“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”“理、實、虛”教學(xué)模式的探討與實踐

劉運(yùn)清，劉大君

摘要：以“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)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(xué)模式。利用虛擬技術(shù)解決了因?qū)嵱?xùn)設(shè)備造價昂貴、實訓(xùn)室維護(hù)成本大等原因所造成的學(xué)生無法親臨現(xiàn)場的問題；利用虛化仿真技術(shù)解決了課程實踐實訓(xùn)無法實施或較少實施等問題，從而切實推動了教學(xué)改革的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：高職；智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程；“理、實、虛”一體化教學(xué)模式；虛擬仿真

作者簡介：劉運(yùn)清，女，江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院設(shè)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(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院設(shè)備工程系教學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中指出：高職教育人才培養(yǎng)模式改革的重點(diǎn)是教學(xué)過程的實踐性、開放性和職業(yè)性，實驗、實訓(xùn)、實習(xí)是三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。加強(qiáng)實訓(xùn)、實習(xí)基地建設(shè)是高職院校改善辦學(xué)條件、彰顯辦學(xué)特色、提高教學(xué)質(zhì)量的重點(diǎn)。[1]高職院校在各個專業(yè)教學(xué)計劃中開設(shè)足夠的實訓(xùn)實踐課程，是對上述要求的積極響應(yīng)。

一、“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”“理、實、虛”教學(xué)模式提出的背景

“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”是樓宇智能化工程技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，該課程的教學(xué)水準(zhǔn)也代表了專業(yè)的教學(xué)水準(zhǔn)。但由于該課程立足科技前沿，實訓(xùn)設(shè)備昂貴，實訓(xùn)室的建設(shè)成本高，運(yùn)行和維護(hù)成本巨大，因此，具備相應(yīng)實訓(xùn)條件的學(xué)校少之又少。通過對全國各類建筑職業(yè)院校(包括內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院、四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院、上海市房地產(chǎn)學(xué)校、上海市建筑工程學(xué)校、新疆建設(shè)職業(yè)學(xué)校、廣州市土地房地產(chǎn)管理職業(yè)學(xué)校、山西省建筑工程技術(shù)學(xué)校、河南省建筑工程學(xué)校、廣西城市建設(shè)學(xué)校及江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院共10所院校)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”課程的實訓(xùn)教學(xué)普遍存在著以下問題：設(shè)備缺乏或設(shè)備的技術(shù)含量較低；實訓(xùn)力度和效率不高或者基本為零；體現(xiàn)實際工程的綜合性訓(xùn)練項目少；故障分析與排除的訓(xùn)練項目為零；部分學(xué)校甚至只有理論教學(xué)而沒有實訓(xùn)教學(xué)。

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(shù)教材面向本科院校，以講述原理、系統(tǒng)設(shè)計方法等理論知識為主，沒有將理論與實際很好地聯(lián)系在一起。

目前，“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”的理實一體化教學(xué)改革并沒有取得實質(zhì)上的進(jìn)展，為推動教學(xué)改革，提升樓宇智能化專業(yè)的教學(xué)水平，本文提出了“理、實、虛一體化”教學(xué)模式。

二、“理、實、虛”教學(xué)模式的含義

“理、實、虛”教學(xué)模式即理論、實踐、虛擬仿真一體化教學(xué)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(diǎn)；對于一些沒法進(jìn)行實踐或不方便實踐的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過虛化環(huán)境、虛擬仿真來實現(xiàn)其教學(xué)效果，對實踐成本太高的教學(xué)環(huán)節(jié)則通過仿真一部分實物，用可編程控制器技術(shù)(PLC)來實現(xiàn)其實踐環(huán)節(jié)。[2-3]

理實虛一體化教學(xué)強(qiáng)調(diào)師生之間的互動，注重工作任務(wù)的驅(qū)動。對于所有的教學(xué)環(huán)節(jié)，并非以知識體系的章節(jié)段落為主線，而是以學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)為劃分依據(jù)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)情境，一個學(xué)習(xí)情境就相當(dāng)于一個工程過程。學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)后，學(xué)生開始情境學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)中逐步明確工作任務(wù)，并儲備完成工作任務(wù)所需要的知識，或激活曾經(jīng)學(xué)習(xí)過但有些遺忘的知識，然后，在老師指導(dǎo)下與同學(xué)協(xié)作實施并完成工作任務(wù)，工作任務(wù)完成后則進(jìn)行檢驗和評價。

在完成教學(xué)任務(wù)的過程中，重點(diǎn)關(guān)注的是學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和實踐，教師不僅要全程構(gòu)建素質(zhì)和技能培養(yǎng)框架，還要組織整個教學(xué)秩序主導(dǎo)教學(xué)過程，學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動下，積極學(xué)習(xí)，與同學(xué)協(xié)作完成工作任務(wù)。在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中，理論、虛擬仿真和實踐三者交替進(jìn)行，使學(xué)生在對理論知識有較為深入理解的基礎(chǔ)上，突出動手能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

三、“理、實、虛”教學(xué)案例

“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”是一門專業(yè)性很強(qiáng)、綜合性很高的課程，課程中最主要的內(nèi)容是對空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制管理。下述兩個案例將從兩方面來體現(xiàn)課程“理、實、虛”教學(xué)模式的具體實施。

案例一：以中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)控制中冷凍站的管理為例。因空調(diào)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(xué)過程和教材中都只是畫出冷凍站的工作原理和結(jié)構(gòu)圖，再加上理論說明。為更好地實現(xiàn)教學(xué)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(huán)境，將機(jī)組、水泵、管道、閥門等設(shè)備在仿真環(huán)境中建立起來，學(xué)生只需要點(diǎn)擊設(shè)備的名稱就可以獲得設(shè)備的相關(guān)知識信息，并可以在這個環(huán)境中獲得空間的概念，了解這些設(shè)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(xué)習(xí)過程，教師可以設(shè)置幾個關(guān)鍵的問題，讓學(xué)生邊看邊思考；在問題的探究過程中，教師很自然地將學(xué)生的思路轉(zhuǎn)到要完成的工作任務(wù)上；在學(xué)生激活儲備的知識，具備知識基礎(chǔ)后，提出制定冷凍站的運(yùn)行管理方案的工作任務(wù)。

為了完成這個具有挑戰(zhàn)性的工作任務(wù)，學(xué)生之間要進(jìn)行分工協(xié)作。為滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的需要，教師可將任務(wù)分解成為有一定層次和梯度的子任務(wù)，通過預(yù)先用計算機(jī)編程好的游戲，讓學(xué)生在游戲闖關(guān)中深入了解冷凍站的管理過程。學(xué)生一旦出錯，游戲就會很夸張地進(jìn)行提示。本來冷凍站機(jī)組的啟停是個復(fù)雜的過程，但通過幾輪游戲，學(xué)生基本都能熟練掌握啟停操作流程。在前面的瀏覽學(xué)習(xí)中，學(xué)生對冷凍站的原理已經(jīng)有較深的理解，老師可以引導(dǎo)學(xué)生深入討論“為什么冷凍站的啟停順序是這樣的”，在得出結(jié)論后，學(xué)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(xiàn)誤操作而造成機(jī)組的損壞。最后，就是任務(wù)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(diǎn)和不足，經(jīng)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(wù)，如比較一下實際的管理方案和學(xué)生制定的管理方案有何區(qū)別。

案例二：課程中需要動手實踐的部分因為設(shè)備的成本以及場地的要求而難以實現(xiàn)，在實際操作中也予以相應(yīng)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(tǒng)的監(jiān)控為例，因為給水系統(tǒng)造價高，占地面積大且分散，所以，在實訓(xùn)當(dāng)中予以虛化和仿真，選取影響給水系統(tǒng)水泵啟動的幾個傳感器為輸入點(diǎn)，水泵的啟停作為執(zhí)行輸出。這種輸入點(diǎn)可以在PLC中用開關(guān)或按鈕來仿真，執(zhí)行過程可以用PLC中的編程來代替，執(zhí)行器(水泵的啟停)則可以用PLC中的相應(yīng)執(zhí)行部件來代替。如檢測到給水系統(tǒng)的水位超過給定水位要報警時，給一個相應(yīng)的開關(guān)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(yīng)的執(zhí)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(xùn)過程學(xué)生是可以看得到效果的，要接線的部分學(xué)生也可以在PLC中通過接線操作來實現(xiàn)，最后效果的實現(xiàn)與真正的實踐過程相差無幾，只是實現(xiàn)的方式有些改變。中間的實現(xiàn)過程就是課程中虛化的部分，因為實際工程中，關(guān)注的也是有什么樣的輸入量和輸出量。中間的實現(xiàn)過程是設(shè)備的功能實現(xiàn)，在本課程中用PLC來實現(xiàn)，如表1所示。

表1　實際運(yùn)行過程與虛化仿真過程比較

“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”課程“理、實、虛”三位一體的原則就是不能實踐實訓(xùn)的部分提供真實環(huán)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(xùn)一部分。以這種方式來實現(xiàn)教學(xué)過程的實踐性、開放性和職業(yè)性。

綜上所述，“理、實、虛”教學(xué)模式是根據(jù)“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”課程需要而提出的教學(xué)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(shè)備自動化系統(tǒng)工程中因設(shè)備種類繁多、造價高，導(dǎo)致實驗實訓(xùn)成本高，實訓(xùn)室的建設(shè)成本高，運(yùn)行和維護(hù)成本巨大等問題。利用虛擬技術(shù)，能給學(xué)生模擬出工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，使學(xué)生有身臨其境的感覺，解決了學(xué)生進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場所存在的安全、管理等方面問題。利用虛化仿真技術(shù)，切實解決了實訓(xùn)、實踐課的開設(shè)問題，提高了學(xué)生的動手能力和專業(yè)技能，使學(xué)生在動

手實踐過程中獲得成就感，從而大大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。由此可見，“理、實、虛”三位一體的教學(xué)模式運(yùn)用于“智能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)工程”課程教學(xué)，大大地提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，如果能夠?qū)⒋私虒W(xué)模式進(jìn)一步推廣，必然能夠推動教學(xué)改革的實質(zhì)進(jìn)步。[4]

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)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(shù)的仿真教學(xué)研究[J].無線互聯(lián)科技，2012(8)：225.

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

[4]李鵬.仿真教學(xué)在高等職業(yè)教育中應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2008.

[責(zé)任編輯盛艷]