建筑環境與能源應用工程專業虛擬仿真實驗系統建設與示范

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.02.005

歡迎按以下格式引用：陳金華，沈雪蓮，譚力，等.建筑環境與能源應用工程專業虛擬仿真實驗系統建設與示范［J］.高等建筑教育，2024，33（2）：35-41.

摘要：重慶大學土木工程學院依托國家級實驗教學示范中心，對建筑環境與能源應用工程專業空調冷熱源系統、大型通風空調系統等成本高、危險性高、周期長的實驗內容進行虛擬仿真實驗教學系統建設，共建設了空調冷熱源系統、空調系統、熱水供暖系統三個綜合虛擬仿真實驗系統。實驗建設緊密圍繞建環專業實踐教學體系展開，堅持“能實不虛、虛實互補”原則，以培養解決復雜工程問題、具有創新思維、高素質綜合型工科人才為目標。實驗內容設置綜合性的多工況虛擬實驗、事故工況實驗和科研創新實驗，支撐了完整的實驗教學過程，并建立了雙向評價體系。實驗采用Web端在線實驗形式，提高實驗的便捷性和共享性。2020—2021年，虛擬仿真實驗系統除服務本校本科實驗教學外，向4個高校超300名學生提供實驗教學服務，獲得校內外較高評價，產生了良好的示范和社會效益。

關鍵詞：本科教學；建環專業；虛擬仿真；實驗系統建設

中圖分類號：G642.0 """""文獻標志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）02-0035-07

根據教育部辦公廳關于實施一流本科專業建設“雙萬計劃”的通知，教育部決定全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，啟動一流本科專業建設“雙萬計劃”^［1-2］。中國高等教育將迎來一場“質量”革命，只有貫徹“以本為本，四個回歸”，堅持以學生為中心的現代教學理念，主動適應新一輪科技革命和產業變革，才能培養堪當民族復興大任的時代新人^［3-5］。實驗教學作為現代大學發展水平的標志，對新時代人才的培養具有不可替代的作用，尤其對于建筑環境與能源應用專業（以下簡稱建環專業）等工程類專業，實驗教學更是培養學生工程實踐能力，科研、創新能力的重要教學環節^［6-7］。建環專業冷熱源系統、通風空調系統、水系統等實驗系統體積龐大，建設費用高、周期長，設備運行維護工作量大、經費高，因此難以建設足夠多的實驗臺套數，較多前沿技術成果難以及時應用于實驗教學中。由于非常規、事故狀態的實驗對設備存在影響，甚至可能存在安全隱患，在實體實驗中難以進行。此外，空調系統實驗受室外氣象條件制約明顯，實驗時間安排嚴重受限。在實體實驗教學中學生實驗參與度低，實驗內容有限，難以激發學習積極性和自主性，知識、能力、素質培養均受到限制。針對以上問題，將本科教學與信息技術深度融合，建設虛擬仿真實驗系統，不僅可彌補實體系統實驗的諸多不足，而且豐富教學資源，推動自主型學習、研討型學習等教學模式改革，在“新工科人才培養及實現教育資源共享上均具有顯著優勢^［8-9］。2017年至今，全國各高校陸續進行虛擬仿真教學資源建設，在如火如荼的建設中也逐漸顯露出缺乏頂層設計、論證不補充、綜合性創新性不足、不具有持續改進性、共享困難、示范受限等問題^［10-11］。以重慶大學建環專業虛擬仿真實驗系統的建設、教學及推廣示范展開，對虛擬仿真實驗在工科類專業實驗教學的應用和發展進行初步探索。

一、建設思路

（一）"遵循工程教育的CDIO模式，充分論證，合理設計

虛擬仿真實驗系統建設中遵循工程教育的CDIO模式，即以“構思（"Conceive ）－設計（"Design ）－實施（"Implement）－運作（"Operate）”"理念為指導，注重頂層設計，充分考慮理論課與實驗課、虛擬實驗與實體實驗之間的支撐關系和人才培養任務，選擇適宜的實驗內容及教學形式。

1.堅持實踐教學體系和專業人才培養計劃相結合原則

重慶大學建環專業構建了基于工程創新人才培養的“二三四”實踐教學體系，如圖1所示。虛擬仿真實驗系統在建設之初應明確虛擬仿真實驗在體系中的定位及支撐作用，明確建設規劃及預期效果。同時，結合建環創新人才培養計劃確定虛擬仿真實驗教學內容和方式。

2.堅持“能實不虛、虛實結合”原則

充分論證建設虛擬仿真實驗系統的必要性，挑選成本高、危險性高和實驗周期長等“兩高一長”特點的實驗內容進行建設。在設計、實施過程中，客觀看待虛擬仿真技術的優勢及局限性，充分利用實體實驗與虛擬實驗實現優勢互補、資源配置合理優化，提高實驗教學質量。

（二）"貫徹“學生為主，教師為輔”的教學理念，優化內容，引導為主，監督為輔

1.建設合宜的教學內容，突出“兩性一度”特點

實驗類型規避演示性、驗證性實驗，選用綜合性、創新性實驗。設置多工況（包括事故工況）實驗，并引入實際工程場景和實驗影響因素和測試背景的復雜性，同時，將科研成果轉化到實驗內容中，使實驗內容具有高階性、創新性，提升實驗挑戰度。

2.提高實驗互動性及自主性，尊重學生個性，激發學生學習興趣

豐富交互操作內容激發學生學習興趣，增加自學、拓展、研討等學習板塊，引導學生自主學習，養成終身學習的習慣，培養勇于討論、分享的精神^［12-13］。實驗設置不同難易程度的板塊，在兼顧知識、能力、素質多方面培養的同時滿足不同層次的學生學習需求，使大多數學生均能在實驗中得到鍛煉。

3.設置健全的教學管理監督功能，保證實驗教學效率及質量

由于虛擬仿真實驗注重學生自主性學習，實驗過程具有一定的開放性和自由度，為確保實驗教學質量，需要輔以一定的監督管理。除了實驗操作功能外，應設置實驗布置、學生管理、實驗監督、實驗批改等輔助功能，以保障實驗教學有條不紊，學生考核公平公正。

（三）"重視實驗資源的示范性，持續改進，對外服務

1.采用雙向評價體系促進實驗持續改進和優化

實驗系統教師批閱功能應有權對實驗操作、習題得分和實驗成果等方面進行權重設置，并采用百分制進行評分，實現對學生學習的綜合評價。此外，系統應有便捷的反饋功能，方便學生對實驗內容、系統、教師教學質量等進行評價，以此促進實驗系統優化和教學方法改進。

2.優先采用Web端訪問形式

為規避插件安裝對電腦配置要求的限制，優先采用Web端訪問形式，學生可隨時隨地訪問系統進行實驗學習。依托國家、學校共享平臺，該實驗系統向其他院校開放，實現資源共享。

二、建設及實踐

（一）"建設內容

1.實驗功能及環節

虛擬仿真實驗系統設置了系統探索、實景演示、虛擬實驗、實驗考核4個實驗操作板塊，課前自學、答疑室、意見反饋3個實驗輔助板塊，系統架構體系如圖2所示。

2.實驗內容

2017年至今，建環專業設計了空調冷熱源系統、空調系統、熱水供暖系統3個綜合虛擬仿真實驗項目。以空調冷熱源系統綜合虛擬仿真實驗為例，項目通過虛擬仿真技術，構建冷水機組、鍋爐機組冷熱源系統三維仿真模型，學生可直觀全面地觀看冷熱源系統的組成、構造，對課本知識實體化，有效彌補了生產實習過程中學生難以接觸設計科學、安裝規范、系統完整的實體工程遺憾。在三維模型界面，學生可進行旋轉、移動、縮放視角等操作，學生可點擊任意設備、閥門等構件，查看其知識點介紹，對系統設置知其然且知其所以然，夯實基礎，構建全局觀。系統探索界面如圖3所示。

以空調冷熱源系統綜合虛擬仿真實驗為例，虛擬實驗包括以下內容：（1）對冷水機組系統的冷凍水供水溫度、冷凍水流量、冷卻水進水溫度、冷卻水流量4個參數，以及蒸發器、冷凝器結垢狀態進行設置，獲得系統供冷量、負荷率、機組COP及冷站EER等系統性能測試數據；（2）對鍋爐機組系統的供水溫度、供水流量、鍋爐結垢狀態進行工況設置，獲取系統供熱量、負荷率、耗氣量、鍋爐效率等系統性能測試數據；（3）當設定工況異常，系統將顯示故障實驗出現的后果。虛擬實驗測試界面如圖4所示。

3.實驗管理

實驗系統教師界面除具有學生界面的實驗內容外，另設置教師管理系統。管理系統由多個板塊組成，具有用戶管理、實驗管理、報告批閱、成績統計、發布公告、更新學生調查問卷、查看問卷統計結果等功能，可實現對實驗的高效管理和有力監督，從而確保實驗教學效果。

（二）"教學實踐

1.教學模式及方式

虛擬仿真實驗采用線上線下結合的教學方式。每個實驗項目4個學時。其中，3個學時由學生獨立完成，包括下載資料自學，自主進行實驗探索，完成客觀題考核，根據測試數據完成實驗報告；1個學時為答疑和研討，教師根據學生自主實驗考核情況，對疑難問題進行答疑，并組織學生對實驗涉及的科研成果和創新點進行討論。

虛擬仿真實驗與實體實驗緊密結合進行實驗教學，各虛擬仿真實驗項目與實體實驗項目的教學關聯，見表1—表3。

2.實驗考核方法

實驗考核依據平時表現和實驗成果，虛擬仿真實驗項目平時表現（含操作、提問、研討）考核權重占40%，實驗成果（含客觀習題及實驗報告）考核權重占60%。

3.教學效果及評價

空調冷熱源系統綜合虛擬仿真實驗的3個虛擬仿真實驗項目作為專業綜合實驗課程的實驗項目，自2018年投入建環專業本科實驗教學，支撐一流專業建設及人才培養，至今，已有500名大四本科生參與實驗，并獲得學生較好的評價，如圖5—圖6所示。在建環一流專業評估中，虛擬仿真實驗項目滿足工程專業人才畢業指標點及所屬課程目標情況見表4。

（三）"推廣及示范

1.校內外共享

建環專業虛擬仿真實驗依托重慶大學虛擬仿真實驗共享平臺，具備對校內外師生共享服務的能力。除建環專業學生可通過共享平臺完成必修課實驗項目外，校內其他學生可在共享實驗中使用虛擬仿真實驗資源進行學習。同時，其他高校可通過申請獲得相應實驗項目的教學使用權限，并通過平臺進行實驗項目布置、班級管理、成績批閱等一系列教學管理工作。此外，空調冷熱源系統綜合虛擬仿真實驗項目2019年被認定為重慶市示范性虛擬仿真實驗教學項目，該實驗項目同時在實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺、重慶高校虛擬仿真實驗（實訓）教學項目共享平臺上共享，對各高校及社會人員開放服務。

2.社會服務、示范成效

2020年各高校線下實驗教學無法正常進行，建環專業綜合虛擬仿真實驗通過線上為社會提供教學服務，獲得較高評價，并逐漸對個別高校提供長期的實驗教學共享。2020和2021兩個學年已有4個高校，超過300名學生使用建環虛擬仿真實驗完成實驗學習。截至2021年9月，空調冷熱源系統綜合虛擬仿真實驗項目在實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺上實驗瀏覽量超一萬人次，完成實驗人數超過500人。

三、結語

重慶大學建筑環境與能源應用工程專業遵循工程教育的CDIO模式，堅持“能實不虛，虛實互補”的原則，建設空調冷熱源系統等多個虛擬仿真實驗項目，在創新人才培養、一流專業評估中均起到較好的支撐作用，在社會服務、高校示范中也取得較理想的成效，獲得校內外較高的評價，但仍有一些不足和待突破的地方。首先，實驗項目還需持續改進優化，進一步豐富實驗內容及交互環節，將科研成果更深入地融合到實驗中，如增加不同建筑類型、氣候條件的實驗，除典型系統外還可增加一些新型系統。此外，在對外服務及示范中，需聯合更多的高校共同建設和提升實驗內容，形成互補之勢，提高資源利用率，提升虛擬仿真實驗系統教學質量及示范能力。

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Construction and demonstration of virtual simulation experiment system of Building Environment and Energy Application Engineering

CHEN Jinhua，"SHEN Xuelian，"TAN Li，"QIN Zixiong

（School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing，404100，P.R.China）

Abstract： Depending on the National demonstration Center of experimental Teaching， School of Civil Engineering of Chongqing University constructed virtual simulation experiment system for experimental contents with high cost， high risk and long cycle， such as air conditioning cold and heat source system and ventilation and air conditioning system of building environment and energy application engineering. Three comprehensive virtual simulation experiment systems were constructed： air conditioning cold and heat source system， air conditioning system and hot water heating system. Under the aim of training creative engineering talents with ability to solve complex engineering problems， experimental construction was concentrated on the practice teaching system and maintained the principle of “virtual reality complementation ”. The contents provide mutual evaluation system and complete experiment course including virtual simulation experiment system under multiple working conditions and accident condition. In the form of online experiment， it’s more convenient and shared. From 2020 to 2021， the virtual simulation experiment system has got high evaluation from our undergraduates and more than 300 students in 4 universities.

Key words： undergraduate teaching; building environment and energy application engineering; virtual simulation; experimental system construction

（責任編輯""鄧云）

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目（重點項目）（212010）；重慶市研究生教育教學改革研究項目（一般項目）（yjg223004）；重慶大學教學改革研究項目（2019Y46）；重慶大學大學生科研訓練計劃項目（CQU-SRTP-20220556）

作者簡介：陳金華（1973—），男，重慶大學土木工程學院教授，工學博士，主要從事建筑環境與能源應用工程專業本科、研究生教學及暖通空調與建筑節能領域科學研究，（E-mail）c66578899@126.com。