虛擬仿真實驗在環能專業教學中的應用研究

摘要：文章分析了虛擬仿真實驗在建筑環境與能源應用工程（環能）專業教學中的重要性，提出了基于項目式學習模式的虛擬仿真實驗系統的整體建設思路。依托真實的多功能制冷空調性能綜合實驗系統，設計并開發了同時具備線上及線下兩種運行模式的制冷空調設備虛擬仿真實驗系統，全面論述了該虛擬仿真實驗系統各功能模塊的作用與運行機制，實現了虛實結合的教學模式。經實踐驗證，該虛擬仿真實驗系統不僅有效解決了學生數量眾多與實驗系統數量不足之間的矛盾，還可將環能專業的多門課程進行融合，有效地提高了專業教學的效果及效率。

關鍵詞：虛擬仿真;項目式學習;建筑環境與能源應用工程;暖通空調;專業教學

中圖分類號：G642.0;TU83 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0390-03

我國教育部在2012年發布的《普通高等學校本科專業目錄》和《普通高等學校本科專業設置管理規定》中，將建筑環境與設備工程，建筑節能技術與工程，以及建筑設施智能技術合并為建筑環境與能源應用工程專業（簡稱：環能專業）[1，2]。在全新的環能專業的課程設置中多以工程實踐課程為主，以培養學生的綜合設計能力，建立工程概念，養成工程師素質為目標[3，4]。因此，在實際的教學中，實踐類/實驗課程的設置就顯得尤為重要。但是，環能專業所涉及的設備及系統種類繁多，設備角度包括：房間空調器，組合式空調箱，風機盤管，風機，水泵，壓縮機，水源/空氣源熱泵，冷水機組等;而從空調系統的氣流組織形式方面來看又可以分為上送風、下送風、側送風、上回風、下回風、側回風，一次回風、二次回風等[5]。因此，在環能專業的實踐教學中采用單一實驗系統的方式是不現實的。目前，國內常用的做法是通過一套綜合實驗系統滿足大部分的實驗要求，或者針對多個設備及多種送風形式分別建設綜合性能的實驗系統[6]。但是這種方式一方面會導致實驗系統的建設成本大大增加，很多學校難以建設功能齊全的實驗系統;另一方面，即使有條件建設綜合實驗系統的高校，通常也僅能夠建設一套系統，這就會產生實驗系統數量不足與學生人數較多的矛盾。環能專業課程設置的另一個特點就是科目較多且項目關聯，例如，建筑設備工程，冷熱源，空氣調節建筑設備自動化，熱工測量與控制等[2]。這些課程都需要單獨開課，但是在邏輯關系上它們之間又是緊密關聯的。對于這些課程，由于課時的限制，在理論授課中很難將其完全融合在一起，學生無法對多門課程的學習內容形成一個系統的認識，無法建立完整的知識體系。

近年來，虛擬仿真實驗教學得到了大力推廣，并且教育部也明確指出，從2017年起預計分年度建設1000個虛擬仿真實驗教學項目，并強調重點建設具有自主知識產權的示范性虛擬仿真實驗教學項目[7]。虛擬仿真實驗系統可以與傳統實驗模式相互補充，實現虛實結合，極大地提高了實踐教學的效果和效率，目前已在多個新興學科和領域內得到了廣泛的應用[8，9]。虛擬仿真實驗的教學模式非常適合環能專業的專業課程特征，但是目前尚缺少針對環能專業的功能完善的虛擬仿真教學系統。項目式學習是以構建主義理論為指導的，通過構建一個實際或虛擬的項目，使學生能夠融入真實的情景中，進而培養學生發現問題，分析問題，解決問題的綜合能力[10，11]。項目式學習的教學模式恰恰是解決環能專業課程較多且相互關聯的有效途徑，如果能將其與虛擬仿真實驗相結合，將會使得專業課程的教學效果得到有效提升。

一、虛擬仿真實驗系統的架構

在對前期所建設的多個實體實驗室進行深入思考和優化后，開發設計了該制冷空調系統與裝置虛擬仿真實驗系統，其總體架構如圖1所示。該虛擬仿真實驗系統包括線上和線下兩種運行模式，線上及線下模式具有相同的功能。每種模式又包含三個功能模塊，分別為裝置、系統以及建筑能源系統：（1）裝置模塊主要針對環能專業涉及到的主要設備進行認識及測試。其目的是為了讓學生系統認識每種設備的外觀，工作原理，性能參數的測試依據等。（2）系統模塊主要針對暖通空調系統中不同的氣流組織形式進行實驗，觀察每種氣流組織形式的特點，優缺點，以及對室內環境的影響等。（3）建筑能源系統模塊是為了響應國家建筑節能的號召，而新增的功能模塊，其開發理念是基于多能互補與供需互配的能源利用政策，系統中通過模擬多種能源的綜合作用效果，使學生認識建筑節能減排的重要性，以及各種可再生能源的綜合利用手段。同時，該虛擬仿真實驗系統以項目式學習模式為基礎進行了針對性的設計，可以在進行虛擬實驗的過程中，將環能專業的多門專業課程進行綜合實踐。以空調器性能的委托檢測項目為例：本項目在設計時以空調器性能委托檢測的實際流程為依據，教師作為委托方，學生作為檢測機構，實驗中要求學生進行樣品接受，安裝，測試，根據委托設備選取相應的測試標準及測試條件，進行性能測試，報表生成，誤差分析，并出具檢測報告等。通過一整套的項目流程，不僅能使學生掌握全部的測試規程，也可將環能學科的建筑設備及各類規范、冷熱源工程、熱工測量等課程進行融會貫通。目前，除了空調器委托檢測項目外，還可以采用建筑環境舒適性設計項目（針對空調系統氣流組織及節能方案的設計，涵蓋空氣調節，建筑能源系統，建筑設備等課程），空調系統的故障診斷優化運行（針對空調系統中的控制系統進行設計，涵蓋空調調節，建筑設備自動化，熱工測量與控制等課程）等項目。

二、虛擬仿真實驗系統的功能

該制冷空調系統與裝置虛擬仿真實驗系統的主要功能包括：常規功能、性能測試與誤差分析、送回風方式選擇、建筑能源系統、自動控制與故障診斷等，其主要功能流程如圖2所示。

三、虛實結合與數據的后處理

該制冷空調系統與裝置虛擬仿真實驗系統的作用主要在于滿足教學大綱實踐教學設置內容的要求，也使得環能專業高成本、高消耗，大型綜合訓練的現狀得以改變，促進了學生自主學習、研究型學習、無紙化學習的習慣的養成。但是其本質是實踐教學的有力補充，并不能完全代替實踐教學。學生通過虛擬仿真實驗系統進行相關的實驗訓練后，需要通過真實的實驗系統對學習的內容進行驗證，這樣才能真正將實踐教學落到實處。但是通過虛擬仿真實驗系統的模擬實驗可以使學生提前熟悉實驗流程，實驗設備及相關的儀器儀表操作，可以使實驗更加高效有序地進行，并且可以在實驗過程中由于各種問題導致實驗數據不準確或者無效的情況下，仍然可以通過虛擬仿真實驗系統的數據進行實驗誤差分析的實踐訓練，完成項目式學習的最后一個環節。但是由于制冷空調裝置的性能測試時間較長，現有的實驗課時內很難保證每個學生都親自進行實驗，往往以演示性實驗為主，這樣學生很難理解實驗數據的由來，誤差的來源，更加難以進行實驗誤差的分析與計算。但是通過虛擬仿真實驗后，每個學生都可以親自動手做實驗，了解每項實驗數據的出處，因此學生能有效地對實驗誤差進行分析，進而深入理解熱工測量這門專業課程的內容。

四、結語

基于項目式學習模式的制冷空調系統與裝置虛擬仿真實驗系統可以通過線上或者線下的模式，開展制冷空調系統及設備的各項性能測試，也可以開展教學大綱所包含的各類氣流組織實驗，自動控制實驗，建筑能耗實驗。該虛擬仿真實驗系統不僅可以使學生掌握環能專業課程涉及的各項內容，還可以結合項目式學習模式，在實踐課程開始之前，就通過項目的方式，給學生制定項目的目標，設備選型目標，性能目標，或誤差目標，可以將環能專業多個主干課程融會貫通，形成一個系統工程，幫助學生建立完備的知識體系。另一方面，該虛擬仿真實驗系統幾乎涵蓋了環能專業所有重要設備及空調系統形式，在沒有條件建設大型綜合實驗室的院校，也可以通過該系統有效地實施環能專業的各類實踐教學工作。

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Study on the Application of Virtual Simulation Experiment in Major Teaching of Building Environment and Energy Application Engineering

ZHANG Kai

（College of Urban Construction，Nanjing Tech University，Nanjing，Jiangsu 210009，China）

Abstract：The importance of virtual simulation experiment in the major teaching of building environment and energy application engineering is analyzed，and the construction of virtual simulation experiment system is proposed based on the project-based learning.A virtual simulation experiment system for refrigeration and air-conditioning equipment with both online and offline operating modes is designed and developed based on the real multi-functional refrigeration and air-conditioning performance integrated experimental system.The functions and operating modes are discussed in detail for this integrated experimental system.The result show that this virtual simulation experimental system not only effectively solves the mismatch of the large number of students and the insufficient number of experimental systems，but also significance improves the efficiency of the major teaching for building environment and energy application engineering accounting for the integration of several courses.

Key words：virtual simulation;project-based learning;building environment and energy application engineering;air-conditioning;major teaching