基于OBE理念的《建筑设备自动化》教学改革

李淮周，曹祥红，王宏，刘玉雪，白振鹏，王干一

（郑州轻工业大学 建筑环境工程学院，河南 郑州）

一 引言

我国于2016年成为《华盛顿协议》的正式会员，标志着我国工程教育得到了国际认可。为进一步提升工程教育水平，翌年教育部发出了《关于开展新工科研究与实践的通知》，工程教育新理念是其重要的研究内容之一。以教育产出（Outcome Based Education，OBE）为导向的教育模式在工程教育专业认证中的核心理念，在实践中强调以学生取得的成果为核心，并以此反向设计课程大纲，配置专业课程体系和优化学校资源，突出学生毕业要求和培养目标的实现，切合了当前我国对新工科建设的要求[1-3]。

《建筑设备自动化》是建筑电气与智能化专业核心课程之一，主要产出目标是能够完成建筑设备自动化系统设计[4-5]。在实际工程中，建筑设备自动化系统有广义和狭义之分，广义上在包括狭义上建筑设备自动化系统的同时，还包括安全防范系统、火灾自动报警系统、管理服务系统等，而狭义上的主要包括对暖通空调、给排水、照明等建筑内用电设备进行测量、监视、控制和调节，也称为建筑设备监控系统或楼宇自控系统。该系统在保证室内工作生活的环境条件、建筑设备的安全运行、资源的合理利用，以及节省建筑能耗和保护生态环境方面都有着十分重要的作用和意义[6-8]。从中可以看出，《建筑设备自动化》课程在教学内容上具有典型交叉学科特点，是一门涉及面较广的专业课程[9-11]。在新工科背景下，积极探索基于OBE理念的《建筑设备自动化》教学内容改革和实践，不仅是建电专业发展的内在需要，也是智能物联网时代对建电专业人才培养的必然要求。为此，本文以OBE理念为指导，分别从明确课程目标、重构教学内容、改革教学方法、丰富考核评价方式等教学环节进行了探索和阐述。

二 基于OBE理念的课程目标制定

表1 《建筑设备自动化》对毕业要求的支撑关系

《建筑设备自动化》的课程学习要求毕业生能够在建筑设计研究院、工程设计公司等，从事建筑设备自动化的相关工程设计、工程建设管理、设备安装调试与运行维护、系统集成、信息处理、建筑节能等工作，并具有建筑设备自动化技术的应用研究和开发的初步能力。综上，得出了课程的4个教学目标。

（1）了解建筑设备自动化设计的目的，建立建筑设备自动化设计的整体知识框架，查阅建筑设备自动化技术相关国家标准和规范，理解在国家标准和规范指导下进行建筑设备监控系统工程设计的必要性；了解建筑设备自动化系统中运用的数学、自然科学与工程科学基本原理，掌握建筑设备自动化传感器、执行器、控制器作用、特性、分类与布置方法，能够进行数据采集与传输等环节的初步设计；认识并理解建筑特性、功能需求对建筑设备监控系统工程设计方案的影响，初步获得识别和判断建筑设备自动化领域复杂问题的能力。

（2）了解空调风、水、冷冻站系统、集中供暖系统、给排水系统、供配电系统、照明系统等工作原理；掌握典型应用场景的建筑设备监控系统的设计、施工、运维的基本设计方法和技术，并能够了解建筑特性、当前技术、功能需求对设计目标和技术方案的影响。

（3）理解建筑设备自动化系统的目的，了解建筑设备自动化系统的原理和功能，能够对空调系统中风、水、冷冻站监控系统、换热站监控系统采集的实验结果进行分析和解释，评估建筑设备监控系统方案的有效性，通过信息综合，得到合理有效的结论。

（4）了解暖通空调系统、给排水系统、供配电与照明系统等监控方案设计的多样性；理解针对不同监控方案在设计、施工、运维等过程中的成本差异，了解其中需要的经济决策和工程管理能力。

三 按课程目标点重构知识体系

建筑设备自动化课程授课对象主要为非计算机类学生，通常对计算机控制技术、网络通信技术等专业性较强的技术理解不够，根据教学目标，以及学生对建筑设备自动化的认知规律，按照由旧入新、先易后难、从知识到技能、从设备到系统、从局部到全体、从设计到施工的思路，多层次、按模块重构知识体系。

（1）建筑设备自动化基础模块，通过介绍建筑设备自动化组成与功能、应用场景与未来发展趋势，以及一些BAS、IBMS工程实例展示激发学生对于建筑设备自动化的兴趣；通过介绍系统中硬件如传感器、执行器、控制器等，软件如PID控制算法、ModBus、LonWorks、BACnet等总线协议，计算机控制系统如DDC、DCS、FCS等帮助学生在脑海中初步建立建筑设备自动化系统运行模型，帮助学生了解建筑设备自动化设计的目的，建立建筑设备自动化设计的整体知识框架。能够通过查阅国家标准、规范、相关文献资料，了解建筑设备自动化系统中运用的数学、自然科学与工程科学基本原理，掌握建筑设备自动化相关的传感器、执行器、控制器作用、特性、分类与布置方法；认识并理解建筑特性、功能需求对建筑设备监控系统工程设计方案的影响，初步获得识别和判断建筑设备自动化领域复杂问题的能力。

（2）建筑设备自动化设计模块，包括空调系统监控、集中供暖系统监控、给排水系统监控、建筑电气系统监控是建筑设备自动化课程的重点内容，通过对经典工程案例分析，将建筑设备的新技术、新设备、新系统、新业态引入课堂进行讲授，做到教学内容始终与时代前沿同步，与实践相联系，逐步加深学生对各系统工作原理、监控内容、监控功能的理解，培养学生自上而下、逐步分解的自动化监控系统设计思维。了解建筑特性、功能需求、当前技术对设计目标和技术方案的影响，能够依据国家相关规范设置特定工作任务，让学生将掌握的新内容、新方法、新知识融入到相应的工程场景中发现问题、解决问题，充分调动学生多层次、多角度主动探究建筑设备自动化系统设计场景、设计依据、设计要求、实现方法，能够在这些条件约束下，掌握建筑设备监控系统的设计、施工、运维的基本设计方法和技术。为学生毕业后从事建筑设备自动化系统的设计、管理、运行、维护工作奠定坚实基础。

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（3）建筑设备自动化实验模块，包括空调系统、集中供暖系统、给排水系统、建筑电气系统等监控方案的设计与验证，以及对实验结果的分析和解释。通过信息综合，能够评估建筑设备监控系统方案的有效性，并得到合理有效的结论。这能够进一步强化学生对建筑设备自动化系统设计原理和方法的理解。

（4）建筑设备自动化工程管理模块，包括空调系统监控、集中供暖系统监控、给排水系统监控、建筑电气系统监控多种方案的比较、综合，能够了解不同监控方案在设计、施工、运维等过程中的成本差异，具备初步的经济决策和工程管理能力。

四 基于OBE理念的教学方法改革

（一） 课堂教学方法改革

《建筑设备自动化》课程融合了网络通信、计算机控制、建筑环境、建筑设备等不同学科的内容，主要解决暖通空调、给排水、供配电与照明等系统的监控方案设计。传统课堂教学以教师、教科书为中心，主要采用以教为主的“填鸭式”教学，虽有图片和视频辅助教学，很难展现建筑设备系统的全貌，不利于学生形成对建筑设备监控系统整体化的认识，学生课堂参与度低，提不起来兴趣。在有限的40学时（其中8实验学时）对涉及的学科知识进行较为系统讲解或回顾显然不现实。这就要求对该课程涉及到的交叉学科知识进行梳理、分析、总结，突出核心内容和特色。在新工科的背景下基于OBE 理念，充分运用虚拟仿真、增强现实等现代教育技术，以及案例式、启发式、任务驱动式等教学方法，克服传统教学方法带来的问题。在教学过程中，教师不仅要负责构建理论知识与专业技能的培养框架，还要主导教学秩序，并密切关注学生理论学习的主动性和实践能力。确保学生在任务的驱动下，努力学习专业知识，能够与同学有效协作完成特定的课程任务，如监控方案的技术需求、系统设计、运行维护、成本分析等，在有效学时内掌握其核心知识、显著特征和发展前景。

（二） 实验教学方式改革

针对《建筑设备自动化》是一个工程性较强、具有多学科交叉的特点，如果只是简单地罗列相关学科的一些基本概念或名词解释，来说明建筑设备自动化系统中的各种监控系统的运行原理，没有实验课程有力支撑，就会落入机械、枯燥、乏味地学习理论知识，缺少工程实现的趣味性和成就感。根据学生对实践性学习更感兴趣以及建筑设备自动化工程和生活紧密相关的特点，在实验课程中应采取理论知识运用与实验技能培养相结合、验证性和设计性实验相结合的方式，帮助学生进一步理解课堂教学中监控方案实施的理论知识，支撑课程相关目标点的达成。

五 基于OBE理念的考核方式改革

传统考核方式多集中于对知识点的考查，基于OBE教学理念则强调以学生学习成果为核心的过程考核，重点关注对所学理论知识的应用能力，通过课程目标的达成度来评价学生的学习效果。

①作业考核，占课程成绩的10%，考核学生对课堂教学内容掌握程度，要覆盖广，便于学生及时发现学习中盲点、弱点、查漏补缺。

②实验考核，占课程成绩的10%，考核学生针对实验内容熟悉程度、分析问题、解决问题、设计监控方案、撰写实验报告能力。

③课堂表现，占课程成绩的10%，课堂上以学生为中心，一切的教学设计都要考虑到支撑的教学目标、学生接受度，让教师更多地成为指导者、质询者，多维度评价学生提出设计思想、口头报告质量。

④期末考试，占课程成绩的70%，题目类型应覆盖全部目标点，并提高分析题、设计题的比例，多层次考查学生的学习成果。

考核贯穿于整个教学过程，一方面方便学生根据考核结果发现知识盲区，及时调整学习方法、加强学习的针对性；另一方面也为教师改进教学方法、调整教学进度提供了判断标准。传统教与学之间主要依靠课堂提问、课后答疑、作业完成情况等方式，师生之间的沟通难以有效展开，学生积极性普遍不高，最近由于新冠疫情，大多数课程开展了线上教学，实现有效的沟通依然是一个很重要的问题。为此，利用信息化手段，建立了实时教学跟踪评价系统成为了教学发展必然趋势，主要包括：

（1）依托课程线上教学平台，对课堂表现、课后作业、实验教学环节及时发布成绩，让学生及时了解自身对课程知识的掌握情况，便于学生查漏补缺、有针对性地调整自己的学习方法，提高学习效果。

（2）通过教学平台可实时统计分析学生的学习状态以及相关知识点的掌握情况，有针对性构建相应的学习论坛、建立互助小组或通过专项辅导，对于学生学习遇到的短板或瓶颈进行早期干预。

总之，在重视传统教学手段的同时，充分利用线上学习平台、线上即时交流软件QQ群、微信群等现代技术手段，构建教师、学生之间有效交流通道，准确、及时地反映、解答教与学中遇到的各种问题，增强考核评价的时效性，促进教学方法与内容的与时俱进。

六 结语

在OBE理念的指导下，对《建筑设备自动化》的课程目标点进行了明确，梳理了该课程的知识体系，并对其课堂、实验教学方法以及课程考核方式进行了改革，探索了新工科培养模式下的课程建设方法，强调了工程理论与实践的结合，增加学生学习兴趣，强化学生对课程理论知识掌握和实践能力的提高。并能够通过毕业要求、课程目标的达成情况进一步优化教与学的方法，以不断适应企业行业的新需求。