HVAC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教育教學(xué)初探

王偉 尹千州 孫育英 王丹

[摘 要] 在新工科建設(shè)的背景下，學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是未來建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教學(xué)的發(fā)展方向。由于場(chǎng)地條件、教學(xué)時(shí)間等因素限制，部分建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)無法開展，難以滿足新工科人才培養(yǎng)要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以其不受時(shí)空限制、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，成為推動(dòng)教學(xué)改革與發(fā)展的重要教學(xué)手段。為進(jìn)一步提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，通過分析游戲心理學(xué)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可行性，對(duì)搭建情境互動(dòng)與游戲心理深度結(jié)合的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué);游戲心理學(xué);教學(xué)改革;新工科人才培育

[基金項(xiàng)目] 2020年度北京工業(yè)大學(xué)“空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)與調(diào)試虛擬仿真互動(dòng)式”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（40004020201912）

[作者簡(jiǎn)介] 王 偉（1977—），男，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)博士，北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系教授，主要從事建筑節(jié)能研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）25-0169-04? ?[收稿日期] 2021-01-20

一、引言

為了主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，對(duì)新工科專業(yè)人才培養(yǎng)也提出了新的要求[1]。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)作為首批入選新工科的專業(yè)之一，在實(shí)際教學(xué)中，存在設(shè)備系統(tǒng)投資高、占地面積大、實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)等問題，部分教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)難以開展[2，3]，難以培養(yǎng)新工科人才的工程實(shí)踐能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有信息量大、身臨其境、生動(dòng)形象、實(shí)時(shí)交流等特征[4]，有效破解了專業(yè)實(shí)踐教學(xué)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(huán)專業(yè)都開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，例如：南華大學(xué)制作了空調(diào)水系統(tǒng)水力平衡調(diào)節(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn);湖南工業(yè)大學(xué)精選暖通空調(diào)案例，虛擬現(xiàn)實(shí)情景，開發(fā)了暖通空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn);天津商業(yè)大學(xué)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了制冷系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)軟件[7];北京工業(yè)大學(xué)建設(shè)了風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試虛擬仿真實(shí)訓(xùn)（Heating，Ventilation and Air Conditioning，簡(jiǎn)稱HVAC）軟件[8，9]。使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件之后，學(xué)生普遍反映學(xué)有所得，對(duì)理論知識(shí)有了更透徹的理解，有較大的收獲。

經(jīng)過多年實(shí)踐，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為實(shí)踐教學(xué)的一種有效方法，但仍存在有待解決完善之處。筆者在風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試虛擬仿真實(shí)訓(xùn)建設(shè)和教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)有效加強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，但在提升學(xué)生活躍度、激發(fā)學(xué)習(xí)積極性等方面仍有進(jìn)步空間，如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生學(xué)習(xí)變“被動(dòng)”為“主動(dòng)”，是一個(gè)開放且重要的研究方向。網(wǎng)絡(luò)游戲的興起讓教育研究人員看到了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，把握好它融入教育教學(xué)的途徑和原則，就能使游戲成為教學(xué)的助力[9]。因此，本文基于我校HVAC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出并探索了一種以游戲心理學(xué)為輔助的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

二、游戲心理學(xué)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可行性

游戲是人類最早的學(xué)習(xí)方式，在游戲中人類認(rèn)識(shí)社會(huì)及自我。就游戲的內(nèi)在精神而言，教學(xué)可以成為游戲，自20世紀(jì)80年代以來，教學(xué)改革過程中便一直希望把游戲作為教學(xué)的重要手段[ 10，11 ]。筆者認(rèn)為教學(xué)應(yīng)該具有游戲的內(nèi)在品格，從而更好地達(dá)到教學(xué)目的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為新興的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，同樣可以融合游戲元素使得教學(xué)具有趣味性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是工程實(shí)踐方面的技能訓(xùn)練，也是學(xué)習(xí)者的一個(gè)互動(dòng)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(xué)變得可能。

（一）游戲教學(xué)的基礎(chǔ)：探索性元素

好奇是人類的天性，是當(dāng)人類處于對(duì)某事物全部或部分屬性空白時(shí)，本能地想添加此事物屬性的內(nèi)在心理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的對(duì)未知實(shí)驗(yàn)過程或?qū)嶒?yàn)原理的探索，就是好奇心的來源，也是實(shí)現(xiàn)游戲融入教學(xué)的基礎(chǔ)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)在課堂所學(xué)的知識(shí)即將在實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證時(shí)，或是某一個(gè)未知實(shí)驗(yàn)結(jié)果將被揭開時(shí)，好奇屬性便會(huì)發(fā)揮推動(dòng)作用，從心里想去了解即將發(fā)生的事物，自發(fā)地完成實(shí)驗(yàn)。

（二）游戲教學(xué)的內(nèi)核：互動(dòng)性元素

游戲是具有互動(dòng)性的娛樂藝術(shù)。“互動(dòng)”是它與傳統(tǒng)藝術(shù)如電影、書籍等“線性經(jīng)歷”的本質(zhì)區(qū)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(xué)中稱為移情能力。而游戲促使游戲者產(chǎn)生移情能力的依據(jù)是能動(dòng)性，游戲者主動(dòng)改變游戲世界，而不是被動(dòng)接受，這對(duì)移情能力的觸發(fā)起著至關(guān)重要的作用。反觀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行系統(tǒng)性操作以改變系統(tǒng)狀態(tài)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)結(jié)果。根據(jù)這一專業(yè)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，在實(shí)訓(xùn)中可進(jìn)行高強(qiáng)度人機(jī)交互，學(xué)生必須遵循合理的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行幾十次乃至幾百次的參數(shù)調(diào)整才能得到最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這點(diǎn)與游戲設(shè)計(jì)的基本要素不謀而合。

（三）游戲教學(xué)的動(dòng)力：心理滿足感

游戲中通常會(huì)設(shè)置定量的獎(jiǎng)勵(lì)，例如等級(jí)、裝備、排名等。歷經(jīng)千辛萬苦完成一次任務(wù)，千萬次錘煉得到一件稀有裝備，奮斗數(shù)十個(gè)小時(shí)通關(guān)整個(gè)游戲，每一個(gè)大過程小過程都能體會(huì)到各種成就感。在HVAC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，同樣也有大大小小的成就點(diǎn)，通過測(cè)試評(píng)價(jià)一個(gè)供暖設(shè)備的性能，通過調(diào)整閥門開度來獲得合理的風(fēng)量分配，從而獲得相應(yīng)的得分，這些都可以讓實(shí)驗(yàn)者獲得成就感，主動(dòng)地繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

（四）游戲教學(xué)的外延：重視覺體驗(yàn)

著名游戲開發(fā)者比爾·沃爾克（Bill Volk）曾經(jīng)對(duì)游戲設(shè)計(jì)寫下了一個(gè)等式“界面+產(chǎn)品要素=游戲”，強(qiáng)調(diào)在游戲設(shè)計(jì)中界面的重要性[ 13 ]。一個(gè)友好的人機(jī)交互界面對(duì)一款游戲有著至關(guān)重要的作用，對(duì)于虛擬仿真教學(xué)軟件同樣如此。制作出讓學(xué)生喜愛的操作界面、場(chǎng)景等虛擬軟件中必不可少的元素，可有效增加學(xué)習(xí)過程的美學(xué)享受并增強(qiáng)沉浸感，使得實(shí)驗(yàn)連續(xù)性、仿真性大大提高。