新工科背景下建筑能源物聯網課程建設探索與實踐

李慧 王桂榮 魏建平

摘? 要：培養既具有建筑環境與能源應用工程專業知識又具有物聯網技術的復合型人才是新時代行業發展的需要。建筑能源物聯網技術課程是在建筑環境與能源應用工程專業新工科建設中開設的一門新課。在該課程建設中，以Niagara物聯網技術為抓手，優化建筑能源物聯網課程知識體系，教學內容涵蓋知識、能力和素質的全方位培養;強化工程實踐能力，提出理論教學、實操訓練、項目設計與開發、Tridium資格認證“四位一體”的教學過程設計方案;建立集過程性評價、表現性評價和總結性評價的多元化課程評價體系。課程運行結果表明，提出的方法可有效激發學生的學習興趣，提高學生創新能力、實踐能力和解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：建筑環境與能源應用工程專業;新工科;建筑能源物聯網;課程建設

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）08-0005-06

Abstract： It is the need of the industry development in the new era to cultivate interdisciplinary talents with professional knowledge of building environment and energy application engineering as well as Internet of things technology. Internet of Things technology in Building Energy is a new course offered in the construction of new engineering major of building environment and energy application engineering.In the course construction， Niagara Internet of Things technology is taken as the starting point to optimize the knowledge system of the course of Internet of Things technology in Building Energy， and the teaching" content covers all-round cultivation of knowledge ability and quality. To strengthen engineering practice ability， a "four-in-one" teaching process design scheme for theoretical teaching practice training project design and development of Tridium qualification is proposed. A diversified curriculum evaluation system integrating process evaluation， performance evaluation and summative evaluation is established. The results of course operation show that the proposed method can effectively stimulate students' interest in learning， improve their ability of innovation， practice and solving complex engineering problems

Keywords： building environment and energy application engineering; new engineering; Internet of Things in Building Energy; course construction

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，按照新工科的建設需求，傳統的工科專業亟待改革[1]。建筑環境與能源應用工程專業涉及建筑環境、制冷、供熱、控制、信息和節能等多個領域，尤其在“雙碳”目標下，該專業的新工科建設變得尤為重要。隨著互聯網+、信息技術和物聯網技術的快速發展，中國建筑節能協會成立了“建筑調適與運維專業委員會”。將建筑調適與數字運維廣泛應用于建筑的全壽命周期，促進建筑行業低碳、可持續發展[2]。要實現數字運維，其最根本的技術為物聯網技術。因此，迫切需要將物聯網技術融入到建筑環境與能源應用工程專業新工科建設中，培養既具有建筑環境與能源應用工程專業知識又具有物聯網技術的復合型人才。

2018年，山東建筑大學在建筑環境與能源應用工程專業新的培養方案中增加了建筑能源物聯網技術課程。目前該課程教材已完成初稿，并已榮獲住建部“十四五”規劃教材新工科教材立項。課程是專業培養的基本單元，新工科建設對高校新工科課程提出了新的挑戰，相比于過去傳統的人才培養，更加注重學生創新意識與實踐動手能力的提高[3]。目前課程教學普遍存在教學內容陳舊、實踐教學薄弱、創新能力不足和知識貫通欠缺等問題[4]。針對建筑環境與能源應用工程專業的特點，聚焦新工科對建筑能源物聯網人才培養的需求，在建筑能源物聯網課程建設時需要解決以下問題：

（1）建筑能源物聯網課程涉及傳感技術、控制技術、計算機技術和網絡通信技術等及其在建筑能源系統中的應用，如何將多項技術融合在一起服務于建筑能源系統是亟待解決的關鍵問題。

（2）物聯網技術很多，很多高校針對物聯網人才培養進行了相關教學研究[5-8]，但主要是針對物聯網工程專業或電類專業。如何根據物聯網新技術的發展及專業的特點選取某一項具體技術為抓手，以工程應用為突破口，是克服當前課程重理論，缺應用的有效途徑。

（3）如何讓建筑能源物聯網技術落地，組織好實踐教學環節，將理論與實踐深度融合，提高學生的創新性和實踐性。

（4）如何進行產教融合，避免和產業脫軌，以產業發展為先導，系統培養技術技能為基礎。

針對上述問題，教學團隊經過幾年的探索與實踐，以Niagara物聯網技術為抓手，優化建筑能源物聯網教學知識體系，內容涵蓋知識、能力和素質的全方位培養。與霍尼韋爾Tridium物聯網公司建立了密切產學合作，進行了深度產教融合，打造了理論教學、Niagara實操訓練、項目設計與開發和Tridium資格認證“四位一體”的教學過程，建立包含過程性評價、表現性評價和總結性評價的多元化課程評價體系。

一、以Niagara物聯網技術為抓手，優化課程知識體系

Niagara是美國霍尼韋爾Tridium公司基于Java 開發的一種極其開放的物聯網中間件軟件平臺，Niagara物聯網技術已經被廣泛應用于智能建筑、智能電網、分布式能源、工業控制、商業連鎖、智慧城市、數據中心等很多領域[9-11]。2020年Niagara物聯網中間件技術被寫入《高等學校物聯網工程專業規范2.0》中。以霍尼韋爾Tridium公司的Niagara物聯網中間件技術為抓手，優化課程知識體系，突出原理、方法和應用的有機結合，使其既具有能源物聯網知識的基礎性和傳承性，又具有當前技術的前沿性和創新性。

知識體系包括建筑能源物聯網基礎知識、Niagara軟件編程和建筑能源物聯網典型工程應用三個模塊。三個模塊之間關系如圖1所示。物聯網基礎知識為整個課程教學知識體系的基石，為Niagara軟件編程模塊提供基礎知識，物聯網基礎知識模塊和Niagara編程模塊共同為建筑能源物聯網典型工程應用提供知識和技術支持。整個教學內容涵蓋知識、能力和素質的全面培養。

（一）建筑能源物聯網基礎知識模塊

建筑能源物聯網基礎知識模塊包括建筑能源物聯網感知層知識、物聯網硬件知識和物聯網通信知識。為后續的軟件編程、Niagara網絡通信及應用奠定基礎。

1. 感知層知識

包括建筑能源系統常用傳感器和執行器。由于傳感器和執行器相關原理部分在建筑環境測試技術和建筑設備自動化課程中包含，在此主要從應用層面展開，包括傳感器和執行器設備選型、輸入輸出信號、接線和安裝等。

2. 物聯網硬件知識

為霍尼韋爾Tridium公司的硬件產品，包括JACE8000網絡控制器，IO28P、IO28U、IO22U智能IO模塊，IOS30P控制器等，知識點包括各硬件的性能參數、硬件接線、跳針設定等。這些硬件，學生在物聯網實訓平臺上均可進行相關實驗。

3. 物聯網通信知識

包括計算機網絡標準和常用的物聯網通信協議。目前，物聯網的通信協議有很多，在此選取ModBus協議、Bacnet協議、MQTT協議和OPC-UA協議。這幾種協議是目前在建筑能源物聯網中常用的協議，且Niagara軟件中均包含免費驅動，后期可通過通信編程實現，以保證理論和實踐的有機結合。

（二）Niagara軟件編程模塊

Niagara軟件功能豐富，編程內容很多。軟件編程模塊內容的選取是從建筑能源物聯網項目軟件開發所需要的一般功能出發，包括Niagara 4軟件簡介、建筑能源控制WireSheet編程、歷史數據與報警編程、Px視圖編程、數據標簽、網絡通信和系統集成等。

1. Niagara 4 軟件簡介

包括Niagara Framework基本組成、Workbench開發平臺、KitControl基本組件、Station建立等，讓學生對Niagara軟件開發有一個基本了解。

2. 建筑能源控制WireSheet編程

為軟件編程的重點，囊括多種控制策略編程，包括建筑能源雙位控制編程、PID控制編程、時間表控制編程、輪詢控制編程、負荷預測控制編程、變設定值控制編程等。通過該部分的學習，學生在實際應用中可根據建筑能源系統不同的控制需求設計不同的控制算法程序。

3. 歷史數據和報警編程

歷史數據編程包括歷史數據的定義、存儲、展示和導出等，歷史數據可用于后續能源系統大數據深度分析。報警編程包括報警數據的定義、推送和確認等，報警編程提高了系統運行的可靠性。

4. Px視圖編程

主要用于可視化展示，包括Px視圖基礎知識、Px Widget、Px視圖嵌套和導航菜單等，并以熱泵機組雙位控制、冷水機組水系統控制、新風機組控制為例詳細闡述其Px視圖編程過程。

5. 數據標簽

數據標簽是數據的“可標記語言”，只有給數據打標簽，才能進行大規模的數據挖掘，讓數據發揮更大的價值[12]。該部分內容主要包括Niagara 軟件中自帶的標簽字典（Haystack 字典和 Niagara 字典），此外還包括根據自己開發需要自定義的標簽字典。

6. 網絡通信與集成

該部分內容與物聯網通信知識呼應，包括Modbus通信編程、Bacnet通信編程、MQTT通信編程、OPC-UA通信編程和Niagara網絡系統集成。通過通信編程可以使感知層的信息通過網絡層上傳到應用層，也可以將應用層的指令通過網絡層傳輸到感知層，實現多協議網絡互聯互通。

（三）建筑能源物聯網典型工程應用模塊

目前，教學團隊采用Niagara物聯網技術已經建成了太陽能-空氣源熱泵空調系統物聯網實驗平臺和分布式能源物聯網實驗平臺，并在此基礎上針對多能源系統進行了網絡集成和一體化管理。兩個實驗平臺如圖2所示，以此兩個建筑能源物聯網典型工程應用案例為對象，以建筑能源物聯網全流程開發過程為主線，該模塊內容主要包括項目簡介、系統監控方案設計、系統硬件平臺搭建和軟件開發等。

1. 項目簡介

讓學生理解太陽能-空氣源熱泵空調系統和分布式能源系統的工藝流程、運行特性、運行參數及監控需求。

2. 系統監控方案設計

根據監控需求設計監控方案，包括感知層參數檢測和系統控制策略。

3. 系統硬件平臺搭建

包括感知層、網絡層和控制層。感知層設備包括傳感器和執行器;網絡層主要為智能儀表、IO模塊、控制器等通信方式及網絡連接;控制層為JACE8000網絡控制器。

4. 數據通信編程

包括JACE8000網絡控制器通信編程、智能儀表通信編程（智能電表和智能熱表）、能源設備通信編程（空氣源熱泵、微燃機等）、智能IO模塊通信編程及Niagara網絡集成等。

5. 軟件開發

包括數據采集、控制、可視化、歷史數據和報警等編程。

以實際工程案例開發流程組織教學內容，培養了學生的系統觀、全局觀，提高了學生解決復雜工程問題的能力和創新思維。

二、強化工程實踐能力，打造“四位一體”教學過程

目前高等院校普遍存在學生工程實踐能力弱、企業對畢業生知識結構和解決復雜工程問題的能力滿意度低的問題[13]。為了強化學生的工程實踐能力，從2017年開始與Tridium公司進行產學融合，打造“四位一體”教學過程。

教學過程設計方案如圖3所示，整個教學過程包括理論教學、實操訓練、項目設計與開發和Tridium大學認證。

（一）理論教學

理論教學環節為該課程的基礎環節，包括建筑能源物聯網基礎知識、Niagara軟件編程教學。目前針對該課程的理論教學部分已經錄制了線上教學視頻，共計600多分鐘，并且該課程已經于2021年在山東省魯理聯盟上線。理論教學部分采用線上線下混合教學方式，學生通過理論學習，掌握建筑能源物聯網的基本知識，能夠通過建筑能源物聯網感知層和網絡層技術構建建筑能源物聯網系統;掌握Niagara軟件基本編程知識及方法，包括Wire Sheet視圖、Px視圖、歷史記錄、報警信息和網絡集成等。在教學過程中注重理論和工程實踐的結合，注重該課程和建筑環境測試技術課程和建筑設備自動化課程的知識融合。例如，在建筑能源控制編程部分，建筑設備自動化課程中包含了建筑能源系統常用控制策略：位式控制、PID控制、時間表控制、輪詢控制和變設定值控制等，在教學組織上首先讓學生明確這幾種控制策略的機理和在建筑能源中的應用場合，在此基礎上講解如何通過Niagara編程實現該控制策略，將理論和具體應用有機結合。

（二）實操訓練

根據各章節的知識點和教學目標，結合相應知識點的工程應用建立各章節軟件實操庫。課程伊始，要求每位同學安裝Niagara物聯網軟件，由Tridium公司提供軟件授權。實操訓練包括兩個環節。

第一環節：不需要硬件連接，學生可在自己電腦上完成，主要用于配套軟件編程部分各章節的軟件編程實操訓練。包括WireSheet控制編程、歷史數據編程、報警編程、Px視圖編程等。通過軟件編程實操訓練，可將理論知識和實際應用緊密結合，強化了學生的軟件編程實踐能力。

第二環節：在Niagara物聯網實訓室進行，主要用于物聯網硬件連接、通信編程和網絡集成等實訓，Niagara教具原理如圖4所示。

1. 硬件連接

根據建筑能源物聯網硬件設計，硬件連接包括傳感器、執行器與智能IO模塊的連接;開關、指示燈、蜂鳴器、繼電器等電器元件與智能IO模塊的連接;JACE網絡控制器與智能IO模塊的連接等。

2. 通信編程

（1）Bacnet MSTP通信編程，JACE網絡控制器的COM1口與風機盤管溫控器連接;（2）Modbus RTU通信編程，JACE網絡控制器的COM2口與IO22U智能模塊連接;（3）Modbus TCP和Bacnet IP通信編程，JACE的SEC網口與IOS30P控制器連接。

3. 網絡集成

實現PC機上Supervisor站點與JACE網絡控制器站點網絡集成，包括JACE網絡控制器站點歷史數據和報警信息的推送等。

4. 系統調試

根據實操要求，完成系統調試，實現相應功能的展示。

通過教具實操訓練，強化了學生對物聯網硬件的感性認識，鍛煉了學生的動手能力，提高了學生解決實際問題的能力。

（三）項目設計與開發

教學團隊搜集典型建筑能源物聯網應用案例，結合課程目標設計建筑能源物聯網工程項目題目。學生成立項目小組，每組5～6人。課程過半，發布項目題目，每組一個建筑能源物聯網項目，由項目小組成員經過小組討論確定項目方案，分配成員任務。項目內容包括：

1. 監控方案設計

按照項目任務書監控要求設計監控方案，包括監控策略、傳感器和執行器選型、輸入輸出信號和監控點信息統計等。

2. 系統硬件設計

根據監控點的信息統計選擇合適數量的智能IO模塊和JACE網絡控制器，繪制系統硬件連接網絡圖和IO模塊接線圖，設置正確的智能IO模塊撥碼開關和通道選擇跳針。

3. 系統軟件開發

根據項目監控軟件需實現的功能，進行軟件開發，包括：控制策略編程、歷史數據編程、報警編程、Px視圖編程和網絡集成等。

4. 系統通信調試

在物聯網實訓室進行，為學生準備大量的傳感器、繼電器、指示燈、蜂鳴器、開關和電源等器件，讓項目小組選取其中一個智能模塊，根據需要選取器件，搭建其硬件系統，進行信息采集和控制通信編程，并完成系統調試，由此可外延到其他智能模塊的編程應用。

項目小組在此基礎上完成項目說明書撰寫，制作PPT進行項目成果匯報。小組項目設計與開發，鍛煉了學生的團隊協作精神;典型建筑能源物聯網的全流程設計與開發，與實際工程緊密聯系，提高了學生創新能力和解決實際工程問題的能力。

（四）Tridium資格認證

Tridium公司一直致力于Niagara軟件在高校的推廣和應用，并且制定了大學計劃認證方案。教學團隊和Tridium公司深度合作，課程結束后組織優秀學生在物聯網實訓室參加Tridium公司的軟件資格認證考試，考試時間歷時8個小時，通過認證的同學頒發全球統一的軟件資格證書。使得整個課程教學和物聯網產業做到很好對接，拓展了學生的就業渠道。學生通過參加Tridium資格認證，也提高了學生的獲得感和成就感。

三、建立多元化課程評價體系

課程評價，一方面要全面客觀地反映學生的學習效果，另一方面也要反映學生運用所學知識解決實際問題的能力，有效的課程評價體系將在很大程度上對學生的學習起到促進和引導作用[14]，課程評價體系包括過程性評價、表現性評價和總結性評價，如圖5所示。

1. 過程性評價

在智慧樹建立了翻轉課，課堂教學采用線上和線下相結合的形式。過程性評價包括課堂表現成績、線上成績和實操訓練成績。課堂表現成績指標包括出勤次數、投票次數、搶答次數和互動質量。線上成績指標包括作業成績、平時測驗成績和線上學習進度。實操訓練成績指標包括編程質量、報告質量和物聯網實訓室現場表現。其中課堂表現占5%，線上成績占15%，實操訓練占10%，過程性評價占比共計30%。

2. 表現性評價

主要針對小組項目，由團隊成員協作完成。評價指標主要包括項目說明書質量、軟件編程質量、系統通信調試質量和PPT成果展示質量。表現性評價占比10%。

3. 總結性評價

期末考試分兩個環節，第一環節為筆試，全部為客觀題，考試時間為1小時。第二環節為物聯網編程，考試時間為3個小時。筆試和編程分別占30%，期末考試占比共計60%。

采取多元化的課程評價體系，極大地調動了學生的學習積極性，取得了很好成效。

四、結束語

教學團隊根據多年積累的經驗，以新工科建設為出發點，以行業需求為導向，對建筑能源物聯網課程建設進行創新與改革。目前，建筑能源物聯網課程已經運行了兩個教學周期，學生在學習過程中表現出了極大的積極性和熱情。在剛剛結束的教學過程中，一半以上的同學榮獲了Tridium公司大學計劃全球認證證書。該課程將理論與實際緊密相連，聚焦解決工程中的實際問題，提高了學生的創新性和解決實際工程問題的能力。該課程的開設，將推動Niagara物聯網技術在建筑能源行業的應用，對學生掌握新興技術、培養跨專業的復合型人才、滿足社會對多元化人才培養的需求具有重要作用。

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基金項目：教育部產學合作協同育人項目“基于Niagara的能源物聯網課程建設與改革”（280106）;2020年山東省本科教學改革研究項目“校企融合打造《基于Niagara能源物聯網》混合式課程”（M2020252）

作者簡介：李慧（1970-），女，漢族，山東青島人，博士，教授，研究方向為建筑與能源系統自動化。