曹振華

科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的探索——以地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究為例

曹振華

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710302）

以地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究科研項(xiàng)目為背景，介紹了該科研項(xiàng)目的基本情況、搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及科研成果。對(duì)將該科研成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的形式進(jìn)行了探討和分析。通過(guò)將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，最大限度的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開(kāi)闊了學(xué)生的視野、激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。將會(huì)對(duì)學(xué)生以后走上工作崗位獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題起到不可估量的作用，為高職學(xué)校培養(yǎng)技能型人才提供了新的教學(xué)模式。

地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；科研成果；教學(xué)資源

0 引言

教育教學(xué)和科學(xué)研究是高職院校教師工作中不可分割的兩個(gè)方面。教育教學(xué)是教師傳授給學(xué)生的知識(shí)已經(jīng)是已知的、成熟的，主要任務(wù)是給學(xué)生講明白已有知識(shí)的體系、知識(shí)點(diǎn)等問(wèn)題，能夠使學(xué)生達(dá)到基本運(yùn)用知識(shí)的能力[1]；科學(xué)研究則是老師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)未知領(lǐng)域的探索和研究，重在培養(yǎng)學(xué)生在以后工作中遇到實(shí)際問(wèn)題如何去分析、研究和解決問(wèn)題的能力[1]。如果能夠?qū)⒖蒲谐晒^好的轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，將會(huì)最大限度的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開(kāi)闊學(xué)生的視野、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。將會(huì)對(duì)學(xué)生以后走上工作崗位獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題起到不可估量的作用，為高職學(xué)校培養(yǎng)技能型人才提供了新的教學(xué)模式。

1 科研成果簡(jiǎn)述

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

隨著人民生活水平的提高，社會(huì)的高速發(fā)展，空調(diào)已經(jīng)走向千家萬(wàn)戶，成為人民生活中不可或缺的電器設(shè)備，因?yàn)橹挥兴拍芙o我們?cè)诖鬅岬南奶旎蚝涞亩焯峁┦孢m的工作或生活環(huán)境，但也有很多問(wèn)題，比如，空調(diào)是一個(gè)耗電大戶，其耗電量占整個(gè)建筑耗能量的一半以上，尤以中央空調(diào)系統(tǒng)更嚴(yán)重。因此在如今世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的情況下，能源供應(yīng)尤其短缺，因此選擇哪種空調(diào)更節(jié)能及怎樣降低中央空調(diào)的能耗是目前擺在空調(diào)設(shè)計(jì)者面前最重要的任務(wù)之一。

中央空調(diào)系統(tǒng)的類(lèi)型繁多，其中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ闹醒肟照{(diào)系統(tǒng)之一。這是因?yàn)椋菏紫?，該空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源來(lái)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(wú)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(gè)世界能源短缺的大環(huán)境下，可以預(yù)見(jiàn)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)必將會(huì)得到廣大商戶的青睞和運(yùn)用。

在國(guó)外，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)真正步入市場(chǎng)進(jìn)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(guó)，1985年前，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)全國(guó)一共才安裝有一萬(wàn)三千多臺(tái)，然而一九九七年一年時(shí)間全國(guó)新增四萬(wàn)六千多臺(tái)[2]，并且每年以10%增長(zhǎng)速度快速增長(zhǎng)。到一九九八年末，該系統(tǒng)裝置已占全美國(guó)空調(diào)安裝總量的20%左右。在奧地利、德國(guó)、瑞士、丹麥等中歐、北歐這些國(guó)家，該系統(tǒng)主要用于給家庭提供生活所用熱水及室內(nèi)地輻射供暖供熱系統(tǒng)。據(jù)2000年的統(tǒng)計(jì)，在這些國(guó)家戶式中央空調(diào)供熱供暖系統(tǒng)中，地源熱泵中央空調(diào)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(jì)，最近幾年，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如在政府、單位等辦公區(qū)域樓的使用已經(jīng)達(dá)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(dá)到12%以上，酒店、賓館目前安裝使用占比達(dá)到19%以上，各個(gè)大中小學(xué)校及商場(chǎng)各自占比也達(dá)到了5%左右[2]。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)雖然已經(jīng)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都得到了很多使用，但其與國(guó)外相比還是占比相對(duì)較少，且相對(duì)分散。因此該空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展空間還是很大的[2]。

本科研項(xiàng)目以地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)怎樣選擇最佳的自動(dòng)控制問(wèn)題作為研究對(duì)象，進(jìn)行深入研究，以探討地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)面臨的節(jié)能和舒適問(wèn)題。

本課題主要對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

主要研究包括：

（1）建立空調(diào)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，包括常規(guī)單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)模型、模糊PID控制系統(tǒng)模型和單神經(jīng)元PID控制和模糊控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制模型。

（2）設(shè)計(jì)常規(guī)單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)，通過(guò)MATLAB進(jìn)行該控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

（3）設(shè)計(jì)模糊控制和PID控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式，通過(guò)MATLAB進(jìn)行該控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

（4）設(shè)計(jì)模糊控制和單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方式，通過(guò)MATLAB進(jìn)行該控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

（5）對(duì)三種控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出相關(guān)結(jié)論，為以后研究設(shè)計(jì)地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)提供相關(guān)依據(jù)。

1.2 項(xiàng)目搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

課題組通過(guò)搭建以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很好地對(duì)該項(xiàng)目涉及的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

（1）搭建單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行仿真研究，分析其控制運(yùn)行結(jié)果；

（2）搭建模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真研究，分析其控制運(yùn)行結(jié)果；

（3）搭建模糊控制和單神經(jīng)元PID控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真研究，分析其控制運(yùn)行結(jié)果。

1.3 項(xiàng)目科研成果

該項(xiàng)目通過(guò)對(duì)地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)采用單神經(jīng)元PID控制、模糊PID控制和模糊控制和單神經(jīng)元PID控制相結(jié)合的控制下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析、比較，得出以下結(jié)論：

（1）模糊增益單神經(jīng)元PID控制器所產(chǎn)生的超調(diào)量最小，過(guò)度時(shí)間最短，其遠(yuǎn)小于常規(guī)單神經(jīng)元PID控制器，比模糊PID控制器的過(guò)度時(shí)間也短，可見(jiàn)本文所研究的控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)比其他兩種控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)要更好。且其曲線變化也較平滑，穩(wěn)定性也較好[3-6]。

（2）當(dāng)對(duì)傳統(tǒng)的單神經(jīng)元PID控制器、模糊PID控制器和模糊增益自調(diào)整單神經(jīng)元PID控制器在600s時(shí)加了一個(gè)大小相同的擾動(dòng)，從仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)單神經(jīng)元PID控制曲線在擾動(dòng)信號(hào)作用下產(chǎn)生的超調(diào)量最大，模糊PID控制曲線產(chǎn)生了比較明顯的波動(dòng)，而模糊增益單神經(jīng)元PID控制雖然在響應(yīng)時(shí)間上差別不大，但產(chǎn)生的超調(diào)量最小，系統(tǒng)魯棒性最強(qiáng)，相對(duì)而言，其對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的適應(yīng)能力要略強(qiáng)一些[3-6]。因此，在地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)中選用模糊増益單神經(jīng)元PID控制器要比常規(guī)單神經(jīng)元PID控制器和模糊PID控制器都要好。

（3）結(jié)果顯示在地源熱泵中央空調(diào)的控制系統(tǒng)中選用模糊增益單神經(jīng)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(jié)果希望能為廣大空調(diào)設(shè)計(jì)和空調(diào)研究人員在地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)控制問(wèn)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(xué)資源中的應(yīng)用實(shí)施

項(xiàng)目組全體人員團(tuán)結(jié)合作，投入了大量的人力精力，在廣泛調(diào)研查閱有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，高水平、高質(zhì)量地完成了本項(xiàng)目的研究，并在隨后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷地充實(shí)完善，取得了滿意的成果。

（1）將本研究成果運(yùn)用到有針對(duì)性的某些課程（空調(diào)自動(dòng)化儀表、通風(fēng)與空調(diào)工程）的理論教學(xué)中。通過(guò)將本科研成果轉(zhuǎn)化為理論教學(xué)課程的內(nèi)容，可以讓學(xué)生形象地了解這兩門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的作用。例如，在空調(diào)自動(dòng)化儀表課程中，在有關(guān)空調(diào)PID控制器理論時(shí)，分別會(huì)講授P、I、D的作用，如果僅從理論上講解P、I、D的作用，學(xué)生們可能很難理解，如果用本科研成果舉例進(jìn)行講解P、I、D的作用，學(xué)生就很容易理解每個(gè)作用，并且根據(jù)科研成果會(huì)更深一層研究其運(yùn)用情況。教師如果能夠恰當(dāng)?shù)陌堰@些科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融入到課堂教學(xué)中，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，不僅獲得了目前市場(chǎng)先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而且其知識(shí)面和專(zhuān)業(yè)視野都得到了擴(kuò)大和開(kāi)拓。學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣會(huì)大大提高；對(duì)教師本人來(lái)說(shuō)，通過(guò)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(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，這將大大提高教師個(gè)人的教學(xué)魅力，大大提高課堂教學(xué)吸引力，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響[7]。

（2）將本研究成果運(yùn)用到有針對(duì)性的某些課程設(shè)計(jì)（中央空調(diào)課程設(shè)計(jì)）中。課程設(shè)計(jì)是普通高等職業(yè)院校教育實(shí)踐環(huán)節(jié)的一個(gè)重要組成部分，是對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐教學(xué)能力的重要一環(huán)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，不僅可以提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行全角度的總結(jié)分析的能力，而且可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題的本領(lǐng)，因此課程設(shè)計(jì)在高職院校中是非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)?？蒲谐晒芯勘旧砭褪墙鉀Q工程中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)將科研成果有效的轉(zhuǎn)化為課程設(shè)計(jì)，可讓學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)，可大大提高學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的興趣，為將來(lái)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）將本研究成果運(yùn)用到學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中。畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生通過(guò)三年的大學(xué)學(xué)習(xí)，運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，獨(dú)立完成本作業(yè)。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)情況可以反應(yīng)學(xué)生在校學(xué)習(xí)和掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)情況，是學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的匯總、分析、運(yùn)用、創(chuàng)新的一個(gè)綜合過(guò)程，將會(huì)對(duì)學(xué)生以后走上工作崗位獨(dú)立分析和解決問(wèn)題起到重要的作用?？蒲谐晒际墙Y(jié)合解決實(shí)際問(wèn)題的項(xiàng)目，因此引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合科研成果選題，貼合實(shí)際，鼓勵(lì)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)研究已經(jīng)成熟的研究方法，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)科研成果項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

（4）將本研究成果運(yùn)用到學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。充分發(fā)揮本科研項(xiàng)目搭建的設(shè)備儀器資源，將所有搭建的設(shè)備儀器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，不僅可以很好地培養(yǎng)學(xué)生，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，而且可以讓教師本人參與進(jìn)來(lái)，有針對(duì)性地解答學(xué)生提出的問(wèn)題，整個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程教師可以進(jìn)行有效的控制[7]。通過(guò)將本科研成果有效轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，不僅可以利用自身的科研優(yōu)勢(shì)，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)能力和水平，而且還實(shí)現(xiàn)科研向教學(xué)方面的逐步滲透，不斷為我國(guó)培養(yǎng)出高技能的人才。

（5）研究成果激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，在校學(xué)生在該課題的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)該課題的研究結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化潤(rùn)色，不斷促進(jìn)該成果的進(jìn)一步改良和發(fā)展。從而不但促進(jìn)了學(xué)校的教學(xué)工作，而且也不斷促進(jìn)了本行業(yè)的專(zhuān)業(yè)技能的發(fā)展。

3 結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大量高職生畢業(yè)后，在走向工作崗位時(shí)，并不能馬上進(jìn)入自己的角色，都要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的企業(yè)或公司的培訓(xùn)，是什么原因?qū)е逻@樣的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮呢？原因有很多，其中最主要的原因是學(xué)生在校期間所學(xué)到的理論課程與社會(huì)上所需要的技能能力相脫節(jié)[8]。隨著社會(huì)科技的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷地加劇，就業(yè)壓力也越來(lái)越大，如何提高高職畢業(yè)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)是目前各個(gè)高職院校迫切需要解決的問(wèn)題[8]。因此，我們應(yīng)該改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式，使培養(yǎng)出的人才具有一定市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。那么如何將高職院校具有前沿的科研項(xiàng)目很好地轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，讓其學(xué)生沒(méi)有出校門(mén)前就能接觸并熟練掌握本行業(yè)的前沿先進(jìn)知識(shí)，具備良好的實(shí)踐動(dòng)手能力，具有獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力，具有自主鉆研和學(xué)習(xí)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(zhēng)取通過(guò)不斷探索和改進(jìn)，為我國(guó)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(xué)資源轉(zhuǎn)化一例——麥飯石復(fù)合高吸水樹(shù)脂合成[J].廣州化工,2017,(2):110-112.

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

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

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

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

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

[7] 徐杰,祁紅巖.科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)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(zhuǎn)化為教學(xué)資源芻議——以變風(fēng)量空調(diào)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