建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)自動控制原理課程教學(xué)改革探索

摘要：針對暖通空調(diào)行業(yè)發(fā)展對自動控制技術(shù)需求及專業(yè)人才培養(yǎng)定位，北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)開展了自動控制原理課程教學(xué)內(nèi)容、教材、實(shí)驗環(huán)節(jié)等方面的教學(xué)改革，加強(qiáng)了課程與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，以

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；建筑環(huán)境與設(shè)備工程；教學(xué)改革；教材

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）01-0094-04

在科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程中，自動控制技術(shù)一直起著極其重要的作用。隨著城市建筑向大面積、高層、多功能、智能化、綜合性的趨勢發(fā)展，自動控制技術(shù)在建筑行業(yè)的暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛。建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（Building Automation System 簡稱BAS）是實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部設(shè)備（包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等）高效運(yùn)行，創(chuàng)造安全舒適工作或居住環(huán)境的重要保證。

據(jù)調(diào)查，國內(nèi)已投入使用的BAS系統(tǒng)多數(shù)僅能完成設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)檢測、設(shè)備的啟/停控制等基本功能，真正實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的很少，離節(jié)能的目標(biāo)更是相差甚遠(yuǎn)。其中一個重要原因是負(fù)責(zé)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行管理的技術(shù)人員不了解BAS及相關(guān)技術(shù)對自己專業(yè)技術(shù)所起的作用，而設(shè)計、施工BAS的電氣、自控專業(yè)人員又不了解暖通空調(diào)工藝，不知道實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)控制的最優(yōu)解決方案。為了滿足建筑智能化技術(shù)的推廣以及引進(jìn)、消化、吸收，促進(jìn)該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要培養(yǎng)具有暖通空調(diào)學(xué)科與電控學(xué)科交叉知識的復(fù)合型人才。基于行業(yè)發(fā)展需求，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)指導(dǎo)委員會在培養(yǎng)方案指導(dǎo)意見中將自動控制原理課程設(shè)置為專業(yè)基礎(chǔ)課程。

一、課程特點(diǎn)以及教學(xué)改革思路

自動控制原理是控制理論與工程技術(shù)相結(jié)合的一門課程，它研究自動控制和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般性規(guī)律。該課程的主要特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象、涉及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識較多、公式和圖形多，推導(dǎo)復(fù)雜[1]。很多學(xué)生看不清這些理論與專業(yè)內(nèi)容的關(guān)系，誤認(rèn)為該課程是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)課程，容易產(chǎn)生畏難心理。

近3年，作者采用網(wǎng)上瀏覽、實(shí)地調(diào)研、與畢業(yè)生交流等手段調(diào)查了國內(nèi)30余所高校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)自動控制原理課程教學(xué)情況，調(diào)查內(nèi)容主要包括開課教師情況、課程學(xué)時、選用教材、學(xué)生學(xué)習(xí)效果等內(nèi)容。

分析調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其中25所學(xué)校是由自動控制專業(yè)的教師為建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)自動控制原理課程授課，有5所學(xué)校是由建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教師進(jìn)行授課。因總學(xué)時的壓縮，19所院校課程為40學(xué)時，6所學(xué)校為32學(xué)時，5所學(xué)校為48學(xué)時，10所高校直接選用自動控制專業(yè)所選教材，18所學(xué)校選用《自動控制原理（非自動化專業(yè)）》教材，2所學(xué)校采用自編教材。由于課程學(xué)時設(shè)置不同，各校講授課程的內(nèi)容體系、深度、廣度各不相同，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度太大，效果不好，沒有很好地實(shí)現(xiàn)開設(shè)自動控制原理課程的目的。

與不同院校畢業(yè)生交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不好的主要原因為：其一，課程理論性較強(qiáng)，涉及知識點(diǎn)較多，數(shù)學(xué)公式多、教師往往把過多時間和精力集中于原理講解和公式推導(dǎo)，忽略了理論知識與自動控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例的結(jié)合，弱化了課程作為建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)基礎(chǔ)課程的作用；其二，由自動控制專業(yè)教師講授課程難以將自動控制技術(shù)理論與暖通空調(diào)領(lǐng)域的專業(yè)工程應(yīng)用案例充分結(jié)合，課程內(nèi)容與專業(yè)應(yīng)用脫鉤，學(xué)生對學(xué)習(xí)課程的必要性、重要性和實(shí)用性認(rèn)識模糊。而建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教師對課程的教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)深度難以把握，沒有一個標(biāo)準(zhǔn)以作衡量。此外，建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不如電類專業(yè)學(xué)生好，學(xué)習(xí)課程相關(guān)數(shù)學(xué)知識難度大，因此學(xué)生興趣不高；其三，課程實(shí)驗環(huán)節(jié)不足或者作用發(fā)揮不明顯。多數(shù)學(xué)校沒有針對建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)地設(shè)置課程對應(yīng)的實(shí)驗環(huán)節(jié)，部分院校只是簡單選擇部分自控專業(yè)部分實(shí)驗內(nèi)容，沒有充分考慮暖通空調(diào)領(lǐng)域控制對象的特點(diǎn)，控制器的設(shè)計脫離被控對象，課程實(shí)驗環(huán)節(jié)在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、綜合分析問題能力和創(chuàng)新能力等方面顯得不足，難以充分發(fā)揮實(shí)驗課對培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力的作用。

二、課程的教學(xué)改革實(shí)踐

北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)根據(jù)專業(yè)指導(dǎo)委員會擬訂的建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容、課程體系、總體框架， 結(jié)合社會與專業(yè)發(fā)展需求，對教學(xué)計劃、課程體系進(jìn)行拓寬和更新。由于自動控制原理是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)跨專業(yè)的基礎(chǔ)課程，為順應(yīng)建筑智能化發(fā)展對人才培養(yǎng)要求，學(xué)校從課程教學(xué)內(nèi)容、教材建設(shè)、實(shí)驗環(huán)節(jié)等方面開展了研究和探索，對課程的基礎(chǔ)理論與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了優(yōu)化。

（一）結(jié)合行業(yè)發(fā)展需求和建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)定位優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)培養(yǎng)暖通空調(diào)學(xué)科和電控類學(xué)科交叉復(fù)合型人才的目的是應(yīng)用自動控制知識和技術(shù)為建筑設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)，而不是開發(fā)自動控制系統(tǒng)。《注冊公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)）執(zhí)業(yè)資格考試基礎(chǔ)考試大綱》中已經(jīng)將自動控制原理列入考試課程范圍。大綱中明確要求熟悉空調(diào)自動控制方法及運(yùn)行調(diào)節(jié)。考慮到建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)要求自控知識的難度和深度，根據(jù)專業(yè)指導(dǎo)委員會擬訂的《建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容、課程體系》總體框架要求，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)學(xué)生在自動控制方面只需達(dá)到初步掌握自動控制的基本原理，能夠準(zhǔn)確提出該專業(yè)對自控的要求，正確繪制自動控制原理圖，并能配合自控技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試。基于專業(yè)人才培養(yǎng)定位，同時考慮到經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論適用于暖通空調(diào)與制冷設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行，課程教學(xué)內(nèi)容以常規(guī)線性控制理論為基礎(chǔ)，主要介紹自動控制系統(tǒng)四個模塊（調(diào)節(jié)對象、測量裝置、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器）的原理、特性以及應(yīng)用，讓學(xué)生掌握位式調(diào)節(jié)， P、I、PI、PID 控制方式的原理； 掌握拉氏變換并能夠運(yùn)用該種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的特性分析；熟悉執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用與計算，能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)閥選擇；掌握PID 計算機(jī)控制式的推導(dǎo)和應(yīng)用。學(xué)生了解計算機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識，包括系統(tǒng)類型、脈沖信號采集采樣控制理論、計算機(jī)控制系統(tǒng)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用。

（二）編制適用于建筑環(huán)境設(shè)備工程專業(yè)的自動控制原理課程教材

目前，沒有專門作為建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)（如熱能動力工程專業(yè)）本科生學(xué)習(xí)自動控制原理的教材。《自動控制原理》教材對于建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)本科生學(xué)習(xí)難度大，這些教材內(nèi)容與專業(yè)內(nèi)容聯(lián)系很少，而且學(xué)生沒有必要學(xué)習(xí)自動控制理論的全部內(nèi)容[2]。

北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)在暖通空調(diào)自控、建筑智能化相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)、工程設(shè)計、科學(xué)研究方面積累了豐富的經(jīng)驗。2009年，圍繞自動控制原理課程的教學(xué)改革，筆者成功申請了北京市精品教材建設(shè)立項。在總結(jié)多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗和注意吸取當(dāng)前暖通空調(diào)自控方面的新技術(shù)、新成果基礎(chǔ)上，主編的《建筑設(shè)備自動控制原理》于2011年由機(jī)械工業(yè)出版社出版。

該教材的主要特點(diǎn)有：（1）以經(jīng)典控制理論為主，介紹自動控制系統(tǒng)四個模塊（調(diào)節(jié)對象、測量裝置、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器）的原理、特性以及應(yīng)用，在各模塊知識基礎(chǔ)上，介紹控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、時域響應(yīng)、頻域響應(yīng)以及穩(wěn)定性判斷內(nèi)容，此外，教材還包含計算機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)知識。（2）書中給出的案例充分結(jié)合與暖通空調(diào)行業(yè)工程應(yīng)用，有助于加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解，為學(xué)生今后的相關(guān)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。（3）教材內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)部分和提高部分，適應(yīng)32～48學(xué)時教學(xué)需求，教師可以根據(jù)實(shí)際學(xué)時選擇教學(xué)內(nèi)容，也可結(jié)合實(shí)際授課的情況進(jìn)行補(bǔ)充。

（三）強(qiáng)化課程實(shí)驗環(huán)節(jié)建設(shè)并開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗裝置

在理論教學(xué)改革的同時，從改革實(shí)驗教學(xué)模式入手，逐漸由以“教”為中心的教學(xué)模式向以“學(xué)”為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)化，優(yōu)化實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)驗教學(xué)方法，努力提高實(shí)驗教學(xué)水平。根據(jù)課程的教學(xué)內(nèi)容，以自動控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗環(huán)節(jié)，主要包括：（1）傳感器特性實(shí)驗；（2）調(diào)節(jié)對象特性實(shí)驗；（3）調(diào)節(jié)器特性實(shí)驗；（4）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗，共8學(xué)時。實(shí)驗環(huán)節(jié)全部是綜合性實(shí)驗。結(jié)合專業(yè)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)研制開發(fā)了自動控制原理的實(shí)驗設(shè)備“多功能風(fēng)機(jī)盤管自控實(shí)驗臺”， 實(shí)驗裝置以暖通空調(diào)系統(tǒng)為調(diào)節(jié)對象，促使學(xué)生將專業(yè)空調(diào)理論與自控原理相聯(lián)系，鞏固專業(yè)知識，促使學(xué)生思考建環(huán)專業(yè)中所涉及的暖通空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該如何自控運(yùn)行。目前，該裝置已連續(xù)使用6年，并已經(jīng)推廣到國內(nèi)多所院校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)應(yīng)用。實(shí)驗裝置填補(bǔ)了建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)自控實(shí)驗設(shè)備的空白，有關(guān)成果已經(jīng)申請國家專利。

（四）注重課程體系建設(shè)和師資隊伍建設(shè)

北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)在培養(yǎng)方案中設(shè)置建筑電氣電控工程類系列課程，包括： 電工技術(shù)、電子技術(shù)、建筑環(huán)境測試技術(shù)、自動控制原理、建筑照明與電氣控制、微機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用、建筑設(shè)備自動化[3]。在自動控制原理課程建設(shè)中，充分注意結(jié)合相關(guān)系列課程建設(shè)，注意課程講授知識點(diǎn)與相關(guān)課程，如建筑設(shè)備自動化、建筑照明與電氣控制、建筑環(huán)境測試技術(shù)的合理銜接，形成完整的建筑電氣電控工程類系列課程體系。

目前，國內(nèi)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教師構(gòu)成基本以暖通、熱能、制冷專業(yè)畢業(yè)生為主，自控專業(yè)的畢業(yè)生普遍不愿意到暖通類專業(yè)任教。結(jié)合自動控制原理課程改革，鼓勵專業(yè)教師到自控專業(yè)有選擇性地進(jìn)修相關(guān)知識，到自控公司或者設(shè)計院進(jìn)行工程鍛煉。此外，利用社會人才資源， 通過聘請兼職教師、開辦建筑設(shè)備自動化技術(shù)論壇、講座等形式，提高師資隊伍教學(xué)水平。

三、課程教學(xué)改革實(shí)踐的成果

多年來，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)堅持開展以自動控制原理課程建設(shè)為核心跨學(xué)科培養(yǎng)復(fù)合型、應(yīng)用型人才教學(xué)改革，在教材編寫、教案整理過程中，將學(xué)術(shù)帶頭人的研究與培養(yǎng)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)特色人才有機(jī)結(jié)合。通過課程內(nèi)容的整合和教材編寫，完成學(xué)生自動控制理論基礎(chǔ)知識的鋪墊；通過研發(fā)設(shè)備和設(shè)置實(shí)驗實(shí)踐環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對課程的了解，鞏固基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。理論知識到實(shí)踐應(yīng)用有機(jī)結(jié)合有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效果和動手能力。

經(jīng)過多年的努力，課程改革取得良好的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)從事樓宇自控方向畢業(yè)生比例逐漸增大。基于該課程建設(shè)所研發(fā)的風(fēng)機(jī)盤管自控實(shí)驗臺在2008年獲教育部高等院校實(shí)驗室建設(shè)指導(dǎo)委員會首屆自制教學(xué)儀器設(shè)備成果獎；以自動控制原理課程改革為主要內(nèi)容的“建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐”2008年獲北京工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教育教學(xué)成果獎一等獎。建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)培養(yǎng)暖通空調(diào)學(xué)科和電控類學(xué)科交叉復(fù)合型人才的專業(yè)辦學(xué)特色在2006年和2011年住建部專業(yè)教學(xué)質(zhì)量評估中得到評估專家一致肯定。北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)在2008年和2009年分別被批準(zhǔn)為北京市和教育部特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

四、結(jié)語

北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)結(jié)合培養(yǎng)暖通空調(diào)與電控學(xué)科復(fù)合型人才的培養(yǎng)定位和行業(yè)需求開展了自動控制原理課程教學(xué)改革。建立了自動控制原理的理論教學(xué)體系，并編寫出版教材。研發(fā)的實(shí)驗設(shè)備用于課程實(shí)驗教學(xué)。通過教學(xué)內(nèi)容、課程體系、實(shí)踐環(huán)節(jié)、教材編寫等環(huán)節(jié)的建設(shè)，強(qiáng)化了課程建設(shè)與專業(yè)工程實(shí)踐的聯(lián)系，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過多年實(shí)踐，自動控制原理課程改革促進(jìn)了專業(yè)辦學(xué)特色的形成，為國內(nèi)高校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)培養(yǎng)具有暖通空調(diào)與電控學(xué)科交叉學(xué)科知識的復(fù)合型專業(yè)人才作出了積極的探索和有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝莉萍，陳瑋，章云.精品課程“自動控制原理”的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2008，8（2）：31-33.

[2] 李士哲，趙征，王印松.對非自動化專業(yè)“自動控制原理”教學(xué)效果的思考[J].中國電力教育，2011（31）：31-32.

[3] 李炎鋒，賈衡，孫育英，等.建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)建設(shè)智能建筑控制輔修課程體系的研究與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2007，16（1）：9-84.

Teaching reform of automatic control theory course for building environment and facilities engineering specialty

LI Yan-feng， SUN Yu-ying， BIAN Jiang， XIE Jing-chao， LI Jun-mei

（College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， P. R. China）

Abstract：The status and problems of automatic control principle course teaching for building environment and facilities engineering （BEFE） specialty in many colleges were investigated and analyzed. According to requirements of automatic control technology for the development of heating ventilation and air conditioning and the personnel training orientation， several teaching reform measures for automatic control principle course including basic content， teaching material， and experiment system have been taken in BEFE specialty of Beijing University of Technology. The relation between the course content and BEFE engineering practice was enhanced and students’ positivity of course learning was motivated. The teaching effect and talent training quality were improved.

Keywords：automatic control principle； building environment and facilities engineering specialty； teaching reform； teaching material

（編輯 梁遠(yuǎn)華）