建筑設備自動化課程教學方法探討

李祥立　李蘆鈺　舒海文

摘要：建筑設備自動化是建筑環境與能源應用工程專業的主干課程之一。該課程內容較繁雜，對此，文章提出該課程教學的新方法和新思路。在課程體系的設置上，將教學內容合理地分解，對互相關聯性很強的內容分出層次；采用互動式教學方法，使學生能主動參與到教學過程中；將理論與實踐緊密地結合起來，提高學生學習的積極性和創造性。

關鍵詞：建筑設備自動化；互動式教學；課程體系；教學研究

中圖分類號：G640；TU6 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2015）04008703

建筑環境與能源應用工程專業，簡稱建環專業，該專業是土建領域高級人才培養和科技發展的重要支撐。截至2011年，全國已有181所高校設有建環專業＼[1＼]。2012年普通高等學校本科專業目錄中把建筑智能設施（部分）和建筑節能技術與工程兩個專業納入建環專業，專業范圍擴展為建筑環境控制、城市燃氣應用、建筑節能、建筑設施智能技術等領域。建筑自動化課程為其主干專業課程之一，對學生深入了解建筑設備自動控制系統起著重要的作用，也為今后從事建筑環境與設備的研究工作打下堅實的基礎。該課程的特點是教學內容多、關聯性學科和知識也較多，涉及很多建環專業學生不太熟悉的領域，教學難度較大。筆者以多年的教學體會，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合案例的互動式教學方式能夠達到比較好的教學效果，設計合適的案例并采用適宜的教學手段是提高教學效果的關鍵。本文從教學實踐經驗出發，設計3個易于操作的教學實例，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、無線網絡等操作工具進行互動講解。此外，對復雜的建筑設備系統，給學生留出一定的拓展空間，以課后訓練和課堂討論的形式完成。教學實踐證明，采用該教學方式取得了較好的教學效果。

一、教學內容的調整與整合

建筑設備自動化是建筑環境與設備專業的一門主干課程，它的主要任務是通過各個教學環節，運用各種教學方法，使學生系統地掌握建筑設備自動化系統的基本概念、控制原理的初步知識以及雙位控制、PID控制等控制調節方法，建筑熱濕環境的控制方法，設備與系統的控制方法，并從整體設計出發了解建筑自動化系統的通信技術、設計過程、分析整定方法和關鍵問題。

建筑設備自動化系統實際上是一套中央監控系統。它通過對建筑物（或建筑群）內的各種電力設備、空調設備、冷熱源設備、防火、防盜設備等進行集中監控，達到在確保建筑內環境舒適、充分考慮能源節約和環境保護的條件下，使建筑內的各種設備狀態及利用率均達到最佳的目的。建筑設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、數字電子技術、模擬電子技術、通訊技術、計算機控制、模糊控制、單片機等。同時，要實現建筑設備系統的控制，不可避免地要用到建筑冷熱源、空氣調節、通風工程、制冷與風機、供熱工程等專業知識，幾乎涵蓋了建筑環境與能源應用工程所有的專業課。此外，在控制策略、控制品質上還涉及到建筑環境學等專業基礎知識（見圖1）。

圖1 建筑自動化系統知識

教學內容上，以高校建筑環境與能源應用專業指導委員會推薦的教材為主＼[2＼]，由于受到課時的限制，對教材中的內容作了適當調整。首先根據知識點將教學內容分成兩個大類：一是控制基礎與控制仿真部分，包括自動控制的基本概念、基本控制原理和基本控制規律、計算機控制理論相關知識、模糊控制原理與實現、傳遞函數（主要掌握拉式變換）、控制參數的工程整定方法、Matlab軟件基礎（主要掌握Simulink控制工具箱）等；二是建筑設計系統控制，包括常用的建筑設備和空調風系統、空調水系統、空調冷熱源、集中供熱等建筑用暖通空調系統。為了將教學內容有機地融合起來，設計了6個工程實例，分別是加熱水箱溫度分層的自動控制、恒溫恒濕空調機的自動控制、散熱器實驗臺的自動控制、變風量空調系統的自動控制、空調冷凍水系統的自動控制、集中供熱系統（輸配管網）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，需要詳細講解與分析；對比較復雜的工程實例和工程問題，要進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生，由學生在課后完成。高等學校建筑環境與能源應用工程教學指導委員最新的本科指導性專業規范，規定建筑自動化課程內容包括通訊網絡技術（通訊協議）和樓宇自動化的相關內容。這些內容只作為學生了解的內容，選擇與本專業關聯性較大的部分，從整體設計出發介紹建筑自動化系統的通信技術、設計過程、分析整定方法和一些關鍵性問題。如國際上比較通用的樓宇自控系統專用協議BACnet、適用于集中供熱系統監測控制的通訊網絡連接形式等。

二、授課主體的優化組合

建筑設備自動化課程涵蓋的內容非常多，如自動控制原理、傳感器、數字電子技術、模擬電子技術、通訊技術、計算機控制、模糊控制、單片機等。同時，要實現建筑設備系統的控制，不可避免地要用到建筑冷熱源、空氣調節、通風工程、制冷與風機、供熱工程等專業知識，這些知識幾乎涉及建筑環境與能源應用工程專業所有的專業課，在控制策略、控制品質上還涉及建筑環境學等專業基礎知識。側重自動控制的教學內容由智能結構系統研究所的教師擔任主講，而涉及建筑設備系統部分專業背景和專業特征明顯的部分內容由建環專業的教師擔任主講，兩方面的教師互相配合，共同完成教學任務。在授課的過程中，也發現不同專業知識之間的交叉學習，不但對學生而且對教師也是一個很好的學習過程，它能促進各專業的融合與溝通。同時，控制工程專業教師直接參與教學，也擴大了相關知識面，能更好地解答學生的實際問題。

三、互動式授課

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

在講授同步模擬實例時，要求學生利用筆記本電腦，與授課教師同步完成控制實例的仿真建模、實現控制規律和控制參數的調整，配合簡單的輸出窗口或曲線，在計算機上顯示控制結果，通過計算機仿真工具完成互動式教學。要求學生現場操作緊跟教師的操作進度，用仿真顯示現場檢驗教學的效果。經過一個教學輪次的實驗，絕大多數學生都能完成工程實例的仿真，可以自己改變控制規律和控制參數，了解調節過程各種影響因素的作用，達到了較好的教學效果。

四、實驗臺的設計建造

控制系統的仿真模擬雖然在一定程度上可以反映建筑設備或系統的自動控制和調節過程，但是對相對復雜的系統，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需要實測獲得或利用經驗進行調整。因此設計適當的實驗臺或實驗系統并完成實際的控制任務才能完全掌握建筑設備系統的控制任務，真正實現控制策略。土木工程學院建筑環境與設備研究所的專業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系統，經過適當的改造，可以完成部分實例的教學實驗。為了進一步加強教學效果，設計開發一套模擬管網實驗臺，如圖2所示，設置兩個模擬熱源（1和2）用主循環泵代替，分別設在管網兩端。5個用戶（用閥門代替用戶阻力）分別增設一個加壓泵。該實驗臺可以完成多熱源多用戶質調節、量調節和分布式變頻調節等集中供熱系統的調節模擬。實驗臺除了完成教學工作外，還可以通過變頻水泵及用戶阻力元件（平衡閥）的調節，測試識別管網阻力特性、水泵特性及多泵聯合運行時的動態疊加特性等。目前該實驗臺已經完成方案設計和前期的籌備工作，并正在建設中。

五、結語

實踐證明，改革后的教學效果明顯優于傳統的教學方式，取得了具有現實意義的教學改革經驗。與此同時，在教學實踐中也發現了一些問題：一是教學整體進度不是很快，建環專業學生沒有Matlab軟件的學習基礎，操作Simulink控制仿真工具的熟練程度差別較大，少數動手能力較差的學生影響了整體的教學進度；二是將計算機帶到課堂以后出現了新的問題，有部分學生利用電腦做與課堂教學無關的事。這些問題還需要在今后的教學工作中加以總結和改進。

參考文獻：

＼[1＼]高等學校建筑環境與能源應用工程學科專業指導委員會編制.高等學校建筑環境與能源應用工程本科指導性專業規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2013.

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