新工科背景下建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)與實踐

李楠 文一鳴 謝李杰 張凱旋 陳金華 高亞峰

摘要：當前，我國智慧建筑飛速發(fā)展，建筑智能控制人才需求呈爆發(fā)式增長，精通智能控制的建環(huán)專業(yè)人才匱乏已經(jīng)成為阻礙智慧建筑發(fā)展的重要原因。針對建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)中課程培養(yǎng)體系目前存在的問題，以社會需求為導向，以培養(yǎng)“厚基礎、寬專業(yè)、強實踐能力”的綜合型人才為目標，探究了基于校企深度合作的新工科背景下建環(huán)專業(yè)智能控制教學體系，提出“校企共建實驗室”“校企聯(lián)合授課”“校外技能培訓”三種人才培養(yǎng)模式，并在教學內容、實踐內容、教學形式等方面進行了深入的研究。通過開展深度校企合作，實現(xiàn)校企資源的有機結合和優(yōu)化配置，打破了傳統(tǒng)的學科深化型“深桶式”課程體系，共同培養(yǎng)適應智慧引領科技導向下的建環(huán)新工科復合型創(chuàng)新人才。

關鍵詞：建筑環(huán)境與能源應用工程；建筑智能化；校企合作；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642；TU8-4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2023）04-0049-07

近年來，以人工智能等技術為核心的第四次工業(yè)革命蓬勃發(fā)展，自動控制技術、計算機技術和信息技術的應用日趨成熟，給各行各業(yè)帶來進步與革新，也帶動了建筑設備自動化系統(tǒng)的迅速發(fā)展。建筑智能化控制系統(tǒng)已逐漸成為大型公共建筑必不可少的組成部分［1］，如何結合智能化手段實現(xiàn)利用較低的能源代價營造舒適的建筑環(huán)境已成為建筑行業(yè)的熱點。為培養(yǎng)適應未來行業(yè)及企業(yè)發(fā)展的人才，我國基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的“新工科”建設［2］，成為我國工程教育改革方向［3］。新一屆的教育部高等學校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)教學指導分委員會也提出要“進一步完善和提升人才培養(yǎng)體系，在信息技術、人工智能等技術革命的背景下，應勢而謀，改革創(chuàng)新教育教學方式”的要求。

為響應號召，不少學校開始探究建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)智能化控制教學體系建設。高蘇蒂等［4］分析了校企共建實驗室的可行性，對高校建筑自控教學模式進行了探究，提出“四化”教學模式。陳曉平等［5］在充分把握智能學科專業(yè)技術要求和智能建筑學科內涵的基礎上，有效構建了教育教學課程體系，選擇有針對性的教學內容。張東海等［6］立足建環(huán)專業(yè)新工科建設，從多學科交叉整合的角度探索和實踐建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)模式，構建了多維度交叉整合的“4+3+X”課程體系。武校剛等［7］采用項目化教學模式對建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的建筑自動化控制系統(tǒng)課程進行了“新工科”應用型人才培養(yǎng)的探索與實踐。蔡磊等［8］修訂了建筑自動化等課程的教學大綱，將智能建筑、智能燃氣的基礎知識，以及工程技能，作為人才培養(yǎng)目標之一，并加入了系統(tǒng)控制、物聯(lián)網(wǎng)等教學內容，增加智能建筑課程設計等實踐課程。倪龍等［9］探究了專業(yè)教學改革，與人工智能、電氣、能源等專業(yè)交叉融合，打造多元化人才培養(yǎng)體系。

然而，現(xiàn)有的建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的智能教學體系仍普遍存在以下問題。（1）重理論輕實踐。現(xiàn)有課程體系中忽視了動手操作環(huán)節(jié)，使學生對于智能建筑的技術知識僅僅停留在教學層面，缺乏解決實際問題的實踐。（2）對行業(yè)發(fā)展動態(tài)把握不足，導致教學發(fā)展與行業(yè)實際需求失衡。當前院校教學的實踐內容與智能化知識快速更新?lián)Q代的矛盾日益明顯，導致社會需求與學校教學之間存在差距。針對上述問題，本文緊扣智慧建筑這一發(fā)展趨勢，凝聚本專業(yè)優(yōu)勢學科，打破了傳統(tǒng)的學科深化型“深桶式”課程體系，建立校企深度合作平臺，提出“校企共建實驗室”“校企聯(lián)合授課”“校外技能培訓”三種教學模式。校企雙方，開展多層次、多形式、多領域的合作，共同培養(yǎng)行業(yè)發(fā)展所需要的復合型人才。

一、深度校企合作模式的基本原則與建設思路

智慧建筑的發(fā)展需要更多的人才支撐，也對高校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。校企雙方如何開展深度校企合作，進行優(yōu)勢互補，成為院校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)人才培養(yǎng)探究的重要方向。基于校企合作的建環(huán)專業(yè)智能化課程體系建設，需要始終堅持“培養(yǎng)適應與駕馭未來的人”原則，不僅要著眼于學生知識、技能、素養(yǎng)的全面發(fā)展，而且要兼顧大學自身的辦學特色與理念。此外，在探究建環(huán)專業(yè)智能化教學體系改革中，還需堅持以下基本原則：（1）明確學科專業(yè)的特點，樹立與之相適應的教育教學觀念，按照專業(yè)人才基本學科能力培養(yǎng)的要求建立培養(yǎng)計劃與課程體系，將學科方法學（論）的思想、內容貫穿于培養(yǎng)過程；（2）加強實踐訓練，在教學過程中需要注重理論結合實際，通過提高綜合課程設計、實驗課程、校外社會實踐的質量，培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力；（3）培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高創(chuàng)新思維，增強創(chuàng)新能力，通過改革教學方法，使學生在教學過程中處于主體地位，以便充分調動學生的學習熱情，并將學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)落實到理論教學與實踐教學的全過程。

圖1即為典型的校企合作模式。通過校企合作，助力推進產教融合。行業(yè)需求是專業(yè)發(fā)展最強勁的推動力，高校學科發(fā)展與行業(yè)需求的最佳結合點就是形成符合社會需要的學科建設、人才培養(yǎng)平臺。通過加強校企合作，既可以滿足社會需要，又可以凝練專業(yè)特色，提高專業(yè)發(fā)展水平。在本次教學改革中，重慶大學建環(huán)專業(yè)通過與德國西門子公司開展校企深度合作，結合已有教學條件和實踐研究基礎，從建環(huán)專業(yè)智能化教學體系的課程建設規(guī)劃、基本內容、理論體系、實驗體系和課程設計體系等方面進行了深入探討，提出“校企共建實驗室”“校企聯(lián)合授課”“校外技能培訓”三種相輔相成的培養(yǎng)模式，力爭培養(yǎng)出更多智能建筑領域的綜合性人才。

二、基于校企合作的校企聯(lián)合實驗室建設

建筑智能化控制專業(yè)涉及面廣，應用性和實踐性強，這些特點決定了實踐教學在教學體系中占據(jù)重要地位。而專業(yè)實驗室又是專業(yè)教學實踐的重要載體之一，因此專業(yè)實驗室的建設就顯得尤為重要。在學校建設投入不足的情況下，專業(yè)實驗室建設可以充分利用社會資源，通過加強校企合作，引進行業(yè)知名或龍頭企業(yè)的優(yōu)質資源。不僅有利于學生展開深度實踐，企業(yè)也可以參與人才培養(yǎng)，有效提升學生專業(yè)能力。

在本次智能化控制教學體系研究中，學校與自控領域的知名企業(yè)德國西門子合作，采用共建共享實驗室模式，全面引進西門子最新DDC樓宇控制系統(tǒng)DisgoCC，并共同成立建設“重慶大學—西門子樓宇科技實驗室”。該聯(lián)合實驗室主要包含了空調系統(tǒng)自控實驗平臺和Smart Space實驗室智慧空間實驗平臺兩部分，如圖2、圖3所示。所建實驗室一方面可用于現(xiàn)代控制技術展示，對行業(yè)相關人員進行技術培訓；另一方面可為教研人員和學生提供教學和科研實踐條件，增強學生在實際工程中應對和處理各種疑難問題的能力，更好地適應社會發(fā)展的需要，同時以企業(yè)需求為導向，解決企業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的新、疑、難問題。

三、基于校企合作的智能化課程體系構建

課程體系是學校培養(yǎng)相應的人才而設置的課程整體，是整個教學的核心部分。為了實現(xiàn)培養(yǎng)“厚基礎、寬專業(yè)、強實踐能力”的復合型人才目標，在校企合作的基礎上，將企業(yè)的工程經(jīng)驗、技術、資源整合到高校的培養(yǎng)體系、課程、實驗實踐中。

課程體系建設分為三個環(huán)節(jié)，即專業(yè)課程教學環(huán)節(jié)、學校實驗環(huán)節(jié)和課程設計環(huán)節(jié)，如圖4所示，三個環(huán)節(jié)一脈相承，環(huán)環(huán)相扣。在專業(yè)課程教學環(huán)節(jié)，突破傳統(tǒng)教學內容和手段，選擇校企合作的授課方式，專業(yè)基礎與工程化視野并重，將企業(yè)專家引進課堂，并輔以智能化實驗室教學、“云課堂”教學等多元化教學手段來提高學生對理論知識的把握；在學校實驗環(huán)節(jié)，以校企共建實驗室為載體，在演示實驗的基礎上增加開放性實驗和課題創(chuàng)新性實驗，使學生對所學知識靈活使用，激發(fā)其創(chuàng)新能力；在課程設計環(huán)節(jié)，通過校內外指導教師共同指導，在實驗平臺上將課程設計與工程實踐相融合，強化學生理論聯(lián)系實際的能力，增強學生解決實際工程問題的能力。

（一） 專業(yè)基礎課程建設

專業(yè)課程的建設主要目的是培養(yǎng)學生扎實的專業(yè)理論知識，是開展建環(huán)智能化教學體系改革的基礎。在專業(yè)課程建設中，改革教學內容與教學方式成為課程體系改革的重點。由于建筑環(huán)境智能化控制是暖通、自動化、計算機等多領域交叉融合，因此必須立足自身專業(yè)發(fā)展情況，清晰地把握教學目標，合理規(guī)劃教學體系。本次智能化專業(yè)課程建設分為校內教師授課和企業(yè)專家授課兩種形式，二者在教學內容和教學形式上不盡相同。其中，以校內教師授課為主，夯實學生專業(yè)基礎；輔以企業(yè)專家授課講座，在鞏固校內所學知識的同時，培養(yǎng)學生工程化視野。

1.校內教師授課

在教學過程中，要求教師在教學上必須分清重點，合理規(guī)劃教學體系，把握教學目標。

在本科階段，開設建筑設備自動化課程。教師在授課過程中需要注意的是，本科階段在于培養(yǎng)學生熟悉建筑設備控制系統(tǒng)（BAS）的構成，具備建筑設備控制系統(tǒng)的設計能力，能夠具備根據(jù)工藝要求配置樓宇自控系統(tǒng)的工程實踐能力，并初步學會利用建環(huán)專業(yè)掌握的設備運行特征，秉承建筑節(jié)能的思想，構建自己的設備運行節(jié)能控制策略。

在本科生課程開展的基礎上，研究生階段繼續(xù)開設人工環(huán)境智能控制系統(tǒng)設計與仿真課程，作為選修課供相關方向的研究生選擇。通過講授常規(guī)PID控制技術的離散化與工程參數(shù)整定技術、SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術，再到人工智能控制技術在建環(huán)專業(yè)中的應用，以實際工程案例分析強化學生的控制建模與仿真能力。

此外，在專業(yè)課程建設中，積極進行教學手段改革。例如，以學校與企業(yè)聯(lián)合建立的智能化實驗室系統(tǒng)為平臺，改變了傳統(tǒng)課堂的教學模式，突破了以往只能在教室開展理論教學的局限，將課堂遷移到智能化實驗室中，構建融合“教、學、做”一體的教學環(huán)境，更加突出學生在教學活動中的主體地位，提高了他們的參與感。同時，教師還積極將現(xiàn)代化信息技術融入教學中，積極開展“云課堂”建設，將課程視頻和課件均上傳到MOOC或SPOC網(wǎng)站，學生可以在線學習，建立共享型專業(yè)教學資源，提高課程建設整體水平。

2.企業(yè)專家授課

為了將產業(yè)和技術的最新發(fā)展引入課程，建成適應技術發(fā)展、滿足行業(yè)需求的課程體系，特邀企業(yè)一線技術專家到校為學生開展專業(yè)課程講座。授課內容除了介紹行業(yè)發(fā)展前沿，以及樓宇自控系統(tǒng)現(xiàn)狀等基本課程外，還補充了大數(shù)據(jù)、云計算和控制手段相關知識，并以企業(yè)最新的硬件產品為主線，系統(tǒng)地闡述相關自控設備的結構、原理，以及配置選型等知識，掌握相關自控系統(tǒng)分析與設計的一般方法。此外，工程師還會以實際工程案例為教學模板，將企業(yè)工程實踐中遇到的建筑環(huán)境智能化控制難題以及相應解決方案融入教學研討中，實現(xiàn)翻轉課堂，提升學生培育質量，培養(yǎng)出實用型人才。

這種集企業(yè)與高校雙方資源優(yōu)勢的合作課程建設是人才培養(yǎng)模式的一次創(chuàng)新，是“引企入教、產教融合”的具體落實，利用跨國企業(yè)的人才和科研資源優(yōu)勢培養(yǎng)學生國際視野、實踐技能，拓展學生思路，對于提升學生培養(yǎng)質量、加強學科建設具有重要意義。

（二） 綜合實驗課程建設

受傳統(tǒng)實驗教學模式的影響，以往的建筑智能化專業(yè)實驗課程建設，存在很多局限性，諸如：（1）以演示型實驗為主，以達到驗證課堂教學內容的目的，學生在過程中的參與度不高，實踐能力難以得到鍛煉；（2）實驗課程缺乏綜合性，各個實驗相對比較獨立，學生難以在實驗過程中對建筑智能化系統(tǒng)相互間的關聯(lián)有一個清晰全面的認識；（3）學生實驗缺乏主動性，實驗室設備利用率較低，導致智能化實驗室在非授課時間段內長期閑置。因而，應以校企共建實驗室為載體，針對建環(huán)智能化的專業(yè)實驗課程進行綜合改革，建設綜合實驗教學課程體系。在實驗教學改革中，以課程群知識體系為主線，在強化學生基礎的同時，加強學生工程實踐能力和設計創(chuàng)新能力培養(yǎng)，構建“演示教學實驗—開放性實驗—課題創(chuàng)新性實驗”三位一體的實驗教學體系。三種類型的實驗由淺入深、循序漸進。

基本演示型實驗主要目的是使學生在系統(tǒng)觀念上對樓宇自控系統(tǒng)具有更加全面的認識。主要實驗內容包括系統(tǒng)設備認識實驗、基于BACnet的系統(tǒng)集成架構分析與演示實驗、空調冷熱源控制系統(tǒng)演示實驗、Smart Space辦公室智慧空間平臺演示實驗等。其中，在Smart Space辦公室智慧空間平臺演示實驗中，通過實驗室的照明、窗簾、窗戶、投影和空調等設備的聯(lián)動，實現(xiàn)對室內空間的場景切換，并對空間環(huán)境進行實時智慧化調控。在演示型實驗過程中，實驗員會綜合有效利用實驗平臺的資源和多媒體教學設備，充分展示樓宇智能化技術的先進性和復雜性，在引導學生興趣、開闊學生眼界、加深對課程知識的理解等方面發(fā)揮著重要作用。通過一系列認識性實驗，可為后續(xù)的課程設計奠定基礎。

開放動手型實驗主要實驗目的是讓學生掌握AI控制策略的編寫。通過向學生提供一個在線編譯平臺和西門子定制開發(fā)的RWG物聯(lián)網(wǎng)試驗箱，如圖5，完成對空調系統(tǒng)的策略編寫與運行。學生可通過此平臺自由實現(xiàn)智慧建筑中各類應用的開發(fā)、試驗，從教學與實踐相結合的角度培養(yǎng)和考核學生的實際動手能力和軟硬件設計開發(fā)能力。同時，該編譯平臺還建立了公共問題論壇，當學生在編寫自控策略中遇到問題時，可以將遇到的問題發(fā)布到論壇，企業(yè)相關專家會在線解答。此外，該平臺編譯的控制策略可實時傳回企業(yè)總部，相關專家會隨機對學校研究人員編譯的控制策略進行驗證，驗證其商業(yè)應用前景，形成很好的校企合作閉環(huán)。

（三） 課程設計相關課程建設

課程設計對于建筑智能化課程體系的建設極為關鍵，此環(huán)節(jié)意在鍛煉和培養(yǎng)學生的設計能力以及獨立探究能力。在課程設計教學中，主要要求學生在熟悉有關建筑自動化系統(tǒng)設計與施工的國家標準和規(guī)范的基礎上，根據(jù)自控設計的標準和規(guī)范確定建筑環(huán)境與能源系統(tǒng)自動控制方案、確定測控點安裝位置和數(shù)量及自控網(wǎng)絡拓撲結構的基本方法、自控設備的型號和規(guī)格、繪制BAS網(wǎng)絡拓撲結構圖等。

為了更好地開展課程設計，需要對傳統(tǒng)的以教師為主的課程設計教學方式進行改革，更好地提高學生對實際工程問題的綜合分析能力和解決問題能力。首先，課程設計的題目選題均來源于實際樓宇控制工程項目。在課程設計的選題過程中，精心選取課程設計題目，確保學生從課程設計出發(fā)，依靠各類訓練以及自主探索來強化其綜合素養(yǎng)及專業(yè)能力，從而強化教學質量。其次，課程設計需要秉持“走出去”“請進來”原則。在課程設計教學過程中，需要以院校特點及學生認知為導向切實展開課程設計，堅持校內外指導教師相結合，實踐環(huán)節(jié)與課程設計相結合。其中“請進來”指邀請企業(yè)高級工程師到學校進行實踐教導，舉辦系列講座，講授實際工程案例，避免學生課設與實際應用脫節(jié)；而“走出去”則是組織學生到現(xiàn)場參觀建筑自控系統(tǒng)的實際運行情況，了解目前自控系統(tǒng)運行中普遍存在的痛點問題，并思考如何在自己的設計中進行規(guī)避，從而避免“閉門造車”的現(xiàn)象。

四、校企聯(lián)合，開展校外技能培訓

建筑智能化技術發(fā)展日新月異，但由于學校教學體系相對比較固化，新知識、新技術往往不能及時地體現(xiàn)在教學之中，導致單純的課程內容往往無法適應社會發(fā)展的需要。為解決這個問題，需要積極開闊校外實踐場地，在實踐中拓寬學生視野。在此次智能化教學體系探索中，學校與西門子合作建立“微學位認證模式”。通過組織學生前往北京西門子研發(fā)生產基地進行高級實習實訓，了解行業(yè)和企業(yè)發(fā)展前沿的同時，也讓學生了解和接觸實際企業(yè)運行，以及企業(yè)人員在面對問題、處理問題、解決問題時的系統(tǒng)流程，圖6為第一批開展校外技能培訓人員。此外，企業(yè)方面還針對樓宇自控系統(tǒng)進行了軟件配置、項目構建、數(shù)據(jù)采集和報告生成等全流程學習和實訓。培訓過程中，通過上機操作和下機作業(yè)完成對知識的強化，并組織課后考試及實訓評估，對達到標準的學生授予企業(yè)學院聯(lián)合頒發(fā)的微學位證書。

通過這種實踐模式，可以實現(xiàn)將課程知識搬到現(xiàn)實體驗中，打破學校封閉的辦學體系，課程資源的來源渠道從“一元”變成“多元”，使高校課程建設可以不受本校教師資源有限的約束，是“走出去”戰(zhàn)略的又一體現(xiàn)。此舉一改以往“填鴨式”傳統(tǒng)教學模式，通過去企業(yè)現(xiàn)場的觀摩和動手操作，可以讓學生學習變得更加主動，增強學生的實踐能力。

五、結語

未來的建筑行業(yè)革新必然是智慧引領下的科技創(chuàng)新，基于目前市場對智能化建筑人才的需求，文章進行了建環(huán)專業(yè)智能化教學體系的探究。圍繞校企深度合作培養(yǎng)創(chuàng)新人才的思想，提出了“校企共建實驗室”“校企聯(lián)合授課”“校外技能培訓”三種模式，改進了建環(huán)專業(yè)智能化控制教學體系、教學內容、教學手段以及教學方法，形成了建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)智能化控制人才培養(yǎng)特色，有助于培養(yǎng)建筑環(huán)境與智能控制學科交叉的應用型和復合型人才，全面適應新工科的時代發(fā)展要求。

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Abstract： At present， with the rapid development of smart architecture in China， the demand for intelligent control talents has exploded. The lack of professional talents in construction environment who are proficient in intelligent control has become an important reason hindering the development of smart architecture. In view of the existing problems in the curriculum training system of the major of building environment and energy application engineering， guided by social needs and aiming at cultivating comprehensive talents with thick foundation， broad specialty and strong practical ability， this paper explores the intelligent control teaching system of the major of building environment under the emerging engineering education background based on the deep cooperation between the university and the enterprise. This paper puts forward three talent cultivation modes， namely school-enterprise joint laboratory， school-enterprise joint teaching and off-campus skill training， and makes in-depth research on teaching content， practice content and teaching form. Through in-depth university-enterprise cooperation， the organic combination and optimal allocation of university-enterprise resources are realized， breaking the traditional “deep bucket” course system of deepening disciplines， and jointly cultivating compound innovative talents of emerging engineering education under the guidance of wisdom and science and technology.

Key words： building environment and energy application engineering; intelligent building; university-enterprise cooperation; talent training

（責任編輯? 袁虹）

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目“建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)智能化控制教學體系研究”（99013）

作者簡介：李楠（1976—），男，重慶大學土木工程學院教授，博士，主要從事建環(huán)專業(yè)的教學和實驗工作，（E-mail）nanlicqu@126.com。