建筑能源系统自动化课程知识重构与教学实践★

刘丽莹 居发礼 余晓平 董秀坤

(重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331)

0 引言

我国已经正式加入工程教育本科专业认证国际互认协议“华盛顿协议”，“华盛顿协议”以培养专业工程师为目标，毕业要求能够应对复杂性、全局性的问题，在不具备成熟工具的条件下创新性地运用基础知识和基本理论，在综合考虑多因素的场景下通过分析、研究、评估、设计、实施等活动带领多学科背景团队高校完成工程目标[1]。为达到此目标，课程教学中应注意培养学生的工程思维和工程素质，教学中以目标为导向，以学生为中心，持续地进行教学改革。案例教学是一种开放式、互动式的教学方式，开展讨论，通过针对同一问题的不同观点的互相交锋和彼此互动，激发学生的创造性思维，提高判断能力、分析能力、决策能力、协调能力、表达能力和解决问题的能力。建筑设备自动化课程中在空调智能化设计中引入案例教学可以将理论知识点与实际工程应用很好地联系起来，提高学生的分析解决问题能力[2]，案例教学可以将“建筑设备自动化”课程与先修课程“自动控制原理”内容衔接联系起来[3]。如何构建案例资源，是进行案例教学的前提。现代教育理论认为，学生是学习认知的主体，在教学过程中应充分发挥教师的引导作用，对教学内容、教学方式和教学过程等进行精心设计和持续改进，激发学生学习兴趣，通过师生之间的共同努力达成课程的教学目标[4]。建筑能源系统自动化是建环专业的主干课之一，本文以“建筑能源系统自动化”课程为例，探索如何根据工程人才培养的目标需求重构教学内容，研究如何以案例教学为主线，进行教学组织和学生考核。

1 课程现状及存在问题

《建筑能源系统自动化》是体现建环专业作为新工科专业的重要课程，是一门典型的跨学科课程，是计算机技术、通讯网络技术和建筑技术相结合的一门交叉学科。根据“高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范”中的指导框架下，制定本课程主要目标是要求学生了解国内外建筑能源系统自动化的发展状况及趋势。理解建筑能源自动化系统的组成、基本实现过程和意义。了解建筑能源自动化控制系统的技术基础与集成技术。理解建筑能源自动化系统中的检测、执行、控制设备的工作原理，熟悉建筑能源自动化系统中设备的控制方法，掌握系统的监控内容和监控原理、系统动态运行规律等。能够针对建筑能源系统的实际需求选择适合的传感器、控制器和执行器。能准确、全面地提出暖通空调系统需要检测和控制的运行参数、运行设备状态参数类别、指标、数量和控制策略，能绘制监控原理图；能够根据系统运行数据分析系统运行状况，并提出相应有效的技术措施，能为电气专业人员提供需求参数。了解智能小区设计要求；理解住宅小区自动化系统的内容、目的及意义；掌握住宅小区中自动化系统的工作原理。本专业毕业生应该能熟悉建筑与能源系统自动化的概念及其在建环工程中的体现，能对建筑能源应用工程问题的解决方案进行分析与改进，并能针对不同功能的建筑能源系统进行方案优化与系统设计。但是目前任课教师单一的专业背景和缺乏工程实践背景，使教学内容陈旧且脱离工程实际，难以满足课程教学要求，导致教学目标达成度低。针对这一问题，2017年，将本课程确定为校企合作课程，联系合作企业，探讨校企联合开展课程资源库建设，并进行案例教学实践。

2 教学改革思路及实现途径

课题组针对课程的性质和目前存在的问题对课程进行教学改革，以工程需求为主线，设置多模块；然后以模块为中心，进行教学知识点的重构；再次围绕着模块进行课程建设。知识单元重建思路如图1所示。

首先，通过查阅文献资料、参考多本教材、企业高校调研等方式，在教学培养计划规定教学目标框架下，考虑用人单位的实际需求出发，建立相应的教学知识模块，并整合模块下各个知识点。其次，围绕着知识模块，收集工程案例用于课堂教学，分析教学重点难点，同时通过网络、微课等相关资源探索可视化动态仿真资料库的建设方案，收集部分资料用于知识模块的课堂教学。再次，与企业联系交流，围绕知识模块探索实物实验系统的建设方案，形成相应的实验指导书；同时引进工程技术人员走进课堂、完善师资队伍，派出学生去企业实习，探求实习实训方案。再次，通过布置大作业、思考讨论题目、实践报告等形式，确定适宜的平时考核方式，培养学生自学能力、扩展知识能力，并提高学习的积极性。最后，可以通过教学实践来分析评价教学改革效果。

课程模块主要有：课程概论，基础自控理论，基本自控元件，空调系统自动控制，供暖系统自动控制，消防、给排水等其他系统自动控制，住宅小区自动化等七大模块，其中课程概论包含建筑设备自动化概念、意义和组成等三个知识点；基础理论包含技术基础和技术集成等两大知识单元，自控元件包含传感器、控制器、执行器三大知识单元；空调系统自动控制包含水泵、冷水机组的控制方法、空调水输配系统的监控内容和监控原理、系统动态运行规律等四个知识单元。每个知识单元内含若干知识点，本文就不一一赘述。针对重构的七大知识模块，在以下六个方面进行课程资源建设和教学改革尝试。

2.1 案例库建设

课题组已经建设了案例库，案例资料全部来源于企业，目前针对知识模块完成了五个案例的建设工作，各个案例与知识模块的对应如表1所示。每个案例包含案例文本(案例的目的、引言、正文、思考题)，案例的图片、视频、工程图纸等附件组成。教学过程中建立模块中各个知识点与案例内容之间的映射，工程案例作为课堂讲授、课前预习和课后作业的主线、支点和素材。

表1 已建案例与知识模块的对应

2.2 可视化资料库建设

教学过程中为了使呈现在学生面前的知识立体化、形象化，需要引入可视化教学资源，包含工程案例的现场视频、理论教学的微课视频等。案例资源中的现场视频，能清楚的反映传感器、执行器、控制器的安装使用情况；理论教学中针对学生自学、复习和了解的内容制作微课视频，表2为课题组已经录制完成的微课视频，其中建筑与能源自动化系统的传感器这一微课视频包含传感器的基本工作原理的动画介绍、实际企业常用的传感器的实物、样本资料等内容。可视化资料库上传至超星课程中心，可用于指导学生课前预习并完成相应习题，课堂上教师根据案例和微课视频指导学生学习讨论模块中各个知识点。将视频观看的百分比、可视化资料相关的习题纳入课程的平时考核中。

表2 已录制的部分微课视频

2.3 实物试验系统建设

知识模块中的理论知识点需要通过实践项目辅助和强化学习，因此针对知识模块进行实物实验系统建设是很有必要的。应针对不同的知识模块建设实验装置，设计实践项目，学生动手参与学习，深化对知识的理解、掌握，以至于工程应用。目前针对空调系统自动控制模块，实验室具备空气调节自动控制和工况调节实验实训装置，针对消防、给排水系统自动控制，实验室具备楼宇给排水监控系统实验实训装置，消防联动系统实验实训装置等。后期课题组针对基础自控理论和自控元件模块建设相应的实践项目，具体可以选择建筑能源系统常用的温度传感器、流量传感器，PLC控制器，阀门类执行器等，通过弱电线、电脑终端、控制软件组成简单的控制系统，设计多个实验项目，让学生根据控制要求自行选择上述设备、完成系统的接线、调用控制程序、完成控制功能实现的操作过程。设计性实验项目更能够培养学生的创新性思维、协调能力和分析问题解决问题的能力。

2.4 授课教师队伍建设

授课教师知识工作背景多元化，既然是交叉学科课程、课程组应包含暖通专业、自控或者机电专业的教师和工程师。该门课程的授课过程中曾邀请了来自重庆德易安科技发展有限公司、江森自控的高级工程师授课讲解建筑设备自动化系统的工程案例和工程调试过程，效果很好。在案例教学实践中，充分发挥企业讲师的作用，基本的自控理论和空调、供热系统的自动控制知识模块中的系统运行状况分析知识点可由企业工程师讲解，后续继续应增加自控企业工程师的教学参与教学效果评价。

2.5 自控企业实习方案

已与部分企业签订了产学研合作协议，在模块控制实验系统的建设中应增加企业的参与度，与企业建立良好关系，大一认识实习选择1家自控企业参观学习，大三生产实习阶段鼓励部分学生走进相关的企业从事建筑设备自控相关岗位的实习，毕业设计的现场调研阶段教师带领部分毕业设计题目与自控相关的同学参与企业的相关工作。例如：针对传感器、控制器和执行器的认识、选择、使用的全过程可以与学生的认识实习—生产实习—毕业调研一一对应起来，最终达到教学能力层面的目标：能够针对建筑能源系统的实际需求选择适合的传感器、控制器和执行器。

2.6 应用情况和初步效果分析

课程改革的所有成果包含5个案例、7个微课视频，习题库等，资料均上传至超星课程中心平台。微课视频主要供学生课下对于不懂的问题反复学习观看，对于学习主动性强的同学有一定效果。后续可以借助其开发翻转式教学，引导学生自主、主动学习。已经收集和编写的案例资源中案例二某医院的能效监管系统和案例五某医院外科病房大楼弱电智能化系统工程主要用于讲授绪论部分课堂穿插讲授和课后自主学习。案例一某银行数据中心冷冻机房控制和案例四某医院空调末端设备控制用于空调自动化教学模块下的案例作业题目的大背景，纳入课后考评，强化学生对该部分的学习掌握。案例能提高学生学习兴趣，同时吸引更多学生参与到教师的实践学习调研中。其中习题库的习题已经作为知识模块章节的课后作业纳入考评。经过对照分析，对于已经完备案例、案例作业、微课视频、实践项目的知识模块，教学效果明显提高，同时2018届级学生课程期末考核的不及格率明显下降，多种形式多角度的讲授也受到学生的欢迎。部分学生更积极的，并有能力参与一些建筑节能改造的项目，分析能耗监控数据，分析系统控制运行的问题，提出有价值的技术措施。同时，用人单位对学生的工程素质和工程能力给予一定的肯定，吸引更多的企业来校招聘。本课程还在持续建设中，后续将针对重点知识模块，完善课程资源建设、加强应用、量化考评。

3 结语

本文根据当前工程教育的要求，以“建筑能源系统自动化”课程为例，探讨以工程案例为主线、模块化知识为单元教学改革思路及实现途径。分别从案例库建设、可视化资源建设、师资队伍建设、企业实习方式、应用效果等方面详细介绍了课程建设的情况，教学改革成果的完整实施和实施效果分析及改进措施是今后的教改工作重点。