建筑环境与设备工程专业自动控制原理课程教学改革探索

　　摘要：针对暖通空调行业发展对自动控制技术需求及专业人才培养定位，北京工业大学建筑环境与设备工程专业开展了自动控制原理课程教学内容、教材、实验环节等方面的教学改革，加强了课程与工程应用之间的联系，以
　　激发学生学习积极性，提高教学效果和人才培养质量。
　　关键词：自动控制原理；建筑环境与设备工程；教学改革；教材
　　中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2013）01-0094-04
　　在科学技术和社会经济发展的进程中，自动控制技术一直起着极其重要的作用。随着城市建筑向大面积、高层、多功能、智能化、综合性的趋势发展，自动控制技术在建筑行业的暖通空调领域应用愈加广泛。建筑设备自动化系统（Building Automation System 简称BAS）是实现建筑物内部设备（包括暖通空调系统、给水排水系统、消防系统等）高效运行，创造安全舒适工作或居住环境的重要保证。
　　据调查，国内已投入使用的BAS系统多数仅能完成设备的运行参数检测、设备的启/停控制等基本功能，真正实现空调系统经济运行的很少，离节能的目标更是相差甚远。其中一个重要原因是负责暖通空调系统设计、运行管理的技术人员不了解BAS及相关技术对自己专业技术所起的作用，而设计、施工BAS的电气、自控专业人员又不了解暖通空调工艺，不知道实现暖通空调系统控制的最优解决方案。为了满足建筑智能化技术的推广以及引进、消化、吸收，促进该行业的可持续发展，迫切需要培养具有暖通空调学科与电控学科交叉知识的复合型人才。基于行业发展需求，建筑环境与设备工程专业指导委员会在培养方案指导意见中将自动控制原理课程设置为专业基础课程。
　　一、课程特点以及教学改革思路
　　自动控制原理是控制理论与工程技术相结合的一门课程，它研究自动控制和自动调节系统一般性规律。该课程的主要特点是理论性较强、内容抽象、涉及数学基础知识较多、公式和图形多，推导复杂[1]。很多学生看不清这些理论与专业内容的关系，误认为该课程是一门应用数学课程，容易产生畏难心理。
　　近3年，作者采用网上浏览、实地调研、与毕业生交流等手段调查了国内30余所高校建筑环境与设备工程专业自动控制原理课程教学情况，调查内容主要包括开课教师情况、课程学时、选用教材、学生学习效果等内容。
　　分析调查结果发现：其中25所学校是由自动控制专业的教师为建筑环境与设备工程专业自动控制原理课程授课，有5所学校是由建筑环境与设备工程专业教师进行授课。因总学时的压缩，19所院校课程为40学时，6所学校为32学时，5所学校为48学时，10所高校直接选用自动控制专业所选教材，18所学校选用《自动控制原理（非自动化专业）》教材，2所学校采用自编教材。由于课程学时设置不同，各校讲授课程的内容体系、深度、广度各不相同，学生普遍反映学习难度太大，效果不好，没有很好地实现开设自动控制原理课程的目的。
　　与不同院校毕业生交流发现，学生学习效果不好的主要原因为：其一，课程理论性较强，涉及知识点较多，数学公式多、教师往往把过多时间和精力集中于原理讲解和公式推导，忽略了理论知识与自动控制系统应用实例的结合，弱化了课程作为建筑环境与设备工程专业基础课程的作用；其二，由自动控制专业教师讲授课程难以将自动控制技术理论与暖通空调领域的专业工程应用案例充分结合，课程内容与专业应用脱钩，学生对学习课程的必要性、重要性和实用性认识模糊。而建筑环境与设备工程专业教师对课程的教学重点与教学深度难以把握，没有一个标准以作衡量。此外，建筑环境与设备专业学生数学基础不如电类专业学生好，学习课程相关数学知识难度大，因此学生兴趣不高；其三，课程实验环节不足或者作用发挥不明显。多数学校没有针对建筑环境与设备工程专业学生系统地设置课程对应的实验环节，部分院校只是简单选择部分自控专业部分实验内容，没有充分考虑暖通空调领域控制对象的特点，控制器的设计脱离被控对象，课程实验环节在培养学生独立思考能力、综合分析问题能力和创新能力等方面显得不足，难以充分发挥实验课对培养学生分析和解决实际问题能力的作用。
　　二、课程的教学改革实践
　　北京工业大学建筑环境与设备工程专业根据专业指导委员会拟订的建筑环境与设备工程专业面向21世纪教学内容、课程体系、总体框架，结合社会与专业发展需求，对教学计划、课程体系进行拓宽和更新。由于自动控制原理是建筑环境与设备工程专业跨专业的基础课程，为顺应建筑智能化发展对人才培养要求，学校从课程教学内容、教材建设、实验环节等方面开展了研究和探索，对课程的基础理论与实践教学进行了优化。
　　（一）结合行业发展需求和建环专业人才培养定位优化课程教学内容
　　建筑环境与设备工程专业培养暖通空调学科和电控类学科交叉复合型人才的目的是应用自动控制知识和技术为建筑设备系统运行服务，而不是开发自动控制系统。《注册公用设备工程师（暖通空调）执业资格考试基础考试大纲》中已经将自动控制原理列入考试课程范围。大纲中明确要求熟悉空调自动控制方法及运行调节。考虑到建筑设备自动化系统要求自控知识的难度和深度，根据专业指导委员会拟订的《建筑环境与设备工程专业面向21世纪教学内容、课程体系》总体框架要求，建筑环境与设备工程专业学生在自动控制方面只需达到初步掌握自动控制的基本原理，能够准确提出该专业对自控的要求，正确绘制自动控制原理图，并能配合自控技术人员进行调试。基于专业人才培养定位，同时考虑到经典控制理论、现代控制理论适用于暖通空调与制冷设备控制系统设计和运行，课程教学内容以常规线性控制理论为基础，主要介绍自动控制系统四个模块（调节对象、测量装置、调节器、执行器）的原理、特性以及应用，让学生掌握位式调节， P、I、PI、PID 控制方式的原理；掌握拉氏变换并能够运用该种数学方法进行控制系统的特性分析；熟悉执行机构选用与计算，能够进行调节阀选择；掌握PID 计算机控制式的推导和应用。学生了解计算机控制系统相关知识，包括系统类型、脉冲信号采集采样控制理论、计算机控制系统在暖通空调领域的应用。