“智能建筑設備自動化系統工程”“理、實、虛”教學模式的探討與實踐

“智能建筑設備自動化系統工程”“理、實、虛”教學模式的探討與實踐

劉運清，劉大君

摘要：以“智能建筑設備自動化系統工程”課程為例，提出了“理、論、虛”即理論、實踐、虛擬仿真三位一體的教學模式。利用虛擬技術解決了因實訓設備造價昂貴、實訓室維護成本大等原因所造成的學生無法親臨現場的問題；利用虛化仿真技術解決了課程實踐實訓無法實施或較少實施等問題，從而切實推動了教學改革的進程。

關鍵詞：高職；智能建筑設備自動化系統工程；“理、實、虛”一體化教學模式；虛擬仿真

作者簡介：劉運清，女，江蘇城鄉建設職業學院設備工程系講師，主要研究方向為樓宇智能化施工和管理；劉大君，女，江蘇城鄉建設職業學院設備工程系教學副主任，副教授，高級工程師，主要研究方向為樓宇智能化施工和管理。

中圖分類號：G712文獻標識碼：A

教育部《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》中指出：高職教育人才培養模式改革的重點是教學過程的實踐性、開放性和職業性，實驗、實訓、實習是三個關鍵環節。加強實訓、實習基地建設是高職院校改善辦學條件、彰顯辦學特色、提高教學質量的重點。[1]高職院校在各個專業教學計劃中開設足夠的實訓實踐課程，是對上述要求的積極響應。

一、“智能建筑設備自動化系統工程”“理、實、虛”教學模式提出的背景

“智能建筑設備自動化系統工程”是樓宇智能化工程技術專業的核心課程之一，該課程的教學水準也代表了專業的教學水準。但由于該課程立足科技前沿，實訓設備昂貴，實訓室的建設成本高，運行和維護成本巨大，因此，具備相應實訓條件的學校少之又少。通過對全國各類建筑職業院校(包括內蒙古建筑職業技術學院、四川建筑職業技術學院、上海市房地產學校、上海市建筑工程學校、新疆建設職業學校、廣州市土地房地產管理職業學校、山西省建筑工程技術學校、河南省建筑工程學校、廣西城市建設學校及江蘇城鄉建設職業學院共10所院校)的調查發現，“智能建筑設備自動化系統工程”課程的實訓教學普遍存在著以下問題：設備缺乏或設備的技術含量較低；實訓力度和效率不高或者基本為零；體現實際工程的綜合性訓練項目少；故障分析與排除的訓練項目為零；部分學校甚至只有理論教學而沒有實訓教學。

另一方面，與課程配套的適合五年制高職教育的教材很少，絕大多數教材面向本科院校，以講述原理、系統設計方法等理論知識為主，沒有將理論與實際很好地聯系在一起。

目前，“智能建筑設備自動化系統工程”的理實一體化教學改革并沒有取得實質上的進展，為推動教學改革，提升樓宇智能化專業的教學水平，本文提出了“理、實、虛一體化”教學模式。

二、“理、實、虛”教學模式的含義

“理、實、虛”教學模式即理論、實踐、虛擬仿真一體化教學模式。以往理實一體化主要指理論實踐一體化。而“理、實、虛”模式指的是理論、實踐、虛擬仿真三位一體化，所以“理、實、虛”首先具有理論實踐一體化的特點；對于一些沒法進行實踐或不方便實踐的教學環節，通過虛化環境、虛擬仿真來實現其教學效果，對實踐成本太高的教學環節則通過仿真一部分實物，用可編程控制器技術(PLC)來實現其實踐環節。[2-3]

理實虛一體化教學強調師生之間的互動，注重工作任務的驅動。對于所有的教學環節，并非以知識體系的章節段落為主線，而是以學習情境的創設為劃分依據。根據教學內容創設相應的教學情境，一個學習情境就相當于一個工程過程。學習情境創設后，學生開始情境學習，學習中逐步明確工作任務，并儲備完成工作任務所需要的知識，或激活曾經學習過但有些遺忘的知識，然后，在老師指導下與同學協作實施并完成工作任務，工作任務完成后則進行檢驗和評價。

在完成教學任務的過程中，重點關注的是學生的主動學習和實踐，教師不僅要全程構建素質和技能培養框架，還要組織整個教學秩序主導教學過程，學生在任務的驅動下，積極學習，與同學協作完成工作任務。在整個教學環節中，理論、虛擬仿真和實踐三者交替進行，使學生在對理論知識有較為深入理解的基礎上，突出動手能力和專業技能的培養，提高教學質量。

三、“理、實、虛”教學案例

“智能建筑設備自動化系統工程”是一門專業性很強、綜合性很高的課程，課程中最主要的內容是對空調系統的監測和控制管理。下述兩個案例將從兩方面來體現課程“理、實、虛”教學模式的具體實施。

案例一：以中央空調冷熱源系統控制中冷凍站的管理為例。因空調冷凍站造價成本高，且一般單位不具備建立冷凍站的條件，所以，以往在教學過程和教材中都只是畫出冷凍站的工作原理和結構圖，再加上理論說明。為更好地實現教學效果，可采用虛擬仿真的方式。首先，與以往的三維建模過程一樣，搭建一個虛擬仿真環境，將機組、水泵、管道、閥門等設備在仿真環境中建立起來，學生只需要點擊設備的名稱就可以獲得設備的相關知識信息，并可以在這個環境中獲得空間的概念，了解這些設備的安裝位置、作用和性能等。整個瀏覽過程就是一個立體的學習過程，教師可以設置幾個關鍵的問題，讓學生邊看邊思考；在問題的探究過程中，教師很自然地將學生的思路轉到要完成的工作任務上；在學生激活儲備的知識，具備知識基礎后，提出制定冷凍站的運行管理方案的工作任務。

為了完成這個具有挑戰性的工作任務，學生之間要進行分工協作。為滿足學生個性化學習的需要，教師可將任務分解成為有一定層次和梯度的子任務，通過預先用計算機編程好的游戲，讓學生在游戲闖關中深入了解冷凍站的管理過程。學生一旦出錯，游戲就會很夸張地進行提示。本來冷凍站機組的啟停是個復雜的過程，但通過幾輪游戲，學生基本都能熟練掌握啟停操作流程。在前面的瀏覽學習中，學生對冷凍站的原理已經有較深的理解，老師可以引導學生深入討論“為什么冷凍站的啟停順序是這樣的”，在得出結論后，學生能更深入理解管理操作流程，也能有效避免在實際工作中出現誤操作而造成機組的損壞。最后，就是任務的檢驗和評價，以小組為單位展示各小組的方案成果，師生一起評價方案的閃光點和不足，經充分討論，評出最完美的管理方案。教師在課后也可以提些拓展任務，如比較一下實際的管理方案和學生制定的管理方案有何區別。

案例二：課程中需要動手實踐的部分因為設備的成本以及場地的要求而難以實現，在實際操作中也予以相應的虛化和仿真，這部分的虛化和仿真要用到的是仿真控制。以取給水系統的監控為例，因為給水系統造價高，占地面積大且分散，所以，在實訓當中予以虛化和仿真，選取影響給水系統水泵啟動的幾個傳感器為輸入點，水泵的啟停作為執行輸出。這種輸入點可以在PLC中用開關或按鈕來仿真，執行過程可以用PLC中的編程來代替，執行器(水泵的啟停)則可以用PLC中的相應執行部件來代替。如檢測到給水系統的水位超過給定水位要報警時，給一個相應的開關動作表示水箱的水位超過給定水位，輸出一個報警閃爍燈表示超高水位報警；而如果要給水泵一個停止工作命令時，可以用一個按鈕的動作表示超過給定水位，相應的執行過程由PLC來完成，用接觸器的吸合來表示水泵的啟停。這樣，整個實踐實訓過程學生是可以看得到效果的，要接線的部分學生也可以在PLC中通過接線操作來實現，最后效果的實現與真正的實踐過程相差無幾，只是實現的方式有些改變。中間的實現過程就是課程中虛化的部分，因為實際工程中，關注的也是有什么樣的輸入量和輸出量。中間的實現過程是設備的功能實現，在本課程中用PLC來實現，如表1所示。

表1　實際運行過程與虛化仿真過程比較

“智能建筑設備自動化系統工程”課程“理、實、虛”三位一體的原則就是不能實踐實訓的部分提供真實環境，用三維建模來仿真；對于實踐難度較高的部分，仿真一部分，實訓一部分。以這種方式來實現教學過程的實踐性、開放性和職業性。

綜上所述，“理、實、虛”教學模式是根據“智能建筑設備自動化系統工程”課程需要而提出的教學模式，它通過理論、實踐、虛擬仿真三位一體化，解決了智能建筑設備自動化系統工程中因設備種類繁多、造價高，導致實驗實訓成本高，實訓室的建設成本高，運行和維護成本巨大等問題。利用虛擬技術，能給學生模擬出工業現場的環境，使學生有身臨其境的感覺，解決了學生進入工業現場所存在的安全、管理等方面問題。利用虛化仿真技術，切實解決了實訓、實踐課的開設問題，提高了學生的動手能力和專業技能，使學生在動

手實踐過程中獲得成就感，從而大大地激發學生的學習積極性。由此可見，“理、實、虛”三位一體的教學模式運用于“智能建筑設備自動化系統工程”課程教學，大大地提高了課程的教學質量，如果能夠將此教學模式進一步推廣，必然能夠推動教學改革的實質進步。[4]

參考文獻：

[1]教育部.關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見[Z].教育部文件，教高[2006]16號.

[2]齊麗君，梁彬.電氣控制技術的仿真教學研究[J].無線互聯科技，2012(8)：225.

[3]郭穎.高職工程造價實踐教學對抗式仿真教學模式實證研究[J].教育與職業，2014(20)：143-144.

[4]李鵬.仿真教學在高等職業教育中應用研究[D].濟南：山東師范大學，2008.

[責任編輯盛艷]