建筑設(shè)備自動化課程教學(xué)方法探討

李祥立　李蘆鈺　舒海文

摘要：建筑設(shè)備自動化是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的主干課程之一。該課程內(nèi)容較繁雜，對此，文章提出該課程教學(xué)的新方法和新思路。在課程體系的設(shè)置上，將教學(xué)內(nèi)容合理地分解，對互相關(guān)聯(lián)性很強的內(nèi)容分出層次；采用互動式教學(xué)方法，使學(xué)生能主動參與到教學(xué)過程中；將理論與實踐緊密地結(jié)合起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)備自動化；互動式教學(xué)；課程體系；教學(xué)研究

中圖分類號：G640；TU6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2015）04008703

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)，簡稱建環(huán)專業(yè)，該專業(yè)是土建領(lǐng)域高級人才培養(yǎng)和科技發(fā)展的重要支撐。截至2011年，全國已有181所高校設(shè)有建環(huán)專業(yè)＼[1＼]。2012年普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄中把建筑智能設(shè)施（部分）和建筑節(jié)能技術(shù)與工程兩個專業(yè)納入建環(huán)專業(yè)，專業(yè)范圍擴(kuò)展為建筑環(huán)境控制、城市燃?xì)鈶?yīng)用、建筑節(jié)能、建筑設(shè)施智能技術(shù)等領(lǐng)域。建筑自動化課程為其主干專業(yè)課程之一，對學(xué)生深入了解建筑設(shè)備自動控制系統(tǒng)起著重要的作用，也為今后從事建筑環(huán)境與設(shè)備的研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。該課程的特點是教學(xué)內(nèi)容多、關(guān)聯(lián)性學(xué)科和知識也較多，涉及很多建環(huán)專業(yè)學(xué)生不太熟悉的領(lǐng)域，教學(xué)難度較大。筆者以多年的教學(xué)體會，特別是在與同行間的交流中感到，該課程教師的一個共識是結(jié)合案例的互動式教學(xué)方式能夠達(dá)到比較好的教學(xué)效果，設(shè)計合適的案例并采用適宜的教學(xué)手段是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。本文從教學(xué)實踐經(jīng)驗出發(fā)，設(shè)計3個易于操作的教學(xué)實例，并借助Simulink模擬工具和小型實驗臺，在課堂上運用筆記本電腦、無線網(wǎng)絡(luò)等操作工具進(jìn)行互動講解。此外，對復(fù)雜的建筑設(shè)備系統(tǒng)，給學(xué)生留出一定的拓展空間，以課后訓(xùn)練和課堂討論的形式完成。教學(xué)實踐證明，采用該教學(xué)方式取得了較好的教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與整合

建筑設(shè)備自動化是建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的一門主干課程，它的主要任務(wù)是通過各個教學(xué)環(huán)節(jié)，運用各種教學(xué)方法，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的基本概念、控制原理的初步知識以及雙位控制、PID控制等控制調(diào)節(jié)方法，建筑熱濕環(huán)境的控制方法，設(shè)備與系統(tǒng)的控制方法，并從整體設(shè)計出發(fā)了解建筑自動化系統(tǒng)的通信技術(shù)、設(shè)計過程、分析整定方法和關(guān)鍵問題。

建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)實際上是一套中央監(jiān)控系統(tǒng)。它通過對建筑物（或建筑群）內(nèi)的各種電力設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、冷熱源設(shè)備、防火、防盜設(shè)備等進(jìn)行集中監(jiān)控，達(dá)到在確保建筑內(nèi)環(huán)境舒適、充分考慮能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的條件下，使建筑內(nèi)的各種設(shè)備狀態(tài)及利用率均達(dá)到最佳的目的。建筑設(shè)備自動化課程涉及很多自動控制方向的課程知識，如自動控制原理、傳感器、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機控制、模糊控制、單片機等。同時，要實現(xiàn)建筑設(shè)備系統(tǒng)的控制，不可避免地要用到建筑冷熱源、空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)工程、制冷與風(fēng)機、供熱工程等專業(yè)知識，幾乎涵蓋了建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程所有的專業(yè)課。此外，在控制策略、控制品質(zhì)上還涉及到建筑環(huán)境學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識（見圖1）。

圖1 建筑自動化系統(tǒng)知識

教學(xué)內(nèi)容上，以高校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)指導(dǎo)委員會推薦的教材為主＼[2＼]，由于受到課時的限制，對教材中的內(nèi)容作了適當(dāng)調(diào)整。首先根據(jù)知識點將教學(xué)內(nèi)容分成兩個大類：一是控制基礎(chǔ)與控制仿真部分，包括自動控制的基本概念、基本控制原理和基本控制規(guī)律、計算機控制理論相關(guān)知識、模糊控制原理與實現(xiàn)、傳遞函數(shù)（主要掌握拉式變換）、控制參數(shù)的工程整定方法、Matlab軟件基礎(chǔ)（主要掌握Simulink控制工具箱）等；二是建筑設(shè)計系統(tǒng)控制，包括常用的建筑設(shè)備和空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、空調(diào)冷熱源、集中供熱等建筑用暖通空調(diào)系統(tǒng)。為了將教學(xué)內(nèi)容有機地融合起來，設(shè)計了6個工程實例，分別是加熱水箱溫度分層的自動控制、恒溫恒濕空調(diào)機的自動控制、散熱器實驗臺的自動控制、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動控制、空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的自動控制、集中供熱系統(tǒng)（輸配管網(wǎng)）的自動控制。實例由淺入深，依次講解。由于受課時的限制，對簡單的工程實例，如前3個工程實例，需要詳細(xì)講解與分析；對比較復(fù)雜的工程實例和工程問題，要進(jìn)行合理的簡化后建立仿真模型，并留出一定的課堂討論空間給學(xué)生，由學(xué)生在課后完成。高等學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程教學(xué)指導(dǎo)委員最新的本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范，規(guī)定建筑自動化課程內(nèi)容包括通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（通訊協(xié)議）和樓宇自動化的相關(guān)內(nèi)容。這些內(nèi)容只作為學(xué)生了解的內(nèi)容，選擇與本專業(yè)關(guān)聯(lián)性較大的部分，從整體設(shè)計出發(fā)介紹建筑自動化系統(tǒng)的通信技術(shù)、設(shè)計過程、分析整定方法和一些關(guān)鍵性問題。如國際上比較通用的樓宇自控系統(tǒng)專用協(xié)議BACnet、適用于集中供熱系統(tǒng)監(jiān)測控制的通訊網(wǎng)絡(luò)連接形式等。

二、授課主體的優(yōu)化組合

建筑設(shè)備自動化課程涵蓋的內(nèi)容非常多，如自動控制原理、傳感器、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機控制、模糊控制、單片機等。同時，要實現(xiàn)建筑設(shè)備系統(tǒng)的控制，不可避免地要用到建筑冷熱源、空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)工程、制冷與風(fēng)機、供熱工程等專業(yè)知識，這些知識幾乎涉及建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)所有的專業(yè)課，在控制策略、控制品質(zhì)上還涉及建筑環(huán)境學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識。側(cè)重自動控制的教學(xué)內(nèi)容由智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究所的教師擔(dān)任主講，而涉及建筑設(shè)備系統(tǒng)部分專業(yè)背景和專業(yè)特征明顯的部分內(nèi)容由建環(huán)專業(yè)的教師擔(dān)任主講，兩方面的教師互相配合，共同完成教學(xué)任務(wù)。在授課的過程中，也發(fā)現(xiàn)不同專業(yè)知識之間的交叉學(xué)習(xí)，不但對學(xué)生而且對教師也是一個很好的學(xué)習(xí)過程，它能促進(jìn)各專業(yè)的融合與溝通。同時，控制工程專業(yè)教師直接參與教學(xué)，也擴(kuò)大了相關(guān)知識面，能更好地解答學(xué)生的實際問題。

三、互動式授課

以往的教學(xué)以教師的課堂講解為主，知識難以當(dāng)堂消化，學(xué)生反饋信息也較少，加上課時的限制，教師很難將眾多的教學(xué)內(nèi)容全部進(jìn)行詳細(xì)講解，因此學(xué)生感覺理解起來有困難。為此，教學(xué)中將控制實例用Matlab的Simulink控制工具進(jìn)行模擬，相對基礎(chǔ)和簡單的實例直接在課堂講授，復(fù)雜的實例由教師建好模型，再作課堂講解和現(xiàn)場分析，并安排課后討論，給學(xué)生留出思考的空間，這也是互動實踐教學(xué)非常重要的一個環(huán)節(jié)。比如將教學(xué)內(nèi)容中比較復(fù)雜的中央空調(diào)變風(fēng)量系統(tǒng)和空調(diào)冷凍水系統(tǒng)安排在自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，給出討論和拓展的空間。此外，在完成基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，打破固定實驗題目的局限，鼓勵自主創(chuàng)新。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣來選擇控制實驗的內(nèi)容，或提出控制策略。教師鼓勵學(xué)生主動尋求實驗方法，探索實驗方案，在探索的過程中讓學(xué)生感受知識的產(chǎn)生和獲取過程，培養(yǎng)學(xué)生獲取新知識的能力和分析與解決問題的能力。此外，引導(dǎo)學(xué)生參與實驗的全過程：準(zhǔn)備工作、具體操作和實驗后的數(shù)據(jù)處理等，深化學(xué)生對實驗項目所涉及各種知識、技術(shù)的理解，培養(yǎng)學(xué)生獨立工作的能力。

在講授同步模擬實例時，要求學(xué)生利用筆記本電腦，與授課教師同步完成控制實例的仿真建模、實現(xiàn)控制規(guī)律和控制參數(shù)的調(diào)整，配合簡單的輸出窗口或曲線，在計算機上顯示控制結(jié)果，通過計算機仿真工具完成互動式教學(xué)。要求學(xué)生現(xiàn)場操作緊跟教師的操作進(jìn)度，用仿真顯示現(xiàn)場檢驗教學(xué)的效果。經(jīng)過一個教學(xué)輪次的實驗，絕大多數(shù)學(xué)生都能完成工程實例的仿真，可以自己改變控制規(guī)律和控制參數(shù)，了解調(diào)節(jié)過程各種影響因素的作用，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

四、實驗臺的設(shè)計建造

控制系統(tǒng)的仿真模擬雖然在一定程度上可以反映建筑設(shè)備或系統(tǒng)的自動控制和調(diào)節(jié)過程，但是對相對復(fù)雜的系統(tǒng)，Simulink控制工具建模時必須通過一定的簡化，而且被控對象的一些物性參數(shù)需要實測獲得或利用經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整。因此設(shè)計適當(dāng)?shù)膶嶒炁_或?qū)嶒炏到y(tǒng)并完成實際的控制任務(wù)才能完全掌握建筑設(shè)備系統(tǒng)的控制任務(wù)，真正實現(xiàn)控制策略。土木工程學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備研究所的專業(yè)實驗室具有恒溫加熱水槽的實驗裝置和完整的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑?，可以完成部分實例的教學(xué)實驗。為了進(jìn)一步加強教學(xué)效果，設(shè)計開發(fā)一套模擬管網(wǎng)實驗臺，如圖2所示，設(shè)置兩個模擬熱源（1和2）用主循環(huán)泵代替，分別設(shè)在管網(wǎng)兩端。5個用戶（用閥門代替用戶阻力）分別增設(shè)一個加壓泵。該實驗臺可以完成多熱源多用戶質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)和分布式變頻調(diào)節(jié)等集中供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)模擬。實驗臺除了完成教學(xué)工作外，還可以通過變頻水泵及用戶阻力元件（平衡閥）的調(diào)節(jié)，測試識別管網(wǎng)阻力特性、水泵特性及多泵聯(lián)合運行時的動態(tài)疊加特性等。目前該實驗臺已經(jīng)完成方案設(shè)計和前期的籌備工作，并正在建設(shè)中。

五、結(jié)語

實踐證明，改革后的教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，取得了具有現(xiàn)實意義的教學(xué)改革經(jīng)驗。與此同時，在教學(xué)實踐中也發(fā)現(xiàn)了一些問題：一是教學(xué)整體進(jìn)度不是很快，建環(huán)專業(yè)學(xué)生沒有Matlab軟件的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，操作Simulink控制仿真工具的熟練程度差別較大，少數(shù)動手能力較差的學(xué)生影響了整體的教學(xué)進(jìn)度；二是將計算機帶到課堂以后出現(xiàn)了新的問題，有部分學(xué)生利用電腦做與課堂教學(xué)無關(guān)的事。這些問題還需要在今后的教學(xué)工作中加以總結(jié)和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

＼[1＼]高等學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會編制.高等學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2013.

＼[2＼]江億， 姜子炎. 建筑設(shè)備自動化＼[M＼]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2010.