虛擬仿真技術在建環專業實驗教學的應用

孫育英 劉景東 王偉 吳旭 洪陽

摘要：從建環專業實驗教學現狀出發，分析當前實驗教學的問題，論述虛擬仿真技術在建環專業實驗教學中的必要性，梳理建環專業領域的常用仿真技術以及虛擬仿真實驗教學現狀。論文研究對促進建環專業實驗教學改革有重要意義。

關鍵詞：建環專業;實驗教學;虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）05-0106-02

引言

虛擬仿真技術是20世紀末才興起的一門嶄新的信息技術，能夠模擬真實設備或系統的工作過程，具有信息量大、生動形象、身臨其境、實時交流等特征。虛擬仿真實驗教學是虛擬仿真技術在教育領域的應用，是高等教育信息化建設的重要內容[1]，促進當前教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。

建筑環境與能源應用工程是一個典型工科類的專業，在人才培養中普遍存在“重設計、輕實踐”等問題，強化專業實驗教學內容，培養應用型、復合型和創新型的實用人才，是社會對建環專業教學改革的迫切要求。將虛擬仿真技術的引入到建環專業實驗教學中，解決目前實驗教學中的存在問題，提高建環專業人才培養質量，是值得研究和探索的課題。

一、建環專業實驗的教學現狀

目前，建環專業實驗教學基本上是傳統模式[2]，存在實驗課時少、教學內容陳舊、實驗教學方法和手段單一等諸多問題。實驗類型多以驗證性、演示型為主，學生學習被動，往往敷衍了事。為了改進實驗教學效果，很多學校做出積極探索和改革[3-4]，如獨立設置專業實驗課程、改革實驗考核模式、開設創新實驗、增加生產實習等。雖然這些努力對提高實驗教學質量起到了一定作用，但是，建環專業實驗教學改革發展中存在瓶頸：

1.受實驗室條件限制，很難開設交叉性專業實驗。

暖通空調系統形式多樣、構成復雜、設備龐大、維護費用高，受實驗室空間和資金的限制，很難建設較為綜合的暖通空調實驗平臺，使學生對系統整體性和在工程中的實際運行缺少全面性認識。

2.受生產與安全條件限制，生產實習教學效果很難達到預期要求。

為了彌補交叉性專業實驗的不足，很多學校加強了生產實習環節。但是，由于實際工程環境復雜、危險大、操作安全要求高，企業出于經濟效益和安全考慮，不可能同意把在工程現場進行實驗教學，只能是走馬觀花的參觀式教學，實際教學效果不佳。

3.受師資力量和實驗設備限制，實驗教學質量大打折扣。

大多數學校建環專業每年招生2個班以上，有的學校甚至達到4個班。當學生人數多時，而師資力量有限、實驗設備數量有限時，如何安排好學生進行實驗，并且能夠激發學生主動性、積極性是一件非常困難的事情。

二、建環專業虛擬仿真實驗教學的必要性

虛擬仿真技可以生動形象地復現各類復雜的暖通空調系統，有效解決建環專業實驗改革的瓶頸問題。虛擬仿真實驗不受實驗室條件的限制、生產與安全條件的限制、師資與實驗設備的限制，可以實現在課堂和實驗室中無法實現的教學過程，拓展實驗類型，開展豐富多樣的專業交叉性、創新性實驗。

建環專業開展虛擬仿真實驗教學，將帶來如下優勢：①能營造出一種仿真式與交互式的實驗環境，不用考慮實驗室面積、投資、運行、維護費用，使得實驗經費大大降低。②能展現建環專業的最前沿技術，擴展實驗項目。③擴展實驗內容和深度，突破課堂教學難點。④去除了繁雜的實驗準備工作，節省去人力、物力，更有效利用師資力量。⑤可以反復訓練，為學生自主學習提供平臺，提高學習興趣，促進主動思考。

對于實踐教學而言，不同層次的實踐教學可以用不同層次的虛擬仿真技術進行模擬。在專業基礎課程中的實踐教學可以使用簡單、高效、成本低廉的傳統仿真技術來完成，對于專業核心課程的實踐教學或綜合性實驗，可采用虛擬現實系統來實現。

三、建環專業領域的常用仿真技術

仿真技術以低成本、高開放性和廣泛適用性等優勢，已經在建環專業相關的科研領域有了廣泛應用和研究，很多仿真軟件被用于暖通空調的仿真建模，主要分為以下三個方面：

1.建筑室內環境的仿真。主要有Fluent、Airpak、Phoenics和Flovent等軟件，其中Fluent和Airpak最具代表性。Fluent軟件包含豐富而先進的物理模型，能夠準確模擬所研究對象內的空氣流動、傳熱和污染等物理現象。Airpak則是專門面向HVAC領域的室內環境仿真軟件，在功能上沒有Fluent全面，但是比Fluent更易于建環專業人員使用。

2.建筑或空調系統能耗的仿真。主要有EnergyPlus、DeST、DOE-2和BLAST等軟件，其中EnergyPlus和DeST在我國應用最多。EnergyPlus吸收了DOE-2和BLAST的優點，采用集成同步的負荷/系統/設備的模擬方法。DeST基于狀態空間法理論，利用多區熱質平衡算法和三維動態傳熱算法模擬建筑能耗。

3.暖通空調系統性能的仿真。主要有TRNSYS、SIMULINK、HVACSIM+和DYMOLA等軟件。TRNSYS模塊化結構的動態系統模擬軟件，內置了200多個功能性子程序，目前應用最為普遍。DYMOLA是基于方程式的多物理系統模擬軟件，能夠很好解決因果類仿真平臺的代數循環問題，而且具備將建模和數值方法的理想解耦，適用于開發復雜的空調系統仿真模型。

可見，仿真技術已經在建環專業科研領域有廣泛應用，可以模擬建筑室內復雜的熱環境，仿真各種復雜的空調系統，為暖通空調虛擬仿真實驗的開發奠定了技術基礎。

四、建環專業虛擬仿真實驗教學的發展狀況

仿真技術是用來構建仿真系統的物理模型，真實反映出實際系統的特性。對于虛擬仿真實驗來說，必須有交互式界面，通常用Vega、U3D、Eclipse、CATIA、WebBuilder、Visual Studio、LabVIEW等軟件平臺開發，使學生可直接參與，探索仿真對象的變化過程。目前，雖然建環專業領域的仿真研究很多，但主要應用于科研領域;建環專業的虛擬仿真實驗研究相對很少，尚處于初步探索階段。

美國可持續建筑性能研究所開發了LearnHVAC軟件，如圖1所示。學生可以對空調系統進行模擬操作，包括短期控制模擬，長期能耗模擬，分析系統故障。教師可以自定義暖通空調系統的模擬場景，對學生的實驗進行管理。目前，LearnHVAC只是可發了變風量系統一項實驗內容。

在國內，山東建筑大學開發了太陽能系統、地源熱泵系統等虛擬仿真實驗軟件，只側重于對原理的認識和體驗，實驗功能簡單;合肥工業大學楊善林教授將組件技術應用于中央空調的計算機仿真培訓系統研發過程中，其開發方法能夠對虛擬仿真軟件有一個很好的參考作用[5];湖北工業大學以BIM技術、信息技術為支撐，組建了綠色建筑全生命周期虛擬仿真實驗教學中心[6]。

目前，虛擬仿真實驗教學已經逐漸得到重視，很多大學已經開展了相關調研，建設虛擬仿真實驗室、開發虛擬仿真實驗項目、研究虛擬仿真教學方法等工作已經逐步開展。

五、結束語

虛擬仿真技術是當前高等教育的重要教學手段，虛擬仿真實驗建設必將推動建環專業實驗教學發展，如何與傳統實驗項目有機結合，設置合理的實踐教學計劃，開發創新性虛擬仿真實驗項目，提高人才培養質量，將是近年來建環專業實驗教學改革的重點內容。

參考文獻：

[1]李平，毛昌杰.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[2]趙麗娜，賈永明.建筑環境與能源應用工程專業實驗考核模式和方法的研究與探索[J].化工時刊，2015，29（3）：56-58.

[3]熊軍，劉澤華，羅清海，等.工程應用能力的實驗教學改革研究——以建筑環境與設備工程專業為例[J].高等建筑教育，2011，20（1）：158-161.

[4]陳世強，張登春，于琦，等.建環專業測試技術實踐教學環節研究[J].高等建筑教育，2008，17（1）：118-121.

[5]朱學峰.基于COM+技術的分布式中央空調仿真培訓系統軟件研究與開發[D].合肥工業大學，2005.

[6]王淑嬙，賀行洋，鄒貽權，等.綠色建筑虛擬仿真實驗教學中心建設思考[J].高等建筑教育，2014，23（6）：134-137.