虛擬仿真技術(shù)在建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)的應(yīng)用

孫育英 劉景東 王偉 吳旭 洪陽

摘要：從建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，分析當(dāng)前實驗教學(xué)的問題，論述虛擬仿真技術(shù)在建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)中的必要性，梳理建環(huán)專業(yè)領(lǐng)域的常用仿真技術(shù)以及虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀。論文研究對促進建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)改革有重要意義。

關(guān)鍵詞：建環(huán)專業(yè);實驗教學(xué);虛擬仿真

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

引言

虛擬仿真技術(shù)是20世紀(jì)末才興起的一門嶄新的信息技術(shù)，能夠模擬真實設(shè)備或系統(tǒng)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(xué)是虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[1]，促進當(dāng)前教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革。

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程是一個典型工科類的專業(yè)，在人才培養(yǎng)中普遍存在“重設(shè)計、輕實踐”等問題，強化專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型和創(chuàng)新型的實用人才，是社會對建環(huán)專業(yè)教學(xué)改革的迫切要求。將虛擬仿真技術(shù)的引入到建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)中，解決目前實驗教學(xué)中的存在問題，提高建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，是值得研究和探索的課題。

一、建環(huán)專業(yè)實驗的教學(xué)現(xiàn)狀

目前，建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)基本上是傳統(tǒng)模式[2]，存在實驗課時少、教學(xué)內(nèi)容陳舊、實驗教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)被動，往往敷衍了事。為了改進實驗教學(xué)效果，很多學(xué)校做出積極探索和改革[3-4]，如獨立設(shè)置專業(yè)實驗課程、改革實驗考核模式、開設(shè)創(chuàng)新實驗、增加生產(chǎn)實習(xí)等。雖然這些努力對提高實驗教學(xué)質(zhì)量起到了一定作用，但是，建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)改革發(fā)展中存在瓶頸：

1.受實驗室條件限制，很難開設(shè)交叉性專業(yè)實驗。

暖通空調(diào)系統(tǒng)形式多樣、構(gòu)成復(fù)雜、設(shè)備龐大、維護費用高，受實驗室空間和資金的限制，很難建設(shè)較為綜合的暖通空調(diào)實驗平臺，使學(xué)生對系統(tǒng)整體性和在工程中的實際運行缺少全面性認(rèn)識。

2.受生產(chǎn)與安全條件限制，生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)效果很難達(dá)到預(yù)期要求。

為了彌補交叉性專業(yè)實驗的不足，很多學(xué)校加強了生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)。但是，由于實際工程環(huán)境復(fù)雜、危險大、操作安全要求高，企業(yè)出于經(jīng)濟效益和安全考慮，不可能同意把在工程現(xiàn)場進行實驗教學(xué)，只能是走馬觀花的參觀式教學(xué)，實際教學(xué)效果不佳。

3.受師資力量和實驗設(shè)備限制，實驗教學(xué)質(zhì)量大打折扣。

大多數(shù)學(xué)校建環(huán)專業(yè)每年招生2個班以上，有的學(xué)校甚至達(dá)到4個班。當(dāng)學(xué)生人數(shù)多時，而師資力量有限、實驗設(shè)備數(shù)量有限時，如何安排好學(xué)生進行實驗，并且能夠激發(fā)學(xué)生主動性、積極性是一件非常困難的事情。

二、建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性

虛擬仿真技可以生動形象地復(fù)現(xiàn)各類復(fù)雜的暖通空調(diào)系統(tǒng)，有效解決建環(huán)專業(yè)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(chǎn)與安全條件的限制、師資與實驗設(shè)備的限制，可以實現(xiàn)在課堂和實驗室中無法實現(xiàn)的教學(xué)過程，拓展實驗類型，開展豐富多樣的專業(yè)交叉性、創(chuàng)新性實驗。

建環(huán)專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)，將帶來如下優(yōu)勢：①能營造出一種仿真式與交互式的實驗環(huán)境，不用考慮實驗室面積、投資、運行、維護費用，使得實驗經(jīng)費大大降低。②能展現(xiàn)建環(huán)專業(yè)的最前沿技術(shù)，擴展實驗項目。③擴展實驗內(nèi)容和深度，突破課堂教學(xué)難點。④去除了繁雜的實驗準(zhǔn)備工作，節(jié)省去人力、物力，更有效利用師資力量。⑤可以反復(fù)訓(xùn)練，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供平臺，提高學(xué)習(xí)興趣，促進主動思考。

對于實踐教學(xué)而言，不同層次的實踐教學(xué)可以用不同層次的虛擬仿真技術(shù)進行模擬。在專業(yè)基礎(chǔ)課程中的實踐教學(xué)可以使用簡單、高效、成本低廉的傳統(tǒng)仿真技術(shù)來完成，對于專業(yè)核心課程的實踐教學(xué)或綜合性實驗，可采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來實現(xiàn)。

三、建環(huán)專業(yè)領(lǐng)域的常用仿真技術(shù)

仿真技術(shù)以低成本、高開放性和廣泛適用性等優(yōu)勢，已經(jīng)在建環(huán)專業(yè)相關(guān)的科研領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用和研究，很多仿真軟件被用于暖通空調(diào)的仿真建模，主要分為以下三個方面：

1.建筑室內(nèi)環(huán)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(zhǔn)確模擬所研究對象內(nèi)的空氣流動、傳熱和污染等物理現(xiàn)象。Airpak則是專門面向HVAC領(lǐng)域的室內(nèi)環(huán)境仿真軟件，在功能上沒有Fluent全面，但是比Fluent更易于建環(huán)專業(yè)人員使用。

2.建筑或空調(diào)系統(tǒng)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(yīng)用最多。EnergyPlus吸收了DOE-2和BLAST的優(yōu)點，采用集成同步的負(fù)荷/系統(tǒng)/設(shè)備的模擬方法。DeST基于狀態(tài)空間法理論，利用多區(qū)熱質(zhì)平衡算法和三維動態(tài)傳熱算法模擬建筑能耗。

3.暖通空調(diào)系統(tǒng)性能的仿真。主要有TRNSYS、SIMULINK、HVACSIM+和DYMOLA等軟件。TRNSYS模塊化結(jié)構(gòu)的動態(tài)系統(tǒng)模擬軟件，內(nèi)置了200多個功能性子程序，目前應(yīng)用最為普遍。DYMOLA是基于方程式的多物理系統(tǒng)模擬軟件，能夠很好解決因果類仿真平臺的代數(shù)循環(huán)問題，而且具備將建模和數(shù)值方法的理想解耦，適用于開發(fā)復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)仿真模型。

可見，仿真技術(shù)已經(jīng)在建環(huán)專業(yè)科研領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，可以模擬建筑室內(nèi)復(fù)雜的熱環(huán)境，仿真各種復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)，為暖通空調(diào)虛擬仿真實驗的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

四、建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r

仿真技術(shù)是用來構(gòu)建仿真系統(tǒng)的物理模型，真實反映出實際系統(tǒng)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(fā)，使學(xué)生可直接參與，探索仿真對象的變化過程。目前，雖然建環(huán)專業(yè)領(lǐng)域的仿真研究很多，但主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域;建環(huán)專業(yè)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(xù)建筑性能研究所開發(fā)了LearnHVAC軟件，如圖1所示。學(xué)生可以對空調(diào)系統(tǒng)進行模擬操作，包括短期控制模擬，長期能耗模擬，分析系統(tǒng)故障。教師可以自定義暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬場景，對學(xué)生的實驗進行管理。目前，LearnHVAC只是可發(fā)了變風(fēng)量系統(tǒng)一項實驗內(nèi)容。

在國內(nèi)，山東建筑大學(xué)開發(fā)了太陽能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等虛擬仿真實驗軟件，只側(cè)重于對原理的認(rèn)識和體驗，實驗功能簡單;合肥工業(yè)大學(xué)楊善林教授將組件技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)的計算機仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)過程中，其開發(fā)方法能夠?qū)μ摂M仿真軟件有一個很好的參考作用[5];湖北工業(yè)大學(xué)以BIM技術(shù)、信息技術(shù)為支撐，組建了綠色建筑全生命周期虛擬仿真實驗教學(xué)中心[6]。

目前，虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)逐漸得到重視，很多大學(xué)已經(jīng)開展了相關(guān)調(diào)研，建設(shè)虛擬仿真實驗室、開發(fā)虛擬仿真實驗項目、研究虛擬仿真教學(xué)方法等工作已經(jīng)逐步開展。

五、結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)是當(dāng)前高等教育的重要教學(xué)手段，虛擬仿真實驗建設(shè)必將推動建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)發(fā)展，如何與傳統(tǒng)實驗項目有機結(jié)合，設(shè)置合理的實踐教學(xué)計劃，開發(fā)創(chuàng)新性虛擬仿真實驗項目，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，將是近年來建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)改革的重點內(nèi)容。

參考文獻：

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[2]趙麗娜，賈永明.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)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(yīng)用能力的實驗教學(xué)改革研究——以建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)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(huán)專業(yè)測試技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)研究[J].高等建筑教育，2008，17（1）：118-121.

[5]朱學(xué)峰.基于COM+技術(shù)的分布式中央空調(diào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件研究與開發(fā)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

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