建筑設(shè)備自動化課程建設(shè)探討

張廣麗

摘要：文章對建筑設(shè)備自動化課程的教學內(nèi)容架構(gòu)、交叉課程之間的銜接狀況以及課堂組織等進行了探討，介紹了該課程授課內(nèi)容、授課方法以及實踐環(huán)節(jié)的改革措施，同時提出了今后教學工作中需進一步完善的具體目標。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)備自動化；課程建設(shè)；教學研究

中圖分類號：G6420；TU6文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04010004

智能建筑技術(shù)的飛速發(fā)展，迫切需要加強智能建筑科技隊伍的建設(shè)和人才培養(yǎng)。智能建筑全壽命周期過程中，自動控制設(shè)計人員需要與建筑、制冷、空調(diào)、給排水電氣設(shè)計人員配合，需要暖通空調(diào)工程師提供工藝資料以及控制系統(tǒng)所需要的信號與要求， 在工藝設(shè)計過程中為實現(xiàn)工藝的自動控制創(chuàng)造基本條件。這就要求建筑設(shè)備專業(yè)工程師要懂自控，自控工程師要懂工藝，否則會導致智能建筑達不到預期的功能和節(jié)能效果。因此，建筑設(shè)備工程師必須是建筑學科與電控學科交叉的復合型人才[1]。

由于智能建筑技術(shù)的發(fā)展，自1999年原暖通燃氣等專業(yè)改組為建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)后，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)指導委員會在拓寬專業(yè)知識面和構(gòu)筑專業(yè)教育知識平臺的基礎(chǔ)上，增設(shè)了建筑設(shè)備自動化課程[2]。2013年， 原建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)再次改組為建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)，該專業(yè)指導委員會出版的《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》（以下簡稱《規(guī)范》），進一步明確了建筑設(shè)備自動化課程的專業(yè)地位[3]。根據(jù)該專業(yè)指導委員會意見，建筑設(shè)備自動化課程是建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的一門專業(yè)課，該課程應作為必修課程。新的培養(yǎng)目標要求該專業(yè)的學生不僅能從事暖通空調(diào)制冷技術(shù)工作， 還能從事建筑設(shè)備自動化工程的部分技術(shù)工作[1]。建筑設(shè)備自動化課程作為一門交叉學科課程，課程的建設(shè)關(guān)系到該專業(yè)在實際工程應用中能否發(fā)揮更好的作用，該課程內(nèi)容在提升智能建筑的節(jié)能水平、安全水平、設(shè)備使用壽命等方面起著至關(guān)重要的作用。

建筑設(shè)備自動化課程不同于其他專業(yè)主干課程的最主要原因在于，它是一

門涉及多個學科的交叉課程，與其相關(guān)的基礎(chǔ)課程包括：電工與電子學和自動控制原理；相關(guān)的專業(yè)課程則可將暖通空調(diào)專業(yè)的所有專業(yè)課囊括在內(nèi)。一門內(nèi)容包羅萬象的“大”課，在實際課程教學中卻往往受到學時的限制，多數(shù)學校該課程授課學時數(shù)在32～48學時不等。因此，該課程在教學內(nèi)容、授課方式、實踐環(huán)節(jié)等方面都有較大的改善空間[2-4]。在多年的教學實踐中，筆者對該課程的教學內(nèi)容、交叉課程之間的銜接以及課堂組織等方面進行了總結(jié)和探討，以便更好地指導今后的教學工作。

一、確定課程內(nèi)容，便于課程之間的交叉銜接

與建筑設(shè)備自動化課程前端聯(lián)系最為緊密的，當屬自動控制原理課程。自動控制原理課程是自動控制專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。自動控制原理課程教學目的是幫助學生建立經(jīng)典控制理論部分的基本概念，掌握和了解其基本理論和方法及其對系統(tǒng)的改善。厘清自動控制原理和建筑設(shè)備自動化的緊密關(guān)系，有助于學生對這一系列課程知識的融會貫通。上述兩門課程的銜接方法有以下兩點需要注意。

（一）針對經(jīng)典案例，重建數(shù)學模型

事實上，學生修完自動控制原理課程后，印象最深刻的內(nèi)容可能是傳遞函數(shù)以及各種變換，但對數(shù)學模型的建立方法尚未很好地掌握，主要的障礙在于此學習階段尚未接觸到專業(yè)的典型控制調(diào)節(jié)對象，如空調(diào)房間、各種空調(diào)換熱設(shè)備，以及相應的風水輸配系統(tǒng)，更談不上對這些典型控制調(diào)節(jié)對象的深刻認知。針對這一狀況，建筑設(shè)備自動化課程在內(nèi)容構(gòu)建上，必須注重起到承上作用的數(shù)學模型的建立這一環(huán)節(jié)，建模環(huán)節(jié)中，重點應突出幾種典型的專業(yè)仿真數(shù)學模型。從暖通實際問題案例入手，建立數(shù)學模型，數(shù)學模型應是對實際問題的抽象提煉。而對數(shù)學模型的簡化，既要合理，又不能因此而掩蓋事物本質(zhì)特性。將自動控制原理課程中抽象的數(shù)學模型專業(yè)化、具體化是建筑設(shè)備自動化的首要任務(wù)，并以此有效建立兩門課程之間的緊密關(guān)系。典型的案例包括：恒溫水箱、恒溫（恒濕）的空調(diào)房間、換熱器等，部分可參照文獻5中的案例。

（二）針對經(jīng)典案例，應用各種控制規(guī)律

自動控制原理課程中學習各種控制規(guī)律時，難以將實際控制案例中對控制硬件的要求體現(xiàn)出來，如雙位控制的規(guī)律，很難將執(zhí)行器的通斷頻率和容量有限性（飽和性）體現(xiàn)出來。在建筑設(shè)備自動化課程中，除了可以將各種控制規(guī)律與暖通空調(diào)專業(yè)具體的案例相結(jié)合，還可以將所涉及到的傳感器、執(zhí)行器特性對控制結(jié)果的影響體現(xiàn)出來。因此，在典型空調(diào)案例的數(shù)學模型、控制規(guī)律學習過程中，可以一并將涉及到的典型傳感器、執(zhí)行器特性引入介紹。除此之外，也可將相關(guān)的計算機控制的部分內(nèi)容作簡單介紹。在有關(guān)“承上”的內(nèi)容中，涉及到的課程內(nèi)容包括自動控制系統(tǒng)的基本概念和術(shù)語、不同調(diào)節(jié)方法的特點、常用傳感器和執(zhí)行器以及部分計算機控制等相關(guān)內(nèi)容。

考慮到建筑設(shè)備化課程通常與各專業(yè)課如空氣調(diào)節(jié)課程、供熱課程在同一個學期開設(shè)，而建筑設(shè)備自動化課程的工程應用部分內(nèi)容，則和這些課程所描述的系統(tǒng)緊密相關(guān)，這部分為“啟下”內(nèi)容。學習“承上”部分內(nèi)容的目的正是為了更好地掌握“啟下”部分內(nèi)容?！皢⑾隆辈糠謨?nèi)容包括常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動化監(jiān)控方式，具體有暖通空調(diào)系統(tǒng)控制、冷熱源與水系統(tǒng)控制、其他建筑設(shè)備系統(tǒng)控制。以上所述的具體內(nèi)容，均是《規(guī)范》建議的建筑設(shè)備自動化課程的核心知識點。

（三）針對培養(yǎng)目標，建構(gòu)適合該專業(yè)的自動化課程內(nèi)容

尤其應該指出，雖然建筑設(shè)備自動化課程不僅涉及計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，而且涉及建筑技術(shù)、建筑環(huán)境技術(shù)、建筑設(shè)備技術(shù)等諸多技術(shù)，是多學科的典型結(jié)合，但建筑設(shè)備自動化課程是針對建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)學生開設(shè)的，因此在課程內(nèi)容構(gòu)建上應該考慮到授課對象的需求、知識結(jié)構(gòu)等情況。

雖然建筑設(shè)備自動化課程的核心內(nèi)容是計算機自動控制、計算機網(wǎng)絡(luò)、建筑設(shè)備自控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信標準和系統(tǒng)集成，其中計算機自動控制和計算機網(wǎng)絡(luò)是建筑設(shè)備自動化的基礎(chǔ)理論， 建筑設(shè)備自控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信標準和系統(tǒng)集成則是建筑設(shè)備自動化的特有理論[2]。但對建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)而言，從實際工程應用角度來看，自動控制專業(yè)人員需要與建筑、制冷、空調(diào)、給排水電氣各專業(yè)設(shè)計人員配合，才能更好地完成建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的設(shè)計。

該專業(yè)學生的學習重點應該是對各相應

專業(yè)的控制問題提出優(yōu)化的控制方案，確定控制參數(shù)，配合控制工程師設(shè)計建筑設(shè)備自動控制系統(tǒng)。具體到暖通空調(diào)專業(yè)，暖通空調(diào)工程師需要提供與專業(yè)相關(guān)的工藝資料，以及控制系統(tǒng)所需要的信號與要求， 配合自動控制設(shè)計人員在工藝設(shè)計的過程中為實現(xiàn)工藝的自動控制創(chuàng)造基本條件[1]。高等學校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)教學指導委員最新的本科指導性專業(yè)規(guī)范，規(guī)定建筑自動化課程內(nèi)容中的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和樓宇自動化的相關(guān)內(nèi)容只作為學生了解的內(nèi)容，側(cè)重自動控制的內(nèi)容應當選擇與該專業(yè)關(guān)聯(lián)性大的部分，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[6]。

因此，建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的建筑設(shè)備自動化課程，應著眼于暖通空調(diào)制冷工藝系統(tǒng)， 為自動控制技術(shù)人員提供有關(guān)暖通空調(diào)制冷的技術(shù)信息。課程應以暖通空調(diào)制冷控制系統(tǒng)為主線，與此相關(guān)的控制設(shè)備、控制策略、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應涉及，將重點放在控制策略和控制優(yōu)化方面，通過優(yōu)化的控制策略，建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)在實際工程應用中會更加安全、更加節(jié)能，也更有利于延長設(shè)備的使用壽命。而對于其他專業(yè)的內(nèi)容，如建筑給排水監(jiān)控系統(tǒng)、消防與安全防范系統(tǒng)、電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等內(nèi)容，則可根據(jù)學時數(shù)僅作一般介紹。

另外，為獲得更好的教學效果，以自動控制為主的教學內(nèi)容由建筑電氣自動化專業(yè)的教師擔任主講，而涉及建筑設(shè)備系統(tǒng)部分專業(yè)背景和專業(yè)特征明顯的內(nèi)容由建環(huán)專業(yè)的教師擔任主講，兩個專業(yè)的教師相互配合，共同完成教學任務(wù)。

二、引入仿真工具，提高學習效果

上文中談到鑒于自動控制原理與建筑設(shè)備自動化課程的緊密關(guān)聯(lián)度，必須將自動控制原理中學到的各種控制規(guī)律，有針對性地應用到具體的建筑設(shè)備自動化課程專業(yè)經(jīng)典案例中。Matlab的simulink仿真工具箱則可以將控制規(guī)律、控制過程直觀地呈現(xiàn)?；贛atlab的“自動控制原理”或者“建筑設(shè)備自動化”仿真實驗系統(tǒng)，可以在一定程度上彌補實驗室硬件建設(shè)的不足，為課程實驗提供良好的實驗平臺。

仿真實驗應以典型專業(yè)案例為切入點，建立相應的數(shù)學模型，選用合適的控制規(guī)律，即可完成相應控制案例的傳遞函數(shù)圖。數(shù)學模型和實際控制規(guī)律結(jié)合后，最終通過仿真平臺實現(xiàn)，可通過仿真工具直觀地觀察執(zhí)行器的動作規(guī)律，以及最終控制結(jié)果的動態(tài)過程。圖1所示為某雙位控制的恒溫水箱的仿真圖。

對這一控制對象，應用各種不同的控制規(guī)律，獲得不同的或者相同的控制結(jié)果，可要求學生對各種規(guī)律與結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)進行分析總結(jié)。若動態(tài)過程偏離了預期目標，也可進一步修正控制規(guī)律，以掌握控制規(guī)律與控制結(jié)果之間的關(guān)系。

圖1某恒溫水箱simulink仿真示意圖

考慮到課程學時較少，學習周期較短，要求仿真的內(nèi)容可布置為大作業(yè)。作業(yè)可采用分組討論完成的方式，對同一控制對象， 采用不同控制調(diào)節(jié)規(guī)律，給出動態(tài)控制結(jié)果，并通過變化控制參數(shù)，給出不同控制策略下的控制結(jié)果。

教學過程中應考慮采取更為高效的教學方法。對仿真實驗案例的教學方法，若僅采用單純的課內(nèi)演示方式，則學生的積極性不高，參與度也不夠，課堂效果不會理想?？赏ㄟ^分組討論的形式，最終要求提交大作業(yè)報告，通過這種方式將學生積極性有效調(diào)動起來。將學生分成小的學習團隊，并且通過報告答辯的形式計入成績考核，使其獲得一定的成就感，

以提高學生的參與度，

這樣不僅可提高學生分析和解決問題的能力，同時激發(fā)學生學習課程的積極性，使學生與教師形成良好的互動，教學效果自然提高很多[7]。通過提交大作業(yè)報告的方式，還可以提高學生的科研類報告的寫作水平，鍛煉學生的邏輯思維能力。

三、加強實踐環(huán)節(jié)，提高學生的工程能力

《規(guī)范》提出的專業(yè)培養(yǎng)目標是培養(yǎng)具備從事本專業(yè)技術(shù)工作所需的基礎(chǔ)理論知識及專業(yè)技術(shù)能力，在設(shè)計研究、工程建設(shè)、設(shè)備制造、運營等企事業(yè)單位，從事采暖、通風、空調(diào)、凈化、冷熱源、供熱、燃氣等方面的規(guī)劃設(shè)計、研發(fā)制造、施工安裝、運行管理及系統(tǒng)保障等技術(shù)或管理工作的復合型工程技術(shù)應用人才。建筑設(shè)備自動化是一門實踐應用性很強的課程，課程教學中應加強學生工程應用能力的培養(yǎng)?？赏ㄟ^以下三個方面強化實踐環(huán)節(jié)。

（一）實驗室建設(shè)

實驗室建設(shè)可以從兩方面著手： 一方面，可通過系統(tǒng)仿真進行虛擬實驗室的建設(shè)；另一方面，以實際空調(diào)系統(tǒng)形式為基礎(chǔ)，進而開展相應的控制系統(tǒng)硬件的實驗室建設(shè)。

建筑設(shè)備自動化課程的實驗室建設(shè)必須和其他專業(yè)課的專業(yè)實驗內(nèi)容相結(jié)合，如空調(diào)水系統(tǒng)的自控、變風量系統(tǒng)的自控、一次回風空調(diào)系統(tǒng)、自控系統(tǒng)等，應和各個專業(yè)課實驗室

建設(shè)有機統(tǒng)一起來。實驗教學的基本內(nèi)容可包含各種具體的暖通空調(diào)系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器的特性，控制規(guī)律的特性，控制參數(shù)的整定等。

（二）課程設(shè)計

課程設(shè)計是建筑設(shè)備自動化課程教學的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)直接關(guān)系到學生的實踐能力和綜合素質(zhì)?！兑?guī)范》也明確對指導教師提出了要求，要求承擔專業(yè)基礎(chǔ)課程或?qū)I(yè)課程教學的主講教師，同時要能夠承擔與課程相關(guān)的實驗課教學和課程設(shè)計的教學指導。

課程設(shè)計是培養(yǎng)學生學以致用的重要環(huán)節(jié)，也是課程教學的一個重要環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計可以激活學生的理論知識，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際和解決實際問題的綜合能力，為學生參加實際的設(shè)計和管理工作奠定良好基礎(chǔ)。

結(jié)合建筑設(shè)備自動化課程設(shè)計實踐，設(shè)計選題應與相應的空氣調(diào)節(jié)課程設(shè)計一并完成。通過課程設(shè)計切實提高建筑設(shè)備自動化課程教學水平和學生綜合能力[8]。

（三）認識實習

除實驗課外，還可以與從事相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)加強交流，組織學生實地參觀學習，爭取將企業(yè)建設(shè)成為學生實踐培訓基地。通過參觀建筑設(shè)備自動控制系統(tǒng)的實際工程，把相應的自動控制技術(shù)與具體建筑設(shè)備自動控制產(chǎn)品相結(jié)合，讓學生更直觀地了解建筑設(shè)備自動化的實際作用，以激發(fā)學生的學習興趣[9]。

四、結(jié)語

基于以上分析，建筑設(shè)備自動化課程內(nèi)容應分三部分：第一部分內(nèi)容為“承上”部分，應構(gòu)建與自動化控制課程的有效銜接，自動化控制課程的各種規(guī)律，包括雙位控制、PID控制、串級控制等，可借助暖通空調(diào)控制中的經(jīng)典案例進行分析；第二部分借助仿真軟件，進行經(jīng)典案例的仿真與討論；第三部分為常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動化監(jiān)控方式。

應該明確的是，以上是針對建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)本科生所構(gòu)建的建筑設(shè)備自動化課程內(nèi)容，需要注意的是，即使課程名稱相同，但當授課對象不同，其授課內(nèi)容也應該作相應調(diào)整。

建筑設(shè)備自動化課程教學中應引入相關(guān)仿真軟件，采用合適的學習形式，加深學生對課程知識的理解。還可適應互聯(lián)網(wǎng)時代的教學特點適當增加討論課，讓學生在互動中獲取更多的知識。

今后建筑設(shè)備自動化課程教學應根據(jù)實際教學需要，進一步完善適合各學校專業(yè)學生的課程講義、仿真案例等資料，加強實驗室建設(shè)，為相關(guān)專業(yè)課程教學提供良好

平臺。

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