融合虛擬仿真的《空調(diào)用制冷技術(shù)》教學設(shè)計

白夢夢 王灃浩 康彥青 張 瑜

（1.西安交通大學城市學院 西安 710018；2.西安交通大學 西安 710049）

0 引言

《關(guān)于深化教學改革，培養(yǎng)適應(yīng)21 世紀需要的高質(zhì)量人才的意見》中提出，要重視綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，密切教學與科學研究、生產(chǎn)實踐的聯(lián)系[1]。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（建環(huán)專業(yè)）的核心目標是讓學生掌握系統(tǒng)性的建筑節(jié)能技術(shù)，涉及的知識體系龐雜、內(nèi)容體量龐大[2]。現(xiàn)有文獻顯示，實踐實訓課程（實驗、金工實習和生產(chǎn)實習等）作為建環(huán)專業(yè)重要的教學部分，在教學開展中普遍存在以下問題：①暖通空調(diào)工程涵蓋供熱管網(wǎng)、空調(diào)通風系統(tǒng)、制冷站系統(tǒng)、建筑防排煙系統(tǒng)，這些管網(wǎng)系統(tǒng)安裝在建筑的吊頂內(nèi)、設(shè)備間或市政道路下面，系統(tǒng)大而復雜、設(shè)備部件多。單純依靠理論教學，學生對系統(tǒng)及整體性認知較弱。②常規(guī)教學是通過現(xiàn)場生產(chǎn)實習來學習，但實際工程中的暖通管網(wǎng)基本暗裝不可見，難于進行整體和系統(tǒng)學習。尤其是在后疫情時代，實地的生產(chǎn)實習經(jīng)常無法開展。③全國多所高等院校建設(shè)了實體暖通空調(diào)系統(tǒng)實訓中心，占地面積大、費用高、維護困難，在后疫情時代，線上課程的開展，導致實體實驗室的利用變得困難。但同時在教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生對教學模具的觀察分析、實驗課的動手操作、生產(chǎn)實習中的頂崗實踐、金工實習的部件制作等類似的學習過程給予了高度熱情。因此，在教學中如何積極配合學生的學習特點，建立“虛擬實踐實訓”教學模式，實現(xiàn)學生在“虛擬實踐實訓”中汲取理論知識的教學模式尤為重要。

暖通虛擬仿真實訓平臺以項目案例場景作為大環(huán)境，形成集理論、實操、漫游等于一體的仿真系統(tǒng)，在專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，將暖通實體系統(tǒng)仿真和三維化。相比于實體的實訓平臺，虛擬仿真平臺有如下優(yōu)勢：①身臨其境：構(gòu)建與現(xiàn)實相同的虛擬三維場景，直觀形象，便于學生對管網(wǎng)系統(tǒng)的學習。②學以致用：學生可實時動手操作，完成暖通系統(tǒng)搭建、設(shè)備運維、系統(tǒng)故障檢查分析，理論聯(lián)系實際。③寓教于樂：助力開展大數(shù)據(jù)背景下互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用型人才實驗教學和教學改革，拓寬人才培養(yǎng)路徑。綜上，虛擬仿真實訓平臺為實踐實訓課程的開展提供了良好的平臺。若在教學中融合虛擬仿真，即可實現(xiàn)線上線下理論教學中實踐實訓課程實時入課堂和學生實時動手操作的目的。

本文以建環(huán)專業(yè)核心課程《空調(diào)用制冷技術(shù)》為例，將虛擬仿真平臺與課程教學（理論、實驗、課程設(shè)計）相融合，開展融合虛擬仿真的教學設(shè)計。擬取得理論教學和實踐教學相得益彰的效果，并完善互聯(lián)網(wǎng)+時代線上教學中理論與實踐相融合的閉環(huán)教學設(shè)計。

1 融合虛擬仿真教學內(nèi)容

根據(jù)《空調(diào)用制冷技術(shù)》課程的教學目標及職業(yè)發(fā)展前景[3]，從事設(shè)計崗位的學生需掌握制冷站的方案設(shè)計、圖紙繪制，與其他系統(tǒng)（空調(diào)水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)）的配合，以實現(xiàn)地下機房空間的合理利用和各系統(tǒng)的穩(wěn)定運營。從事運行崗位的同學需掌握暖通系統(tǒng)的調(diào)試、暖通機房的運行管理、暖通機組、設(shè)備維護和保養(yǎng)。同時，科技進步不斷催生新型的制冷技術(shù)[4]，制冷技術(shù)也不斷拓展至新的應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于此，西安交通大學城市學院建環(huán)專業(yè)學生的培養(yǎng)體系中涵蓋了對應(yīng)的認知實習、專題訓練、課程設(shè)計和以及綜合性的畢業(yè)設(shè)計。因此，文中借助暖通空調(diào)綜合操作虛擬仿真平臺開展了建環(huán)專業(yè)理論和實習實訓課程的教學設(shè)計（見表1），可以讓學生及時直觀地了解新技術(shù)和新方法，并通過實時動手操作獲得設(shè)計運維的技能。

表1 建環(huán)專業(yè)課程教學中融合虛擬仿真內(nèi)容Table 1 The content of integrating of virtual simulation into HVAC teaching courses

2 融合虛擬仿真的課程教學設(shè)計

有關(guān)課程教學設(shè)計的探索，徐曉紅[5]提出了基于工程實踐能力培養(yǎng)的課程設(shè)計一體化構(gòu)建方案和實施辦法。盧楠[6]以BIM 技術(shù)為骨架，將課本、PPT 等二維信息逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锽IM 技術(shù)所對應(yīng)的三維信息。徐言生等人在教學中融入課程思政元素[7]，激發(fā)學生內(nèi)驅(qū)力。借鑒學者們教學設(shè)計的方式方法，筆者在課堂教學中堅持以“教師為主導，學生為主體”的教學理念[8]，并以建環(huán)專業(yè)核心課程《空調(diào)用制冷技術(shù)》為例，開展融合虛擬仿真的課程教學設(shè)計。在虛擬仿真的課程教學設(shè)計中包含了理論教學，虛擬仿真平臺實訓及實體項目BIM設(shè)計，教學內(nèi)容豐富，故將傳統(tǒng)的理論課時38，實驗課時2，課程設(shè)計2 周調(diào)整為理論課時30，實驗課時10，課程設(shè)計3 周。詳細的教學設(shè)計如下。

2.1 核心目標設(shè)計：明確課程內(nèi)容背后支撐性思維、方法和能力目標

（1）確定學習目標

通過分析大一大二學生的基本情況及學情。結(jié)合維果的最近發(fā)展區(qū)理論，當教學以貼近學生發(fā)展模式的“小步調(diào)”方式，不斷走在學生發(fā)展的前面時，學生內(nèi)部的自我推動機制也會發(fā)揮作用。根據(jù)建環(huán)專業(yè)學生的職業(yè)發(fā)展前景，《空調(diào)用制冷技術(shù)》的總目標是培養(yǎng)學生能夠掌握制冷技術(shù)，獨立自主完成小型制冷站設(shè)計，制冷設(shè)備的故障檢修，并培養(yǎng)學生具有良好的工匠精神。

（2）細化學習目標

將《空調(diào)用制冷技術(shù)》的核心目標進一步轉(zhuǎn)化、分解為具體的教學目標和學習目標。其中，需思考為達成核心目標，學生需要有哪些關(guān)鍵性的產(chǎn)出及成果展示。從學生的角度設(shè)計學習目標，通過課程學習學生將有哪些主要的收獲？學生能夠利用理論知識解決哪些理論或者實際的問題？因此，根據(jù)《空調(diào)用制冷技術(shù)》的總目標，設(shè)計了理論講解→虛擬仿真平臺實操→數(shù)據(jù)庫（知網(wǎng)，WOS）查閱→小創(chuàng)意設(shè)計→虛擬平臺測試→申請專利/參加競賽→獲得成果榮譽的教學路徑，不斷培養(yǎng)學生解決問題的能力。其中，①幫助學生掌握簡單的制冷原理并繪制原理簡圖。②要實現(xiàn)制冷，需要哪些設(shè)備？幫助學生明確制冷原理中所需的制冷設(shè)備及其輔助部件。③掌握了制冷技術(shù)，那可以有什么制冷小創(chuàng)意呢？通過競賽等項目的驅(qū)動，引導學生查找資料，不斷激發(fā)興趣，主動去實踐。④制冷技術(shù)如何服務(wù)社會呢？以項目驅(qū)動的方式鼓勵學生合作完成小型制冷站的方案設(shè)計和內(nèi)容，再鼓勵學生獨立完成制冷站相關(guān)圖紙的繪制。⑤設(shè)計成果在運行過程中，會出現(xiàn)什么故障？出現(xiàn)故障后應(yīng)該怎么檢修？引導學生借助虛擬仿真平臺去測試驗證，運維制冷站。

2.2 學習支架設(shè)計：協(xié)助、引導、幫助學生達成學習目標

（1）學習活動細化設(shè)計

注重增設(shè)創(chuàng)新性和開放性的教學設(shè)計，為理論教學提供了實踐實訓平臺。通過開展以大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練、專業(yè)競賽、制冷站BIM 設(shè)計等為核心目標的教學設(shè)計，即依托大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目、專業(yè)競賽和實際工程項目，驅(qū)動學生對理論知識的掌握，并積極動手實踐獲得實體成果。根據(jù)階段性目標的緊迫感積極引導學生多反饋、多思考、多實踐，協(xié)助學生達成學習目標。這是師生、生生之間不斷互相啟發(fā)，也是互相挑戰(zhàn)的過程。

（2）學習評價設(shè)計

注重過程評價，根據(jù)平時成績、考試成績、實踐實訓報告成績、實踐實訓成果，形成綜合性評價。其中，注重實踐實訓設(shè)計過程和作品展示，過程考核依據(jù)教學的交流互動、團隊合作與溝通、系統(tǒng)掌控能力的評價來衡量。結(jié)果考核依據(jù)項目實施的情況[9]，包括合理性、完整性、創(chuàng)新性3 個方面。

2.3 學習體驗設(shè)計：創(chuàng)建高度參與、個性化的學習體驗

2.3.1 學習模式與策略設(shè)計

（1）第一次課：為什么學？讓學生認識到所學內(nèi)容的重要性以及趣味性，動機是學生能夠主動學習的關(guān)鍵因素，激發(fā)學生的內(nèi)驅(qū)力。學什么？介紹課程核心目標、學習內(nèi)容、學習方法。怎么學？在教師學習方法的基礎(chǔ)上，分享上屆學生的學習心得和學習方法，展示其成果及評價，激發(fā)學生興趣，樹立信心。同時，在第一次課后留思考題，談?wù)勛约旱南敕ê推诖＠纾赫務(wù)勀銓Ρ菊n程的期待；通過本課程的學習，你希望得到哪些技能？你希望達到什么樣的目標（知識和能力目標）？你準備如何學習來達到你的目標？學生通過回答問題，達到一種自我承諾，激發(fā)學生的學習主動性，樹立學習目標。

（2）每章節(jié)課：每章節(jié)開始開展8min 左右的“頭腦風暴”、“奇思妙想”、“暢所欲言”等環(huán)節(jié)，了解并把握學生“學習現(xiàn)狀”。然后，借助思維導圖列出各章節(jié)教學框架，明確教學目標及教學內(nèi)容的重難點，讓學生對章節(jié)內(nèi)容有整體的了解，即可在學習過程中做到有的放矢。最后，課余時間積極帶領(lǐng)學生參加線上講座等，并在緒論中引入專業(yè)的前沿發(fā)展和應(yīng)用，讓學生有專業(yè)憧憬進而“好之”與“樂之”。

（3）中間課程：借助虛擬仿真平臺，可將實踐課和理論課實時結(jié)合，讓學生在“動”起來的過程中不斷穿插理論講解。以蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的教學設(shè)計為例，首先，學生可通過觀察日常使用的冰箱，具體生動地和老師同學們先做簡單的交流互動后，各自借助虛擬仿真實訓平臺對虛擬制冷機進行統(tǒng)一“實際”的拆裝、運行、糾錯等實踐環(huán)節(jié)（見圖1），讓每個學生參與到專業(yè)學習的實際運維中解決具體問題，激發(fā)專業(yè)自豪感和專業(yè)責任感。其次，學生在課堂中掌握了制冷原理和基礎(chǔ)家用冰箱運行后，課后需要借助虛擬仿真實訓平臺自行組裝設(shè)計其他制冷設(shè)備（見圖2），實現(xiàn)基礎(chǔ)知識的進一步鞏固以及學生分析解決問題的能力培養(yǎng)。這個大目標需要老師從小目標引導（預習制冷四大部件），通過學生間積極交流互助，鞏固原理，完成流程設(shè)計，加載對應(yīng)部件，進而完成“創(chuàng)新”制冷設(shè)備的設(shè)計。

圖1 建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實訓系統(tǒng)示例Fig.1 Example of virtual simulation training operation of HVAC system

圖2 建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實訓平臺示例Fig.2 Example of virtual simulation training platform of HVAC

（4）課后課程：在學生掌握了基本的制冷技術(shù)基礎(chǔ)上，在其他制冷循環(huán)與低溫技術(shù)中開展翻轉(zhuǎn)課堂。學生根據(jù)新型的制冷原理及技術(shù)，設(shè)計制冷小創(chuàng)意作品，并在課堂中用PPT 闡述設(shè)計理念、創(chuàng)意內(nèi)容和預期效果。其中，學生和老師共同評優(yōu)的作品鼓勵申請實用新型專利。對于創(chuàng)意欠佳的作品，學生和老師共同給出意見和建議，再次修改，并在課后交流群中反饋完善后的成果，根據(jù)情況并鼓勵申請實用新型專利。

2.3.2 項目選題及設(shè)計

針對實踐實訓教學環(huán)節(jié)，在案例式教學和項目式教學中對比學生達到最佳教學狀態(tài)的方法，發(fā)現(xiàn)項目式教學更能驅(qū)動學生去主動探索。其中，項目選題需契合核心目標，具有一定的工程性和復雜度，選題期間積極與校企合作單位溝通，根據(jù)設(shè)計院在實際項目中遇到的問題等，篩選涵蓋基本教學內(nèi)容、知識要點、易于劃分模塊的項目，進而確定設(shè)計題目。例如，《空調(diào)用制冷技術(shù)》課程設(shè)計圍繞實體項目西安市北圣大廈，以解決實際工程設(shè)計問題為目標導向，開展了對應(yīng)的建筑翻模和制冷站設(shè)計。融合虛擬仿真平臺與BIM 的制冷課程教學設(shè)計，詳細如下：

（1）以實體項目西安市北圣大廈為載體，在建筑底圖識圖的基礎(chǔ)上，基于BIM 進行建筑翻模。將二維圖紙立體化為三維建筑，便于學生進行三維空間的想象和管網(wǎng)的綜合布置。

（2）依據(jù)設(shè)計及施工規(guī)范，教師和設(shè)計院導師共同對學生初期的課程設(shè)計進行安排和規(guī)范化說明等，讓學生接手制冷站設(shè)計。

（3）學生主要查閱并融合當前的研究熱點和新節(jié)能技術(shù)等，借助虛擬仿真平臺進行節(jié)能的制冷方案設(shè)計，繪制制冷設(shè)計的技術(shù)路線或思維導圖，并開展小組答辯。

（4）學生根據(jù)設(shè)計方案和相關(guān)規(guī)范，借助BIM 技術(shù)進行制冷站系統(tǒng)圖繪制。在教師和企業(yè)導師的引導和反饋下，完成制冷站施工圖的繪制，撰寫設(shè)計施工說明和三維視頻漫游。

（5）根據(jù)設(shè)計方案、過程表現(xiàn)、施工圖紙、設(shè)計說明書和漫游視頻，通過答辯給予成績評定。

3 教學效果

《空調(diào)用制冷技術(shù)》借助虛擬仿真平臺，開展互動式教學、情景教學和翻轉(zhuǎn)課堂，學生的能動性和積極性較高。該種教學方式得到學生的一致好評，建環(huán)17 級、18 級、19 級學生對該課程的教學評分高達95 分，教學效果良好。

學生參加競賽，獲得“崇文杯”第八屆創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽院級二等獎，“天加杯”第十四屆中國制冷空調(diào)行業(yè)大學生科技競賽全國一等獎，“頓漢布什杯”第十六屆中國制冷空調(diào)行業(yè)大學生科技競賽三等獎。在項目驅(qū)動下，學生參與并授權(quán)多項實用新型專利。期間，學生的成就感得到明顯提升，從而使得學生的內(nèi)驅(qū)力得到激發(fā)，形成了有問題會先思考，主動互相交流討論，主動網(wǎng)上查閱資料的良性學習氛圍。

學生融合虛擬仿真平臺、BIM 技術(shù)完成了北圣大廈制冷站設(shè)計，設(shè)計成果如圖3 所示。通過調(diào)查反饋看出，以前在二維建筑平面CAD 條件圖的基礎(chǔ)上，借助天正完成二維的平面圖繪制，三維查看等，錯誤率較高學生自信心受挫，總會為完成任務(wù)而完成任務(wù)。而融合虛擬仿真平臺的教學讓學生對制冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)掌握較好，并在參加競賽的過程中使得理論知識得到了鞏固和應(yīng)用。再者，在BIM 三維設(shè)計中制冷站系統(tǒng)和建筑有機地融合，管網(wǎng)的布置優(yōu)化、標高錯位和和碰撞檢查等更加形象、具體和直觀，極大地促進了學生對三維空間的認識和制冷管網(wǎng)的綜合布置，圖紙繪制的準確度得到了提升。最后，三維漫游視頻極大地提高了學生的主觀能動性，能積極查閱相關(guān)資料解決問題。在新媒體時代，將設(shè)計成果以視頻的方式分享給周圍人，得到大家贊許的同時，學生的成就感和自豪感由然而生。同時，學生分析問題和解決工程實際問題的能力得到鍛煉，其工匠精神得到了培養(yǎng)。

圖3 制冷站系統(tǒng)設(shè)計BIM 圖Fig.3 Refrigeration station system design displayed in BIM

4 結(jié)語

本文以《空調(diào)用制冷技術(shù)》為例，探索了融合虛擬仿真的課程教學設(shè)計，通過實時創(chuàng)設(shè)良好的學習體驗和動手操作平臺，提高了學生的興趣和學習積極性，構(gòu)建了教學中理論與實踐實訓內(nèi)容實時便捷融合的閉環(huán)教學方式。在教學過程中，借助虛擬仿真平臺開展了以大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練、專業(yè)競賽、制冷站BIM 設(shè)計等為核心目標的教學設(shè)計，形成了開放性、創(chuàng)新性和探索性的教學方式，為理論教學提供了虛擬“實踐實訓”平臺，提高了課程整體教學效果。