曹振華

科研成果轉化為教學資源的探索——以地源熱泵空調控制系統(tǒng)的設計與研究為例

曹振華

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 西安 710302）

以地源熱泵空調控制系統(tǒng)的設計與研究科研項目為背景，介紹了該科研項目的基本情況、搭建的實驗平臺及科研成果。對將該科研成果轉化為優(yōu)質教學資源的形式進行了探討和分析。通過將科研成果轉化為教學資源，最大限度的激發(fā)了學生的學習興趣、開闊了學生的視野、激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識及增強了學生的實踐動手能力。將會對學生以后走上工作崗位獨立解決實際問題起到不可估量的作用，為高職學校培養(yǎng)技能型人才提供了新的教學模式。

地源熱泵空調控制系統(tǒng)的設計與研究；實驗平臺；科研成果；教學資源

0 引言

教育教學和科學研究是高職院校教師工作中不可分割的兩個方面。教育教學是教師傳授給學生的知識已經是已知的、成熟的，主要任務是給學生講明白已有知識的體系、知識點等問題，能夠使學生達到基本運用知識的能力[1]；科學研究則是老師引導學生對未知領域的探索和研究，重在培養(yǎng)學生在以后工作中遇到實際問題如何去分析、研究和解決問題的能力[1]。如果能夠將科研成果較好的轉化為教學資源，將會最大限度的激發(fā)學生的學習興趣、開闊學生的視野、激發(fā)學生的創(chuàng)新意識及增強學生的實踐動手能力。將會對學生以后走上工作崗位獨立解決實際問題起到不可估量的作用，為高職學校培養(yǎng)技能型人才提供了新的教學模式。

1 科研成果簡述

1.1 項目簡介

隨著人民生活水平的提高，社會的高速發(fā)展，空調已經走向千家萬戶，成為人民生活中不可或缺的電器設備，因為只有它才能給我們在大熱的夏天或寒冷的冬天提供舒適的工作或生活環(huán)境，但也有很多問題，比如，空調是一個耗電大戶，其耗電量占整個建筑耗能量的一半以上，尤以中央空調系統(tǒng)更嚴重。因此在如今世界經濟高速發(fā)展的情況下，能源供應尤其短缺，因此選擇哪種空調更節(jié)能及怎樣降低中央空調的能耗是目前擺在空調設計者面前最重要的任務之一。

中央空調系統(tǒng)的類型繁多，其中地源熱泵空調系統(tǒng)是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ闹醒肟照{系統(tǒng)之一。這是因為：首先，該空調系統(tǒng)的冷熱源來自于地下；第二，冷熱源可以循環(huán)利用；第三、地下能源一般都是無污染的清潔能源，并且都是地下循環(huán)利用，不但節(jié)能而且環(huán)保。因此，在目前整個世界能源短缺的大環(huán)境下，可以預見，地源熱泵空調系統(tǒng)必將會得到廣大商戶的青睞和運用。

在國外，地源熱泵中央空調系統(tǒng)真正步入市場進入人們的視野也只有三十多年的歷史，然而其發(fā)展速度之快和適用范圍之廣十分驚人。比如在美國，1985年前，地源熱泵中央空調系統(tǒng)全國一共才安裝有一萬三千多臺，然而一九九七年一年時間全國新增四萬六千多臺[2]，并且每年以10%增長速度快速增長。到一九九八年末，該系統(tǒng)裝置已占全美國空調安裝總量的20%左右。在奧地利、德國、瑞士、丹麥等中歐、北歐這些國家，該系統(tǒng)主要用于給家庭提供生活所用熱水及室內地輻射供暖供熱系統(tǒng)。據(jù)2000年的統(tǒng)計，在這些國家戶式中央空調供熱供暖系統(tǒng)中，地源熱泵中央空調供熱供暖系統(tǒng)所占比為：奧地利39%，瑞士97%，丹麥28%，發(fā)展前景十分廣闊。

據(jù)統(tǒng)計，最近幾年，地源熱泵中央空調系統(tǒng)在我國已經得到了廣泛應用，例如在政府、單位等辦公區(qū)域樓的使用已經達到40%以上，廠礦等企業(yè)大約有9%左右在使用該系統(tǒng)，普通住宅區(qū)、家屬區(qū)等使用占比達到12%以上，酒店、賓館目前安裝使用占比達到19%以上，各個大中小學校及商場各自占比也達到了5%左右[2]。地源熱泵中央空調系統(tǒng)雖然已經在我國各個領域都得到了很多使用，但其與國外相比還是占比相對較少，且相對分散。因此該空調系統(tǒng)在我國發(fā)展空間還是很大的[2]。

本科研項目以地源熱泵空調系統(tǒng)怎樣選擇最佳的自動控制問題作為研究對象，進行深入研究，以探討地源熱泵空調系統(tǒng)面臨的節(jié)能和舒適問題。

本課題主要對地源熱泵空調系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行研究。

主要研究包括：

（1）建立空調控制系統(tǒng)數(shù)學建模，包括常規(guī)單神經元PID控制系統(tǒng)模型、模糊PID控制系統(tǒng)模型和單神經元PID控制和模糊控制系統(tǒng)相結合的控制模型。

（2）設計常規(guī)單神經元PID控制系統(tǒng)，通過MATLAB進行該控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真，并對其仿真結果進行分析。

（3）設計模糊控制和PID控制系統(tǒng)相結合的控制方式，通過MATLAB進行該控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真，并對其仿真結果進行分析。

（4）設計模糊控制和單神經元PID控制系統(tǒng)相結合的控制方式，通過MATLAB進行該控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真，并對其仿真結果進行分析。

（5）對三種控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真結果進行比較分析，得出相關結論，為以后研究設計地源熱泵空調控制系統(tǒng)提供相關依據(jù)。

1.2 項目搭建的實驗平臺

課題組通過搭建以下幾個實驗平臺很好地對該項目涉及的幾個問題進行了研究。

（1）搭建單神經元PID控制系統(tǒng)試驗臺，并進行仿真研究，分析其控制運行結果；

（2）搭建模糊控制和PID控制相結合的控制系統(tǒng)，并進行仿真研究，分析其控制運行結果；

（3）搭建模糊控制和單神經元PID控制相結合的控制系統(tǒng)，并進行仿真研究，分析其控制運行結果。

1.3 項目科研成果

該項目通過對地源熱泵空調控制系統(tǒng)采用單神經元PID控制、模糊PID控制和模糊控制和單神經元PID控制相結合的控制下的仿真結果進行分析、比較，得出以下結論：

（1）模糊增益單神經元PID控制器所產生的超調量最小，過度時間最短，其遠小于常規(guī)單神經元PID控制器，比模糊PID控制器的過度時間也短，可見本文所研究的控制系統(tǒng)的控制品質比其他兩種控制系統(tǒng)的控制品質要更好。且其曲線變化也較平滑，穩(wěn)定性也較好[3-6]。

（2）當對傳統(tǒng)的單神經元PID控制器、模糊PID控制器和模糊增益自調整單神經元PID控制器在600s時加了一個大小相同的擾動，從仿真結果圖可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)單神經元PID控制曲線在擾動信號作用下產生的超調量最大，模糊PID控制曲線產生了比較明顯的波動，而模糊增益單神經元PID控制雖然在響應時間上差別不大，但產生的超調量最小，系統(tǒng)魯棒性最強，相對而言，其對擾動信號的適應能力要略強一些[3-6]。因此，在地源熱泵空調控制系統(tǒng)中選用模糊増益單神經元PID控制器要比常規(guī)單神經元PID控制器和模糊PID控制器都要好。

（3）結果顯示在地源熱泵中央空調的控制系統(tǒng)中選用模糊增益單神經元PID控制方法要優(yōu)于目前普遍采用的常規(guī)PID控制和模糊增益PID控制的方法，其研究結果希望能為廣大空調設計和空調研究人員在地源熱泵中央空調系統(tǒng)控制問題上的研究提供一定的借鑒和幫助作用。

2 本科研成果在教學資源中的應用實施

項目組全體人員團結合作，投入了大量的人力精力，在廣泛調研查閱有關文獻的基礎上，高水平、高質量地完成了本項目的研究，并在隨后的實驗教學中不斷地充實完善，取得了滿意的成果。

（1）將本研究成果運用到有針對性的某些課程（空調自動化儀表、通風與空調工程）的理論教學中。通過將本科研成果轉化為理論教學課程的內容，可以讓學生形象地了解這兩門專業(yè)核心課的某個知識點的作用。例如，在空調自動化儀表課程中，在有關空調PID控制器理論時，分別會講授P、I、D的作用，如果僅從理論上講解P、I、D的作用，學生們可能很難理解，如果用本科研成果舉例進行講解P、I、D的作用，學生就很容易理解每個作用，并且根據(jù)科研成果會更深一層研究其運用情況。教師如果能夠恰當?shù)陌堰@些科研成果和實踐經驗融入到課堂教學中，對學生來說，不僅獲得了目前市場先進的專業(yè)知識，而且其知識面和專業(yè)視野都得到了擴大和開拓。學生學習本課程的興趣會大大提高；對教師本人來說，通過在理論課程中融入科研成果的講解，可以表現(xiàn)出自己的科研能力和專業(yè)素養(yǎng)，這將大大提高教師個人的教學魅力，大大提高課堂教學吸引力，對教學質量的提高將會產生巨大的影響[7]。

（2）將本研究成果運用到有針對性的某些課程設計（中央空調課程設計）中。課程設計是普通高等職業(yè)院校教育實踐環(huán)節(jié)的一個重要組成部分，是對學生工程實踐教學能力的重要一環(huán)。通過課程設計，不僅可以提高學生的理論聯(lián)系實際的能力，培養(yǎng)學生對所學專業(yè)課程進行全角度的總結分析的能力，而且可以培養(yǎng)學生解決實際工程中遇到的問題的本領，因此課程設計在高職院校中是非常重要的教學環(huán)節(jié)。科研成果研究本身就是解決工程中遇到的一些實際問題，通過將科研成果有效的轉化為課程設計，可讓學生有身臨其境的感覺，可大大提高學生進行課程設計的興趣，為將來進行畢業(yè)設計打下堅實的基礎。

（3）將本研究成果運用到學生畢業(yè)設計中。畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生獨立分析和解決問題的能力。學生通過三年的大學學習，運用所學專業(yè)知識，獨立完成本作業(yè)。通過畢業(yè)設計情況可以反應學生在校學習和掌握專業(yè)知識情況，是學生對所學專業(yè)知識的匯總、分析、運用、創(chuàng)新的一個綜合過程，將會對學生以后走上工作崗位獨立分析和解決問題起到重要的作用?？蒲谐晒际墙Y合解決實際問題的項目，因此引導學生結合科研成果選題，貼合實際，鼓勵學生查閱文獻，學習研究已經成熟的研究方法，并在此基礎上，對科研成果項目進行創(chuàng)新和改進。

（4）將本研究成果運用到學生實驗實訓教學環(huán)節(jié)中。充分發(fā)揮本科研項目搭建的設備儀器資源，將所有搭建的設備儀器應用于實驗實訓教學中，不僅可以很好地培養(yǎng)學生，鍛煉學生的動手能力，而且可以讓教師本人參與進來，有針對性地解答學生提出的問題，整個實驗實訓過程教師可以進行有效的控制[7]。通過將本科研成果有效轉化為實驗實訓教學內容，不僅可以利用自身的科研優(yōu)勢，提高了實驗實訓的教學能力和水平，而且還實現(xiàn)科研向教學方面的逐步滲透，不斷為我國培養(yǎng)出高技能的人才。

（5）研究成果激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，在校學生在該課題的研究基礎上進一步優(yōu)化實驗環(huán)境，對該課題的研究結果進一步優(yōu)化潤色，不斷促進該成果的進一步改良和發(fā)展。從而不但促進了學校的教學工作，而且也不斷促進了本行業(yè)的專業(yè)技能的發(fā)展。

3 結論

據(jù)統(tǒng)計，我國大量高職生畢業(yè)后，在走向工作崗位時，并不能馬上進入自己的角色，都要經過一段時間的企業(yè)或公司的培訓，是什么原因導致這樣的現(xiàn)象屢見不鮮呢？原因有很多，其中最主要的原因是學生在校期間所學到的理論課程與社會上所需要的技能能力相脫節(jié)[8]。隨著社會科技的發(fā)展，市場競爭不斷地加劇，就業(yè)壓力也越來越大，如何提高高職畢業(yè)生的就業(yè)競爭力已經是目前各個高職院校迫切需要解決的問題[8]。因此，我們應該改變人才培養(yǎng)模式，使培養(yǎng)出的人才具有一定市場競爭力。那么如何將高職院校具有前沿的科研項目很好地轉化為教學資源，讓其學生沒有出校門前就能接觸并熟練掌握本行業(yè)的前沿先進知識，具備良好的實踐動手能力，具有獨立思考解決問題的能力，具有自主鉆研和學習創(chuàng)新等能力，這將是我們高職院校人才培養(yǎng)努力的方向，爭取通過不斷探索和改進，為我國培養(yǎng)出一批批高技能型的人才。

[1] 孫賓賓,楊博.科研成果向教學資源轉化一例——麥飯石復合高吸水樹脂合成[J].廣州化工,2017,(2):110-112.

[2] 曹振華.地源熱泵中央空調系統(tǒng)的發(fā)展前景展望[J].應用能源技術,2017,(10):25-27.

[3] 高翔,吳剛,陳金增.制冷空調系統(tǒng)的模糊控制與模擬仿真[J].海軍工程學報,1998,(3):62-66.

[4] 曹振華.地源熱泵空調系統(tǒng)的控制仿真研究[J].制冷與空調,2017,(3):313-316.

[5] 曹振華.基于模糊增益單神經元PID控制的地源熱泵空調系統(tǒng)的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術,2016,12(2): 144-148.

[6] 郭彬,劉林,曹耕碩,等.地源熱泵熱響應試驗與研究[J].制冷與空調,2015,(4):232-236.

[7] 徐杰,祁紅巖.科研成果轉化為教學資源的策略研究[J].黑龍江教育,2016,(1):6-7.

[8] 曹振華,孫賓賓.科研成果轉化為教學資源芻議——以變風量空調控制系統(tǒng)研究為例[J].西部皮革,2017,(24): 51-52.

Discussion on Transforming Scientific Research Achievements into Teaching Resources——Taking the Design and Research of Ground Source Heat Pump Air Conditioning Control System as an Example

Cao Zhenhua

( Shaanxi Institute of Technology, Xi’an, 710302 )

Based on the design and research project of ground source heat pump air conditioning control system, the basic situation, experimental platform and research results of the research project are introduced. The form of transforming the scientific research results into high quality teaching resources is discussed and analyzed. By transforming scientific research results into teaching resources, students'interest in learning is stimulated to the greatest extent, students' vision is broadened, students' innovative consciousness is stimulated, and students' practical ability is enhanced. It will play an immeasurable role in solving practical problems independently when students go to work, and provide a new teaching mode for training skilled talents in Higher Vocational schools.

Design and Research of Ground Source Heat Pump Air Conditioning Control System; Experimental Platform; Scientific Research Achievements; Teaching Resources

TU831.6

A

1671-6612（2020）01-104-04

曹振華（1978.2-），男，研究生，副教授，E-mail：106741438@qq.com

2019-03-04