建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學改革探索

楊亞龍

建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學改革探索

楊亞龍

根據(jù)建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學要求，分析了目前課程教學內(nèi)容、教學方法和實驗環(huán)節(jié)中存在的不足，通過更新教學內(nèi)容，增添多元化教學方法，調(diào)整課程實驗等手段，探索課程教學改革新方法。更以專業(yè)技能競賽為導向，強化課程實踐性教學環(huán)節(jié)，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高教學效果。

建筑電氣與智能化；建筑組態(tài)控制技術(shù)；教學改革

目前，我國正處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時期，智能建筑領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的嚴重匱乏阻礙了我國智能建筑、智慧城市技術(shù)的發(fā)展。為滿足社會發(fā)展對專業(yè)人才的需求，順應(yīng)智能建筑行業(yè)蓬勃的發(fā)展趨勢，2006年教育部和原建設(shè)部共同審核并批準了智能建筑新專業(yè)“建筑電氣與智能化”[1]，2012年，建筑電氣與智能化專業(yè)正式列入了教育部普通高等學校本科專業(yè)目錄[2]。安徽建筑大學是首批開辦此新興專業(yè)的高校之一，旨在為我國建筑電氣與智能化行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才。建筑組態(tài)控制技術(shù)是建筑電氣與智能化等專業(yè)一門非常重要的專業(yè)課程，它具有工程背景強、專業(yè)分類明顯、軟硬件結(jié)合等特點。組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具[3]。建筑組態(tài)控制技術(shù)是一門具有建筑領(lǐng)域、控制領(lǐng)域背景特色的軟件類課程，拓展了自動化軟件在行業(yè)特色領(lǐng)域的人才培養(yǎng)需求。2017年，我校按照高等學校建筑電氣與智能化專業(yè)指導委員會制定的專業(yè)規(guī)范對建筑電氣與智能化專業(yè)培養(yǎng)計劃進行了重新修訂，突出了建筑組態(tài)控制技術(shù)在建筑電氣與智能化領(lǐng)域應(yīng)用的重要性。本文對建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學進行了創(chuàng)新性探索，使其更符合社會對智能建筑領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的實踐需求，同時也豐富了建筑電氣與智能化專業(yè)的教學特色。

1 改革教學內(nèi)容，彰顯專業(yè)特色

教學內(nèi)容作為課程教學改革的首要任務(wù)，要根據(jù)教學目標的導向性，突出教學內(nèi)容的針對性、實用性[4]。組態(tài)控制技術(shù)作為電氣、自動化及其相關(guān)專業(yè)選修的重要特色課程，是一門以應(yīng)用為主的工程類技術(shù)課程。同時在該課程中學生需要熟悉掌握并使用組態(tài)軟件。組態(tài)軟件可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制。InTouch軟件是最早進入中國的國外組態(tài)軟件，其是為以工廠和操作人員為中心的制造信息系統(tǒng)提供的可視化工具。UScada是國內(nèi)著名的免費組態(tài)軟件，專門為中小自動化企業(yè)提供監(jiān)控方案。Kingview是亞控科技根據(jù)當前自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，面向低端自動化應(yīng)用市場，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標而開發(fā)的一套產(chǎn)品。目前這些軟件產(chǎn)品都具有較強的工業(yè)特性，很少涉及智能建筑領(lǐng)域的運行監(jiān)控，不適合建筑電氣與智能化這一特色專業(yè)的教學。同時，由于現(xiàn)有教材內(nèi)容偏重組態(tài)軟件的使用介紹，缺乏對建筑領(lǐng)域的應(yīng)用案例分析，容易造成學生無法將掌握的專業(yè)知識通過組態(tài)軟件靈活的加以實現(xiàn)，不利于學生的特色培養(yǎng)。針對這些問題，首先，本文作者積極申報承擔了《建筑組態(tài)控制技術(shù)》一書的主編工作，該教材入選高等教育土建類學科專業(yè)“十三五”規(guī)劃教材。課程教學將國內(nèi)外建筑組態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展動態(tài)、國內(nèi)外行業(yè)新規(guī)范、新標準整理歸納到教學內(nèi)容中，同時增加了建筑領(lǐng)域的組態(tài)軟件應(yīng)用的各種實際案例，讓學生能較好的將理論與實踐相結(jié)合；其次，注重教學的目的性和適用性，針對組態(tài)軟件專業(yè)性不強的問題，根據(jù)專業(yè)教學需求對組態(tài)軟件進行二次開發(fā)，例如增加豐富的建筑圖元庫，開發(fā)軟件與建筑領(lǐng)域常用總線接口等，使組態(tài)軟件能更好的應(yīng)用于智能建筑及相關(guān)領(lǐng)域，通過該軟件的學習，學生能直觀快速的進行設(shè)備監(jiān)控的開發(fā)，充分發(fā)揮所學的專業(yè)知識進行工程設(shè)計。

2 完善教學方法，提升教學質(zhì)量

教學方法是教授方法與學習方法的統(tǒng)一。在教學過程中為解決本課程應(yīng)用性強，不易理解掌握等問題，在授課時采取多種有效的教學方式，并在課前認真準備，課后評估教學結(jié)果。

建筑組態(tài)控制技術(shù)是一門應(yīng)用性很強的課程，傳統(tǒng)教學方法中，教師在教學過程中處于主導地位，學生一直處于被動接收知識的狀態(tài)，很難充分理解該課程的內(nèi)容，降低了學生學習積極性且學生的創(chuàng)造能力無法得以體現(xiàn)與提升，使得教學效率低下。普通教學方式顯然不再滿足新型人才的專業(yè)知識需求，結(jié)合建筑施工現(xiàn)場實際進行教學，雖然能提高學生學習興趣但存在一定的危險性，同時在較少的課時內(nèi)，讓學生走進現(xiàn)場學習對完成教學內(nèi)容具有一定的困難。

為此本文在建筑組態(tài)技術(shù)課程教學中嘗試采用了以下幾種教學方式，取得了良好的教學效果：

(1)合理采用多媒體教學手段，包括3D動畫，建筑施工現(xiàn)場視頻等，多維度動態(tài)展現(xiàn)智能建筑系統(tǒng)中組態(tài)軟件的實際應(yīng)用案例，在提高了學生學習積極性的同時，也豐富了課堂教學的信息量。

(2)邀請公司相關(guān)技術(shù)人員開展講座講解智能建筑領(lǐng)域工程中組態(tài)軟件的應(yīng)用案例與技巧，并為學生答疑解惑。

(3)開展分組討論和編程設(shè)計。讓學生主動搜索該技術(shù)領(lǐng)域知識，并在課堂上闡述自身觀點，以組為單位將一些小案例快速編程實現(xiàn)，不僅學生自主學習能力得到鍛煉，而且有效提升學生合作能力與默契。

(4)結(jié)合建筑案例教學，加強課程學習的延續(xù)性，鞏固與掌握學科基礎(chǔ)課程核心知識點。例如：建筑供配電與照明、建筑設(shè)備、建筑電氣控制技術(shù)是建筑電氣與智能化專業(yè)的專業(yè)核心課程，這些核心課程所學的核心知識點可以通過組態(tài)軟件形象生動的加以展示。學生通過建筑組態(tài)控制技術(shù)課程的學習，能進一步鞏固專業(yè)基礎(chǔ)課程，加深對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解。

(5)因為組態(tài)軟件可以進行網(wǎng)絡(luò)版開發(fā)等特有的優(yōu)勢，課程教學可以引入MOOC課程、翻轉(zhuǎn)課堂等先進的教學方式與理念。在課堂上沒有解決的問題，可以利用課后時間在網(wǎng)絡(luò)上與學生進行編程交流、成果檢查，實時提出修改建議，開展互動。

通過靈活選用多種教學方式，將原本抽象的應(yīng)用型技術(shù)知識更加具體形象地展示在學生面前，讓學生們對理論知識理解更深刻，理論與應(yīng)用的結(jié)合使得學有所用，學有所得，學生掌握學習的主動性，同時可充分激發(fā)學生學習的興趣與創(chuàng)造力。

3 強化實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)工程能力

任何理論學習不經(jīng)過實踐都不能充分發(fā)揮其知識的魅力。建筑組態(tài)控制技術(shù)設(shè)置了豐富的課程實驗教學環(huán)節(jié)，利用組態(tài)軟件編程實現(xiàn)對建筑設(shè)備系統(tǒng)的運行仿真，強化學生對理論知識的理解，提高學生動手能力，激發(fā)學生創(chuàng)造力。學生通過課程掌握組態(tài)軟件的基本概念和主要內(nèi)容后，學會使用組態(tài)軟件對智能建筑各監(jiān)控子系統(tǒng)進行設(shè)計，并掌握設(shè)計方法和設(shè)計技巧。目前我校建筑組態(tài)控制技術(shù)課程開設(shè)實驗有：給排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、供配電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、電梯監(jiān)控設(shè)計與實現(xiàn)等實驗，如圖1為照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗示意圖。通過實驗，學生運用組態(tài)軟件對智能建筑各子系統(tǒng)進行監(jiān)控仿真，將所學專業(yè)課知識加以融合貫通，深入理解。

圖1 照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗示意圖

新穎全面的實驗環(huán)節(jié)設(shè)置，大大提高了學生工程實踐能力，但受制于實驗條件的限制，實驗過程主要以仿真環(huán)節(jié)為主，而在實際工程中關(guān)于總線的合理選用以及I/O設(shè)備驅(qū)動設(shè)置這些環(huán)節(jié)，學生仍不能充分理解和掌握，成為制約部分學有余力的學生實踐能力提高的難題。為此，建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學結(jié)合我校2014年獲批建設(shè)的樓宇控制與節(jié)能優(yōu)化國家級實驗教學示范中心以及一年一度的由高等學校建筑電氣與智能化專業(yè)指導委員會主辦的全國大學生智能建筑工程實踐技能競賽。競賽中有大量的組態(tài)軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，要求通過組態(tài)軟件對智能建筑子系統(tǒng)進行監(jiān)控仿真，同時在硬件設(shè)施上進行實際操作。學生可依據(jù)競賽規(guī)則先進行需求分析然后進行系統(tǒng)設(shè)計、做出設(shè)計方案；硬件設(shè)施上需做好設(shè)備選型，其中包括設(shè)備對應(yīng)連接的總線類型，完成設(shè)備安裝；軟件系統(tǒng)上，通過組態(tài)軟件界面編寫I/O接口程序，通過與總線網(wǎng)絡(luò)的連接實現(xiàn)計算機遠程監(jiān)控。樓宇控制與節(jié)能優(yōu)化國家級實驗教學示范中心有針對性的開發(fā)了一系列類似的軟硬件結(jié)合的創(chuàng)新型實驗項目，學生可在實驗室專設(shè)的模擬平臺上按需搭建所設(shè)計的智能建筑子系統(tǒng)并進行調(diào)試運行。如圖2為實驗教學示范中心建筑二次供水運行監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新型實驗系統(tǒng)架構(gòu)，圖3為建筑二次供水運行監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新型實驗組態(tài)軟件設(shè)計界面；現(xiàn)場設(shè)備層由壓力、液位和流量傳感器等組成，采集數(shù)據(jù)并通過PLC處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸層的接入設(shè)備中；數(shù)據(jù)傳輸層采用總線/光纖方式將采集到的實時數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)傳輸?shù)街醒肟刂茖樱瑫r將中央控制層設(shè)置的運行參數(shù)下發(fā)到現(xiàn)場設(shè)備層的PLC中；中央控制層作為該系統(tǒng)的核心層，通過服務(wù)器對傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析和存儲，使用組態(tài)軟件實時監(jiān)控整個系統(tǒng)，能夠?qū)Ξa(chǎn)生的故障及時報警，并下達控制命令，從而保證系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)建筑二次供水運行監(jiān)控系統(tǒng)的智能化管理。

目前實驗教學示范中心開設(shè)的組態(tài)軟件相關(guān)的創(chuàng)新型實驗項目有二十余項，包括給排水、供配電、照明、視頻監(jiān)控、周界安防報警、消防聯(lián)動、多表遠傳等子系統(tǒng)，學生在學習與設(shè)計的過程中不僅熟練掌握了組態(tài)軟件，對總線技術(shù)也有了更深層次的理解。該創(chuàng)新型實驗平臺除用于學生自主學習、競賽培養(yǎng)外，也可供低年級學生學習參觀，加強專業(yè)知識的感性認識。

圖2 建筑二次供水運行監(jiān)控創(chuàng)新型實驗系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 建筑二次供水運行監(jiān)控創(chuàng)新型實驗組態(tài)軟件設(shè)計界面

創(chuàng)新型實驗平臺使學生必須深諳理論知識才能設(shè)計出具有創(chuàng)新點的設(shè)計方案，當然此種方法已見成效，我校建筑電氣與智能化專業(yè)學生連續(xù)多年在全國大學生智能建筑工程實踐技能競賽中取得優(yōu)異成績，多次獲得團體賽特等獎、一等獎及個人賽一、二等獎。

4 結(jié)論與展望

建筑組態(tài)控制技術(shù)作為建筑電氣與智能化專業(yè)一門具有較強應(yīng)用性的課程，與其他專業(yè)課程知識緊密相連。通過教學實踐證明，改善教學內(nèi)容，合理選用多元化教學方法，能夠有效提升學生綜合能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和探索意識，對其在日后就業(yè)打下堅實基礎(chǔ)具有重要意義。此外，隨著智慧城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)有望在建筑及其相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，筆者也在探索將VR技術(shù)應(yīng)用于本課程教學，豐富教學手段，提高教學效果。

[1] “建筑電氣與智能化”專業(yè)人才的教育與培養(yǎng)[J]. 智能建筑與城市信息, 2008, (05): 114-115.

[2] 全國高等學校建筑電氣與智能化學科專業(yè)指導小組. 建筑電氣與智能化專業(yè)規(guī)范[Z]. 2014.

[3] 李平. CDIO教學模式在“工控組態(tài)軟件”課程中的應(yīng)用[J]. 教育理論與實踐, 2016, (24): 63-64.

[4] 李志義. 適應(yīng)認證要求 推進工程教育教學改革[J]. 中國大學教學, 2014, (06): 9-16.

責任編輯：劉海濤

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1673-1794(2017)02-0115-03

楊亞龍，安徽建筑大學電子與信息工程學院副教授，博士(合肥 230022)。

安徽省重點教研項目：建筑電氣與智能化專業(yè)開放式虛擬實驗教學系統(tǒng)研究 (2015jyxm246)；樓宇控制與節(jié)能優(yōu)化國家級實驗教學示范中心建設(shè)項目

2017-02-07