科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的研究——以變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)研究為例

曹振華

科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的研究——以變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)研究為例

曹振華

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710302）

以變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)科研項(xiàng)目為背景，介紹了該科研項(xiàng)目的基本情況、搭建的實(shí)驗(yàn)平臺及科研成果。探析了將該科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的過程及方法，通過將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，有力的促進(jìn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，大大增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力，在很大程度上提高了高職院校的教育教學(xué)質(zhì)量，為高職院校的教育教學(xué)提供了另一個可開辟的途徑。

變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)平臺；科研成果；教學(xué)資源

0 引言

科學(xué)研究和教育教學(xué)是高職院校工作中不可分割的兩個方面。教學(xué)工作是教師把已知的成熟的知識傳授給學(xué)生，主要是把已有的知識講解明了，讓學(xué)生能夠明白整個的知識體系以及相應(yīng)的知識點(diǎn)，做到學(xué)有所用；科研則是老師引導(dǎo)學(xué)生對未知領(lǐng)域的研究，重在培養(yǎng)學(xué)生在遇到問題時如何去分析以及如何去解決的思路和能力。如果能夠?qū)⒖蒲谐晒^好的轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，將會對學(xué)生以后走上工作崗位自立解決實(shí)際問題起到不可估量的作用，同樣，在學(xué)校期間也可以開闊學(xué)生的眼界，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)習(xí)慣，為以后走上工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的鉆研并解決問題的基本能力。對學(xué)校來說，也可增加科研項(xiàng)目設(shè)備儀器一次性投入的重復(fù)利用，提高了科研項(xiàng)目的收益率。因此，如何將科研成果有效地轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源值得所有高職院校教師的深思。

1 科研成果簡述

1.1 項(xiàng)目簡介

在歐美等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，中央空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛使用，其耗能損失觸目驚心，譬如，美、英、法、澳等發(fā)達(dá)國家其國家總能耗的三分之一都是中央空調(diào)所為，瑞典甚至高達(dá)50%左右，而在我國，空調(diào)系統(tǒng)所占能耗更大，達(dá)到了建筑總能耗的70%左右[1]。因此對中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方面的研究已迫在眉睫。一個中央空調(diào)系統(tǒng)基本上可以通過三種方式來達(dá)到節(jié)能目的：首先是能量的回收利用；其次是利用對大氣環(huán)境污染少甚至沒有污染的清潔自然能源；最后是對空調(diào)系統(tǒng)本身的改造來提高其能效，其方法是根據(jù)空調(diào)的運(yùn)行規(guī)律和負(fù)荷要求采用最優(yōu)化的自動化控制系統(tǒng)，從而使空調(diào)在運(yùn)行過程中達(dá)到節(jié)能效果[1]。這三種節(jié)能的方式中，除了開發(fā)清潔自然能源（新能源）外，主要還是通過最后一種方式的不斷改進(jìn)來達(dá)到節(jié)能目的。

大約在20世紀(jì)60年代美國開始使用變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)，但由于當(dāng)時舒適性空調(diào)中占主導(dǎo)地位的還是定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，所以該空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)后并沒有得到很快認(rèn)可。直到1973年，西方國家爆發(fā)石油危機(jī)，人們才深刻認(rèn)識到能源的重要性，由此推動了研究者對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)注，并開始大力的去研究和發(fā)展，此后的30多年中該空調(diào)系統(tǒng)幾乎已經(jīng)成為美國空調(diào)市場的主流產(chǎn)品[2]。

在變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展中，最值得關(guān)注的國家之一是日本。日本人開發(fā)研究了電磁式流量傳感器和超聲波流量傳感器等多種適用于低速送風(fēng)系統(tǒng)的控制設(shè)備，解決了皮托管流量傳感器在4.5m/s的風(fēng)速下難以測定的難題，大大的提高了該空調(diào)的節(jié)能性和靜音能力[3]。因此，90年代以后，在日本，無論是新建還是改擴(kuò)建中央空調(diào)系統(tǒng)，基本上都采用變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)。

在我國，70年代初，變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)就在地下廠房、體育館、紡織廠等建筑中開發(fā)和應(yīng)用過。到了80年代末期隨著智能化建筑的出現(xiàn)和發(fā)展，該空調(diào)系統(tǒng)也被工程設(shè)計(jì)者在建筑中使用過，但由于種種原因和問題（主要是控制復(fù)雜、設(shè)計(jì)困難等），這些工程大多都在使用兩三年后變成了定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式，其對應(yīng)的自控設(shè)備等都取消了，根本沒有發(fā)揮其相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，并且前期的投資也無法得到回報(bào)，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和能量浪費(fèi)。并且給空調(diào)設(shè)計(jì)者帶來了巨大的心里陰影和打擊，從而導(dǎo)致該空調(diào)系統(tǒng)長期在我國無人問津，沒有得到相關(guān)的研究和應(yīng)用。因此近幾十年來，該系統(tǒng)一直未能在我國普遍、廣泛的推廣。

直到最近幾年，空調(diào)設(shè)計(jì)者再次將目光集中于變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)，究其原因主要有三個方面：首先，目前國內(nèi)中央空調(diào)系統(tǒng)主要采用的是風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)和定風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)這兩種。但這兩種中央空調(diào)系統(tǒng)都暴露出了很多的缺點(diǎn)，例如定風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)由于采用的是沒有末端加熱裝置的方式，所以不能滿足各個房間的不同溫度要求。而風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)可以解決這一問題，但該系統(tǒng)屬于冷凍水進(jìn)入房間的制冷方式，其大量的凝結(jié)水會對房屋的吊頂造成污染，甚至導(dǎo)致其產(chǎn)生霉菌現(xiàn)象；其次，隨著智能化建筑的發(fā)展，空調(diào)房間在布置格局、功能用途、辦公設(shè)備和儀器等方面都將發(fā)生不斷的改變，這就要求空調(diào)系統(tǒng)也加以改變來適應(yīng)其房間功能的改變，然而定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)改擴(kuò)建相對比較麻煩；其次，變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)高節(jié)能率對當(dāng)今能源緊張的世界來說，充滿了大量的誘惑，倒逼空調(diào)設(shè)計(jì)者必須設(shè)計(jì)出能適應(yīng)社會需求的中央空調(diào)系統(tǒng)。

目前，有些國外的老牌空調(diào)公司已經(jīng)開始在我國上海、廣州、北京等沿海發(fā)達(dá)城市推廣變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)，且已經(jīng)成功運(yùn)行，這應(yīng)該得到我國空調(diào)設(shè)計(jì)、研究者的警惕。變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)必定是未來空調(diào)業(yè)發(fā)展的主流方向，相信國內(nèi)的設(shè)計(jì)、研究者沒有人愿意把我國這么大的市場讓給外國設(shè)計(jì)、研究者去做。實(shí)際上，對該系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于控制系統(tǒng)，這也是該系統(tǒng)在智能建筑中不能按設(shè)計(jì)計(jì)劃運(yùn)行的關(guān)鍵原因所在[4]。因此，解決變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制問題是設(shè)計(jì)、研究者的重中之重。因此，本科研項(xiàng)目以VAV空調(diào)系統(tǒng)怎樣選擇最佳的自動控制問題作為研究的對象，進(jìn)行深入研究，以探討該類空調(diào)系統(tǒng)面臨的節(jié)能問題。

本項(xiàng)目研究及擬解決的核心問題：

（1）建立空調(diào)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，包括常規(guī)PID控制系統(tǒng)模型和模糊PID控制系統(tǒng)模型。

（2）設(shè)計(jì)常規(guī)PID控制系統(tǒng)，通過MATLAB進(jìn)行該控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真，并對其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

（3）設(shè)計(jì)模糊控制和PID控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式，通過MATLAB進(jìn)行該控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真。并對其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

（4）對兩種控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出相關(guān)結(jié)論，為以后研究設(shè)計(jì)變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)提供相關(guān)依據(jù)。

1.2 本項(xiàng)目研究需搭建的實(shí)驗(yàn)平臺

（1）課題組通過搭建了以下幾個實(shí)驗(yàn)平臺很好地對該項(xiàng)目涉及的幾個問題進(jìn)行了研究：

（2）搭建變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，對空調(diào)控制系統(tǒng)的幾種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定方案的正確性和可行性；

（3）搭建常規(guī)PID控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺，并進(jìn)行仿真研究，分析其控制運(yùn)行結(jié)果；

（4）搭建模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真研究，分析其控制運(yùn)行結(jié)果。

1.3 項(xiàng)目研究最終科研成果

該項(xiàng)目通過對變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制和模糊PID控制下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析、比較，得出以下三個研究結(jié)論：

（1）當(dāng)給定被控空調(diào)房間值為24℃時，模糊自適應(yīng)整定PID控制與PID控制相比，具有更快的動態(tài)響應(yīng)、更小的超調(diào)。

（2）當(dāng)某些條件發(fā)生變化時，被控對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)也會隨之發(fā)生變化。用一般的PID控制就會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，達(dá)不到預(yù)期的控制效果。而采用模糊自適應(yīng)整定PID控制就可以通過控制參數(shù)的自整定能力達(dá)到較好的控制效果[5]。從能量損耗角度來分析，由于模糊PID控制的響應(yīng)時間快，超調(diào)量小，因此所需的送風(fēng)量更與實(shí)際負(fù)荷的需要相接近，能夠更好的達(dá)到了舒適與節(jié)能的效果。

（3）結(jié)果顯示模糊自適應(yīng)整定PID控制方法要優(yōu)于目前普遍使用的PID控制方法，為設(shè)計(jì)和研究人員深入研究變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)提供了一定的參考價值。

2 本科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的應(yīng)用

項(xiàng)目組全體人員團(tuán)結(jié)合作，投入了大量的精力，在廣泛調(diào)研查閱有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，高水平、高質(zhì)量地完成了本項(xiàng)目的研究，并在隨后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷地充實(shí)完善，取得了滿意的成果。

（1）在某些課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以利用本科研成果進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。比如，空調(diào)自動化控制技術(shù)、中央空調(diào)工程技術(shù)這兩門專業(yè)核心課，在教學(xué)中如果能很好的利用此研究成果，將會起到事半功倍的效果。例如，在空調(diào)自動化控制技術(shù)課程教授過程中，在有關(guān)空調(diào)PID控制器、模糊控制器及模糊控制加PID控制器等理論時，以前在課堂上只是理論講解，對教師來說，很費(fèi)勁，但學(xué)生還不理解，現(xiàn)在可以直接利用此項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行演示，其區(qū)別和相同點(diǎn)很直觀的顯示出來了，對學(xué)生來說，大大地加深了對三者控制系統(tǒng)的理解力和印象，學(xué)習(xí)本課程的興趣也會大大提高。在中央空調(diào)工程技術(shù)課程授課中，在有關(guān)定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)三個系統(tǒng)的特點(diǎn)講解過程中，同樣存在這個問題，教師在課堂上用理論講變風(fēng)量比其他兩種空調(diào)要節(jié)能，但學(xué)生同樣無法理解。那么，現(xiàn)在利用本科研項(xiàng)目直接可以用數(shù)據(jù)證明其節(jié)能效果。通過在理論課程中融入科研成果的講解，也可以表現(xiàn)出教師本人的科研能力和專業(yè)素養(yǎng)，這將大大提高教師個人的教學(xué)魅力，大大提高課堂教學(xué)吸引力，對教學(xué)質(zhì)量的提高將會產(chǎn)生巨大的影響[6]。

（2）在中央空調(diào)課程設(shè)計(jì)中可以讓學(xué)生利用此項(xiàng)目平臺來設(shè)計(jì)一個變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)是普通高等職業(yè)院校教育實(shí)踐環(huán)節(jié)的一個重要組成部分，是對學(xué)生工程實(shí)踐教學(xué)能力的重要一環(huán)[7]。通過課程設(shè)計(jì)，不僅可以提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)課程進(jìn)行全角度的總結(jié)分析的能力，而且可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程中遇到的問題的本領(lǐng)，因此課程設(shè)計(jì)在高職院校中是非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)?？蒲谐晒芯勘旧砭褪墙鉀Q工程中遇到的一些實(shí)際問題，通過學(xué)生借助其項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠體會到在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)的感覺，大大增加學(xué)生對課程設(shè)計(jì)的興趣，提高了課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

（3）空調(diào)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)可利用此項(xiàng)目研究平臺進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)研究。高職院校畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生通過三年的大學(xué)學(xué)習(xí)，運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，應(yīng)獨(dú)立完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)情況可以反應(yīng)學(xué)生在校學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)知識情況，是學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的匯總、分析、運(yùn)用、創(chuàng)新的一個綜合過程，將會對學(xué)生以后走上工作崗位獨(dú)立分析和解決問題起到重要的作用[8]。此科研成果是解決空調(diào)工程實(shí)際問題的項(xiàng)目，因此引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合該科研成果選題，貼合實(shí)際，鼓勵學(xué)生查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)研究已經(jīng)成熟的研究方法，并在此基礎(chǔ)上，對該科研成果項(xiàng)目進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，也可不斷完善實(shí)驗(yàn)研究成果，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺雙贏。

（4）在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中可充分利用此研究成果。充分發(fā)揮本科研項(xiàng)目搭建的三個實(shí)驗(yàn)平臺，將所有搭建的實(shí)驗(yàn)平臺都可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，不僅可以很好地培養(yǎng)學(xué)生，鍛煉學(xué)生的動手能力，而且可以讓教師本人參與進(jìn)來，可以有針對性地解答學(xué)生提出的問題，整個實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程教師可以進(jìn)行有效的控制[8]。通過將本科研成果有效轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，不僅可以利用自身的科研優(yōu)勢，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)能力和水平，而且還實(shí)現(xiàn)科研向教學(xué)方面的逐步滲透，大大地增加了科研項(xiàng)目設(shè)備儀器一次性投入的重復(fù)利用，從而提高了科研項(xiàng)目的收益率。

（5）項(xiàng)目科研成果可有效的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，在校學(xué)生在該課題的研究基礎(chǔ)上可通過自己的不斷探索和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對該課題的研究成果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不斷促進(jìn)該成果的進(jìn)一步改良和發(fā)展。從而不但培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，而且也有可能在不斷地實(shí)踐實(shí)驗(yàn)和檢驗(yàn)下促進(jìn)本行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

3 結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國，大量高職生畢業(yè)后，在走向工作崗位時，并不能馬上進(jìn)入自己的角色，都要經(jīng)過一段時間的企業(yè)或公司的培訓(xùn)，是什么原因?qū)е逻@樣的現(xiàn)象屢見不鮮呢？原因有很多，其中最主要的原因是學(xué)生在校期間所學(xué)到的理論課程與社會上所需要的能力相脫節(jié)。隨著社會科技的發(fā)展，市場競爭不斷地加劇，就業(yè)壓力也越來越大，如何提高高職畢業(yè)生的就業(yè)競爭力已經(jīng)是目前各個高職院校迫切需要解決的問題。因此，我們應(yīng)該改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式，使培養(yǎng)出的人才具有一定市場競爭力。那么如何能將高校具有前沿的科研項(xiàng)目很好地轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，讓其學(xué)生沒有出校門前就能接觸并熟練掌握了本行業(yè)的前沿知識，這個問題值得我們所有從事高職教育人的深思。

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Research on Transforming Scientific Research Achievements into Teaching Resources-A Case Study of VAV Air Conditioning Control System

Cao Zhenhua

( Shaanxi Institute Of Technology, Xi’an, 710302 )

Based on the research project of VAV air conditioning control system, the basic situation, experimental platform and achievements of the research project are introduced. This paper probes into the process and method of transforming scientific research achievements into high-quality teaching resources. By transforming scientific research achievements into teaching resources, students'innovative ability is effectively promoted, students' practical ability is greatly enhanced, the quality of education and teaching in higher vocational colleges is greatly improved, and the teaching and education in higher vocational colleges are promoted. It provides another way to open up.

Variable Air Volume Air Conditioning Control System; Experimental Platform; Scientific Research Achievements; Teaching Resources

TM172

A

1671-6612（2020）04-513-04

曹振華（1978.2-），男，研究生，副教授，E-mail：106741438@qq.com

2019-09-25