基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)在建環(huán)專業(yè)的應(yīng)用分析

李俊梅 簡毅文 李炎鋒 孫育英

摘要：實驗教學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（建環(huán)專業(yè)）實踐教學(xué)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面一直扮演著十分重要的角色。針對當(dāng)前專業(yè)實驗存在的問題和社會發(fā)展對專業(yè)人才素質(zhì)的新要求，提出將虛擬仿真實驗教學(xué)引入建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)中，分析了虛擬仿真實驗相對于傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢及可能存在的問題。但虛擬仿真實驗作為一種新型的教學(xué)手段和方法，其具體的實施效果仍需通過大量的實際實驗進行檢驗。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；建環(huán)專業(yè)；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0260-02

一、引言

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（簡稱建環(huán)專業(yè)）是在原供暖通風(fēng)與空調(diào)工程專業(yè)的基礎(chǔ)上為適應(yīng)經(jīng)濟技術(shù)和社會發(fā)展的需要，經(jīng)過多次專業(yè)拓展、更名發(fā)展而來的，是一門跨行業(yè)、跨學(xué)科的新型交叉學(xué)科，專業(yè)范圍涉及采暖、通風(fēng)、空調(diào)、給排水、消防、新能源利用、城市燃?xì)狻⒔ㄖ?jié)能技術(shù)、建筑設(shè)施智能技術(shù)等多個領(lǐng)域，具有綜合性強、專業(yè)覆蓋面廣、實踐性強等特點[1]。建環(huán)專業(yè)的上述特點要求學(xué)生不僅具有堅實寬厚的理論基礎(chǔ)和寬廣的知識面，而且能根據(jù)不同的專業(yè)方向，具備解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的實際能力。近年來，隨著綠色建筑概念的推廣，新能源、新技術(shù)和設(shè)備在建筑領(lǐng)域內(nèi)的使用越來越普遍。大體量、復(fù)雜、超高層等類型建筑的出現(xiàn)，也對傳統(tǒng)的暖通空調(diào)系統(tǒng)提出了更多和更高的技術(shù)要求。建筑技術(shù)的發(fā)展，使得社會對從事建環(huán)專業(yè)的技術(shù)人員的綜合素質(zhì)和能力以及知識儲備的要求越來越高，迫切需要此領(lǐng)域內(nèi)能適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的高級工程技術(shù)人才，這也對高校建環(huán)專業(yè)在人才培養(yǎng)、課程的設(shè)置和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)方面提出了更高、更新的要求。

實驗教學(xué)一直是建環(huán)專業(yè)實踐教學(xué)的重要組成部分，是建立學(xué)生工程意識，培養(yǎng)學(xué)生的知識運用能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要實踐過程，同時也是學(xué)校開展教學(xué)、科研、生產(chǎn)實踐三結(jié)合的重要場所[2-4]。但隨著專業(yè)范圍的拓展和社會發(fā)展對專業(yè)人才的知識和能力需求的不斷提高，原來的實驗在教學(xué)方法和內(nèi)容上也存在諸多問題，迫切需要改進，以適應(yīng)社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求。

二、傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

1.實驗場地不足，實驗設(shè)備更新?lián)Q代慢。隨著高校招生規(guī)模的不斷擴大，建環(huán)專業(yè)在實驗教學(xué)方面，同大多數(shù)專業(yè)一樣，也存在著實驗形式、內(nèi)容、要求越來越高與實驗設(shè)備、器材、場地、經(jīng)費的保障相對滯后的矛盾。實驗場地小，儀器、設(shè)備數(shù)量的不足使得以小組為單位的實驗無法展開；實驗經(jīng)費的相對短缺使得實驗所用儀器的投入、設(shè)備維護、更新?lián)Q代慢，這都在一定程度上影響了實驗教學(xué)的開展和學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.實驗內(nèi)容的設(shè)置和實驗手段不能適應(yīng)專業(yè)發(fā)展和社會對專業(yè)人才能力培養(yǎng)的要求。傳統(tǒng)的建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)基本上是按照先理論后實驗、先基礎(chǔ)后專業(yè)的順序設(shè)置實驗教學(xué)的。實驗內(nèi)容多是根據(jù)理論課程的內(nèi)容而設(shè)置的驗證性實驗，設(shè)計性和綜合性實驗少，如風(fēng)機性能實驗、空氣加熱器性能實驗、風(fēng)管內(nèi)風(fēng)量測試、干濕球溫度測量、除塵器性能實驗等。實驗過程中學(xué)生只需要記錄有關(guān)的測量數(shù)據(jù)，然后進行一般性的處理計算，綜合能力得不到能力提高。另一些雖說是綜合性實驗，如水泵性能與管網(wǎng)匹配實驗、空氣處理過程實驗、制冷壓縮機性能實驗等，但多是在模型實驗臺上完成的，與這些設(shè)備在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)。由于設(shè)置的實驗內(nèi)容與實際工程應(yīng)用聯(lián)系不緊密，實驗可用性不強，導(dǎo)致一些學(xué)生無法將實驗的內(nèi)容與實際工程相聯(lián)系。有些學(xué)生上過實驗課之后仍不知道如何把實驗課中用到的測量工具、測量方法應(yīng)用到實際的工程中。另外，由于建筑環(huán)境控制系統(tǒng)涉及設(shè)備眾多，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，傳統(tǒng)的單一跟隨理論課程的實驗內(nèi)容設(shè)置盡管可強化學(xué)生對各學(xué)科知識的理解，卻忽視了各學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，不利于學(xué)生綜合能力的提高和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。將專業(yè)實驗與實際工程相結(jié)合，在實際工程中開展建環(huán)專業(yè)的相關(guān)實驗，盡管可以得到較真實的實驗結(jié)果，但實際操作起來并不現(xiàn)實，而且此類實驗費用高、周期長，會對建筑物的正常運行和內(nèi)部人員的舒適性造成影響。另外，實際工程也不可能涵蓋所有專業(yè)相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)，有些實驗如建筑火災(zāi)蔓延及控制實驗也不可能在真實的、正在使用的建筑物中完成。

三、將虛擬仿真引入建環(huán)專業(yè)的實驗教學(xué)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)搭建建筑環(huán)境控制系統(tǒng)虛擬仿真綜合實驗平臺使專業(yè)實驗與實際工程相結(jié)合的實驗設(shè)想成為可能[5，6]。建筑環(huán)境控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺可以由多個獨立的專業(yè)模塊構(gòu)成，各專業(yè)模塊可以根據(jù)需要增加或刪減，每個模塊可以單獨完成所涉及的專業(yè)實驗，同時，各模塊也可相互聯(lián)合完成一個整體實驗。虛擬仿真實驗的優(yōu)勢在于以下幾方面。

1.與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比，虛擬仿真實驗不僅可以彌補實驗教學(xué)在實驗設(shè)備、場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的不足，豐富實驗資源，降低實驗成本，而且學(xué)生可以突破傳統(tǒng)實驗的限制，利用虛擬仿真實驗平臺幾乎無成本地進行各種實驗工況設(shè)計，反復(fù)操作，比較實驗結(jié)果，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率。

2.虛擬仿真技術(shù)可實現(xiàn)專業(yè)實驗與實際工程的完美結(jié)合。虛擬仿真實驗平臺可以將建筑物、各種管道設(shè)備逼真地呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實中，學(xué)生如同身臨其境進行實驗，有利于學(xué)生將工程素質(zhì)的培養(yǎng)和專業(yè)學(xué)科知識之間有機融合。

3.虛擬仿真實驗可以滿足不可實驗或難以實現(xiàn)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的要求。建環(huán)專業(yè)學(xué)科專業(yè)性強，涉及的領(lǐng)域較多，各種設(shè)備、系統(tǒng)種類繁多。對于一些成本高、投入大、實驗?zāi)芎拇蟮膶嶒?，如冷熱源系統(tǒng)的性能測試、危險性和破壞性較大的建筑火災(zāi)蔓延及控制技術(shù)實驗、實驗效果沒有虛擬靈活高效的智能建筑控制實驗、暖通管道仿真實驗等，虛擬仿真系統(tǒng)具有無可替代的優(yōu)勢。學(xué)生只需在計算機終端進入虛擬實驗平臺，在虛擬平臺上運用虛擬設(shè)備進行實驗操作，即可達到實驗教學(xué)的目的和要求。

四、結(jié)論與建議

實驗教學(xué)是建環(huán)專業(yè)實踐教學(xué)的重要組成部分，能培養(yǎng)學(xué)生較強的實際工程技術(shù)思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要過程。將虛擬仿真實驗引入建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)進一步豐富了實驗教學(xué)的內(nèi)容和手段，有利于學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)和綜合能力的提升。但我們也應(yīng)看到，虛擬實驗教學(xué)不能完全代替真實實驗教學(xué)，而真實實驗教學(xué)也不能完全代替虛擬實驗教學(xué)，兩者相互補充才能更好地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。再者，虛擬仿真實驗作為建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)的一種新型的實驗方式和手段，其實施的效果如何，能否達到專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，仍需通過更多的虛擬仿真實驗的實踐來檢驗。

參考文獻：

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[5]楊紅霞.建筑工程虛擬仿真實驗室建設(shè)的必要性例證[J].山東英才學(xué)院學(xué)報，2014，10（1）：31-33.

[6]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，提高實驗室教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

Abstract：Experiment teaching is an important part of the practical teaching of the Building Environment and Energy Engineering （BEEE）specialty，and it plays the key role in cultivating the students' engineering quality and innovation ability. To solve the problems existing in the current experiment teaching and also to satisfy the new requirements of the professionals in BEEE，virtual simulation technology is introduced in the experiment teaching of BEEE.，and its merits and demerits are analyzed. However，virtual simulation experimental teaching as a new teaching tool，its effects are still needed to be inspected in real practices.

Key words：virtual simulation；Building Environment and Energy Engineering（BEEE）；experiment teaching