楊亞龍

建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學(xué)改革探索

楊亞龍

根據(jù)建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學(xué)要求，分析了目前課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中存在的不足，通過更新教學(xué)內(nèi)容，增添多元化教學(xué)方法，調(diào)整課程實(shí)驗(yàn)等手段，探索課程教學(xué)改革新方法。更以專業(yè)技能競賽為導(dǎo)向，強(qiáng)化課程實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高教學(xué)效果。

建筑電氣與智能化；建筑組態(tài)控制技術(shù)；教學(xué)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(yán)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(zhǔn)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(xué)校本科專業(yè)目錄[2]。安徽建筑大學(xué)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(qiáng)、專業(yè)分類明顯、軟硬件結(jié)合等特點(diǎn)。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(xué)校建筑電氣與智能化專業(yè)指導(dǎo)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(jì)劃進(jìn)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(xué)進(jìn)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(shí)踐需求，同時也豐富了建筑電氣與智能化專業(yè)的教學(xué)特色。

1 改革教學(xué)內(nèi)容，彰顯專業(yè)特色

教學(xué)內(nèi)容作為課程教學(xué)改革的首要任務(wù)，要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的導(dǎo)向性，突出教學(xué)內(nèi)容的針對性、實(shí)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(xué)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(jìn)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(fèi)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(dāng)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(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)而開發(fā)的一套產(chǎn)品。目前這些軟件產(chǎn)品都具有較強(qiáng)的工業(yè)特性，很少涉及智能建筑領(lǐng)域的運(yùn)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(xué)。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(xué)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(shí)現(xiàn)，不利于學(xué)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(dān)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(xué)科專業(yè)“十三五”規(guī)劃教材。課程教學(xué)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(biāo)準(zhǔn)整理歸納到教學(xué)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(shí)際案例，讓學(xué)生能較好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合；其次，注重教學(xué)的目的性和適用性，針對組態(tài)軟件專業(yè)性不強(qiáng)的問題，根據(jù)專業(yè)教學(xué)需求對組態(tài)軟件進(jìn)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(xué)習(xí)，學(xué)生能直觀快速的進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控的開發(fā)，充分發(fā)揮所學(xué)的專業(yè)知識進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

2 完善教學(xué)方法，提升教學(xué)質(zhì)量

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

建筑組態(tài)控制技術(shù)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)教學(xué)方法中，教師在教學(xué)過程中處于主導(dǎo)地位，學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)積極性且學(xué)生的創(chuàng)造能力無法得以體現(xiàn)與提升，使得教學(xué)效率低下。普通教學(xué)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(shí)際進(jìn)行教學(xué)，雖然能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣但存在一定的危險性，同時在較少的課時內(nèi)，讓學(xué)生走進(jìn)現(xiàn)場學(xué)習(xí)對完成教學(xué)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(xué)中嘗試采用了以下幾種教學(xué)方式，取得了良好的教學(xué)效果：

(1)合理采用多媒體教學(xué)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(shí)際應(yīng)用案例，在提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時，也豐富了課堂教學(xué)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(xué)生答疑解惑。

(3)開展分組討論和編程設(shè)計(jì)。讓學(xué)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(diǎn)，以組為單位將一些小案例快速編程實(shí)現(xiàn)，不僅學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力得到鍛煉，而且有效提升學(xué)生合作能力與默契。

(4)結(jié)合建筑案例教學(xué)，加強(qiáng)課程學(xué)習(xí)的延續(xù)性，鞏固與掌握學(xué)科基礎(chǔ)課程核心知識點(diǎn)。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(xué)的核心知識點(diǎn)可以通過組態(tài)軟件形象生動的加以展示。學(xué)生通過建筑組態(tài)控制技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，能進(jìn)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?yàn)榻M態(tài)軟件可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)版開發(fā)等特有的優(yōu)勢，課程教學(xué)可以引入MOOC課程、翻轉(zhuǎn)課堂等先進(jìn)的教學(xué)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(xué)生進(jìn)行編程交流、成果檢查，實(shí)時提出修改建議，開展互動。

通過靈活選用多種教學(xué)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(xué)生面前，讓學(xué)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(xué)有所用，學(xué)有所得，學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的主動性，同時可充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與創(chuàng)造力。

3 強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)工程能力

任何理論學(xué)習(xí)不經(jīng)過實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，利用組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)對建筑設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行仿真，強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生動手能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力。學(xué)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(xué)會使用組態(tài)軟件對智能建筑各監(jiān)控子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并掌握設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)技巧。目前我校建筑組態(tài)控制技術(shù)課程開設(shè)實(shí)驗(yàn)有：給排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、電梯監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)，如圖1為照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)示意圖。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生運(yùn)用組態(tài)軟件對智能建筑各子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控仿真，將所學(xué)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(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)示意圖

新穎全面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置，大大提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力，但受制于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)過程主要以仿真環(huán)節(jié)為主，而在實(shí)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(xué)生仍不能充分理解和掌握，成為制約部分學(xué)有余力的學(xué)生實(shí)踐能力提高的難題。為此，建筑組態(tài)控制技術(shù)課程教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心以及一年一度的由高等學(xué)校建筑電氣與智能化專業(yè)指導(dǎo)委員會主辦的全國大學(xué)生智能建筑工程實(shí)踐技能競賽。競賽中有大量的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求通過組態(tài)軟件對智能建筑子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控仿真，同時在硬件設(shè)施上進(jìn)行實(shí)際操作。學(xué)生可依據(jù)競賽規(guī)則先進(jìn)行需求分析然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、做出設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。樓宇控制與節(jié)能優(yōu)化國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室專設(shè)的模擬平臺上按需搭建所設(shè)計(jì)的智能建筑子系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。如圖2為實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建筑二次供水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)，圖3為建筑二次供水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)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(shí)時數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳輸?shù)街醒肟刂茖?，同時將中央控制層設(shè)置的運(yùn)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(jìn)行分析和存儲，使用組態(tài)軟件實(shí)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(dá)控制命令，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)建筑二次供水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的智能化管理。

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開設(shè)的組態(tài)軟件相關(guān)的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有二十余項(xiàng)，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(yuǎn)傳等子系統(tǒng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺除用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、競賽培養(yǎng)外，也可供低年級學(xué)生學(xué)習(xí)參觀，加強(qiáng)專業(yè)知識的感性認(rèn)識。

圖2 建筑二次供水運(yùn)行監(jiān)控創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 建筑二次供水運(yùn)行監(jiān)控創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)界面

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺使學(xué)生必須深諳理論知識才能設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)然此種方法已見成效，我校建筑電氣與智能化專業(yè)學(xué)生連續(xù)多年在全國大學(xué)生智能建筑工程實(shí)踐技能競賽中取得優(yōu)異成績，多次獲得團(tuán)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(qiáng)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(xué)實(shí)踐證明，改善教學(xué)內(nèi)容，合理選用多元化教學(xué)方法，能夠有效提升學(xué)生綜合能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索意識，對其在日后就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)(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(xué)，豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)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(xué)校建筑電氣與智能化學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)小組. 建筑電氣與智能化專業(yè)規(guī)范[Z]. 2014.

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

[4] 李志義. 適應(yīng)認(rèn)證要求 推進(jìn)工程教育教學(xué)改革[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2014, (06): 9-16.

責(zé)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(xué)電子與信息工程學(xué)院副教授，博士(合肥 230022)。

安徽省重點(diǎn)教研項(xiàng)目：建筑電氣與智能化專業(yè)開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究 (2015jyxm246)；樓宇控制與節(jié)能優(yōu)化國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目

2017-02-07