法和手段，形成了基于OBE理念的智慧实验教学新模式，即利用现代技术手段、虚拟现实技术，将实验设计、实验过程、操作过程采用虚实结合的方式，在“能实不虚、虚实结合”的原则下实施实验教学。
2. 实验教学现状分析
通过对传统的演示性、验证性实验教学为主的实验教学实践观察分析，存在以下问题：
1) 学时与学生需求不匹配。单次实验课时和总课时都受到了课程安排、培养方案的约束，通常2课时/实验。但实际运行过程中，学生的理解能力、操作能力不同，实验仪器的台套数不同，导致2课时通常不足以完成实验，造成实验课效果难以达到预期。
2) 参与度不足。受到场地、实验仪器台套数的限制，实验教学总是以分组的形式出现，学生的参与度差异较大。由于实验准备、动手能力、重视程度的问题，总有一部分同学在实验中茫无头绪，或者凑在小组内浑水摸鱼，或机器人一般完成组内其他成员的指令，缺少动手、动脑的积极参与，实验过程形同“走过场”。
3) 动手能力不强。学生的实践经验偏少，动手实践的能力偏弱，即使对于实验的理论知识有一定的掌握，缺乏独立思考能力和主观能动性，对整个实验缺乏系统性的认识，在实验过程中还是对各部件的功能、调节方法、可能出现的结果缺少清晰的判断，只是机械按照实验步骤操作，对于实验中出现的异常情况，不能独立处理，缺乏分析问题、解决问题的能力。
4) 实验过程缺乏创造性。实验内容以传统的验证性、演示性实验为主，无法调动学生的积极性，也更加造成实验过程参与度低、效果不明显。学生机械的照搬实验指导书的步骤完成实验，缺乏对实验设计的理解，也无法调动学生的创造性。
5) 实验后分析不足。实验分析在课后完成，机械的照着实验指导书的公式计算结果，对结果应呈现的规律、误差及原因缺少深度的分析和思考，也导致实验对理论知识的补充、强化、验证效果达成度低。
3. 实验教学改革探索
实验教学是理论教学的有力补充，承担了相应的能力培养责任，因此应根据相应的能力培养要求，制定实验教学过程，充分发挥学生的积极主动性，达到理论知识的升华、实践能力的提升、创造力的提高。
3.1. OBE理念引导学生自主设计实验
好奇心是吸引学生投入精力、发挥想象力的重要推动力，因此，实验教学模式应进行相应的改革，从传统的以实验指导书指导、学生照做完成实验步骤的模式中解脱出来，让学生明确实验目标、设计实验过程、完善实验步骤、分析实验结果。以工程热力学实验气体比热容比的测定为例，说明实验设计过程。
首先，明确目标。从理论入手，什么是气体的比热容比？教学过程已经学过，学生已有基本的理解。这个问题的解答过程同时也是学生理论知识的强化过程。
第二，确定实验理念。要完成比热容比的测定实验，需要该过程中涉及到比热容比，调动学生积极思考，哪些过程与比热容比有关。根据学生的理论知识，可以联想到理想气体的可逆绝热变化过程。
第三，确定实验过程。在明确用气体的可逆绝热过程参数进行比热容比测定的基础上，学生自然联想到可逆绝热过程的构建，及初终状态参数的测定。这个过程中，不仅涉及到过程如何实现，还涉及到参数测定的可能性和精确性。
第四，完成实验。利用实验室已有的实验装置元件，搭建实验装置，根据实验过程设计实验步骤，并与实验指导书的给定步骤进行对照，修订、完善实验过程，并完成实验。
第五，数据分析。利用获取的实验数据，根据实验原理进行结果和误差分析，既强化了理论知识，也锻炼学生在实践中获取数据、分析实验结果的能力。
第六，实验过程分析。通过对实验过程的复盘，确定本实验的关键步骤、关键环节，理解本实验设计的优缺点，提升对本环节知识的应用研究和应用实践能力。
在整个实验过程中，传统的使用方法是灌输方式，讲给学生本实验的逻辑是什么，而基于OBE的实验教学是，首先，明确学习的目标——理解并测定空气的比热容比；其次，实施过程中，实验原理与步骤引导学生自主设计，实验的操作过程通过3.2节所述智慧实验手段完成实验过程的讲解，供学生发现自主设计的不足，并找出改进之处，增强对知识的理解，提升实验设计能力；实验完成中，通过智慧实验教学方式，可保证实验随时、可重复；实验结束后，对实验过程和结果的分析、数据的处理等，集中反映学生学习的成效，作为本次实验的评价依据。实验过程的知识目标和能力目标明确，学习过程给学生充分的自主性和创造性，由智慧实验弥补学生实验设计中可能存在的疏漏，并通过对目标的达成评定本次实验的成绩，形成OBE理念下的实验教学实践，学生不再是被动的照章操作，而是实验的主体，积极性和参与度会大大提高。
3.2. 智慧手段辅助实验开放
学生设计实验的过程，主要以思路为主，在实验课程开始之前开展，以思路报告的形式体现学生思考的成果。实验过程是验证思路、完成操作、获取数据的过程。这个过程主要依据实验指导书完成。通过智慧实验的方式，将重复、共性的工作一次性由视频完成，教师负责现场个别辅导、答疑。视频可以重复播放，降低了教师的工作量，提高了对学生实验情况的掌握度和指导程度。视频播放方式为开放性选修实验、任意时段重复实验提供了可能性。
3.3. 以虚拟仿真实验辅助构建知识网络体系
传统实验以知识点的验证、演示、研究为主，系统相对简单，与工程实践的联系偏少。而实践中存在系统性、整体性的问题，如中央空调系统的调试与故障诊断，这不是某一个设备或过程的问题，而是空气处理系统、冷媒输配系统、冷热源系统等共同组成的复杂系统，其工程问题的解决需要知识协同分析。因其占地面积大、系统复杂，在实验室难以搭建实体实验系统；即使搭建一套，也很难复现实践中可能出现的各种问题。因此，虚拟仿真实验对此类隐蔽性、复杂性、难以实现的工程问题的验证、演示、模拟提供了可能性 [3]。依托该类系统构建的虚拟仿真实验系统，将暖通空调系统的设计流程、系统构成、运行规律、操作规律、故障诊断与排除、系统运行能效分析等过程充分展示出来，使学生理解了暖通空调系统构成，掌握了系统运行规律，提升了运行管理能力，将建筑冷热源、暖通空调、系统运行管理的知识有机的嵌入系统整体，实现了知识网络的构建 [4] [5]。
4. 实验教学改革成效
实践教学改革经过几年的实施、摸索，大大提升了实验的开放性和教学效率，提高了学生学习的自主性和创新性，将各门课程中的知识点嵌套入实验系统，构建知识体系，提高了学生对暖通空调系统的理解和认识。
实验设计、实施、评价过程中遵循OBE理念，以学生的收获评价实验教学过程，更真实的反应了学生知识和能力的水平，对其他实验实践教学环节具有示范意义。
5. 总结
实验教学是应用型人才培养中重要的一环，其目的是学生掌握知识、提高应用实践能力和分析解决问题的能力，是从教科书走入工程实践的重要步骤。通过信息技术，智慧实验、虚拟仿真实验等，实现实验教学思路和过程的改革，适应新形势下人才培养要求，是提高人才培养质量的重要步骤。
致谢
本文感谢宁波市教育科学规划课题NO. 2020YGH023和教育部产学协同育人项目NO. 201902210014的资助。