“能源物联网”课程产教深度融合的探索与实践

李 慧，王桂荣

（山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南 250101）

2015年9月，国家主席习近平在联合国发展峰会上发表重要讲话，表示中国倡议探讨构建全球能源互联网[1]。在此背景下，能源互联网、泛能网、能源物联网等新型概念开始涌现，且受到广泛关注。当前，能源物联网的发展驶入了快车道，2017年，笔者所在学院根据产业发展需求，在建筑环境与能源应用工程专业和新能源科学与工程专业增设了“能源物联网”课程，该课程将传感技术、控制技术、物联网技术与能源系统有机结合，赋予了能源系统灵魂、神经和大脑。

一、“能源物联网”课程产教融合背景

2017年12月，国务院办公厅印发的《关于深化产教融合的若干意见》指出：大力支持应用型本科和行业特色类高校建设，紧密围绕产业需求，强化实践教学，完善以应用型人才为主的培养体系。[2]将产教融合从职业教育延伸到了高等教育，产教融合迈入了新阶段。山东建筑大学是一所以土木建筑学科为特色的山东省应用型人才培养特色名校。产教融合是促进应用型高校与企业协同发展、培养各类高素质人才的重要途径，是提升学生创新能力与综合素养的重要手段[3]。但从前期发展看，产教融合长期面临“校热企冷”问题，校企协同育人培养模式尚未根本形成，校企间的关系处于浅层次、松散型低水平状态[4]。课程是专业培养的基本单元和基石，深化课程产教融合，让教育和产业有机结合，形成良性互动，解决人才供给和产业需求不匹配的矛盾，是实现应用型本科院校产教融合的关键。

在“能源物联网”课程中寻求某一先进物联网技术为突破口，深度进行产教融合，强化实践能力培养，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。Tridium作为霍尼韦尔物联网框架的核心部门，领跑物联网领域20余年，已拥有100万物联网真实项目实例，拥有包括华为、阿里巴巴在内的全球近4000家顶级企业的庞大物联网生态体系。其Niagara物联网技术已经被广泛应用于智能建筑、智能电网、智慧能源、工业控制、商业连锁、智慧城市、数据中心等很多领域[5-7]。2020年，Tridium公司的Niagara物联网技术被写入《高等学校物联网工程专业规范（2020版）》。

山东建筑大学是最早与Tridium公司产学合作的高校之一，近几年教学团队就“能源物联网”产教融合课程建设与Tridium公司进行深入合作，在教学团队建设、教材建设、实验平台建设、教学设计等多方面进行了有益的探索与实践，取得了初步成效。

二、重构课程知识体系，开发特色教材

应用型课程知识体系的构建要适应职业需求、学科逻辑和发展需求[8]。以Tridium公司的Niagara物联网技术为抓手，让Tridium公司高级技术人员参与教材建设，共同制订教学内容，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、传承性，又具有当前技术的前沿性和创新性。知识体系包括能源物联网基础知识、软件编程和能源物联网典型应用3个模块：（1）能源物联网基础知识模块包括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。（2）软件编程模块内容的选取从项目软件开发所需要的具体软件功能出发，包括Niagara简介、能源系统控制WireSheet编程、历史数据与报警编程、PX视图编程、标签、网络通信和系统集成等。（3）目前教学团队已经建成基于Niagara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。以这两个实验平台为对象，能源物联网典型应用模块主要包括系统流程、监控设计、硬件设计、软件开发、系统调试等。

教材是教学内容的重要载体[9]，教材质量直接影响教学质量。由于产业发展快速，高等教育需要与时俱进，跟上产业发展的步伐。当前教材存在内容陈旧、与时代发展脱轨、重理论轻实践的特点，结合专业发展行业需求，适时开发适用性强的《能源物联网》应用型教材是必要的。和Tridium公司共同编写的《能源物联网》教材，将理论知识与实践知识、工程案例有机融合，与产业需求有效对接，体现了应用型人才培养的新思路、新体系和新策略，具体知识体系和章节结构如表1所示。

表1 《能源物联网》特色教材章节结构

三、产学研结合，共建实验平台

实验平台建设是实现实践教学的必要条件，“能源物联网”课程实验平台建设包括物联网实训室建设和能源物联网综合实验平台建设。

（一）物联网实训室建设

2019年，教学团队从Tridium公司购置了30套Niagara实训教具，联合Tridium公司共建了Niagara物联网实训室，搭建物联网实训室网络平台，设计实践教学场景。物联网实训室主要包括JACE网络控制器Station建立、物联网硬件连接、通信编程和网络集成等实训。此外，实训室具备为企业人员技术培训的硬件条件，教学团队教师经过Tridium金牌讲师课程培训后，也具备了为企业培训人才的能力。目前，该实训室为社会开放，以满足区域发展人才培训的需求。实训室的建设为该课程的开展提供了丰厚的实践条件，也为社会物联网人才培训提供了服务。图1为实训教具实物图。

图1 Niagara实训教具

（二）能源物联网综合实验平台建设

2017年，教学团队在我院科技楼6楼建立了太阳能—空气源热泵空调系统物联网实验平台；2018年，在科技楼建立了分布式能源物联网实验平台。在此基础上，将我院其他能源系统，包括地源热泵系统、太阳能吸收式热泵系统和体育馆大空间空气源热泵空调系统等，通过物联网深度集成，建立了能源物联网综合实验平台，具体结构如图2所示。该实验平台将不同的能源物联网技术集成到一起，有线物联网技术包括TCP/IP协议、Modbus技术、Bacnet技术和OPC技术；无线物联网技术包括MQTT技术、Wifi技术、NB-IOT技术和Zigbee无线传感器网络技术，实现了多能源系统的综合管理。能源物联网综合实验平台既可应用于该课程的典型应用案例讲解，又可为该课程的综合实践教学服务。该实验平台可进一步强化学生的理论联系实际的能力，提高学生的创新性和解决实际工程问题的能力，同时为教学团队的科研提供了应用验证场所，提升了教师的科研水平。

图2 能源管理综合实验平台

四、产教融合教学设计

（一）根据教学内容，设计灵活教学模式

教学团队已经建设了充分反映该课程体系和内容的线上资源和大容量试题库，目前，该课程已经成功在山东省鲁课联盟上线。“能源物联网”课程采取混合式教学，根据教学内容，设计了灵活的教学模式。课程共计32学时，线上学时为8学时，线下学时为24学时。其中，线下学时包括4学时实训室实物教学、4学时小组汇报讨论教学和16学时理论、知识拓展及应用教学，具体教学设计如表2所示。

表2 教学设计

第一章到第四章属于物联网基础知识，包括概述、感知层技术、物联网硬件和物联网通信技术，采取线上线下混合教学模式。在第三章物联网硬件教学结束后，发布小组能源物联网设计项目任务；在物联网基础知识教学结束后，进行小组项目第一次汇报。

第五章到第九章为Niagara编程，包括Niagara 4开发平台、能源自动控制WireSheet编程、历史数据和报警编程、PX视图编程和数据标签。该部分编程均可在PC机上完成，授课模式为线上线下混合模式。

第十章为Niagara网络通信与系统集成。授课地点在实训室，采取教师一边讲、学生一边在实训教具上实操练习的方式。

第十一章为能源物联网典型应用案例。由于典型案例均取自教学团队建立的物联网综合实验平台，因此，授课地点首先在物联网综合实验平台现场，通过现场参观讲解，引导学生的思想和工程对接；然后，学生结合现场的所见所得及内心的困惑回到教室，教师以能源物联网的全流程开发为导向组织教学。

小组项目第二次汇报主要为能源物联网项目的软件编程和系统调试，由于涉及系统调试，故汇报地点在实训室。和第一次小组项目汇报不同的是，除了采取PPT形式汇报外，还会增加实物演示环节。

（二）强化学生实践能力，打造四级实践环节

紧密围绕产业需求，强化实践教学，以提高学生的实践能力和创新能力。整个课程实践环节包括PC机编程、实训教具训练、能源物联网设计和Tridium大学资格认证四个环节。

1.PC机编程。学生在个人PC机完成，主要用于配套第五章到第九章的软件编程实操训练，包括WireSheet编程、历史数据和报警编程、PX视图编程等。通过软件编程实操训练，将理论知识和实际应用紧密结合，强化学生的软件编程实践能力。

2.实训教具训练。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。实训教具训练强化了学生对物联网硬件和网络的感性认识，锻炼了学生的动手能力。

3.能源物联网设计。学生成立项目小组，每组5～6人。能源物联网硬件教学结束后，发布能源物联网设计项目，每组一题。项目内容包括能源系统监控方案设计、硬件设计、软件开发、系统调试等。能源物联网设计贯穿整个课程，将学生所学知识点通过项目设计串联到一起，并将理论和实践有机融合，提高学生的创新能力和解决实际工程问题的能力。

4.Tridium大学资格认证。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培训与考试，整个流程完全按照Tridium公司大学计划认证要求实施，考试题目由Tridium公司设计，考试时间历时8个小时，并向通过认证的学生颁发全球统一的大学计划认证证书。Tridium大学资格认证将整个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。

结语

教学团队根据多年积累的经验，以行业需求为导向，从教师、教材、教学和实验室建设等多方面对“能源物联网”课程产教深度融合进行了探索和实践。目前，“能源物联网”课程已经运行了两个教学周期，其灵活的教学方式激发了学生的学习热情；4级实践环节拓展了学生的视角，提高了学生的实践能力、创新能力和解决复杂工程问题的能力。在刚刚结束的教学周期中，34人（选课人数66人）荣获Tridium公司大学计划全球资格认证证书。

在应用型高校建设产教融合课程是实现应用型本科院校产教融合的关键。“能源物联网”课程的实施将推动能源物联网人才的培养，促进区域经济和产业发展。该课程的产教融合具体措施也可为其他产教融合课程的建设提供有益借鉴。