虛擬仿真實驗技術輔助建環實踐體系構建

魏莉莉 邵璟璟 王立娟 張麗娜

摘? 要：建環專業是典型的工科專業，主要面對暖通空調系統。工程實踐中，系統復雜、時效性強，實踐教學環節無法深入參與工程實踐，退化為參觀式實踐，不能滿足應用型人才實踐能力培養的要求。虛擬仿真實驗通過信息技術和人機交互，與實體實踐教學相互補充，大大增強了實踐教學的深度和廣度，增強了學生學習的自由度，提升了學生的應用實踐能力。

關鍵詞：虛擬仿真實驗;應用型本科;實踐能力

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）25-0074-04

Abstract： Building environment and energy engineering is a typical engineering major， mainly facing HVAC systems. In engineering practice， the system is complex and time-sensitive. The practice teaching link cannot deeply participate in engineering practice， degenerates into a visit-based practice， and cannot meet the requirements for practical ability training of applied talents. To promote the practical ability of students， virtual simulation experiments are developed by information technology and human-computer interaction. The practical teaching is strongly enlarged in time and profundity. Both freedom and motivation of learning is increased. The learning effect agrees with this teaching mode strongly.

Keywords： virtual simulation experiments; application-oriented undergraduate; practical ability

在信息化和工業化發展的背景下，教育部印發了《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》及《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，要求高等教育與信息技術進行深度融合，對人才培養模式進行創新，要求高等學校的人才培養模式從知識技能型向應用創新型轉變[1]。虛擬仿真實驗技術是隨著計算機和網絡技術的快速發展而逐漸成熟和完善的，虛擬實驗室就是利用分散的信息和通信技術以創造及獲取成果為目的，在科研與其他創造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子實驗平臺[1-3]。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果[4]。

建筑環境與能源應用工程專業（以下簡稱建環）是典型的工科專業，主要培養建筑環境營造和建筑能源系統領域應用研究能力和應用實踐能力相統一的復合型高級工程技術與管理人才，應具備設計、施工、管理的相關知識。但營造建筑環境的暖通空調系統與建筑緊密配合，施工范圍大、周期長，且大部分是隱蔽工程，傳統的實踐教學過程難以對系統全貌進行參觀認識，對施工過程的參與也只能是一小片段，且受到安全性的限制，實習企業更加限制學生生產現場實習的時間與空間，要求不準動、不準碰，只能在規定時間內“看”，進一步導致學生參與度低，效果差[5-9]。因此，系統施工相關的實踐環節一直是教學過程的短板，不能滿足經濟社會發展對人才的要求。我校建環專業在省級建筑節能工程中心的基礎上，通過分析教學過程的痛點，開發建設了練、考一體的虛擬仿真實驗教學平臺，大大提升了學生的實踐能力[10-11]。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設思路

結合建環專業實踐性強、系統規模大、實踐能力要求高的特點，虛擬仿真實驗教學系統堅持“虛實互補、能實不虛、規范引領”的原則。以“實”的系統認識起步，通過各種參觀、實習過程，對系統整理有概念性認識;以“虛”的系統原理教學來展示各設備、部件直到系統整理的原理和流程，實現對系統整體的認識;以“實”的系統施工安裝和運行操作參觀、參與，實現系統實踐入門;以“虛”的工具選擇、設備安裝、線路連接、安裝調試、運行管理、參數檢測、性能評價一系列過程，實現對施工過程和運行管理過程的模擬，將工程實踐中獲得的零散的、片面的施工安裝知識和認識串聯成系統的、完整的實踐過程;回歸“實”的系統施工和運行管理實踐，在畢業實習過程中，結合工作內容，實現系統實踐知識的“落地”。所有的安裝、調試、操作過程均應符合相應規范、標準的要求，在必要的環節給出規范提示，加強學生的規范意識。

二、虛擬仿真實驗內容

以省級實驗教學示范中心——節能工程中心為依托，針對暖通空調系統實踐教學中的痛點、難點，基于3D仿真技術，使用unity3d、Visual studio等工具開發了暖通空調虛擬仿真實驗教學平臺，建立了相應的虛擬仿真實驗教學系統，主要分為兩大模塊：設計模塊和操作模塊。

（一）設計模塊

設計模塊重現系統設計過程，但與傳統設計過程有所區別。傳統的設計過程根據建筑、結構圖紙及工程基本信息，進行分析、計算、方案設計、繪圖，最終生成平面圖紙。對于設計結果的合理性、運行效果，設計者無法判斷;而運行過程的結果缺少反饋路徑，因此設計和運行是割裂的。

本設計模塊在工程資料的基礎上，簡化了計算量、方案設計和繪圖過程，重點考察以下兩點：

1. 計算方法和計算結果，及據此做出的設備選型。根據選型結果判斷設計過程的掌握程度。

2. 以設計結果導入系統的運行操作模塊，是本設計模塊的核心價值。系統設計與操作緊密相關，設計的正確性和合理性直接決定了系統性能。因此，系統操作模塊與設計模塊的聯動反作用于設計模塊，使學生進一步掌握設計的理念和方法。

（二）操作模塊

系統操作模塊重點強調系統安裝、調試及正常運行過程的啟停操作，和對系統運行效果的分析。主要包括以下子模塊

1. 系統認知

虛擬仿真實驗與現有實體實驗室空調系統實驗裝置1：1設置，學生的認知實驗采用虛實結合的方式，實體實驗室中對系統的各部件、設備進行參觀、認識，虛擬實驗系統中更詳細的闡述各設備的原理、三維結構、系統流程，設備內部結構可視化，學生可以隨時隨地進行認識深入而不受時間、空間的限制。

2. 施工實驗

系統的安裝與調試在系統認知實驗的基礎上，學生頭腦中已對目標有清晰的認識，更加有的放矢。按照科學的順序，從工具庫中選擇恰當的工具，采用正確的操作方法完成施工過程，相當于在虛擬場景中模擬了工程施工全過程，不必顧慮安全性和實效性，可以多次犯錯、返工。虛擬操作結合生產實習、畢業實習等實踐教學過程中工程現場的認識能夠較好的掌握建筑設備施工安裝技術。

3. 安裝調試

系統調試是系統正常運行的先決條件，根據相關規范規定的步驟對必要的環節實施調試，使學生強化規范意識，掌握調試方法和步驟。

4. 運行操作與管理

系統安裝完成后的運行管理也是實現系統節能運行的重要環節。實驗內容包括以下部分：（1）系統的啟停操作。掌握基本的運行規律基礎上，按一定的邏輯順序啟動/停止各閥門、設備，實現系統的正常運行。（2）啟動、運行過程中的故障診斷。運行過程中各個環節可能出現的狀況在虛擬仿真實驗平臺再現，通過現象觀察、參數檢測、原因分析，確定出現故障的位置、原因，并提出解決方案，完成故障排除操作，確保系統正常運行。（3）系統性能分析。運行過程中，通過典型參數的檢測，完成對系統性能的分析，也為系統的性能優化奠定基礎。

5. 系統控制與調節

通過將系統的自動控制、調節過程虛擬化，學生掌握控制參數與控制結果間的規律，鞏固控制理論、理解控制方法。

6. 設計分析與選型優化

根據系統運行過程的參數現場檢測，引導學生發出疑問：運行效果節能性如何？根據系統的運行過程，判斷系統設計的合理性和先進性，并對應進行設備選型優化，使學生在掌握基本設計規律的基礎上，進一步通過運行過程對設計結果進行反饋，使設計實踐形成閉環。

三、以虛擬仿真實驗體系支撐實踐能力培養

虛擬實驗不是獨立的、割裂的，而是與工程實踐緊密結合、互相支撐的體系。如圖1，虛擬實驗系統分為設計模塊、操作模塊，其中操作模塊各子模塊間以工程流程串聯，系統認知模塊與實體工程學習相互促進，保障認識的深度;施工操作、安裝調試、運行操作與管理、系統控制與調節模塊均屬于實踐中“做不了”的環節，在實踐過程中認識、了解，在虛擬實驗系統中實現，反饋回實踐過程驗證，在畢業實習環節中得以應用。設計模塊的結果反饋于系統運行過程中，通過參數分析、系統性能分析，判斷設計合理性并做出優化改進。設計模塊和設計分析與選型優化模塊以設計理論和方法為支撐，并在虛擬實驗中強化對設計理論的理解。所有的模塊都源自工程實踐，最終又反饋回對工程實踐的指導。

四、實驗教學原則與方法

（一）規范引領

虛擬仿真實驗教學過程中緊扣專業規范，設計、施工、調試、運行管理與分析環節皆有規范可查閱，強化學生的規范意識。

（二）虛實結合

虛擬仿真實驗不是獨立存在的，實體工程實踐教學對學生形成的沖擊力，遠遠強于畫面的效果。因此，虛擬仿真實驗教學是建立在實體實踐教學的基礎上。比如系統認知實踐，學生理論學習過程中已經見多了各種設備的原理圖片、視頻等資料，系統的認知更加依賴于實體工程，虛擬仿真實驗是實體工程認知之后，對隱蔽工程、系統流程進行重新梳理，將學生參觀所見片面的、零散的印象整合為系統工程，同時對理論知識進行復習鞏固[11-12]。

（三）實踐與理論相結合

理論知識是支撐實驗體系的基本邏輯，因此系統的設計實驗、操作實踐均不能脫離理論而獨立存在。通過虛實結合的實踐教學過程，將學生頭腦中的理論知識調閱出來，融入實驗實踐過程，是實驗體系發揮作用的關鍵。教師引導學生理解、回顧每一實驗環節對應的理論知識，分析本實驗的現象、步驟和原因，起到理論和實踐互相促進的效果。

（四）練習與考核雙模式結合

為滿足學生練習和考核的多種需要，系統設置練習和考核兩種模式。練習模式中，學生對所有操作步驟進行不限次數練習，隨時可生成報表，查看出錯的位置和原因，進行有針對性的學習。考核模式下，根據系統的操作步驟和可能出現的問題設置出題規則，隨機生成個性化考核試題，并規定考核實踐，以檢測學生的掌握程度。

五、虛擬仿真實驗教學效果

暖通空調虛擬仿真實驗支撐多門課程，如暖通空調、建筑設備施工安裝技術、暖通空調運行管理等，將實體實驗實踐教學中“做不了、做不好”的部分虛擬化，實現“做得到、可重復”，極大的豐富了實踐教學環節的深度和廣度。

教學過程反饋結果，虛擬實驗系統對人才實踐能力培養的作用體現在以下方面：

1. 強化了規范意識。設計、施工、調試過程均做到“有規可依、有規必依”，規范融入實踐，效果遠高于說教。

2. 與校外實習基地有機互補，提高了實踐能力。虛擬實驗有機補充了實習基地的所學，并通過實體工程對虛擬知識進行驗證、落地，改善了實踐教學效果。

3. 拓寬實踐教學廣度，增強自學能力。虛擬仿真實驗改變了實踐教學生態，不受時長限制，隨時隨地可學，任意環節可重復，虛擬仿真的形式也激發了學習興趣，提高學習主動性。

4. 提高教師實踐能力。虛擬仿真實驗平臺建設過程要求實踐教學團隊提供規范化方案、典型參數、分析方法和邏輯，對教師隊伍的實踐能力提升起到了重要作用。

六、結束語

虛擬仿真實驗技術應用于建環專業暖通空調系統的設計、施工安裝、調試、運行操作與管理、分析過程，有效的彌補了傳統實習實踐環節無法參與的內容，增強了實踐教學的深度和廣度。虛擬實驗的方式使學習有更高的自由度，將抽象的理論轉化為新時代學生喜聞樂見的形式，也提高了學生的學習主動性。

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