1. 引言
2017年，国务院办公厅发布的《关于深化产教融合的若干意见》提出：“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 [1] ”。产教融合是促进校企协同发展，提高学生实践能力和创新能力，培养高水平应用型人才的重要举措 [2] [3] 。目前，应用型本科院校与国家倡导的产教融合要求还存在不小差距，课程建设还处于起步阶段，需要加大力度促进其改革与发展 [4] 。加强课程校企合作，深化产教融合，是实现应用型本科院校应用型人才培养的重要环节。当前，物联网技术正促使能源网络迈向万物智联的新阶段 [5] ，能源物联网的快速发展对建筑能源类专业新工科建设提出了新的要求，迫切需要将信息技术、物联网技术、传感控制技术等与建筑能源系统紧密结合，培养建筑能源物联网复合型、创新型、应用型人才 [6] 。在此背景下，2017年，山东建筑大学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新开了建筑能源物联网课程。
建筑能源物联网课程是实践性非常强的一门课，如何让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，提高学生的创新能力和实践能力，是应用型人才培养面临的难题。基于我校培养高素质应用型人才定位，以行业需求为导向，以培养德才兼备的高素质应用型、复合型、创新型能源物联网人才为己任，教学团队建立了两级实验平台，提出了5级4层实践模式。实践环节包括PC机实操、实训教具实操、能源物联网设计、大学计划认证、物联网竞赛5级。前2级为基础实践层，第3级为综合实践层，第4级为高阶实践层，第5级为创新实践层。5级4层实践模式，强化了实践环节，满足了不同层次学生的个性化需求，培养了学生的实践能力和科创精神。
2. 课程简介
建筑能源类专业与物联网技术的融合不是简单的“1 + 1 = 2”，而是两个学科有机的融为一体。目前，物联网软件平台很多，选取一款适用于建筑能源领域的物联网软件平台至关重要。霍尼韦尔Tridium公司的核心技术Niagara物联网软件平台领跑全球物联网20多年，已在智慧能源、智慧城市、智慧建筑、智慧电网、数据中心等很多领域广泛应用 [7] - [12] 。由于霍尼韦尔涉及的主要业务之一为楼宇和空调自控领域，因此其开发的Niagara 物联网软件包含大量的暖通空调和楼宇组件，方便学生学习和项目部署。为此，该课程选取了Niagara 物联网软件平台。
教学团队从2017年开始与霍尼韦尔Tridium公司开展产学合作，将产业技术与学科理论有机融合，主要体现在以下几个方面：① 组织教学团队成员参加Tridium开设的全球Niagara物联网培训课程；② 与Tridium共建能源物联网实训室；③ 联合Tridium正式出版了产教融合住建部十四五规划教材《建筑能源物联网技术》 [13] ；④ 组织学生参加Tridium大学计划认证考试。
建筑能源物联网课程以Niagara物联网技术为抓手，课程体系包括建筑能源物联网基础知识、建筑能源物联网软件编程和建筑能源物联网典型应用案例3个模块。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和Niagara网络层知识，为后面两个模块奠定基础。建筑能源物联网软件编程模块包括Niagara基本介绍、WireSheet控制编程、History历史数据编程、Alarm报警编程、Px视图编程、Niagara网络通信编程和Niagara网络系统集成等。建筑能源物联网典型应用案例模块包括太阳能辅助空气源热泵物联网实验平台和天然气分布式能源物联网实验平台，通过建筑能源物联网的全流程设计讲解，提高学生解决复杂工程问题的能力和创新思维。
3. 实验平台建设
实验教学是人才培养的重要环节之一 [14] ，以学生学为中心，该课程的实验平台建设包括Niagara物联网实训室建设和建筑能源物联网综合实验平台建设。
3.1. Niagara物联网实训室建设
2019年，教学团队联合Tridium公司共建了Niagara物联网实训室，搭建了实训网络平台，设计了实训教学案例。图1(a)为实训教具实物图，图1(b)为实训教具网络结构图。
JACE网络控制器的COM1口连接VT961 风机盘管控制器，采用Bacnet MSTP通信协议。JACE网络控制器的COM2口连接IO-22U智能IO模块，支持BACnet MSTP协议和Modbus RTU两种通信协议，通过拨码开关DIP1设置通信模式。JACE网络控制器的SEC网口连接IOS30P智能现场控制器，IOS30P有5种工作模式：Modbus RTU/TCP、BACnet MSTP/IP和Sedona，内部DIP1开关用于协议切换。JACE的PRI网口连接PC机，实现JACE编程，或作为supervisor站点监控站点设备。IO22U的DI1连接“运动按键”，DI4连接“开关按键”，UI1连接“光照传感器”。IOS30P的DO1连接“制热”，DO2连接“制冷”，DO3连接“通风”，可分别表征空调的制热、制冷和通风控制；UI3连接“温度传感器”；DI1连接“开关按键”，表征设备的启停状态。
目前，在实训平台开展的实训项目主要包括：① JACE网络控制器初始化；② JACE网络控制器Station建立；③ 风机盘管控制器Bacnet MSTP网络通信；④ IOS30P BACnet IP网络通信；⑤ IO-22U Modbus RTU网络通信；⑥ IOS30P Modbus TCP网络通信；⑦ Niagara Network网络集成；⑧ 感知层硬件设计、接线与系统调试。实训室的建设为学生的实践环节提供了坚实的硬件基础。
3.2. 建筑能源物联网综合实验平台建设
2017年，建立了太阳能辅助空气源热泵物联网实验平台；2018年，建立了天然气分布式能源物联网实验平台；2021年，将前期建成的多联机地源热泵系统和体育馆大空间全空气空调系统通过物联网技术深度集成；2022年，建立了太阳能充电桩物联网实验平台。最终，基于Niagara物联网技术将这5个能源系统集成到一起，建立了建筑能源物联网综合实验平台，系统结构如图2所示。
Figure 2. Comprehensive experimental platform of energy IoT
图2. 能源物联网综合实验平台
其中，太阳能辅助空气源热泵空调系统物联网实验平台和天然气分布式能源物联网实验平台由JACE8000网络控制器通过以太网口与能源物联网综合管理平台连接，其相应的感知层模拟量输入输出信号设备和数字量输入输出信号设备通过智能IO模块与JACE网络控制器连接，感知层通信信号设备通过串口或网口与JACE网络控制器直接连接。由于多联机地源热泵实验平台前期已经建立了云数据库，因此，采取通过Niagara软件读云数据库的形式与管理平台连接。高大空间全空气空调系统位于学校体育馆，光伏充电桩位于学生宿舍区，均距离能源物联网综合管理平台服务器较远，因此这两个实验平台采取4G无线通信技术，通过MQTT协议与管理平台连接。
这5个实验平台同时也作为该课程的工程案例，以实际工程案例开发流程组织教学内容，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。表1给出了建筑能源物联网综合实验平台部分实验项目。
Table 1. Partial experimental projects of the comprehensive experimental platform for building energy IoT
表1. 建筑能源物联网综合实验平台部分实验项目
4. 5级4层实践教学模式
根据美国学者埃德加·戴尔的“学习金字塔”理论 [15] [16] 可知，学习者在2周以后，不同学习方式学习内容留下的比例分别为：“听讲”5%，“阅读”10%，“视听”20%。“演示”30%，“小组讨论”50%，“操作实践”75%，“教给别人”90%。从上述比例可以看出操作实践对学习的重要性。在实践教学环节设计上，深化产教融合，以培养高素质应用型、复合型、创新型建筑能源物联网人才为目标，根据建筑能源物联网的授课内容和教学过程提出了5级4层实践教学模式，如图3所示，实践环节包括PC机实操、实训教具实操、建筑能源物联网设计、大学计划认证、物联网竞赛5级。PC机实操和实训教具实操为基础实践层，建筑能源物联网设计为综合实践层，大学计划认证为高阶实践层，物联网竞赛为创新实践层。基础实践层和综合实践层所有学生参加，高阶实践层和创新实践层挑选优秀学生参加。
Figure 3. 5-level and 4-layer practical mode
图3. 5级4层实践模式
4.1. 基础实践层
课程伊始，要求每位同学安装Niagara物联网软件，由Tridium公司大学计划负责人提供软件授权。课程教学中，编程实操对应的章节如表2所示。软件实操包括两个环节，第一个环节不需要硬件连接，学生可在个人PC机上完成。第二个环节需要硬件连接，学生需要在实训教具上完成。针对Niagara软件编程，教学团队配套录制了丰富的以任务驱动的软件实操视频，为学生的自主编程学习提供了很好的保障。
Table 2. Corresponding chapters for programming practical operations
表2. 编程实操对应章节
4.1.1. PC机编程实操
第五章至第八章的软件编程实操，学生完全可以在自己电脑上完成，包括WireSheet控制编程、History历史数据编程、Alarm报警编程、Px视图编程等。教学团队开发的实操训练库中的所有软件实操题目均与工程实践紧密结合，下面以WireSheet控制编程实操举其中一例。
实操案例：
在Station内，Config文件夹下建立ChillerWaterSystemControl文件夹，实现制冷机房水系统WireSheet控制编程，要求如下：
(1) 机房内有3台制冷机组，制冷机组和循环泵串联后再并联，给空调末端供水。供水温度7℃，回水温度12℃。
(2) 系统开机关机由时间表控制，每天上午8:00开机，下午6点关机。
(3) 制冷机组供水温度采取双位控制，设定值为7℃，回差为2℃。
(4) 循环泵由时间表控制，在开机时间段内，循环泵一直运行。
(5) 供水温度仿真模块模拟水温从3℃到11℃变化。
该实操题目来源于实际制冷机房的控制策略，和工程紧密连接。该环节，提高了学生的编程实践能力。
4.1.2. 实训教具编程实操
第九章为物联网网络集成，该章的编程实操涉及到物联网硬件，需要用到实训教具，必须在实训室完成。实操训练主要包括：物联网硬件连接、通信编程和网络集成等。
(1) 硬件连接：① 传感器、执行器与IO22U和IOS30P模块连接；② 开关、指示灯、蜂鸣器、继电器等电器元件与IO22U和IOS30P模块连接；③ JACE网络控制器与IO22U和IOS30P模块连接。
(2) 通信编程：① Bacnet MSTP通信编程，JACE网络控制器与风机盘管温控器通信；② Modbus RTU 通信编程，JACE网络控制器与IO22U智能模块通信；③ Modbus TCP和Bacnet IP通信编程，JACE网络控制器与IOS30P控制器通信。
(3) 网络集成：是指个人电脑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。
通过实训教具实操，使学生的动手能力得到充分锻炼，也提高了学生解决实际问题的能力。
4.2. 综合实践层
综合实践层对应建筑能源物联网设计。教学团队搜集典型建筑能源物联网应用案例，结合课程目标设计工程项目。学生成立项目小组，建筑能源物联网设计包括3个环节：
第一环节为硬件设计，在讲完物联网硬件知识和通信知识后发布，每个项目给出不同的传感器和执行器配置表，根据设计要求选择合适的硬件设备，设置IO模块正确的拨码开关位置，绘制IO模块接线图及模拟量输入输出通道选择图，在此基础上绘制整个硬件连接网络图；编写设计说明书，制作汇报PPT。
第二个环节为建筑能源物联网综合设计与开发，在建筑能源物联网典型工程应用案例讲解后发布，此时，学生已经熟悉建筑能源物联网的开发流程，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。项目内容包括项目监控方案设计、系统硬件设计、系统软件开发、编写设计说明书及制作汇报PPT。
第三环节为建筑能源物联网实验验证，结合建筑能源物联网综合实验平台和教具开展，主要包括硬件接线、系统硬件调试、通信编程调试、可视化展示等。
建筑能源物联网综合设计与开发，锻炼了小组成员的协作精神、文稿能力和演讲能力，提高了学生解决实际工程问题的能力。
4.3. 高阶实践层
高阶实践层对应Tridium大学计划资格认证环节。Tridium公司近几年一直致力于高校的产学合作，推出与产业需求紧密对接的大学计划认证考试。课程结束后组织优秀学生在物联网实训室参加Tridium公司的大学计划认证培训与考试，整个流程完全按照Tridium公司大学计划认证要求实施。通过Tridium大学计划认证的同学将获得全球统一的大学计划认证证书。
高阶实践层使课程教学和物联网产业有效对接，可以使学生及时掌握物联网前沿知识，拓宽了就业渠道，也增强了学生获得感。
4.4. 创新实践层
创新实践层为物联网竞赛环节。全国大学生物联网设计竞赛是教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会主办的学科竞赛，是国内物联网领域最具规模和影响力的赛事。该课程授课时间在春季学期，物联网竞赛时间在暑期，时间节点非常合适，因此课程结束后组织优秀学生开始备赛。从选题、方案制定、器件购买、系统搭建、系统调试等各个环节给予学生全方位辅导，学生在碰到问题–解决问题–碰到问题–解决问题不断螺旋上升的过程中得到锻炼和提高。从网评初赛到华北赛区区赛、最终到全国总决赛各个赛段，从项目说明书撰写、作品视频录制、答辩PPT制作、实物展示等各个环节，学生的综合能力得到大幅提升。
5. 实施效果
该课程从2021年开始开课，到目前为止已经运行了3个教学周期，“5级4层”实践模式大大激发了学生的学习积极性，每个环节都有相应的学习任务，让学生跳出舒适圈，学习习惯由被动转向主动。培养了学生的科创精神和协作精神，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，教学质量显著提升。
2021年授课学生为66人，其中24人荣获Tridium公司大学计划全球认证证书。在全国大学生物联网设计竞赛中，学生作品“基于Niagara的区域能源智能调度物联网平台”荣获总决赛一等奖。
2022年授课学生63人，其中21人荣获Tridium公司大学计划全球认证证书(因疫情，大部分授课为线上授课，有一定影响)。在全国大学生物联网设计竞赛中，学生作品“基于Niagara的太阳能储能充电桩优化管理平台”荣获总决赛一等奖。
2023年授课学生65人，其中26人荣获Tridium公司大学计划全球认证证书。在全国大学生物联网设计竞赛中，学生作品“基于Niagara的光储供能智慧大棚”荣获总决赛一等奖和霍尼韦尔Tridium企业创新奖。
6. 结语
建筑能源物联网课程是新工科建设开设的一门新课，采取产教融合协同育人模式。针对实践教学，教学团队进行了一系列实践资源建设和实践教学改革。在实践教学资源建设方面，建立了Niagara物联网实训室和建筑能源物联网综合实验平台，配套录制了丰富的以任务驱动的软件实操视频，建立了大容量软件实操训练库和建筑能源物联网工程项目库。在实践教学模式改革方面，提出了5级4层实践教学模式，基础实践层和综合实践层所有学生参加，高阶实践层和创新实践层挑选优秀学生参加。从实施效果看，教学质量显著提高，3个教学周期共计71人荣获Tridium大学计划认证证书，连续三年均荣获全国大学生物联网设计竞赛总决赛一等奖。该课程的实施，有效推动了建筑能源物联网应用型人才的培养。
致谢
感谢霍尼韦尔Tridium公司给该课程的建设与实施提供的软件和硬件支持。
基金项目
山东省本科教学改革研究项目(M2020252)：校企融合打造《基于Niagara能源物联网》混合式课程。
山东建筑大学课堂教学改革重点项目：新工科背景下《建筑能源物联网技术》课堂教学改革与实践。