HVAC虛擬仿真實驗設計教育教學初探

王偉 尹千州 孫育英 王丹

[摘 要] 在新工科建設的背景下，學生實踐能力與創新能力的培養是未來建筑環境與能源應用工程專業教學的發展方向。由于場地條件、教學時間等因素限制，部分建環專業實驗無法開展，難以滿足新工科人才培養要求。虛擬仿真實驗以其不受時空限制、實驗設計靈活等優勢與傳統實驗相互補充、相互促進，成為推動教學改革與發展的重要教學手段。為進一步提高虛擬仿真實驗教學的教學質量，通過分析游戲心理學引入虛擬仿真實驗的可行性，對搭建情境互動與游戲心理深度結合的虛擬實驗教學平臺進行了探討。

[關鍵詞] 虛擬仿真;實踐教學;游戲心理學;教學改革;新工科人才培育

[基金項目] 2020年度北京工業大學“空調風系統管網設計與調試虛擬仿真互動式”實驗項目（40004020201912）

[作者簡介] 王 偉（1977—），男，黑龍江哈爾濱人，工學博士，北京工業大學建筑環境與能源應用工程系教授，主要從事建筑節能研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）25-0169-04? ?[收稿日期] 2021-01-20

一、引言

為了主動應對新一輪科技革命與產業變革，教育部積極推進新工科建設，對新工科專業人才培養也提出了新的要求[1]。建筑環境與能源應用工程專業作為首批入選新工科的專業之一，在實際教學中，存在設備系統投資高、占地面積大、實驗周期過長等問題，部分教學實踐環節難以開展[2，3]，難以培養新工科人才的工程實踐能力。虛擬仿真實驗教學具有信息量大、身臨其境、生動形象、實時交流等特征[4]，有效破解了專業實踐教學中存在的做不了、做不好、做不到、做不上的難題[5，6]。

近年來，我國諸多高校建環專業都開展了虛擬仿真實驗教學，例如：南華大學制作了空調水系統水力平衡調節虛擬仿真實驗;湖南工業大學精選暖通空調案例，虛擬現實情景，開發了暖通空調系統綜合虛擬仿真實驗;天津商業大學基于虛擬現實技術，設計了制冷系統虛擬仿真教學軟件[7];北京工業大學建設了風系統調試虛擬仿真實訓（Heating，Ventilation and Air Conditioning，簡稱HVAC）軟件[8，9]。使用虛擬仿真實驗軟件之后，學生普遍反映學有所得，對理論知識有了更透徹的理解，有較大的收獲。

經過多年實踐，虛擬仿真實驗教學已經成為實踐教學的一種有效方法，但仍存在有待解決完善之處。筆者在風系統調試虛擬仿真實訓建設和教學中發現，現有虛擬仿真實訓教學有效加強了學生的工程實踐能力，但在提升學生活躍度、激發學習積極性等方面仍有進步空間，如何在現有基礎上進一步提升教學質量，使學生學習變“被動”為“主動”，是一個開放且重要的研究方向。網絡游戲的興起讓教育研究人員看到了其獨特的優勢，把握好它融入教育教學的途徑和原則，就能使游戲成為教學的助力[9]。因此，本文基于我校HVAC虛擬仿真實驗平臺，提出并探索了一種以游戲心理學為輔助的全新實驗教學模式。

二、游戲心理學引入虛擬仿真實驗的可行性

游戲是人類最早的學習方式，在游戲中人類認識社會及自我。就游戲的內在精神而言，教學可以成為游戲，自20世紀80年代以來，教學改革過程中便一直希望把游戲作為教學的重要手段[ 10，11 ]。筆者認為教學應該具有游戲的內在品格，從而更好地達到教學目的。虛擬仿真實驗作為新興的實驗教學手段，同樣可以融合游戲元素使得教學具有趣味性，從而提高學生的學習效率。建環專業實驗教學不僅是工程實踐方面的技能訓練，也是學習者的一個互動探索過程，這一過程具有濃厚的游戲特征，抓住這些特征，就能把游戲融入教學變得可能。

（一）游戲教學的基礎：探索性元素

好奇是人類的天性，是當人類處于對某事物全部或部分屬性空白時，本能地想添加此事物屬性的內在心理。實驗教學中的對未知實驗過程或實驗原理的探索，就是好奇心的來源，也是實現游戲融入教學的基礎。當實驗者發現在課堂所學的知識即將在實驗中被驗證時，或是某一個未知實驗結果將被揭開時，好奇屬性便會發揮推動作用，從心里想去了解即將發生的事物，自發地完成實驗。

（二）游戲教學的內核：互動性元素

游戲是具有互動性的娛樂藝術。“互動”是它與傳統藝術如電影、書籍等“線性經歷”的本質區別[ 12 ]。游戲給予游戲者代入感，把游戲者本人融入游戲中，這在心理學中稱為移情能力。而游戲促使游戲者產生移情能力的依據是能動性，游戲者主動改變游戲世界，而不是被動接受，這對移情能力的觸發起著至關重要的作用。反觀虛擬仿真實驗，建環專業實驗需要實驗者進行系統性操作以改變系統狀態，從而達到實驗目標結果。根據這一專業實驗特點，在實訓中可進行高強度人機交互，學生必須遵循合理的實驗方法，進行幾十次乃至幾百次的參數調整才能得到最終的實驗結果，這點與游戲設計的基本要素不謀而合。

（三）游戲教學的動力：心理滿足感

游戲中通常會設置定量的獎勵，例如等級、裝備、排名等。歷經千辛萬苦完成一次任務，千萬次錘煉得到一件稀有裝備，奮斗數十個小時通關整個游戲，每一個大過程小過程都能體會到各種成就感。在HVAC虛擬仿真實驗中，同樣也有大大小小的成就點，通過測試評價一個供暖設備的性能，通過調整閥門開度來獲得合理的風量分配，從而獲得相應的得分，這些都可以讓實驗者獲得成就感，主動地繼續實驗。

（四）游戲教學的外延：重視覺體驗

著名游戲開發者比爾·沃爾克（Bill Volk）曾經對游戲設計寫下了一個等式“界面+產品要素=游戲”，強調在游戲設計中界面的重要性[ 13 ]。一個友好的人機交互界面對一款游戲有著至關重要的作用，對于虛擬仿真教學軟件同樣如此。制作出讓學生喜愛的操作界面、場景等虛擬軟件中必不可少的元素，可有效增加學習過程的美學享受并增強沉浸感，使得實驗連續性、仿真性大大提高。