虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)能專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：文章分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（環(huán)能）專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的重要性，提出了基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體建設(shè)思路。依托真實(shí)的多功能制冷空調(diào)性能綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了同時(shí)具備線(xiàn)上及線(xiàn)下兩種運(yùn)行模式的制冷空調(diào)設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，全面論述了該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各功能模塊的作用與運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅有效解決了學(xué)生數(shù)量眾多與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)量不足之間的矛盾，還可將環(huán)能專(zhuān)業(yè)的多門(mén)課程進(jìn)行融合，有效地提高了專(zhuān)業(yè)教學(xué)的效果及效率。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程;暖通空調(diào);專(zhuān)業(yè)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0;TU83 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）01-0390-03

我國(guó)教育部在2012年發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)目錄》和《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)設(shè)置管理規(guī)定》中，將建筑環(huán)境與設(shè)備工程，建筑節(jié)能技術(shù)與工程，以及建筑設(shè)施智能技術(shù)合并為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)（簡(jiǎn)稱(chēng)：環(huán)能專(zhuān)業(yè)）[1，2]。在全新的環(huán)能專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置中多以工程實(shí)踐課程為主，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，建立工程概念，養(yǎng)成工程師素質(zhì)為目標(biāo)[3，4]。因此，在實(shí)際的教學(xué)中，實(shí)踐類(lèi)/實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置就顯得尤為重要。但是，環(huán)能專(zhuān)業(yè)所涉及的設(shè)備及系統(tǒng)種類(lèi)繁多，設(shè)備角度包括：房間空調(diào)器，組合式空調(diào)箱，風(fēng)機(jī)盤(pán)管，風(fēng)機(jī)，水泵，壓縮機(jī)，水源/空氣源熱泵，冷水機(jī)組等;而從空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織形式方面來(lái)看又可以分為上送風(fēng)、下送風(fēng)、側(cè)送風(fēng)、上回風(fēng)、下回風(fēng)、側(cè)回風(fēng)，一次回風(fēng)、二次回風(fēng)等[5]。因此，在環(huán)能專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中采用單一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方式是不現(xiàn)實(shí)的。目前，國(guó)內(nèi)常用的做法是通過(guò)一套綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)滿(mǎn)足大部分的實(shí)驗(yàn)要求，或者針對(duì)多個(gè)設(shè)備及多種送風(fēng)形式分別建設(shè)綜合性能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[6]。但是這種方式一方面會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)成本大大增加，很多學(xué)校難以建設(shè)功能齊全的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);另一方面，即使有條件建設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高校，通常也僅能夠建設(shè)一套系統(tǒng)，這就會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)量不足與學(xué)生人數(shù)較多的矛盾。環(huán)能專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置的另一個(gè)特點(diǎn)就是科目較多且項(xiàng)目關(guān)聯(lián)，例如，建筑設(shè)備工程，冷熱源，空氣調(diào)節(jié)建筑設(shè)備自動(dòng)化，熱工測(cè)量與控制等[2]。這些課程都需要單獨(dú)開(kāi)課，但是在邏輯關(guān)系上它們之間又是緊密關(guān)聯(lián)的。對(duì)于這些課程，由于課時(shí)的限制，在理論授課中很難將其完全融合在一起，學(xué)生無(wú)法對(duì)多門(mén)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容形成一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，無(wú)法建立完整的知識(shí)體系。

近年來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到了大力推廣，并且教育部也明確指出，從2017年起預(yù)計(jì)分年度建設(shè)1000個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，并強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)建設(shè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较嗷パa(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，極大地提高了實(shí)踐教學(xué)的效果和效率，目前已在多個(gè)新興學(xué)科和領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[8，9]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式非常適合環(huán)能專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程特征，但是目前尚缺少針對(duì)環(huán)能專(zhuān)業(yè)的功能完善的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是以構(gòu)建主義理論為指導(dǎo)的，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)實(shí)際或虛擬的項(xiàng)目，使學(xué)生能夠融入真實(shí)的情景中，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的綜合能力[10，11]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式恰恰是解決環(huán)能專(zhuān)業(yè)課程較多且相互關(guān)聯(lián)的有效途徑，如果能將其與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將會(huì)使得專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)效果得到有效提升。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)

在對(duì)前期所建設(shè)的多個(gè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深入思考和優(yōu)化后，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了該制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖1所示。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括線(xiàn)上和線(xiàn)下兩種運(yùn)行模式，線(xiàn)上及線(xiàn)下模式具有相同的功能。每種模式又包含三個(gè)功能模塊，分別為裝置、系統(tǒng)以及建筑能源系統(tǒng)：（1）裝置模塊主要針對(duì)環(huán)能專(zhuān)業(yè)涉及到的主要設(shè)備進(jìn)行認(rèn)識(shí)及測(cè)試。其目的是為了讓學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識(shí)每種設(shè)備的外觀，工作原理，性能參數(shù)的測(cè)試依據(jù)等。（2）系統(tǒng)模塊主要針對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)中不同的氣流組織形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察每種氣流組織形式的特點(diǎn)，優(yōu)缺點(diǎn)，以及對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響等。（3）建筑能源系統(tǒng)模塊是為了響應(yīng)國(guó)家建筑節(jié)能的號(hào)召，而新增的功能模塊，其開(kāi)發(fā)理念是基于多能互補(bǔ)與供需互配的能源利用政策，系統(tǒng)中通過(guò)模擬多種能源的綜合作用效果，使學(xué)生認(rèn)識(shí)建筑節(jié)能減排的重要性，以及各種可再生能源的綜合利用手段。同時(shí)，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式為基礎(chǔ)進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，可以在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，將環(huán)能專(zhuān)業(yè)的多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行綜合實(shí)踐。以空調(diào)器性能的委托檢測(cè)項(xiàng)目為例：本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)以空調(diào)器性能委托檢測(cè)的實(shí)際流程為依據(jù)，教師作為委托方，學(xué)生作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生進(jìn)行樣品接受，安裝，測(cè)試，根據(jù)委托設(shè)備選取相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試條件，進(jìn)行性能測(cè)試，報(bào)表生成，誤差分析，并出具檢測(cè)報(bào)告等。通過(guò)一整套的項(xiàng)目流程，不僅能使學(xué)生掌握全部的測(cè)試規(guī)程，也可將環(huán)能學(xué)科的建筑設(shè)備及各類(lèi)規(guī)范、冷熱源工程、熱工測(cè)量等課程進(jìn)行融會(huì)貫通。目前，除了空調(diào)器委托檢測(cè)項(xiàng)目外，還可以采用建筑環(huán)境舒適性設(shè)計(jì)項(xiàng)目（針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織及節(jié)能方案的設(shè)計(jì)，涵蓋空氣調(diào)節(jié)，建筑能源系統(tǒng)，建筑設(shè)備等課程），空調(diào)系統(tǒng)的故障診斷優(yōu)化運(yùn)行（針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，涵蓋空調(diào)調(diào)節(jié)，建筑設(shè)備自動(dòng)化，熱工測(cè)量與控制等課程）等項(xiàng)目。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能

該制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能包括：常規(guī)功能、性能測(cè)試與誤差分析、送回風(fēng)方式選擇、建筑能源系統(tǒng)、自動(dòng)控制與故障診斷等，其主要功能流程如圖2所示。

三、虛實(shí)結(jié)合與數(shù)據(jù)的后處理

該制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用主要在于滿(mǎn)足教學(xué)大綱實(shí)踐教學(xué)設(shè)置內(nèi)容的要求，也使得環(huán)能專(zhuān)業(yè)高成本、高消耗，大型綜合訓(xùn)練的現(xiàn)狀得以改變，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究型學(xué)習(xí)、無(wú)紙化學(xué)習(xí)的習(xí)慣的養(yǎng)成。但是其本質(zhì)是實(shí)踐教學(xué)的有力補(bǔ)充，并不能完全代替實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，需要通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，這樣才能真正將實(shí)踐教學(xué)落到實(shí)處。但是通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)的儀器儀表操作，可以使實(shí)驗(yàn)更加高效有序地進(jìn)行，并且可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于各種問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者無(wú)效的情況下，仍然可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析的實(shí)踐訓(xùn)練，完成項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。但是由于制冷空調(diào)裝置的性能測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)很難保證每個(gè)學(xué)生都親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，往往以演示性實(shí)驗(yàn)為主，這樣學(xué)生很難理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的由來(lái)，誤差的來(lái)源，更加難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差的分析與計(jì)算。但是通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，每個(gè)學(xué)生都可以親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，了解每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的出處，因此學(xué)生能有效地對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析，進(jìn)而深入理解熱工測(cè)量這門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的內(nèi)容。

四、結(jié)語(yǔ)

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式的制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過(guò)線(xiàn)上或者線(xiàn)下的模式，開(kāi)展制冷空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的各項(xiàng)性能測(cè)試，也可以開(kāi)展教學(xué)大綱所包含的各類(lèi)氣流組織實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，建筑能耗實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以使學(xué)生掌握環(huán)能專(zhuān)業(yè)課程涉及的各項(xiàng)內(nèi)容，還可以結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，在實(shí)踐課程開(kāi)始之前，就通過(guò)項(xiàng)目的方式，給學(xué)生制定項(xiàng)目的目標(biāo)，設(shè)備選型目標(biāo)，性能目標(biāo)，或誤差目標(biāo)，可以將環(huán)能專(zhuān)業(yè)多個(gè)主干課程融會(huì)貫通，形成一個(gè)系統(tǒng)工程，幫助學(xué)生建立完備的知識(shí)體系。另一方面，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)幾乎涵蓋了環(huán)能專(zhuān)業(yè)所有重要設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)形式，在沒(méi)有條件建設(shè)大型綜合實(shí)驗(yàn)室的院校，也可以通過(guò)該系統(tǒng)有效地實(shí)施環(huán)能專(zhuān)業(yè)的各類(lèi)實(shí)踐教學(xué)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]高等學(xué)校建筑環(huán)境與設(shè)備工程學(xué)科專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程本科指導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]周斌，劉金祥，張廣麗.基于綠色建筑可持續(xù)運(yùn)行理念的工程教育與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2016，25（4）：1-4.

[3]朱穎心.工程實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)能力的最好課堂[J].高等建筑教育，2003，12（4）：67-69.

[4]周翔，李崢嶸，李錚偉.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)配套課程建設(shè)與效果調(diào)查[J].高等建筑教育，2015，24（1）：127-131.

[5]高明遠(yuǎn)，岳秀萍，杜震宇.建筑設(shè)備工程[M].第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[6]張小松，張愷，李舒宏，等.制冷空調(diào)產(chǎn)品性能檢測(cè)及試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].電力需求側(cè)管理，2006，8（6）：30-33.

[7]王森，高東峰.在線(xiàn)開(kāi)放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，（5）：115-118.

[8]郝翠霞，葉暉.工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的虛擬仿真教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，（6）：143-146.

[9]劉旭波，熊智文，李學(xué)文，等.“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，（8）：121-124.

[10]Musa F，Mufti N，Latiff R A，et al.Project-based Learning：Promoting Meaningful Language Learning for Workplace Skills[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2011，18（1）：187-195.

[11]李志河，張麗梅.近十年我國(guó)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究綜述[J].中國(guó)教育信息化，2017，（16）：52-55.

Study on the Application of Virtual Simulation Experiment in Major Teaching of Building Environment and Energy Application Engineering

ZHANG Kai

（College of Urban Construction，Nanjing Tech University，Nanjing，Jiangsu 210009，China）

Abstract：The importance of virtual simulation experiment in the major teaching of building environment and energy application engineering is analyzed，and the construction of virtual simulation experiment system is proposed based on the project-based learning.A virtual simulation experiment system for refrigeration and air-conditioning equipment with both online and offline operating modes is designed and developed based on the real multi-functional refrigeration and air-conditioning performance integrated experimental system.The functions and operating modes are discussed in detail for this integrated experimental system.The result show that this virtual simulation experimental system not only effectively solves the mismatch of the large number of students and the insufficient number of experimental systems，but also significance improves the efficiency of the major teaching for building environment and energy application engineering accounting for the integration of several courses.

Key words：virtual simulation;project-based learning;building environment and energy application engineering;air-conditioning;major teaching