建筑组态控制技术课程教学改革探索

杨亚龙

建筑组态控制技术课程教学改革探索

杨亚龙

根据建筑组态控制技术课程教学要求，分析了目前课程教学内容、教学方法和实验环节中存在的不足，通过更新教学内容，增添多元化教学方法，调整课程实验等手段，探索课程教学改革新方法。更以专业技能竞赛为导向，强化课程实践性教学环节，激发学生学习兴趣，培养创新能力，提高教学效果。

建筑电气与智能化；建筑组态控制技术；教学改革

目前，我国正处于城镇化加速发展的时期，智能建筑领域专业人才的严重匮乏阻碍了我国智能建筑、智慧城市技术的发展。为满足社会发展对专业人才的需求，顺应智能建筑行业蓬勃的发展趋势，2006年教育部和原建设部共同审核并批准了智能建筑新专业“建筑电气与智能化”[1]，2012年，建筑电气与智能化专业正式列入了教育部普通高等学校本科专业目录[2]。安徽建筑大学是首批开办此新兴专业的高校之一，旨在为我国建筑电气与智能化行业培养专业人才。建筑组态控制技术是建筑电气与智能化等专业一门非常重要的专业课程，它具有工程背景强、专业分类明显、软硬件结合等特点。组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，它处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建控制系统监控功能的、通用层次的软件工具[3]。建筑组态控制技术是一门具有建筑领域、控制领域背景特色的软件类课程，拓展了自动化软件在行业特色领域的人才培养需求。2017年，我校按照高等学校建筑电气与智能化专业指导委员会制定的专业规范对建筑电气与智能化专业培养计划进行了重新修订，突出了建筑组态控制技术在建筑电气与智能化领域应用的重要性。本文对建筑组态控制技术课程教学进行了创新性探索，使其更符合社会对智能建筑领域专业人才的实践需求，同时也丰富了建筑电气与智能化专业的教学特色。

1 改革教学内容，彰显专业特色

教学内容作为课程教学改革的首要任务，要根据教学目标的导向性，突出教学内容的针对性、实用性[4]。组态控制技术作为电气、自动化及其相关专业选修的重要特色课程，是一门以应用为主的工程类技术课程。同时在该课程中学生需要熟悉掌握并使用组态软件。组态软件可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制。InTouch软件是最早进入中国的国外组态软件，其是为以工厂和操作人员为中心的制造信息系统提供的可视化工具。UScada是国内著名的免费组态软件，专门为中小自动化企业提供监控方案。Kingview是亚控科技根据当前自动化技术的发展趋势，面向低端自动化应用市场，以实现企业一体化为目标而开发的一套产品。目前这些软件产品都具有较强的工业特性，很少涉及智能建筑领域的运行监控，不适合建筑电气与智能化这一特色专业的教学。同时，由于现有教材内容偏重组态软件的使用介绍，缺乏对建筑领域的应用案例分析，容易造成学生无法将掌握的专业知识通过组态软件灵活的加以实现，不利于学生的特色培养。针对这些问题，首先，本文作者积极申报承担了《建筑组态控制技术》一书的主编工作，该教材入选高等教育土建类学科专业“十三五”规划教材。课程教学将国内外建筑组态控制技术的发展动态、国内外行业新规范、新标准整理归纳到教学内容中，同时增加了建筑领域的组态软件应用的各种实际案例，让学生能较好的将理论与实践相结合；其次，注重教学的目的性和适用性，针对组态软件专业性不强的问题，根据专业教学需求对组态软件进行二次开发，例如增加丰富的建筑图元库，开发软件与建筑领域常用总线接口等，使组态软件能更好的应用于智能建筑及相关领域，通过该软件的学习，学生能直观快速的进行设备监控的开发，充分发挥所学的专业知识进行工程设计。

2 完善教学方法，提升教学质量

教学方法是教授方法与学习方法的统一。在教学过程中为解决本课程应用性强，不易理解掌握等问题，在授课时采取多种有效的教学方式，并在课前认真准备，课后评估教学结果。

建筑组态控制技术是一门应用性很强的课程，传统教学方法中，教师在教学过程中处于主导地位，学生一直处于被动接收知识的状态，很难充分理解该课程的内容，降低了学生学习积极性且学生的创造能力无法得以体现与提升，使得教学效率低下。普通教学方式显然不再满足新型人才的专业知识需求，结合建筑施工现场实际进行教学，虽然能提高学生学习兴趣但存在一定的危险性，同时在较少的课时内，让学生走进现场学习对完成教学内容具有一定的困难。

为此本文在建筑组态技术课程教学中尝试采用了以下几种教学方式，取得了良好的教学效果：

(1)合理采用多媒体教学手段，包括3D动画，建筑施工现场视频等，多维度动态展现智能建筑系统中组态软件的实际应用案例，在提高了学生学习积极性的同时，也丰富了课堂教学的信息量。

(2)邀请公司相关技术人员开展讲座讲解智能建筑领域工程中组态软件的应用案例与技巧，并为学生答疑解惑。

(3)开展分组讨论和编程设计。让学生主动搜索该技术领域知识，并在课堂上阐述自身观点，以组为单位将一些小案例快速编程实现，不仅学生自主学习能力得到锻炼，而且有效提升学生合作能力与默契。

(4)结合建筑案例教学，加强课程学习的延续性，巩固与掌握学科基础课程核心知识点。例如：建筑供配电与照明、建筑设备、建筑电气控制技术是建筑电气与智能化专业的专业核心课程，这些核心课程所学的核心知识点可以通过组态软件形象生动的加以展示。学生通过建筑组态控制技术课程的学习，能进一步巩固专业基础课程，加深对专业基础知识的理解。

(5)因为组态软件可以进行网络版开发等特有的优势，课程教学可以引入MOOC课程、翻转课堂等先进的教学方式与理念。在课堂上没有解决的问题，可以利用课后时间在网络上与学生进行编程交流、成果检查，实时提出修改建议，开展互动。

通过灵活选用多种教学方式，将原本抽象的应用型技术知识更加具体形象地展示在学生面前，让学生们对理论知识理解更深刻，理论与应用的结合使得学有所用，学有所得，学生掌握学习的主动性，同时可充分激发学生学习的兴趣与创造力。

3 强化实践环节，培养工程能力

任何理论学习不经过实践都不能充分发挥其知识的魅力。建筑组态控制技术设置了丰富的课程实验教学环节，利用组态软件编程实现对建筑设备系统的运行仿真，强化学生对理论知识的理解，提高学生动手能力，激发学生创造力。学生通过课程掌握组态软件的基本概念和主要内容后，学会使用组态软件对智能建筑各监控子系统进行设计，并掌握设计方法和设计技巧。目前我校建筑组态控制技术课程开设实验有：给排水监控系统设计与实现、照明系统设计与实现、供配电系统设计与实现、空调系统设计与实现、电梯监控设计与实现等实验，如图1为照明系统设计与实现实验示意图。通过实验，学生运用组态软件对智能建筑各子系统进行监控仿真，将所学专业课知识加以融合贯通，深入理解。

图1 照明系统设计与实现实验示意图

新颖全面的实验环节设置，大大提高了学生工程实践能力，但受制于实验条件的限制，实验过程主要以仿真环节为主，而在实际工程中关于总线的合理选用以及I/O设备驱动设置这些环节，学生仍不能充分理解和掌握，成为制约部分学有余力的学生实践能力提高的难题。为此，建筑组态控制技术课程教学结合我校2014年获批建设的楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心以及一年一度的由高等学校建筑电气与智能化专业指导委员会主办的全国大学生智能建筑工程实践技能竞赛。竞赛中有大量的组态软件设计环节，要求通过组态软件对智能建筑子系统进行监控仿真，同时在硬件设施上进行实际操作。学生可依据竞赛规则先进行需求分析然后进行系统设计、做出设计方案；硬件设施上需做好设备选型，其中包括设备对应连接的总线类型，完成设备安装；软件系统上，通过组态软件界面编写I/O接口程序，通过与总线网络的连接实现计算机远程监控。楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心有针对性的开发了一系列类似的软硬件结合的创新型实验项目，学生可在实验室专设的模拟平台上按需搭建所设计的智能建筑子系统并进行调试运行。如图2为实验教学示范中心建筑二次供水运行监控系统创新型实验系统架构，图3为建筑二次供水运行监控系统创新型实验组态软件设计界面；现场设备层由压力、液位和流量传感器等组成，采集数据并通过PLC处理后发送到数据传输层的接入设备中；数据传输层采用总线/光纤方式将采集到的实时数据和设备运行状态传输到中央控制层，同时将中央控制层设置的运行参数下发到现场设备层的PLC中；中央控制层作为该系统的核心层，通过服务器对传输来的数据进行分析和存储，使用组态软件实时监控整个系统，能够对产生的故障及时报警，并下达控制命令，从而保证系统正常运行，实现建筑二次供水运行监控系统的智能化管理。

目前实验教学示范中心开设的组态软件相关的创新型实验项目有二十余项，包括给排水、供配电、照明、视频监控、周界安防报警、消防联动、多表远传等子系统，学生在学习与设计的过程中不仅熟练掌握了组态软件，对总线技术也有了更深层次的理解。该创新型实验平台除用于学生自主学习、竞赛培养外，也可供低年级学生学习参观，加强专业知识的感性认识。

图2 建筑二次供水运行监控创新型实验系统架构

图3 建筑二次供水运行监控创新型实验组态软件设计界面

创新型实验平台使学生必须深谙理论知识才能设计出具有创新点的设计方案，当然此种方法已见成效，我校建筑电气与智能化专业学生连续多年在全国大学生智能建筑工程实践技能竞赛中取得优异成绩，多次获得团体赛特等奖、一等奖及个人赛一、二等奖。

4 结论与展望

建筑组态控制技术作为建筑电气与智能化专业一门具有较强应用性的课程，与其他专业课程知识紧密相连。通过教学实践证明，改善教学内容，合理选用多元化教学方法，能够有效提升学生综合能力，激发学生的创新精神和探索意识，对其在日后就业打下坚实基础具有重要意义。此外，随着智慧城市建设的蓬勃发展和计算机网络技术的进步，虚拟现实(VR)技术有望在建筑及其相关领域得到广泛应用，笔者也在探索将VR技术应用于本课程教学，丰富教学手段，提高教学效果。

[1] “建筑电气与智能化”专业人才的教育与培养[J]. 智能建筑与城市信息, 2008, (05): 114-115.

[2] 全国高等学校建筑电气与智能化学科专业指导小组. 建筑电气与智能化专业规范[Z]. 2014.

[3] 李平. CDIO教学模式在“工控组态软件”课程中的应用[J]. 教育理论与实践, 2016, (24): 63-64.

[4] 李志义. 适应认证要求 推进工程教育教学改革[J]. 中国大学教学, 2014, (06): 9-16.

责任编辑：刘海涛

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1673-1794(2017)02-0115-03

杨亚龙，安徽建筑大学电子与信息工程学院副教授，博士(合肥 230022)。

安徽省重点教研项目：建筑电气与智能化专业开放式虚拟实验教学系统研究 (2015jyxm246)；楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心建设项目

2017-02-07