建筑能源系統(tǒng)自動化課程知識重構與教學實踐★

劉麗瑩 居發(fā)禮 余曉平 董秀坤

(重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331)

0 引言

我國已經(jīng)正式加入工程教育本科專業(yè)認證國際互認協(xié)議“華盛頓協(xié)議”，“華盛頓協(xié)議”以培養(yǎng)專業(yè)工程師為目標，畢業(yè)要求能夠應對復雜性、全局性的問題，在不具備成熟工具的條件下創(chuàng)新性地運用基礎知識和基本理論，在綜合考慮多因素的場景下通過分析、研究、評估、設計、實施等活動帶領多學科背景團隊高校完成工程目標[1]。為達到此目標，課程教學中應注意培養(yǎng)學生的工程思維和工程素質(zhì)，教學中以目標為導向，以學生為中心，持續(xù)地進行教學改革。案例教學是一種開放式、互動式的教學方式，開展討論，通過針對同一問題的不同觀點的互相交鋒和彼此互動，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，提高判斷能力、分析能力、決策能力、協(xié)調(diào)能力、表達能力和解決問題的能力。建筑設備自動化課程中在空調(diào)智能化設計中引入案例教學可以將理論知識點與實際工程應用很好地聯(lián)系起來，提高學生的分析解決問題能力[2]，案例教學可以將“建筑設備自動化”課程與先修課程“自動控制原理”內(nèi)容銜接聯(lián)系起來[3]。如何構建案例資源，是進行案例教學的前提?，F(xiàn)代教育理論認為，學生是學習認知的主體，在教學過程中應充分發(fā)揮教師的引導作用，對教學內(nèi)容、教學方式和教學過程等進行精心設計和持續(xù)改進，激發(fā)學生學習興趣，通過師生之間的共同努力達成課程的教學目標[4]。建筑能源系統(tǒng)自動化是建環(huán)專業(yè)的主干課之一，本文以“建筑能源系統(tǒng)自動化”課程為例，探索如何根據(jù)工程人才培養(yǎng)的目標需求重構教學內(nèi)容，研究如何以案例教學為主線，進行教學組織和學生考核。

1 課程現(xiàn)狀及存在問題

《建筑能源系統(tǒng)自動化》是體現(xiàn)建環(huán)專業(yè)作為新工科專業(yè)的重要課程，是一門典型的跨學科課程，是計算機技術、通訊網(wǎng)絡技術和建筑技術相結合的一門交叉學科。根據(jù)“高等學校建筑環(huán)境與能源應用工程本科指導性專業(yè)規(guī)范”中的指導框架下，制定本課程主要目標是要求學生了解國內(nèi)外建筑能源系統(tǒng)自動化的發(fā)展狀況及趨勢。理解建筑能源自動化系統(tǒng)的組成、基本實現(xiàn)過程和意義。了解建筑能源自動化控制系統(tǒng)的技術基礎與集成技術。理解建筑能源自動化系統(tǒng)中的檢測、執(zhí)行、控制設備的工作原理，熟悉建筑能源自動化系統(tǒng)中設備的控制方法，掌握系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容和監(jiān)控原理、系統(tǒng)動態(tài)運行規(guī)律等。能夠針對建筑能源系統(tǒng)的實際需求選擇適合的傳感器、控制器和執(zhí)行器。能準確、全面地提出暖通空調(diào)系統(tǒng)需要檢測和控制的運行參數(shù)、運行設備狀態(tài)參數(shù)類別、指標、數(shù)量和控制策略，能繪制監(jiān)控原理圖；能夠根據(jù)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運行狀況，并提出相應有效的技術措施，能為電氣專業(yè)人員提供需求參數(shù)。了解智能小區(qū)設計要求；理解住宅小區(qū)自動化系統(tǒng)的內(nèi)容、目的及意義；掌握住宅小區(qū)中自動化系統(tǒng)的工作原理。本專業(yè)畢業(yè)生應該能熟悉建筑與能源系統(tǒng)自動化的概念及其在建環(huán)工程中的體現(xiàn)，能對建筑能源應用工程問題的解決方案進行分析與改進，并能針對不同功能的建筑能源系統(tǒng)進行方案優(yōu)化與系統(tǒng)設計。但是目前任課教師單一的專業(yè)背景和缺乏工程實踐背景，使教學內(nèi)容陳舊且脫離工程實際，難以滿足課程教學要求，導致教學目標達成度低。針對這一問題，2017年，將本課程確定為校企合作課程，聯(lián)系合作企業(yè)，探討校企聯(lián)合開展課程資源庫建設，并進行案例教學實踐。

2 教學改革思路及實現(xiàn)途徑

課題組針對課程的性質(zhì)和目前存在的問題對課程進行教學改革，以工程需求為主線，設置多模塊；然后以模塊為中心，進行教學知識點的重構；再次圍繞著模塊進行課程建設。知識單元重建思路如圖1所示。

首先，通過查閱文獻資料、參考多本教材、企業(yè)高校調(diào)研等方式，在教學培養(yǎng)計劃規(guī)定教學目標框架下，考慮用人單位的實際需求出發(fā)，建立相應的教學知識模塊，并整合模塊下各個知識點。其次，圍繞著知識模塊，收集工程案例用于課堂教學，分析教學重點難點，同時通過網(wǎng)絡、微課等相關資源探索可視化動態(tài)仿真資料庫的建設方案，收集部分資料用于知識模塊的課堂教學。再次，與企業(yè)聯(lián)系交流，圍繞知識模塊探索實物實驗系統(tǒng)的建設方案，形成相應的實驗指導書；同時引進工程技術人員走進課堂、完善師資隊伍，派出學生去企業(yè)實習，探求實習實訓方案。再次，通過布置大作業(yè)、思考討論題目、實踐報告等形式，確定適宜的平時考核方式，培養(yǎng)學生自學能力、擴展知識能力，并提高學習的積極性。最后，可以通過教學實踐來分析評價教學改革效果。

課程模塊主要有：課程概論，基礎自控理論，基本自控元件，空調(diào)系統(tǒng)自動控制，供暖系統(tǒng)自動控制，消防、給排水等其他系統(tǒng)自動控制，住宅小區(qū)自動化等七大模塊，其中課程概論包含建筑設備自動化概念、意義和組成等三個知識點；基礎理論包含技術基礎和技術集成等兩大知識單元，自控元件包含傳感器、控制器、執(zhí)行器三大知識單元；空調(diào)系統(tǒng)自動控制包含水泵、冷水機組的控制方法、空調(diào)水輸配系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容和監(jiān)控原理、系統(tǒng)動態(tài)運行規(guī)律等四個知識單元。每個知識單元內(nèi)含若干知識點，本文就不一一贅述。針對重構的七大知識模塊，在以下六個方面進行課程資源建設和教學改革嘗試。

2.1 案例庫建設

課題組已經(jīng)建設了案例庫，案例資料全部來源于企業(yè)，目前針對知識模塊完成了五個案例的建設工作，各個案例與知識模塊的對應如表1所示。每個案例包含案例文本(案例的目的、引言、正文、思考題)，案例的圖片、視頻、工程圖紙等附件組成。教學過程中建立模塊中各個知識點與案例內(nèi)容之間的映射，工程案例作為課堂講授、課前預習和課后作業(yè)的主線、支點和素材。

表1 已建案例與知識模塊的對應

2.2 可視化資料庫建設

教學過程中為了使呈現(xiàn)在學生面前的知識立體化、形象化，需要引入可視化教學資源，包含工程案例的現(xiàn)場視頻、理論教學的微課視頻等。案例資源中的現(xiàn)場視頻，能清楚的反映傳感器、執(zhí)行器、控制器的安裝使用情況；理論教學中針對學生自學、復習和了解的內(nèi)容制作微課視頻，表2為課題組已經(jīng)錄制完成的微課視頻，其中建筑與能源自動化系統(tǒng)的傳感器這一微課視頻包含傳感器的基本工作原理的動畫介紹、實際企業(yè)常用的傳感器的實物、樣本資料等內(nèi)容。可視化資料庫上傳至超星課程中心，可用于指導學生課前預習并完成相應習題，課堂上教師根據(jù)案例和微課視頻指導學生學習討論模塊中各個知識點。將視頻觀看的百分比、可視化資料相關的習題納入課程的平時考核中。

表2 已錄制的部分微課視頻

2.3 實物試驗系統(tǒng)建設

知識模塊中的理論知識點需要通過實踐項目輔助和強化學習，因此針對知識模塊進行實物實驗系統(tǒng)建設是很有必要的。應針對不同的知識模塊建設實驗裝置，設計實踐項目，學生動手參與學習，深化對知識的理解、掌握，以至于工程應用。目前針對空調(diào)系統(tǒng)自動控制模塊，實驗室具備空氣調(diào)節(jié)自動控制和工況調(diào)節(jié)實驗實訓裝置，針對消防、給排水系統(tǒng)自動控制，實驗室具備樓宇給排水監(jiān)控系統(tǒng)實驗實訓裝置，消防聯(lián)動系統(tǒng)實驗實訓裝置等。后期課題組針對基礎自控理論和自控元件模塊建設相應的實踐項目，具體可以選擇建筑能源系統(tǒng)常用的溫度傳感器、流量傳感器，PLC控制器，閥門類執(zhí)行器等，通過弱電線、電腦終端、控制軟件組成簡單的控制系統(tǒng)，設計多個實驗項目，讓學生根據(jù)控制要求自行選擇上述設備、完成系統(tǒng)的接線、調(diào)用控制程序、完成控制功能實現(xiàn)的操作過程。設計性實驗項目更能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維、協(xié)調(diào)能力和分析問題解決問題的能力。

2.4 授課教師隊伍建設

授課教師知識工作背景多元化，既然是交叉學科課程、課程組應包含暖通專業(yè)、自控或者機電專業(yè)的教師和工程師。該門課程的授課過程中曾邀請了來自重慶德易安科技發(fā)展有限公司、江森自控的高級工程師授課講解建筑設備自動化系統(tǒng)的工程案例和工程調(diào)試過程，效果很好。在案例教學實踐中，充分發(fā)揮企業(yè)講師的作用，基本的自控理論和空調(diào)、供熱系統(tǒng)的自動控制知識模塊中的系統(tǒng)運行狀況分析知識點可由企業(yè)工程師講解，后續(xù)繼續(xù)應增加自控企業(yè)工程師的教學參與教學效果評價。

2.5 自控企業(yè)實習方案

已與部分企業(yè)簽訂了產(chǎn)學研合作協(xié)議，在模塊控制實驗系統(tǒng)的建設中應增加企業(yè)的參與度，與企業(yè)建立良好關系，大一認識實習選擇1家自控企業(yè)參觀學習，大三生產(chǎn)實習階段鼓勵部分學生走進相關的企業(yè)從事建筑設備自控相關崗位的實習，畢業(yè)設計的現(xiàn)場調(diào)研階段教師帶領部分畢業(yè)設計題目與自控相關的同學參與企業(yè)的相關工作。例如：針對傳感器、控制器和執(zhí)行器的認識、選擇、使用的全過程可以與學生的認識實習—生產(chǎn)實習—畢業(yè)調(diào)研一一對應起來，最終達到教學能力層面的目標：能夠針對建筑能源系統(tǒng)的實際需求選擇適合的傳感器、控制器和執(zhí)行器。

2.6 應用情況和初步效果分析

課程改革的所有成果包含5個案例、7個微課視頻，習題庫等，資料均上傳至超星課程中心平臺。微課視頻主要供學生課下對于不懂的問題反復學習觀看，對于學習主動性強的同學有一定效果。后續(xù)可以借助其開發(fā)翻轉(zhuǎn)式教學，引導學生自主、主動學習。已經(jīng)收集和編寫的案例資源中案例二某醫(yī)院的能效監(jiān)管系統(tǒng)和案例五某醫(yī)院外科病房大樓弱電智能化系統(tǒng)工程主要用于講授緒論部分課堂穿插講授和課后自主學習。案例一某銀行數(shù)據(jù)中心冷凍機房控制和案例四某醫(yī)院空調(diào)末端設備控制用于空調(diào)自動化教學模塊下的案例作業(yè)題目的大背景，納入課后考評，強化學生對該部分的學習掌握。案例能提高學生學習興趣，同時吸引更多學生參與到教師的實踐學習調(diào)研中。其中習題庫的習題已經(jīng)作為知識模塊章節(jié)的課后作業(yè)納入考評。經(jīng)過對照分析，對于已經(jīng)完備案例、案例作業(yè)、微課視頻、實踐項目的知識模塊，教學效果明顯提高，同時2018屆級學生課程期末考核的不及格率明顯下降，多種形式多角度的講授也受到學生的歡迎。部分學生更積極的，并有能力參與一些建筑節(jié)能改造的項目，分析能耗監(jiān)控數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)控制運行的問題，提出有價值的技術措施。同時，用人單位對學生的工程素質(zhì)和工程能力給予一定的肯定，吸引更多的企業(yè)來校招聘。本課程還在持續(xù)建設中，后續(xù)將針對重點知識模塊，完善課程資源建設、加強應用、量化考評。

3 結語

本文根據(jù)當前工程教育的要求，以“建筑能源系統(tǒng)自動化”課程為例，探討以工程案例為主線、模塊化知識為單元教學改革思路及實現(xiàn)途徑。分別從案例庫建設、可視化資源建設、師資隊伍建設、企業(yè)實習方式、應用效果等方面詳細介紹了課程建設的情況，教學改革成果的完整實施和實施效果分析及改進措施是今后的教改工作重點。