虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的應(yīng)用

蘇冠元 韓曉敏 康博強(qiáng)

摘 ?要：以天津商業(yè)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為例，闡述高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用與開(kāi)展情況，介紹面向制冷技術(shù)與裝備專業(yè)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)筑、教學(xué)資源的建設(shè)以及應(yīng)用效果等內(nèi)容，同時(shí)介紹了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享和人才培養(yǎng)模式的探索情況，以便進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心

中圖分類(lèi)號(hào)：G434;G642.4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）13-0194-03

Abstract：The article takes the experimental and training center of thermal energy and power engineering of Tianjin University of Commerce as an example，carries out the application and development of virtual simulation experimental teaching，and introduces the teaching program which is based on virtual simulation experimental teaching and especially directed at refrigeration technology and equipment major. The article discusses the construction of experimental teaching system and teaching resources，and the effect of application. At the same time，it introduces the exploration of virtual simulation experiment teaching project sharing and talent training mode，so as to further promote the reform and innovation of experimental teaching.

Keywords：experimental teaching;virtual simulation;experimental teaching demonstration center

0 ?引 ?言

教育信息化是新時(shí)代教育改革發(fā)展的必然要求，以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然結(jié)果。經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)，目前國(guó)內(nèi)高校開(kāi)始對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展理念、建設(shè)模式、開(kāi)放共享模式進(jìn)行深層次的探討[1，2]。天津商業(yè)大學(xué)制冷技術(shù)與裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱制冷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心）依托熱能與動(dòng)力工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（以下簡(jiǎn)稱熱能實(shí)驗(yàn)中心）建設(shè)，以人才培養(yǎng)知識(shí)體系和專業(yè)技能需求為主線，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的有效整合及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建立，構(gòu)筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，強(qiáng)化教學(xué)科研，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)資源服務(wù)于人才培養(yǎng)的目的;并借鑒其他院校的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)、人才培養(yǎng)、成果推廣等方面取得明顯成效[3，4]。

1 ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)筑

目前，熱能實(shí)驗(yàn)中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已初具規(guī)模，構(gòu)建科學(xué)、系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有利于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。中心已經(jīng)開(kāi)始將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目融合進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系之中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)正朝著規(guī)模化、體系化的方向發(fā)展[5]。

熱能實(shí)驗(yàn)中心主要面向能源與動(dòng)力工程、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程兩個(gè)專業(yè)，同時(shí)還承擔(dān)物流管理、食品工程等專業(yè)學(xué)生的相關(guān)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，以及工程熱力學(xué)、制冷原理、空氣調(diào)節(jié)等基礎(chǔ)課和專業(yè)課課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，共計(jì)實(shí)驗(yàn)課程33門(mén)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目113個(gè)，其中12門(mén)課程的24個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括8個(gè)基礎(chǔ)型、12個(gè)綜合設(shè)計(jì)型和4個(gè)研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，已初步建立具有“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)、提升實(shí)效”特點(diǎn)的多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以適應(yīng)現(xiàn)代制冷及空調(diào)等相關(guān)領(lǐng)域科技發(fā)展對(duì)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

基于熱能實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、自主研發(fā)的虛擬仿真平臺(tái)和大型儀器網(wǎng)絡(luò)虛擬共享系統(tǒng)，結(jié)合學(xué)科傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)教學(xué)資源和未來(lái)建設(shè)規(guī)劃，建成了“一項(xiàng)活動(dòng)、兩個(gè)中心、兩種類(lèi)型、三個(gè)層次、四個(gè)模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

一項(xiàng)活動(dòng)是指利用仿真軟件開(kāi)展課外科研和競(jìng)賽活動(dòng)，開(kāi)拓學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。兩個(gè)中心即熱能實(shí)驗(yàn)中心與制冷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，相輔相成，互相支撐與促進(jìn)。兩種類(lèi)型是指實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，一類(lèi)是高危險(xiǎn)型，如氨制冷、CO2制冷;另一類(lèi)是高成本高消耗型，如溴化鋰吸收式制冷、集中空調(diào)系統(tǒng)等。三個(gè)層次是指基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計(jì)型、研究創(chuàng)新型。四個(gè)模塊是指制冷主機(jī)模塊、制冷附屬設(shè)備模塊、氨制冷系統(tǒng)與集中空調(diào)系統(tǒng)模塊、其他制冷方式模塊。

2 ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)

目前熱能實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)完成了“氨制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行”和“集中空調(diào)系統(tǒng)多工況運(yùn)行調(diào)節(jié)與性能分析”兩個(gè)天津市級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以及“CO2制冷系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“溴化鋰吸收式制冷虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，構(gòu)建了豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，如圖1所示。

以“集中空調(diào)系統(tǒng)多工況運(yùn)行調(diào)節(jié)與性能分析”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)情況為例，通過(guò)以本校圖書(shū)館集中空調(diào)系統(tǒng)為樣本進(jìn)行模擬，構(gòu)造出與實(shí)際場(chǎng)景一致的集中空調(diào)系統(tǒng)，讓學(xué)生直觀地看到空調(diào)系統(tǒng)各組成部件及運(yùn)行過(guò)程，學(xué)會(huì)不同工況的運(yùn)行切換操作，掌握空調(diào)系統(tǒng)性能測(cè)試手段和計(jì)算方法，分析空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行特性。該系統(tǒng)可進(jìn)行幾種典型設(shè)計(jì)工況的轉(zhuǎn)換測(cè)試，實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的交互和深化，彌補(bǔ)了因集中空調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)施價(jià)格昂貴、占用實(shí)驗(yàn)室空間大、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等因素導(dǎo)致無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)該實(shí)驗(yàn)課程的不足;有助于提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的認(rèn)知能力，為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力提供學(xué)習(xí)平臺(tái)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與空調(diào)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的對(duì)接性，提升學(xué)生對(duì)現(xiàn)代空調(diào)企業(yè)的適應(yīng)性。

3 ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用效果

3.1 ?提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量方面的效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識(shí)的積極性，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，發(fā)掘?qū)W生創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題的綜合能力，具體效果體現(xiàn)在以下三方面。

3.1.1 ?基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面

學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比較抽象的知識(shí)產(chǎn)生更具體直觀的認(rèn)識(shí)，提高理解程度。學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獨(dú)立完成預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、設(shè)置參數(shù)、分析情況等工作，從而實(shí)現(xiàn)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)、減少操作錯(cuò)誤、降低實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備損壞率的目的。

3.1.2 ?綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面

大部分專業(yè)綜合設(shè)計(jì)課程需要在連續(xù)的較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)完成，但由某個(gè)班的學(xué)生長(zhǎng)期占用一間實(shí)驗(yàn)室是不可能的。通過(guò)虛擬仿真課程，可以讓學(xué)生不受時(shí)間、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，同時(shí)可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)漏洞和錯(cuò)誤，避免因?yàn)榉磸?fù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生時(shí)間和資金的浪費(fèi)，在提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)意識(shí)、提高設(shè)計(jì)成功率方面發(fā)揮良好作用。

3.1.3 ?研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)方面

因該類(lèi)型實(shí)驗(yàn)涉及大型貴重儀器設(shè)備，對(duì)環(huán)境條件和基礎(chǔ)設(shè)施要求高、運(yùn)行維護(hù)成本較高，并存在危險(xiǎn)性，學(xué)生難以得到動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。沉浸感強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生深入了解大型儀器設(shè)備的操作方法和實(shí)驗(yàn)效果，從而為實(shí)際使用復(fù)雜的儀器設(shè)備、了解學(xué)科前沿技術(shù)打下基礎(chǔ)[5]。

3.2 ?創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式方面的效果

熱能實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)學(xué)校辦學(xué)指導(dǎo)思想“培養(yǎng)商學(xué)素養(yǎng)與專業(yè)能力相結(jié)合、知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力并重、誠(chéng)信做人與創(chuàng)新能力兼?zhèn)涞膹?fù)合型創(chuàng)業(yè)型應(yīng)用人才”和制冷空調(diào)行業(yè)對(duì)人才的需求，秉承“重視基礎(chǔ)，強(qiáng)化應(yīng)用，開(kāi)發(fā)潛能”的教學(xué)理念，積極探尋實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革手段，以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐綜合能力為核心，以培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)業(yè)型應(yīng)用人才為宗旨，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。依靠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有的沉浸感、模擬性、交互性等特點(diǎn)，幫助學(xué)生完善知識(shí)系統(tǒng)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力[6]。

3.3 ?探索產(chǎn)學(xué)研共同開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)資源方面的效果

學(xué)校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)工作中，開(kāi)辟了校企合作的新模式。將企業(yè)在生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中遇到的難題，以科技立項(xiàng)的形式轉(zhuǎn)化為科研問(wèn)題，促進(jìn)了企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展;企業(yè)提供各種制冷產(chǎn)品的詳細(xì)技術(shù)資料及大型冷庫(kù)的系統(tǒng)組成和運(yùn)行管理模式，為制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件提供真實(shí)可靠的素材，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)際。虛擬實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合，既能提高學(xué)生的能力，又能幫助企業(yè)解決問(wèn)題。

3.4 ?推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果方面的效果

“氨制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行”和“集中空調(diào)系統(tǒng)多工況運(yùn)行調(diào)節(jié)與性能分析”作為天津市級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，已在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)（http：//www.ilab-x.com/）面向全國(guó)開(kāi)放共享。截至2020年6月，兩個(gè)項(xiàng)目的累計(jì)瀏覽量12 000余次，其中“集中空調(diào)系統(tǒng)多工況運(yùn)行調(diào)節(jié)與性能分析”平均得分4.9分（滿分5.0分），為其他高校同類(lèi)型專業(yè)的師生提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)平臺(tái)。

4 ?結(jié) ?論

圍繞本專業(yè)知識(shí)體系并結(jié)合學(xué)校的優(yōu)勢(shì)資源和辦學(xué)定位，天津商業(yè)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心通過(guò)多年的實(shí)踐，總結(jié)了“一項(xiàng)活動(dòng)、兩個(gè)中心、兩種類(lèi)型、三個(gè)層次、四個(gè)模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，是國(guó)內(nèi)高校制冷技術(shù)與裝備專業(yè)方面實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的一場(chǎng)新的探索。中心緊扣人才培養(yǎng)目標(biāo)，以“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)、提升實(shí)效”為原則，建立起符合專業(yè)特點(diǎn)的多層次模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高了管理效率和教學(xué)效果，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中具有意義的一次嘗試。

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作者簡(jiǎn)介：蘇冠元（1990—），男，漢族，天津人，助理工程師，碩士，研究方向：實(shí)驗(yàn)室管理。