“智能建筑设备自动化系统工程”“理、实、虚”教学模式的探讨与实践

“智能建筑设备自动化系统工程”“理、实、虚”教学模式的探讨与实践

刘运清，刘大君

摘要：以“智能建筑设备自动化系统工程”课程为例，提出了“理、论、虚”即理论、实践、虚拟仿真三位一体的教学模式。利用虚拟技术解决了因实训设备造价昂贵、实训室维护成本大等原因所造成的学生无法亲临现场的问题；利用虚化仿真技术解决了课程实践实训无法实施或较少实施等问题，从而切实推动了教学改革的进程。

关键词：高职；智能建筑设备自动化系统工程；“理、实、虚”一体化教学模式；虚拟仿真

作者简介：刘运清，女，江苏城乡建设职业学院设备工程系讲师，主要研究方向为楼宇智能化施工和管理；刘大君，女，江苏城乡建设职业学院设备工程系教学副主任，副教授，高级工程师，主要研究方向为楼宇智能化施工和管理。

中图分类号：G712文献标识码：A

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中指出：高职教育人才培养模式改革的重点是教学过程的实践性、开放性和职业性，实验、实训、实习是三个关键环节。加强实训、实习基地建设是高职院校改善办学条件、彰显办学特色、提高教学质量的重点。[1]高职院校在各个专业教学计划中开设足够的实训实践课程，是对上述要求的积极响应。

一、“智能建筑设备自动化系统工程”“理、实、虚”教学模式提出的背景

“智能建筑设备自动化系统工程”是楼宇智能化工程技术专业的核心课程之一，该课程的教学水准也代表了专业的教学水准。但由于该课程立足科技前沿，实训设备昂贵，实训室的建设成本高，运行和维护成本巨大，因此，具备相应实训条件的学校少之又少。通过对全国各类建筑职业院校(包括内蒙古建筑职业技术学院、四川建筑职业技术学院、上海市房地产学校、上海市建筑工程学校、新疆建设职业学校、广州市土地房地产管理职业学校、山西省建筑工程技术学校、河南省建筑工程学校、广西城市建设学校及江苏城乡建设职业学院共10所院校)的调查发现，“智能建筑设备自动化系统工程”课程的实训教学普遍存在着以下问题：设备缺乏或设备的技术含量较低；实训力度和效率不高或者基本为零；体现实际工程的综合性训练项目少；故障分析与排除的训练项目为零；部分学校甚至只有理论教学而没有实训教学。

另一方面，与课程配套的适合五年制高职教育的教材很少，绝大多数教材面向本科院校，以讲述原理、系统设计方法等理论知识为主，没有将理论与实际很好地联系在一起。

目前，“智能建筑设备自动化系统工程”的理实一体化教学改革并没有取得实质上的进展，为推动教学改革，提升楼宇智能化专业的教学水平，本文提出了“理、实、虚一体化”教学模式。

二、“理、实、虚”教学模式的含义

“理、实、虚”教学模式即理论、实践、虚拟仿真一体化教学模式。以往理实一体化主要指理论实践一体化。而“理、实、虚”模式指的是理论、实践、虚拟仿真三位一体化，所以“理、实、虚”首先具有理论实践一体化的特点；对于一些没法进行实践或不方便实践的教学环节，通过虚化环境、虚拟仿真来实现其教学效果，对实践成本太高的教学环节则通过仿真一部分实物，用可编程控制器技术(PLC)来实现其实践环节。[2-3]

理实虚一体化教学强调师生之间的互动，注重工作任务的驱动。对于所有的教学环节，并非以知识体系的章节段落为主线，而是以学习情境的创设为划分依据。根据教学内容创设相应的教学情境，一个学习情境就相当于一个工程过程。学习情境创设后，学生开始情境学习，学习中逐步明确工作任务，并储备完成工作任务所需要的知识，或激活曾经学习过但有些遗忘的知识，然后，在老师指导下与同学协作实施并完成工作任务，工作任务完成后则进行检验和评价。

在完成教学任务的过程中，重点关注的是学生的主动学习和实践，教师不仅要全程构建素质和技能培养框架，还要组织整个教学秩序主导教学过程，学生在任务的驱动下，积极学习，与同学协作完成工作任务。在整个教学环节中，理论、虚拟仿真和实践三者交替进行，使学生在对理论知识有较为深入理解的基础上，突出动手能力和专业技能的培养，提高教学质量。

三、“理、实、虚”教学案例

“智能建筑设备自动化系统工程”是一门专业性很强、综合性很高的课程，课程中最主要的内容是对空调系统的监测和控制管理。下述两个案例将从两方面来体现课程“理、实、虚”教学模式的具体实施。

案例一：以中央空调冷热源系统控制中冷冻站的管理为例。因空调冷冻站造价成本高，且一般单位不具备建立冷冻站的条件，所以，以往在教学过程和教材中都只是画出冷冻站的工作原理和结构图，再加上理论说明。为更好地实现教学效果，可采用虚拟仿真的方式。首先，与以往的三维建模过程一样，搭建一个虚拟仿真环境，将机组、水泵、管道、阀门等设备在仿真环境中建立起来，学生只需要点击设备的名称就可以获得设备的相关知识信息，并可以在这个环境中获得空间的概念，了解这些设备的安装位置、作用和性能等。整个浏览过程就是一个立体的学习过程，教师可以设置几个关键的问题，让学生边看边思考；在问题的探究过程中，教师很自然地将学生的思路转到要完成的工作任务上；在学生激活储备的知识，具备知识基础后，提出制定冷冻站的运行管理方案的工作任务。

为了完成这个具有挑战性的工作任务，学生之间要进行分工协作。为满足学生个性化学习的需要，教师可将任务分解成为有一定层次和梯度的子任务，通过预先用计算机编程好的游戏，让学生在游戏闯关中深入了解冷冻站的管理过程。学生一旦出错，游戏就会很夸张地进行提示。本来冷冻站机组的启停是个复杂的过程，但通过几轮游戏，学生基本都能熟练掌握启停操作流程。在前面的浏览学习中，学生对冷冻站的原理已经有较深的理解，老师可以引导学生深入讨论“为什么冷冻站的启停顺序是这样的”，在得出结论后，学生能更深入理解管理操作流程，也能有效避免在实际工作中出现误操作而造成机组的损坏。最后，就是任务的检验和评价，以小组为单位展示各小组的方案成果，师生一起评价方案的闪光点和不足，经充分讨论，评出最完美的管理方案。教师在课后也可以提些拓展任务，如比较一下实际的管理方案和学生制定的管理方案有何区别。

案例二：课程中需要动手实践的部分因为设备的成本以及场地的要求而难以实现，在实际操作中也予以相应的虚化和仿真，这部分的虚化和仿真要用到的是仿真控制。以取给水系统的监控为例，因为给水系统造价高，占地面积大且分散，所以，在实训当中予以虚化和仿真，选取影响给水系统水泵启动的几个传感器为输入点，水泵的启停作为执行输出。这种输入点可以在PLC中用开关或按钮来仿真，执行过程可以用PLC中的编程来代替，执行器(水泵的启停)则可以用PLC中的相应执行部件来代替。如检测到给水系统的水位超过给定水位要报警时，给一个相应的开关动作表示水箱的水位超过给定水位，输出一个报警闪烁灯表示超高水位报警；而如果要给水泵一个停止工作命令时，可以用一个按钮的动作表示超过给定水位，相应的执行过程由PLC来完成，用接触器的吸合来表示水泵的启停。这样，整个实践实训过程学生是可以看得到效果的，要接线的部分学生也可以在PLC中通过接线操作来实现，最后效果的实现与真正的实践过程相差无几，只是实现的方式有些改变。中间的实现过程就是课程中虚化的部分，因为实际工程中，关注的也是有什么样的输入量和输出量。中间的实现过程是设备的功能实现，在本课程中用PLC来实现，如表1所示。

表1　实际运行过程与虚化仿真过程比较

“智能建筑设备自动化系统工程”课程“理、实、虚”三位一体的原则就是不能实践实训的部分提供真实环境，用三维建模来仿真；对于实践难度较高的部分，仿真一部分，实训一部分。以这种方式来实现教学过程的实践性、开放性和职业性。

综上所述，“理、实、虚”教学模式是根据“智能建筑设备自动化系统工程”课程需要而提出的教学模式，它通过理论、实践、虚拟仿真三位一体化，解决了智能建筑设备自动化系统工程中因设备种类繁多、造价高，导致实验实训成本高，实训室的建设成本高，运行和维护成本巨大等问题。利用虚拟技术，能给学生模拟出工业现场的环境，使学生有身临其境的感觉，解决了学生进入工业现场所存在的安全、管理等方面问题。利用虚化仿真技术，切实解决了实训、实践课的开设问题，提高了学生的动手能力和专业技能，使学生在动

手实践过程中获得成就感，从而大大地激发学生的学习积极性。由此可见，“理、实、虚”三位一体的教学模式运用于“智能建筑设备自动化系统工程”课程教学，大大地提高了课程的教学质量，如果能够将此教学模式进一步推广，必然能够推动教学改革的实质进步。[4]

参考文献：

[1]教育部.关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见[Z].教育部文件，教高[2006]16号.

[2]齐丽君，梁彬.电气控制技术的仿真教学研究[J].无线互联科技，2012(8)：225.

[3]郭颖.高职工程造价实践教学对抗式仿真教学模式实证研究[J].教育与职业，2014(20)：143-144.

[4]李鹏.仿真教学在高等职业教育中应用研究[D].济南：山东师范大学，2008.

[责任编辑盛艳]