建筑環境與能源應用工程專業虛擬仿真實驗教學的實踐探索

李俊梅 孫育英 喬雅心

摘要：以風系統平衡調試虛擬仿真實驗為例，對虛擬仿真實驗在建筑環境與能源應用工程專業本科實驗教學中的應用進行了探索。結果表明，盡管虛擬仿真實驗可以彌補常規實驗在設備、場地、教學經費等方面的不足，

具有實驗資源豐富，成本低、效率高、可擴展性強等特點，但虛擬仿真實驗在實施過程中也存在一些問題。在實驗平臺開發、實驗內容設定、過程實施以及成績評定等方面，應考慮與專業本科教學實際以及傳統實驗相關內容相結合，使虛擬實驗和常規實驗優勢互補，從而達到提高實驗教學水平和教學效果的目的。

關鍵詞：虛擬仿真;建環專業;實驗教學;本科教學

中圖分類號：G6420;TU?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）03-0165-06

2012年，教育部頒布了《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》，將建筑節能技術與工程、建筑設施智能技術和建筑環境與設備工程三個專業合并為建筑環境與能源應用工程專業（以下簡稱建環專業）。建環專業主要培養從事建筑環境控制、建筑節能和建筑設施智能技術領域工作，具有空調、供熱、通風、建筑給排水、燃氣供應等公共設施系統、建筑熱能供應系統和建筑節能的設計、施工、調試、運行管理能力和建筑自動化系統方案制定能力的高級工程技術人才和管理人才[1]。從建環專業人才培養目標可以看出，工程實踐能力對建環專業學生至關重要。學生的專業理論知識需要通過實驗、實習、設計、課外活動等實踐教學環節來鞏固，工程實踐與應用能力、獨立工作能力、創新能力則需要通過實踐教學環節來培養[2-3]。通過搭建科研與實驗平臺來輔助教學與實踐，一直是建環專業培養學生工程意識、知識應用能力、創新能力和實踐能力的重要手段[4]。然而，當前的專業實驗教學存在一些問題，在一定程度上影響了實驗教學的開展和實驗教學效果的提升。

一、當前專業實驗存在的問題

以北京工業大學為例，當前建環專業實驗教學存在的突出問題有以下幾個方面。

（1）實驗場地及實驗裝置數量不足。建環專業的大部分專業實驗，如空調系統及空氣處理過程實驗、鍋爐房工藝與設備綜合實驗、制冷裝置調控特性及壓縮機性能實驗等，所用的實驗裝置體型龐大且價格較為昂貴，要配置多臺相同型號的實驗設備有難度。這就造成在實驗過程中，可能只有少部分學生能夠親自參與實驗項目的操作，而其他大多數學生只能充當圍觀者，學生的實際動手能力得不到鍛煉。此外，由于場地和經費的限制，部分實驗裝置被設計成模型實驗設備，如風系統、水系統的水力平衡實驗、熱網水力工程實驗的管路多為簡化版的小比例模型裝置，這與實際工程中的系統和設備相差甚遠，多數情況下實驗變成了演示實驗，很難達到促進理論教學的目的。

（2）實驗經費缺乏導致實驗設備更新換代慢，且有時候因實驗設備維護不及時不得不減少部分實驗內容。

（3）在實驗實施方面，實驗內容、方法、形式并沒有隨著專業領域的拓寬和社會對人才新的需求而及時更新。

由于暖通空調系統構成復雜，冷熱源和末端之間需通過復雜的管路及輸運設備相連，現有單一配合理論課程的實驗內容設置盡管可強化學生對各學科知識的理解，但忽視了各學科內容之間的聯系，學生對暖通空調系統的整體運行缺乏認識，這顯然不利于學生綜合能力的提升和工程素養的培育。

搭建綜合性的專業實驗平臺，將各學科內容進行有機結合，使系統盡可能地接近工程實際，有助于加深學生對專業知識的理解，使學生的工程實踐能力得到進一步鍛煉。但專業綜合實驗平臺的搭建耗費巨大，對于多數學校來說并不現實。

隨著信息技術的發展，依托虛擬現實、多媒體、人機交互以及網絡通訊等技術搭建建筑環境控制系統虛擬仿真綜合實驗平臺，使建環專業實驗與實際工程相結合成為可能。虛擬仿真可以將建環專業涉及的分散在建筑物內的系統設備集中呈現，給學生以接近實際的整體的系統概念，而非單個的設備及管路，使學生對設備及系統的運行有更深入全面的了解，從而實現專業實驗與實際工程的完美結合。

虛擬仿真實驗具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放、資源共享、隨技術發展更新換代快等特點[5-7]。搭建虛擬仿真實驗平臺不僅可以彌補實驗教學在實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的不足，豐富實驗資源，而且對于一些難以完成的真實實驗，虛擬仿真系統具有無可替代的優勢。基于此，各高校紛紛搭建自己的虛擬仿真實驗平臺以輔助理論教學和實踐教學。然而，虛擬仿真實驗作為專業實驗教學的一種新型的方式和手段，在實施過程中也存在各種各樣的問題，如實驗內容的設置、實驗教學能否達到預期的教學目標等仍需通過相關的實踐來進行檢驗。本文以北京工業大學建環專業為例，對虛擬仿真實驗在建環專業實驗教學中的應用進行初步的探索，對實施過程中存在的問題進行分析，并提出相應的解決方法，以進一步完善虛擬仿真實驗教學，提升其教學效果。

二、虛擬仿真實驗教學實踐

（一）虛擬仿真實驗平臺的搭建

針對現有傳統實驗教學中存在的問題，結合北京工業大學建環專業理論教學和實驗教學的實際，學校先期開發了“空調風系統管網性能及風系統平衡調試虛擬仿真實驗平臺”“室內環境氣流組織仿真模擬平臺”“建筑能耗分析仿真實驗平臺”等虛擬仿真實驗平臺，并設計了相應的教學內容，用于現有專業實驗的補充與拓展。利用上述虛擬仿真平臺，在2013級、2014級、2015級、2016級本科實驗教學中進行了虛擬仿真實驗的教學實踐，取得了較好的教學效果。

（二） 虛擬仿真實驗教學的實施

選取北京工業大學“空調風系統平衡調試虛擬仿真實驗”為例，對虛擬仿真實驗的實施情況進行介紹。

該實驗在“空調風系統管網性能及風系統平衡調試虛擬仿真實訓平臺”上完成。該實驗平臺開發的主要目的是克服實地測量真實風管系統的不便，通過虛擬仿真實驗，學生能夠更直觀、系統地學習并應用管網壓力分布圖、風機性能曲線、管網特性曲線以及風機與管網匹配等理論知識，初步掌握風系統平衡調試的原理和方法[8]。

空調風系統的平衡調試是空調系統安裝完成、系統正式運行前的重要環節，是通風與空調系統工程質量施工驗收的重要內容。調節各送風口的送風量與總風量，使之符合設計要求是風量調試的首要任務，也是保證空調系統正常運行，實現其系統設計目標的基礎。

1.實驗目的

該實驗的目的：一是了解風系統平衡調試的目的和相關規范要求;二是掌握風系統平衡調試的基本方法和步驟。

2.實驗對象

該虛擬實驗的對象是一棟建筑的空調風路系統。該建筑長46 m、寬17 m、高5 m（如圖1）。空調系統采用一次回風定風量系統，室內要求保持5Pa微正壓。系統設計的總風量為33 600 m3/h，新/回風量分別為4 000 m3/h和29 600 m3/h。新風干管尺寸為500 mm×500 mm， 回風風干管尺寸為100 mm×100 mm;管路上共有28個送風口，其中靠近左、右側墻的8個風口（1#、2#支管上的風口1、3，和6、7#支管上的風口2、4）送風量為1 700 m3/h，送風口尺寸為425 mm × 425 mm，其余20個風口的風量為1 000 m3/h，送風口尺寸為350 mm×350 mm。為進行風系統的平衡調試，在主管道和分支管道上均設置有風閥，共37個。通過調節風閥，改變管道局部阻力，從而調整系統的風量分配。

3.調試目標

調試后系統總風量、新/回風量與設計風量的偏差不大于10%，風口風量與設計風量的偏差不大于15%，符合《通風與空調工程施工質量驗收規范》（ GB50243-2016）[9]的要求。

4.調試前準備工作

學生在系統進行調試前，需進行如下的準備工作：1）查閱《空調系統調試與運行》《通風與空調工程施工質量驗收規范》等相關資料，了解實際工程中系統調試的一般規定和主要內容;2）了解調試系統的相關設計數據及資料，準備好要測量的風管系統圖及平面風管、風口編號圖;3）確定相關的設備是否可以開啟;4）檢查風管及閥門安裝的實際情況，如與設計圖不符應作記錄;5）備齊及整理所需的儀器及工具，保證所用儀器在使用前均經過校檢，相關操作人員熟悉檢測儀表的操作方法和技巧;6）熟悉和掌握風管系統風管和風口處風量測量的主要方法及測點布置原則;7）理解和掌握風量調試的原理和主要方法：流量等比分配法和基準風口調整法。盡管是虛擬仿真調試，但準備工作仍然按實際工程中系統調試的要求進行。

5.調試方案的編制

完成上述準備工作后，編制相應的調試方案。內容包括調試依據、系統概況、進度計劃、調試準備、采用的調試方法、調試施工安排、安全操作等內容。

6.調試工作的進行

根據所采用的調試方法，編寫調試步驟。在確定調試步驟可行后，依據調試步驟開展相應的調試工作，具體過程這里不作詳細贅述。

由于調試試驗是在仿真模擬平臺上進行的，風管上風量及風口處風量的測量等在此次實驗中并不涉及。模擬實驗中只涉及改變不同路上風閥的大小以調節流量來完成系統的調試。

7.數據記錄與處理

依據調試步驟完成風系統平衡調試。當達到調試指標要求后，在《管網風量平衡調試記錄表》中記錄調試數據，評價調試結果;在系統單線透視圖上標出調節閥門的開度。

調試過程結束后，在系統單線透視圖上標出調節閥門的開度，填寫管網風量平衡調試記錄。以調試后風量與設計風量偏差，以及調試完成時間為實驗考核成績評定依據。

（三）虛擬仿真實驗教學的評價

通過該仿真模擬實驗的實施，學生完整地走完了實際工程中空調風系統調試的所有流程，該流程與實際工程調試并無差別。學生通過該實驗訓練，了解了風系統平衡調試的目標和要求，掌握了系統調試的原理和方法，熟悉了風系統平衡調試的步驟和過程，具備了獨立制定空調風系統調試方案的能力，這對其工程能力及意識的提升將有極大的幫助。同時，參與實驗全過程，也加深了學生對所學管網知識的理解。

盡管仿真實驗對學生實踐能力的提升有較大的幫助，但在此次實驗的調試過程中，較為重要的風口及風管內風速、風量測量過程在模擬實驗中卻無法有效完成，這顯然不利于學生實際動手能力的鍛煉。好在在先修課程建筑環境測試技術的課程實驗中設置了風管及風口風量測量的實驗，學生在該實驗中已經掌握了風管內風速、風量測量的方法，以及相關測量儀器的選擇和操作，這可作為此次調試實驗的補充。可見，對于虛擬仿真實驗中由于軟、硬件條件的限制，無法實施模擬的實驗過程，可采用傳統實驗來實現，以充分發揮兩者

各自的優勢，又相互彌補不足，最終到達提升學生實踐能力的目的。

在虛擬仿真實驗成績的評定方面，單一依靠虛擬仿真調試的數據記錄并不能反映學生的綜合能力和水平，考核內容應該涵蓋實際調試過程中所涉及的各個方面，如系統的單線圖是否符合技術標準，能否正確表達原系統設計，標注的數據是否正確;是否掌握風量的測試方法以及測量儀器的選擇原則;是否掌握風量的平衡調試原理和方法，能否正確地編制調試方案和步驟;調試結果是否達標等，這樣才能使分數評定更接近于完成實際工程的情況。

為了更好地了解學生對虛擬仿真實驗的認識，以及實踐過程中存在的問題，對參加實驗的74名本科生進行了問卷調查。調查的主要內容包括有無必要開設虛擬仿真實驗、開設虛擬仿真實驗的好處、虛擬仿真實驗和傳統實驗的關系、虛擬仿真實驗的不足等方面，調查結果如下。

（1）您認為建環學科有必要開設虛擬仿真實驗嗎？ [單選題]

選項

小計

比例

沒有必要

10

13.51%

有必要，模擬仿真是趨勢

64

86.49%

有效填寫人次

74

（2）您覺得虛擬仿真實驗教學最有用的方面是什么？ [多選題]

選項

小計

比例

專業課程成績的提升

26

35.14%

對專業課程理論知識的掌握

58

78.38%

可以給課程增加一些樂趣

44

59.46%

對于將來就業有幫助

22

29.73%

可以提高自己分析和解決問題的能力

50

67.57%

有效填寫人次

74

（3）傳統實驗和虛擬仿真實驗您認為哪個對您的學習能力有幫助？ [多選題]

選項

小計

比例

傳統實驗（傳統實驗可以提高動手能力和操作技能）

14

18.92%

虛擬仿真實驗（虛擬仿真實驗是未來發展的趨勢）

22

29.73%

虛擬仿真實驗（虛擬仿真實驗技術含量高）

8

10.81%

兩個都有幫助

48

64.86%

有效填寫人次

74

（4）您認為虛擬仿真實驗的不足主要體現在哪些地方？ [多選題]

選項

小計

比例

對自己的動手能力沒有提升

22

29.73%

沒有機會熟悉測量儀器的使用

28

37.84%

不了解仿真軟件編制的背景，感覺像在玩游戲，不像做實驗

36

48.65%

對實驗原理不能進行深入了解

36

48.65%

實驗結果千篇一律，不能體現出差異

12

16.22%

實驗中體現不出團隊意識和合作精神

14

18.92%

和真實實驗的感覺有差距，實驗過程過于理想化

36

48.65%

實驗過程中不會出現實際實驗中可能出現的各種問題，無助于解決問題能力的提升

24

32.43%

有效填寫人次

74

通過上述調查，可以看出虛擬仿真實驗的開設得到了絕大多數學生的認可，虛擬仿真實驗的實施效果也得到了多數學生的肯定。但同時學生也認識到虛擬仿真實驗存在的不足，如虛擬仿真實驗和真實實驗差距大、過程過于理想化、沒有出現真實實驗中可能出現的突發性問題、不能熟悉測量儀器的使用等。另外，不了解仿真軟件編制背景，也在一定程度上影響了學生對實驗結果的深入分析和判斷，需要在將來的虛擬仿真實驗教學中進一步改進。

三、結語

建環專業是一個實踐性很強的專業。針對建環專業實驗教學當前存在的突出問題，開設虛擬仿真實驗是提升實驗效果的有效途徑。但虛擬仿真實驗的開設應結合學校和專業的教學實際和學科特點，在實驗內容設定、實驗過程實施等方面密切聯系理論課程及傳統實驗教學，才能全面提升學生的實踐能力和綜合素質。針對虛擬實驗中存在的問題，應堅持能“實”不“虛”的原則，虛實結合才是解決問題的根本途徑。

參考文獻：

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建筑環境與能源應用工程專業[EB/OL]. https： // baike.so.com/doc/24791567-25715409.html

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Practical exploration of virtual simulation experiment teaching in building

environment and energy application engineering

LI Junmei， SUN Yuying， QIAO Yaxin

（College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， P. R. China）

Abstract：

Taking the virtual simulation experiment of ventilation system balance adjusting as an example， the application of virtual simulation experiment to undergraduate experimental teaching in building environment and energy application engineering is explored. The implementation results show that although virtual simulation experiment can make up for the deficiencies in conventional experimental equipment， such as insufficient experiment instruments， experiment venues， teaching expenses， etc.， and can enrich the experimental resources， it is low-cost， high efficiency， and strong scalability. There are still certain problems of this kind of experiment. Practical teaching and traditional experiment for undergraduates should be considered for virtual simulation experimental platform developing， experiment content setting， process implementation and grade evaluation. Virtual experiments and conventional experiments should complement each other， so as to achieve the purpose of improving the experimental teaching level and teaching effect.

Key words： virtual simulation; building environment and energy application engineering; experimental teaching; teaching for undergraduates

（責任編輯 王 宣）