新工科背景下建筑能源物联网课程建设探索与实践

2022-04-17李慧王桂荣魏建平

高教学刊 2022年8期

李慧王桂荣魏建平

摘要：培养既具有建筑环境与能源应用工程专业知识又具有物联网技术的复合型人才是新时代行业发展的需要。建筑能源物联网技术课程是在建筑环境与能源应用工程专业新工科建设中开设的一门新课。在该课程建设中，以Niagara物联网技术为抓手，优化建筑能源物联网课程知识体系，教学内容涵盖知识、能力和素质的全方位培养;强化工程实践能力，提出理论教学、实操训练、项目设计与开发、Tridium资格认证“四位一体”的教学过程设计方案;建立集过程性评价、表现性评价和总结性评价的多元化课程评价体系。课程运行结果表明，提出的方法可有效激发学生的学习兴趣，提高学生创新能力、实践能力和解决复杂工程问题的能力。

关键词：建筑环境与能源应用工程专业;新工科;建筑能源物联网;课程建设

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）08-0005-06

Abstract： It is the need of the industry development in the new era to cultivate interdisciplinary talents with professional knowledge of building environment and energy application engineering as well as Internet of things technology. Internet of Things technology in Building Energy is a new course offered in the construction of new engineering major of building environment and energy application engineering.In the course construction， Niagara Internet of Things technology is taken as the starting point to optimize the knowledge system of the course of Internet of Things technology in Building Energy， and the teaching" content covers all-round cultivation of knowledge ability and quality. To strengthen engineering practice ability， a "four-in-one" teaching process design scheme for theoretical teaching practice training project design and development of Tridium qualification is proposed. A diversified curriculum evaluation system integrating process evaluation， performance evaluation and summative evaluation is established. The results of course operation show that the proposed method can effectively stimulate students' interest in learning， improve their ability of innovation， practice and solving complex engineering problems

Keywords： building environment and energy application engineering; new engineering; Internet of Things in Building Energy; course construction

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，按照新工科的建设需求，传统的工科专业亟待改革[1]。建筑环境与能源应用工程专业涉及建筑环境、制冷、供热、控制、信息和节能等多个领域，尤其在“双碳”目标下，该专业的新工科建设变得尤为重要。随着互联网+、信息技术和物联网技术的快速发展，中国建筑节能协会成立了“建筑调适与运维专业委员会”。将建筑调适与数字运维广泛应用于建筑的全寿命周期，促进建筑行业低碳、可持续发展[2]。要实现数字运维，其最根本的技术为物联网技术。因此，迫切需要将物联网技术融入到建筑环境与能源应用工程专业新工科建设中，培养既具有建筑环境与能源应用工程专业知识又具有物联网技术的复合型人才。

2018年，山东建筑大学在建筑环境与能源应用工程专业新的培养方案中增加了建筑能源物联网技术课程。目前该课程教材已完成初稿，并已荣获住建部“十四五”规划教材新工科教材立项。课程是专业培养的基本单元，新工科建设对高校新工科课程提出了新的挑战，相比于過去传统的人才培养，更加注重学生创新意识与实践动手能力的提高[3]。目前课程教学普遍存在教学内容陈旧、实践教学薄弱、创新能力不足和知识贯通欠缺等问题[4]。针对建筑环境与能源应用工程专业的特点，聚焦新工科对建筑能源物联网人才培养的需求，在建筑能源物联网课程建设时需要解决以下问题：

（1）建筑能源物联网课程涉及传感技术、控制技术、计算机技术和网络通信技术等及其在建筑能源系统中的应用，如何将多项技术融合在一起服务于建筑能源系统是亟待解决的关键问题。

（2）物联网技术很多，很多高校针对物联网人才培养进行了相关教学研究[5-8]，但主要是针对物联网工程专业或电类专业。如何根据物联网新技术的发展及专业的特点选取某一项具体技术为抓手，以工程应用为突破口，是克服当前课程重理论，缺应用的有效途径。

（3）如何让建筑能源物联网技术落地，组织好实践教学环节，将理论与实践深度融合，提高学生的创新性和实践性。

（4）如何进行产教融合，避免和产业脱轨，以产业发展为先导，系统培养技术技能为基础。

针对上述问题，教学团队经过几年的探索与实践，以Niagara物联网技术为抓手，优化建筑能源物联网教学知识体系，内容涵盖知识、能力和素质的全方位培养。与霍尼韦尔Tridium物联网公司建立了密切产学合作，进行了深度产教融合，打造了理论教学、Niagara实操训练、项目设计与开发和Tridium资格认证“四位一体”的教学过程，建立包含过程性评价、表现性评价和总结性评价的多元化课程评价体系。

一、以Niagara物联网技术为抓手，优化课程知识体系

Niagara是美国霍尼韦尔Tridium公司基于Java 开发的一种极其开放的物联网中间件软件平台，Niagara物联网技术已经被广泛应用于智能建筑、智能电网、分布式能源、工业控制、商业连锁、智慧城市、数据中心等很多领域[9-11]。2020年Niagara物联网中间件技术被写入《高等学校物联网工程专业规范2.0》中。以霍尼韦尔Tridium公司的Niagara物联网中间件技术为抓手，优化课程知识体系，突出原理、方法和应用的有机结合，使其既具有能源物联网知识的基础性和传承性，又具有当前技术的前沿性和创新性。

知识体系包括建筑能源物联网基础知识、Niagara软件编程和建筑能源物联网典型工程应用三个模块。三个模块之间关系如图1所示。物联网基础知识为整个课程教学知识体系的基石，为Niagara软件编程模块提供基础知识，物联网基础知识模块和Niagara编程模块共同为建筑能源物联网典型工程应用提供知识和技术支持。整个教学内容涵盖知识、能力和素质的全面培养。

（一）建筑能源物联网基础知识模块

建筑能源物联网基础知识模块包括建筑能源物联网感知层知识、物联网硬件知识和物联网通信知识。为后续的软件编程、Niagara网络通信及应用奠定基础。

1. 感知层知识

包括建筑能源系统常用传感器和执行器。由于传感器和执行器相关原理部分在建筑环境测试技术和建筑设备自动化课程中包含，在此主要从应用层面展开，包括传感器和执行器设备选型、输入输出信号、接线和安装等。

2. 物联网硬件知识

为霍尼韦尔Tridium公司的硬件产品，包括JACE8000网络控制器，IO28P、IO28U、IO22U智能IO模块，IOS30P控制器等，知识点包括各硬件的性能参数、硬件接线、跳针设定等。这些硬件，学生在物联网实训平台上均可进行相关实验。

3. 物联网通信知识

包括计算机网络标准和常用的物联网通信协议。目前，物联网的通信协议有很多，在此选取ModBus协议、Bacnet协议、MQTT协议和OPC-UA协议。这几种协议是目前在建筑能源物联网中常用的协议，且Niagara软件中均包含免费驱动，后期可通过通信编程实现，以保证理论和实践的有机结合。

（二）Niagara软件编程模块

Niagara软件功能丰富，编程内容很多。软件编程模块内容的选取是从建筑能源物联网项目软件开发所需要的一般功能出发，包括Niagara 4软件简介、建筑能源控制WireSheet编程、历史数据与报警编程、Px视图编程、数据标签、网络通信和系统集成等。

1. Niagara 4 软件简介

包括Niagara Framework基本组成、Workbench开发平台、KitControl基本组件、Station建立等，让学生对Niagara软件开发有一个基本了解。

2. 建筑能源控制WireSheet编程

为软件编程的重点，囊括多种控制策略编程，包括建筑能源双位控制编程、PID控制编程、时间表控制编程、轮询控制编程、负荷预测控制编程、变设定值控制编程等。通过该部分的学习，学生在实际应用中可根据建筑能源系统不同的控制需求设计不同的控制算法程序。

3. 历史数据和报警编程

历史数据编程包括历史数据的定义、存储、展示和导出等，历史数据可用于后续能源系统大数据深度分析。报警编程包括报警数据的定义、推送和确认等，报警编程提高了系统运行的可靠性。

4. Px视图编程

主要用于可视化展示，包括Px视图基础知识、Px Widget、Px视图嵌套和导航菜单等，并以热泵机组双位控制、冷水机组水系统控制、新风机组控制为例详细阐述其Px视图编程过程。

5. 数据标签

数据标签是数据的“可标记语言”，只有给数据打标签，才能进行大规模的数据挖掘，让数据发挥更大的价值[12]。该部分内容主要包括Niagara 软件中自带的标签字典（Haystack 字典和 Niagara 字典），此外还包括根据自己开发需要自定义的标签字典。

6. 网络通信与集成

该部分内容与物联网通信知识呼应，包括Modbus通信编程、Bacnet通信编程、MQTT通信编程、OPC-UA通信编程和Niagara网络系统集成。通过通信编程可以使感知层的信息通过网络层上传到应用层，也可以將应用层的指令通过网络层传输到感知层，实现多协议网络互联互通。

（三）建筑能源物联网典型工程应用模块

目前，教学团队采用Niagara物联网技术已经建成了太阳能-空气源热泵空调系统物联网实验平台和分布式能源物联网实验平台，并在此基础上针对多能源系统进行了网络集成和一体化管理。两个实验平台如图2所示，以此两个建筑能源物联网典型工程应用案例为对象，以建筑能源物联网全流程开发过程为主线，该模块内容主要包括项目简介、系统监控方案设计、系统硬件平台搭建和软件开发等。

1. 项目简介

让学生理解太阳能-空气源热泵空调系统和分布式能源系统的工艺流程、运行特性、运行参数及监控需求。

2. 系统监控方案设计

根据监控需求设计监控方案，包括感知层参数检测和系统控制策略。

3. 系统硬件平台搭建

包括感知层、网络层和控制层。感知层设备包括传感器和執行器;网络层主要为智能仪表、IO模块、控制器等通信方式及网络连接;控制层为JACE8000网络控制器。

4. 数据通信编程

包括JACE8000网络控制器通信编程、智能仪表通信编程（智能电表和智能热表）、能源设备通信编程（空气源热泵、微燃机等）、智能IO模块通信编程及Niagara网络集成等。

5. 软件开发

包括数据采集、控制、可视化、历史数据和报警等编程。

以实际工程案例开发流程组织教学内容，培养了学生的系统观、全局观，提高了学生解决复杂工程问题的能力和创新思维。

二、强化工程实践能力，打造“四位一体”教学过程

目前高等院校普遍存在学生工程实践能力弱、企业对毕业生知识结构和解决复杂工程问题的能力满意度低的问题[13]。为了强化学生的工程实践能力，从2017年开始与Tridium公司进行产学融合，打造“四位一体”教学过程。

教学过程设计方案如图3所示，整个教学过程包括理论教学、实操训练、项目设计与开发和Tridium大学认证。

（一）理论教学

理论教学环节为该课程的基础环节，包括建筑能源物联网基础知识、Niagara软件编程教学。目前针对该课程的理论教学部分已经录制了线上教学视频，共计600多分钟，并且该课程已经于2021年在山东省鲁理联盟上线。理论教学部分采用线上线下混合教学方式，学生通过理论学习，掌握建筑能源物联网的基本知识，能够通过建筑能源物联网感知层和网络层技术构建建筑能源物联网系统;掌握Niagara软件基本编程知识及方法，包括Wire Sheet视图、Px视图、历史记录、报警信息和网络集成等。在教学过程中注重理论和工程实践的结合，注重该课程和建筑环境测试技术课程和建筑设备自动化课程的知识融合。例如，在建筑能源控制编程部分，建筑设备自动化课程中包含了建筑能源系统常用控制策略：位式控制、PID控制、时间表控制、轮询控制和变设定值控制等，在教学组织上首先让学生明确这几种控制策略的机理和在建筑能源中的应用场合，在此基础上讲解如何通过Niagara编程实现该控制策略，将理论和具体应用有机结合。

（二）实操训练

根据各章节的知识点和教学目标，结合相应知识点的工程应用建立各章节软件实操库。课程伊始，要求每位同学安装Niagara物联网软件，由Tridium公司提供软件授权。实操训练包括两个环节。

第一环节：不需要硬件连接，学生可在自己电脑上完成，主要用于配套软件编程部分各章节的软件编程实操训练。包括WireSheet控制编程、历史数据编程、报警编程、Px视图编程等。通过软件编程实操训练，可将理论知识和实际应用紧密结合，强化了学生的软件编程实践能力。

第二环节：在Niagara物联网实训室进行，主要用于物联网硬件连接、通信编程和网络集成等实训，Niagara教具原理如图4所示。

1. 硬件连接

根据建筑能源物联网硬件设计，硬件连接包括传感器、执行器与智能IO模块的连接;开关、指示灯、蜂鸣器、继电器等电器元件与智能IO模块的连接;JACE网络控制器与智能IO模块的连接等。

2. 通信编程

（1）Bacnet MSTP通信编程，JACE网络控制器的COM1口与风机盘管温控器连接;（2）Modbus RTU通信编程，JACE网络控制器的COM2口与IO22U智能模块连接;（3）Modbus TCP和Bacnet IP通信编程，JACE的SEC网口与IOS30P控制器连接。

3. 网络集成

实现PC机上Supervisor站点与JACE网络控制器站点网络集成，包括JACE网络控制器站点历史数据和报警信息的推送等。

4. 系统调试

根据实操要求，完成系统调试，实现相应功能的展示。

通过教具实操训练，强化了学生对物联网硬件的感性认识，锻炼了学生的动手能力，提高了学生解决实际问题的能力。

（三）项目设计与开发

教学团队搜集典型建筑能源物联网应用案例，结合课程目标设计建筑能源物联网工程项目题目。学生成立项目小组，每组5～6人。课程过半，发布项目题目，每组一个建筑能源物联网项目，由项目小组成员经过小组讨论确定项目方案，分配成员任务。项目内容包括：

1. 监控方案设计

按照项目任务书监控要求设计监控方案，包括监控策略、传感器和执行器选型、输入输出信号和监控点信息统计等。

2. 系统硬件设计

根据监控点的信息统计选择合适数量的智能IO模块和JACE网络控制器，绘制系统硬件连接网络图和IO模块接线图，设置正确的智能IO模块拨码开关和通道选择跳针。

3. 系统软件开发

根据项目监控软件需实现的功能，进行软件开发，包括：控制策略编程、历史数据编程、报警编程、Px视图编程和网络集成等。

4. 系统通信调试

在物联网实训室进行，为学生准备大量的传感器、继电器、指示灯、蜂鸣器、开关和电源等器件，让项目小组选取其中一个智能模块，根据需要选取器件，搭建其硬件系统，进行信息采集和控制通信编程，并完成系统调试，由此可外延到其他智能模块的编程应用。

项目小组在此基础上完成项目说明书撰写，制作PPT进行项目成果汇报。小组项目设计与开发，锻炼了学生的团队协作精神;典型建筑能源物联网的全流程设计与开发，与实际工程紧密联系，提高了学生创新能力和解决实际工程问题的能力。

（四）Tridium资格认证

Tridium公司一直致力于Niagara软件在高校的推广和应用，并且制定了大学计划认证方案。教学团队和Tridium公司深度合作，课程结束后组织优秀学生在物联网实训室参加Tridium公司的软件资格认证考试，考试时间历时8个小时，通过认证的同学颁发全球统一的软件资格证书。使得整個课程教学和物联网产业做到很好对接，拓展了学生的就业渠道。学生通过参加Tridium资格认证，也提高了学生的获得感和成就感。

三、建立多元化课程评价体系

课程评价，一方面要全面客观地反映学生的学习效果，另一方面也要反映学生运用所学知识解决实际问题的能力，有效的课程评价体系将在很大程度上对学生的学习起到促进和引导作用[14]，课程评价体系包括过程性评价、表现性评价和总结性评价，如图5所示。

1. 过程性评价

在智慧树建立了翻转课，课堂教学采用线上和线下相结合的形式。过程性评价包括课堂表现成绩、线上成绩和实操训练成绩。课堂表现成绩指标包括出勤次数、投票次数、抢答次数和互动质量。线上成绩指标包括作业成绩、平时测验成绩和线上学习进度。实操训练成绩指标包括编程质量、报告质量和物联网实训室现场表现。其中课堂表现占5%，线上成绩占15%，实操训练占10%，过程性评价占比共计30%。

2. 表现性评价

主要针对小组项目，由团队成员协作完成。评价指标主要包括项目说明书质量、软件编程质量、系统通信调试质量和PPT成果展示质量。表现性评价占比10%。

3. 总结性评价

期末考试分两个环节，第一环节为笔试，全部为客观题，考试时间为1小时。第二环节为物联网编程，考试时间为3个小时。笔试和编程分别占30%，期末考试占比共计60%。

采取多元化的课程评价体系，极大地调动了学生的学习积极性，取得了很好成效。

四、结束语

教学团队根据多年积累的经验，以新工科建设为出发点，以行业需求为导向，对建筑能源物联网课程建设进行创新与改革。目前，建筑能源物联网课程已经运行了两个教学周期，学生在学习过程中表现出了极大的积极性和热情。在刚刚结束的教学过程中，一半以上的同学荣获了Tridium公司大学计划全球认证证书。该课程将理论与实际紧密相连，聚焦解决工程中的实际问题，提高了学生的创新性和解决实际工程问题的能力。该课程的开设，将推动Niagara物联网技术在建筑能源行业的应用，对学生掌握新兴技术、培养跨专业的复合型人才、满足社会对多元化人才培养的需求具有重要作用。

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