“能源物聯網”課程產教深度融合的探索與實踐

李 慧，王桂榮

（山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101）

2015年9月，國家主席習近平在聯合國發展峰會上發表重要講話，表示中國倡議探討構建全球能源互聯網[1]。在此背景下，能源互聯網、泛能網、能源物聯網等新型概念開始涌現，且受到廣泛關注。當前，能源物聯網的發展駛入了快車道，2017年，筆者所在學院根據產業發展需求，在建筑環境與能源應用工程專業和新能源科學與工程專業增設了“能源物聯網”課程，該課程將傳感技術、控制技術、物聯網技術與能源系統有機結合，賦予了能源系統靈魂、神經和大腦。

一、“能源物聯網”課程產教融合背景

2017年12月，國務院辦公廳印發的《關于深化產教融合的若干意見》指出：大力支持應用型本科和行業特色類高校建設，緊密圍繞產業需求，強化實踐教學，完善以應用型人才為主的培養體系。[2]將產教融合從職業教育延伸到了高等教育，產教融合邁入了新階段。山東建筑大學是一所以土木建筑學科為特色的山東省應用型人才培養特色名校。產教融合是促進應用型高校與企業協同發展、培養各類高素質人才的重要途徑，是提升學生創新能力與綜合素養的重要手段[3]。但從前期發展看，產教融合長期面臨“校熱企冷”問題，校企協同育人培養模式尚未根本形成，校企間的關系處于淺層次、松散型低水平狀態[4]。課程是專業培養的基本單元和基石，深化課程產教融合，讓教育和產業有機結合，形成良性互動，解決人才供給和產業需求不匹配的矛盾，是實現應用型本科院校產教融合的關鍵。

在“能源物聯網”課程中尋求某一先進物聯網技術為突破口，深度進行產教融合，強化實踐能力培養，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。Tridium作為霍尼韋爾物聯網框架的核心部門，領跑物聯網領域20余年，已擁有100萬物聯網真實項目實例，擁有包括華為、阿里巴巴在內的全球近4000家頂級企業的龐大物聯網生態體系。其Niagara物聯網技術已經被廣泛應用于智能建筑、智能電網、智慧能源、工業控制、商業連鎖、智慧城市、數據中心等很多領域[5-7]。2020年，Tridium公司的Niagara物聯網技術被寫入《高等學校物聯網工程專業規范（2020版）》。

山東建筑大學是最早與Tridium公司產學合作的高校之一，近幾年教學團隊就“能源物聯網”產教融合課程建設與Tridium公司進行深入合作，在教學團隊建設、教材建設、實驗平臺建設、教學設計等多方面進行了有益的探索與實踐，取得了初步成效。

二、重構課程知識體系，開發特色教材

應用型課程知識體系的構建要適應職業需求、學科邏輯和發展需求[8]。以Tridium公司的Niagara物聯網技術為抓手，讓Tridium公司高級技術人員參與教材建設，共同制訂教學內容，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、傳承性，又具有當前技術的前沿性和創新性。知識體系包括能源物聯網基礎知識、軟件編程和能源物聯網典型應用3個模塊：（1）能源物聯網基礎知識模塊包括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。（2）軟件編程模塊內容的選取從項目軟件開發所需要的具體軟件功能出發，包括Niagara簡介、能源系統控制WireSheet編程、歷史數據與報警編程、PX視圖編程、標簽、網絡通信和系統集成等。（3）目前教學團隊已經建成基于Niagara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。以這兩個實驗平臺為對象，能源物聯網典型應用模塊主要包括系統流程、監控設計、硬件設計、軟件開發、系統調試等。

教材是教學內容的重要載體[9]，教材質量直接影響教學質量。由于產業發展快速，高等教育需要與時俱進，跟上產業發展的步伐。當前教材存在內容陳舊、與時代發展脫軌、重理論輕實踐的特點，結合專業發展行業需求，適時開發適用性強的《能源物聯網》應用型教材是必要的。和Tridium公司共同編寫的《能源物聯網》教材，將理論知識與實踐知識、工程案例有機融合，與產業需求有效對接，體現了應用型人才培養的新思路、新體系和新策略，具體知識體系和章節結構如表1所示。

表1 《能源物聯網》特色教材章節結構

三、產學研結合，共建實驗平臺

實驗平臺建設是實現實踐教學的必要條件，“能源物聯網”課程實驗平臺建設包括物聯網實訓室建設和能源物聯網綜合實驗平臺建設。

（一）物聯網實訓室建設

2019年，教學團隊從Tridium公司購置了30套Niagara實訓教具，聯合Tridium公司共建了Niagara物聯網實訓室，搭建物聯網實訓室網絡平臺，設計實踐教學場景。物聯網實訓室主要包括JACE網絡控制器Station建立、物聯網硬件連接、通信編程和網絡集成等實訓。此外，實訓室具備為企業人員技術培訓的硬件條件，教學團隊教師經過Tridium金牌講師課程培訓后，也具備了為企業培訓人才的能力。目前，該實訓室為社會開放，以滿足區域發展人才培訓的需求。實訓室的建設為該課程的開展提供了豐厚的實踐條件，也為社會物聯網人才培訓提供了服務。圖1為實訓教具實物圖。

圖1 Niagara實訓教具

（二）能源物聯網綜合實驗平臺建設

2017年，教學團隊在我院科技樓6樓建立了太陽能—空氣源熱泵空調系統物聯網實驗平臺；2018年，在科技樓建立了分布式能源物聯網實驗平臺。在此基礎上，將我院其他能源系統，包括地源熱泵系統、太陽能吸收式熱泵系統和體育館大空間空氣源熱泵空調系統等，通過物聯網深度集成，建立了能源物聯網綜合實驗平臺，具體結構如圖2所示。該實驗平臺將不同的能源物聯網技術集成到一起，有線物聯網技術包括TCP/IP協議、Modbus技術、Bacnet技術和OPC技術；無線物聯網技術包括MQTT技術、Wifi技術、NB-IOT技術和Zigbee無線傳感器網絡技術，實現了多能源系統的綜合管理。能源物聯網綜合實驗平臺既可應用于該課程的典型應用案例講解，又可為該課程的綜合實踐教學服務。該實驗平臺可進一步強化學生的理論聯系實際的能力，提高學生的創新性和解決實際工程問題的能力，同時為教學團隊的科研提供了應用驗證場所，提升了教師的科研水平。

圖2 能源管理綜合實驗平臺

四、產教融合教學設計

（一）根據教學內容，設計靈活教學模式

教學團隊已經建設了充分反映該課程體系和內容的線上資源和大容量試題庫，目前，該課程已經成功在山東省魯課聯盟上線。“能源物聯網”課程采取混合式教學，根據教學內容，設計了靈活的教學模式。課程共計32學時，線上學時為8學時，線下學時為24學時。其中，線下學時包括4學時實訓室實物教學、4學時小組匯報討論教學和16學時理論、知識拓展及應用教學，具體教學設計如表2所示。

表2 教學設計

第一章到第四章屬于物聯網基礎知識，包括概述、感知層技術、物聯網硬件和物聯網通信技術，采取線上線下混合教學模式。在第三章物聯網硬件教學結束后，發布小組能源物聯網設計項目任務；在物聯網基礎知識教學結束后，進行小組項目第一次匯報。

第五章到第九章為Niagara編程，包括Niagara 4開發平臺、能源自動控制WireSheet編程、歷史數據和報警編程、PX視圖編程和數據標簽。該部分編程均可在PC機上完成，授課模式為線上線下混合模式。

第十章為Niagara網絡通信與系統集成。授課地點在實訓室，采取教師一邊講、學生一邊在實訓教具上實操練習的方式。

第十一章為能源物聯網典型應用案例。由于典型案例均取自教學團隊建立的物聯網綜合實驗平臺，因此，授課地點首先在物聯網綜合實驗平臺現場，通過現場參觀講解，引導學生的思想和工程對接；然后，學生結合現場的所見所得及內心的困惑回到教室，教師以能源物聯網的全流程開發為導向組織教學。

小組項目第二次匯報主要為能源物聯網項目的軟件編程和系統調試，由于涉及系統調試，故匯報地點在實訓室。和第一次小組項目匯報不同的是，除了采取PPT形式匯報外，還會增加實物演示環節。

（二）強化學生實踐能力，打造四級實踐環節

緊密圍繞產業需求，強化實踐教學，以提高學生的實踐能力和創新能力。整個課程實踐環節包括PC機編程、實訓教具訓練、能源物聯網設計和Tridium大學資格認證四個環節。

1.PC機編程。學生在個人PC機完成，主要用于配套第五章到第九章的軟件編程實操訓練，包括WireSheet編程、歷史數據和報警編程、PX視圖編程等。通過軟件編程實操訓練，將理論知識和實際應用緊密結合，強化學生的軟件編程實踐能力。

2.實訓教具訓練。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。實訓教具訓練強化了學生對物聯網硬件和網絡的感性認識，鍛煉了學生的動手能力。

3.能源物聯網設計。學生成立項目小組，每組5～6人。能源物聯網硬件教學結束后，發布能源物聯網設計項目，每組一題。項目內容包括能源系統監控方案設計、硬件設計、軟件開發、系統調試等。能源物聯網設計貫穿整個課程，將學生所學知識點通過項目設計串聯到一起，并將理論和實踐有機融合，提高學生的創新能力和解決實際工程問題的能力。

4.Tridium大學資格認證。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培訓與考試，整個流程完全按照Tridium公司大學計劃認證要求實施，考試題目由Tridium公司設計，考試時間歷時8個小時，并向通過認證的學生頒發全球統一的大學計劃認證證書。Tridium大學資格認證將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。

結語

教學團隊根據多年積累的經驗，以行業需求為導向，從教師、教材、教學和實驗室建設等多方面對“能源物聯網”課程產教深度融合進行了探索和實踐。目前，“能源物聯網”課程已經運行了兩個教學周期，其靈活的教學方式激發了學生的學習熱情；4級實踐環節拓展了學生的視角，提高了學生的實踐能力、創新能力和解決復雜工程問題的能力。在剛剛結束的教學周期中，34人（選課人數66人）榮獲Tridium公司大學計劃全球資格認證證書。

在應用型高校建設產教融合課程是實現應用型本科院校產教融合的關鍵。“能源物聯網”課程的實施將推動能源物聯網人才的培養，促進區域經濟和產業發展。該課程的產教融合具體措施也可為其他產教融合課程的建設提供有益借鑒。