【走进清华研究生教改】立足实践、启智创新、教研结合——建筑信息物理融合系统教学科研平台建设

2019 年 6 月 27 日 清华大学研究生教育

【编者按】为贯彻落实《清华大学关于全面深化教育教学改革的若干意见》和《清华大学关于新时代进一步推进教育教学改革的意见》，研究生院从2015年春季学期开始，鼓励和支持全校师生积极开展研究生教育教学改革（简称研究生教改），创新机制、优化模式、不断提高人才培养质量。

研究生教改项目设立以来，成果渐丰，特推出《走进清华研究生教改》系列成果展示，以加强经验交流，推广研究成果，促进多学科交叉融合，提升研究生教育教学质量。

项目简介

智能建筑关系我国未来的能源消费、人居舒适、安全疏散、环境保护，而智能建筑中的信息物理融合系统相当于其智慧大脑，是实现建筑舒适、节能、安全集成控制的中心和主体。本项目依托智能与网络化系统研究中心（以下简称智网中心），旨在建设建筑信息物理融合系统的教学科研平台，综合提升自动化系在智能建筑领域的教学、科研、创新能力。

图1 智网中心前主任管晓宏老师与项目负责人贾庆山老师

秉承“立足实践、启智创新、教研结合”的基本理念，本项目主要通过以下三个方面的着力深耕，来达到全方面育人的目标：

1. 以自动化系本研课程为支撑，实验环节为切入点，通过建立综合教学实验平台，有效提高自动化系研究生及高年级本科生的思考解决问题、动手实践相关能力。

2. 将实际问题与研究生教学相结合，鼓励学生进行创新性尝试和技术实践，结合智能建筑信息物理融合系统平台，以达到培养科研兴趣、创业灵感、启迪智慧的教学目的。

3. 背靠智能建筑科研平台，为本领域研究生的科研探索提供有利保障，培养其从实际问题出发、提炼问题、建立模型、调研、测试想法、改进等全方面能力。

立足实践

贾庆山老师有多年的从教经验，其开设的课程因内容深入浅出、教风严谨生动而深受我校同学喜爱。贾老师通过多年的教学经验总结发现，对于高年级本科生以及低年级研究生来说，理论学习能力并不是他们唯一需要培养的；在清华大学的培养理念下，动手实践、创新尝试、验证想法的能力同样重要。所以应突出实验环节在课程讲授中的作用。本项目结合《复杂系统性能评价与优化》（研究生）、《网络化系统建模与评价》（研究生）、《计算机网络及应用》（本科生）等多门课程的学习内容，通过建立建筑室内定位系统等在内的综合教学实验平台，建立丰富、自由、多样的实验环节，在夯实课程所学知识的基础上，立足实践动手能力培养，为今后的科研、学习、就业打下坚实的基础。

图2 室内定位系统

启智创新

在研究生的课程教学中，贾老师一直坚持理论结合实际，以启迪智慧，发挥想象，创新实践为教学原则，希望培养同学们能用课堂中所学到的知识，来解决实际生活中存在的问题，智能建筑人机交互平台就是其中值得一说的一个例子。结合智能建筑信息物理融合系统平台的项目背景和教学目标，以北京信息科学与技术国家研究中心的一部分房间为实际基础，该平台实现了通过智能手机为终端实时查看室内温湿度，并由用户对当前的室内环境进行反馈，比如是否过热、过冷等。这些数据与环境数据汇聚在一起，可以通过学习算法生成人员的个性化舒适模型。

图3 智能建筑人机交互平台架构

结合目前处于科技前沿的虚拟现实技术等，贾老师开设了一系列有特色、有创新意义和实践意义的小项目，鼓励研究生和高年级本科生一同参与，比如“基于谷歌眼镜的消防疏散指引”、“基于HoloLens的建筑内救援头盔”及“基于云计算的智慧城市开放平台和生态系统/城市环境中互联自主车的动态优化”等。这一系列小项目以学科交叉为特色，以实践应用背景为支撑，着实起到了锻炼同学们科技前沿理念、创新探索意识和动手实现能力。

图4 基于HoloLens的建筑内救援头盔

教研结合

在研究生培养中，贾老师秉承智网中心讲席教授组的方法：以问题为导向，视实际贡献为最终目标，理论分析与实践验证相结合的方式，培养其从实际问题出发、提炼问题、建立模型、调研、测试想法、改进等全方面能力。在智能建筑这一大背景下，以建立舒适、安全的信息物理融合系统为目标，贾老师课题组针对FIT的逾百个监控摄像头数据，进行了基于监控视频的人员分布估计的相关研究，通过对大楼进行区域划分、利用图像识别方法对视频中的人物位置进行判定等，设计相关算法来对区域内的人数进行估计。在新的研究中，利用人员停留模型，能够将基于红外、监控视频的估计误差消除50%。长期运行后，常规方法估计值因误差累积而发散，新方法估计值收敛，能够达到很好的估计效果，相关成果已经发表了多篇论文和专利，受到同行的高度评价。