建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐探索

李俊梅 孫育英 喬雅心

摘要：以風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試虛擬仿真實驗為例，對虛擬仿真實驗在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用進行了探索。結(jié)果表明，盡管虛擬仿真實驗可以彌補常規(guī)實驗在設(shè)備、場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的不足，

具有實驗資源豐富，成本低、效率高、可擴展性強等特點，但虛擬仿真實驗在實施過程中也存在一些問題。在實驗平臺開發(fā)、實驗內(nèi)容設(shè)定、過程實施以及成績評定等方面，應(yīng)考慮與專業(yè)本科教學(xué)實際以及傳統(tǒng)實驗相關(guān)內(nèi)容相結(jié)合，使虛擬實驗和常規(guī)實驗優(yōu)勢互補，從而達到提高實驗教學(xué)水平和教學(xué)效果的目的。

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

中圖分類號：G6420;TU?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）03-0165-06

2012年，教育部頒布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》和《普通高等學(xué)校本科專業(yè)設(shè)置管理規(guī)定》，將建筑節(jié)能技術(shù)與工程、建筑設(shè)施智能技術(shù)和建筑環(huán)境與設(shè)備工程三個專業(yè)合并為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（以下簡稱建環(huán)專業(yè)）。建環(huán)專業(yè)主要培養(yǎng)從事建筑環(huán)境控制、建筑節(jié)能和建筑設(shè)施智能技術(shù)領(lǐng)域工作，具有空調(diào)、供熱、通風(fēng)、建筑給排水、燃?xì)夤?yīng)等公共設(shè)施系統(tǒng)、建筑熱能供應(yīng)系統(tǒng)和建筑節(jié)能的設(shè)計、施工、調(diào)試、運行管理能力和建筑自動化系統(tǒng)方案制定能力的高級工程技術(shù)人才和管理人才[1]。從建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)可以看出，工程實踐能力對建環(huán)專業(yè)學(xué)生至關(guān)重要。學(xué)生的專業(yè)理論知識需要通過實驗、實習(xí)、設(shè)計、課外活動等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來鞏固，工程實踐與應(yīng)用能力、獨立工作能力、創(chuàng)新能力則需要通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來培養(yǎng)[2-3]。通過搭建科研與實驗平臺來輔助教學(xué)與實踐，一直是建環(huán)專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生工程意識、知識應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和實踐能力的重要手段[4]。然而，當(dāng)前的專業(yè)實驗教學(xué)存在一些問題，在一定程度上影響了實驗教學(xué)的開展和實驗教學(xué)效果的提升。

一、當(dāng)前專業(yè)實驗存在的問題

以北京工業(yè)大學(xué)為例，當(dāng)前建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)存在的突出問題有以下幾個方面。

（1）實驗場地及實驗裝置數(shù)量不足。建環(huán)專業(yè)的大部分專業(yè)實驗，如空調(diào)系統(tǒng)及空氣處理過程實驗、鍋爐房工藝與設(shè)備綜合實驗、制冷裝置調(diào)控特性及壓縮機性能實驗等，所用的實驗裝置體型龐大且價格較為昂貴，要配置多臺相同型號的實驗設(shè)備有難度。這就造成在實驗過程中，可能只有少部分學(xué)生能夠親自參與實驗項目的操作，而其他大多數(shù)學(xué)生只能充當(dāng)圍觀者，學(xué)生的實際動手能力得不到鍛煉。此外，由于場地和經(jīng)費的限制，部分實驗裝置被設(shè)計成模型實驗設(shè)備，如風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)的水力平衡實驗、熱網(wǎng)水力工程實驗的管路多為簡化版的小比例模型裝置，這與實際工程中的系統(tǒng)和設(shè)備相差甚遠(yuǎn)，多數(shù)情況下實驗變成了演示實驗，很難達到促進理論教學(xué)的目的。

（2）實驗經(jīng)費缺乏導(dǎo)致實驗設(shè)備更新?lián)Q代慢，且有時候因?qū)嶒炘O(shè)備維護不及時不得不減少部分實驗內(nèi)容。

（3）在實驗實施方面，實驗內(nèi)容、方法、形式并沒有隨著專業(yè)領(lǐng)域的拓寬和社會對人才新的需求而及時更新。

由于暖通空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，冷熱源和末端之間需通過復(fù)雜的管路及輸運設(shè)備相連，現(xiàn)有單一配合理論課程的實驗內(nèi)容設(shè)置盡管可強化學(xué)生對各學(xué)科知識的理解，但忽視了各學(xué)科內(nèi)容之間的聯(lián)系，學(xué)生對暖通空調(diào)系統(tǒng)的整體運行缺乏認(rèn)識，這顯然不利于學(xué)生綜合能力的提升和工程素養(yǎng)的培育。

搭建綜合性的專業(yè)實驗平臺，將各學(xué)科內(nèi)容進行有機結(jié)合，使系統(tǒng)盡可能地接近工程實際，有助于加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解，使學(xué)生的工程實踐能力得到進一步鍛煉。但專業(yè)綜合實驗平臺的搭建耗費巨大，對于多數(shù)學(xué)校來說并不現(xiàn)實。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互以及網(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，使建環(huán)專業(yè)實驗與實際工程相結(jié)合成為可能。虛擬仿真可以將建環(huán)專業(yè)涉及的分散在建筑物內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備集中呈現(xiàn)，給學(xué)生以接近實際的整體的系統(tǒng)概念，而非單個的設(shè)備及管路，使學(xué)生對設(shè)備及系統(tǒng)的運行有更深入全面的了解，從而實現(xiàn)專業(yè)實驗與實際工程的完美結(jié)合。

虛擬仿真實驗具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放、資源共享、隨技術(shù)發(fā)展更新?lián)Q代快等特點[5-7]。搭建虛擬仿真實驗平臺不僅可以彌補實驗教學(xué)在實驗設(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的不足，豐富實驗資源，而且對于一些難以完成的真實實驗，虛擬仿真系統(tǒng)具有無可替代的優(yōu)勢。基于此，各高校紛紛搭建自己的虛擬仿真實驗平臺以輔助理論教學(xué)和實踐教學(xué)。然而，虛擬仿真實驗作為專業(yè)實驗教學(xué)的一種新型的方式和手段，在實施過程中也存在各種各樣的問題，如實驗內(nèi)容的設(shè)置、實驗教學(xué)能否達到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)等仍需通過相關(guān)的實踐來進行檢驗。本文以北京工業(yè)大學(xué)建環(huán)專業(yè)為例，對虛擬仿真實驗在建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用進行初步的探索，對實施過程中存在的問題進行分析，并提出相應(yīng)的解決方法，以進一步完善虛擬仿真實驗教學(xué)，提升其教學(xué)效果。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)實踐

（一）虛擬仿真實驗平臺的搭建

針對現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合北京工業(yè)大學(xué)建環(huán)專業(yè)理論教學(xué)和實驗教學(xué)的實際，學(xué)校先期開發(fā)了“空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能及風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試虛擬仿真實驗平臺”“室內(nèi)環(huán)境氣流組織仿真模擬平臺”“建筑能耗分析仿真實驗平臺”等虛擬仿真實驗平臺，并設(shè)計了相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，用于現(xiàn)有專業(yè)實驗的補充與拓展。利用上述虛擬仿真平臺，在2013級、2014級、2015級、2016級本科實驗教學(xué)中進行了虛擬仿真實驗的教學(xué)實踐，取得了較好的教學(xué)效果。

（二） 虛擬仿真實驗教學(xué)的實施

選取北京工業(yè)大學(xué)“空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試虛擬仿真實驗”為例，對虛擬仿真實驗的實施情況進行介紹。

該實驗在“空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能及風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試虛擬仿真實訓(xùn)平臺”上完成。該實驗平臺開發(fā)的主要目的是克服實地測量真實風(fēng)管系統(tǒng)的不便，通過虛擬仿真實驗，學(xué)生能夠更直觀、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)并應(yīng)用管網(wǎng)壓力分布圖、風(fēng)機性能曲線、管網(wǎng)特性曲線以及風(fēng)機與管網(wǎng)匹配等理論知識，初步掌握風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試的原理和方法[8]。

空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的平衡調(diào)試是空調(diào)系統(tǒng)安裝完成、系統(tǒng)正式運行前的重要環(huán)節(jié)，是通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)工程質(zhì)量施工驗收的重要內(nèi)容。調(diào)節(jié)各送風(fēng)口的送風(fēng)量與總風(fēng)量，使之符合設(shè)計要求是風(fēng)量調(diào)試的首要任務(wù)，也是保證空調(diào)系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)其系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的基礎(chǔ)。

1.實驗?zāi)康?/p>

該實驗的目的：一是了解風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試的目的和相關(guān)規(guī)范要求;二是掌握風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試的基本方法和步驟。

2.實驗對象

該虛擬實驗的對象是一棟建筑的空調(diào)風(fēng)路系統(tǒng)。該建筑長46 m、寬17 m、高5 m（如圖1）?？照{(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)定風(fēng)量系統(tǒng)，室內(nèi)要求保持5Pa微正壓。系統(tǒng)設(shè)計的總風(fēng)量為33 600 m3/h，新/回風(fēng)量分別為4 000 m3/h和29 600 m3/h。新風(fēng)干管尺寸為500 mm×500 mm， 回風(fēng)風(fēng)干管尺寸為100 mm×100 mm;管路上共有28個送風(fēng)口，其中靠近左、右側(cè)墻的8個風(fēng)口（1#、2#支管上的風(fēng)口1、3，和6、7#支管上的風(fēng)口2、4）送風(fēng)量為1 700 m3/h，送風(fēng)口尺寸為425 mm × 425 mm，其余20個風(fēng)口的風(fēng)量為1 000 m3/h，送風(fēng)口尺寸為350 mm×350 mm。為進行風(fēng)系統(tǒng)的平衡調(diào)試，在主管道和分支管道上均設(shè)置有風(fēng)閥，共37個。通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥，改變管道局部阻力，從而調(diào)整系統(tǒng)的風(fēng)量分配。

3.調(diào)試目標(biāo)

調(diào)試后系統(tǒng)總風(fēng)量、新/回風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量的偏差不大于10%，風(fēng)口風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量的偏差不大于15%，符合《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（ GB50243-2016）[9]的要求。

4.調(diào)試前準(zhǔn)備工作

學(xué)生在系統(tǒng)進行調(diào)試前，需進行如下的準(zhǔn)備工作：1）查閱《空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試與運行》《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》等相關(guān)資料，了解實際工程中系統(tǒng)調(diào)試的一般規(guī)定和主要內(nèi)容;2）了解調(diào)試系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)及資料，準(zhǔn)備好要測量的風(fēng)管系統(tǒng)圖及平面風(fēng)管、風(fēng)口編號圖;3）確定相關(guān)的設(shè)備是否可以開啟;4）檢查風(fēng)管及閥門安裝的實際情況，如與設(shè)計圖不符應(yīng)作記錄;5）備齊及整理所需的儀器及工具，保證所用儀器在使用前均經(jīng)過校檢，相關(guān)操作人員熟悉檢測儀表的操作方法和技巧;6）熟悉和掌握風(fēng)管系統(tǒng)風(fēng)管和風(fēng)口處風(fēng)量測量的主要方法及測點布置原則;7）理解和掌握風(fēng)量調(diào)試的原理和主要方法：流量等比分配法和基準(zhǔn)風(fēng)口調(diào)整法。盡管是虛擬仿真調(diào)試，但準(zhǔn)備工作仍然按實際工程中系統(tǒng)調(diào)試的要求進行。

5.調(diào)試方案的編制

完成上述準(zhǔn)備工作后，編制相應(yīng)的調(diào)試方案。內(nèi)容包括調(diào)試依據(jù)、系統(tǒng)概況、進度計劃、調(diào)試準(zhǔn)備、采用的調(diào)試方法、調(diào)試施工安排、安全操作等內(nèi)容。

6.調(diào)試工作的進行

根據(jù)所采用的調(diào)試方法，編寫調(diào)試步驟。在確定調(diào)試步驟可行后，依據(jù)調(diào)試步驟開展相應(yīng)的調(diào)試工作，具體過程這里不作詳細(xì)贅述。

由于調(diào)試試驗是在仿真模擬平臺上進行的，風(fēng)管上風(fēng)量及風(fēng)口處風(fēng)量的測量等在此次實驗中并不涉及。模擬實驗中只涉及改變不同路上風(fēng)閥的大小以調(diào)節(jié)流量來完成系統(tǒng)的調(diào)試。

7.數(shù)據(jù)記錄與處理

依據(jù)調(diào)試步驟完成風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試。當(dāng)達到調(diào)試指標(biāo)要求后，在《管網(wǎng)風(fēng)量平衡調(diào)試記錄表》中記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，評價調(diào)試結(jié)果;在系統(tǒng)單線透視圖上標(biāo)出調(diào)節(jié)閥門的開度。

調(diào)試過程結(jié)束后，在系統(tǒng)單線透視圖上標(biāo)出調(diào)節(jié)閥門的開度，填寫管網(wǎng)風(fēng)量平衡調(diào)試記錄。以調(diào)試后風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量偏差，以及調(diào)試完成時間為實驗考核成績評定依據(jù)。

（三）虛擬仿真實驗教學(xué)的評價

通過該仿真模擬實驗的實施，學(xué)生完整地走完了實際工程中空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試的所有流程，該流程與實際工程調(diào)試并無差別。學(xué)生通過該實驗訓(xùn)練，了解了風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試的目標(biāo)和要求，掌握了系統(tǒng)調(diào)試的原理和方法，熟悉了風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試的步驟和過程，具備了獨立制定空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試方案的能力，這對其工程能力及意識的提升將有極大的幫助。同時，參與實驗全過程，也加深了學(xué)生對所學(xué)管網(wǎng)知識的理解。

盡管仿真實驗對學(xué)生實踐能力的提升有較大的幫助，但在此次實驗的調(diào)試過程中，較為重要的風(fēng)口及風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)量測量過程在模擬實驗中卻無法有效完成，這顯然不利于學(xué)生實際動手能力的鍛煉。好在在先修課程建筑環(huán)境測試技術(shù)的課程實驗中設(shè)置了風(fēng)管及風(fēng)口風(fēng)量測量的實驗，學(xué)生在該實驗中已經(jīng)掌握了風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)量測量的方法，以及相關(guān)測量儀器的選擇和操作，這可作為此次調(diào)試實驗的補充?？梢?，對于虛擬仿真實驗中由于軟、硬件條件的限制，無法實施模擬的實驗過程，可采用傳統(tǒng)實驗來實現(xiàn)，以充分發(fā)揮兩者

各自的優(yōu)勢，又相互彌補不足，最終到達提升學(xué)生實踐能力的目的。

在虛擬仿真實驗成績的評定方面，單一依靠虛擬仿真調(diào)試的數(shù)據(jù)記錄并不能反映學(xué)生的綜合能力和水平，考核內(nèi)容應(yīng)該涵蓋實際調(diào)試過程中所涉及的各個方面，如系統(tǒng)的單線圖是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能否正確表達原系統(tǒng)設(shè)計，標(biāo)注的數(shù)據(jù)是否正確;是否掌握風(fēng)量的測試方法以及測量儀器的選擇原則;是否掌握風(fēng)量的平衡調(diào)試原理和方法，能否正確地編制調(diào)試方案和步驟;調(diào)試結(jié)果是否達標(biāo)等，這樣才能使分?jǐn)?shù)評定更接近于完成實際工程的情況。

為了更好地了解學(xué)生對虛擬仿真實驗的認(rèn)識，以及實踐過程中存在的問題，對參加實驗的74名本科生進行了問卷調(diào)查。調(diào)查的主要內(nèi)容包括有無必要開設(shè)虛擬仿真實驗、開設(shè)虛擬仿真實驗的好處、虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗的關(guān)系、虛擬仿真實驗的不足等方面，調(diào)查結(jié)果如下。

（1）您認(rèn)為建環(huán)學(xué)科有必要開設(shè)虛擬仿真實驗嗎？ [單選題]

選項

小計

比例

沒有必要

10

13.51%

有必要，模擬仿真是趨勢

64

86.49%

有效填寫人次

74

（2）您覺得虛擬仿真實驗教學(xué)最有用的方面是什么？ [多選題]

選項

小計

比例

專業(yè)課程成績的提升

26

35.14%

對專業(yè)課程理論知識的掌握

58

78.38%

可以給課程增加一些樂趣

44

59.46%

對于將來就業(yè)有幫助

22

29.73%

可以提高自己分析和解決問題的能力

50

67.57%

有效填寫人次

74

（3）傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗?zāi)J(rèn)為哪個對您的學(xué)習(xí)能力有幫助？ [多選題]

選項

小計

比例

傳統(tǒng)實驗（傳統(tǒng)實驗可以提高動手能力和操作技能）

14

18.92%

虛擬仿真實驗（虛擬仿真實驗是未來發(fā)展的趨勢）

22

29.73%

虛擬仿真實驗（虛擬仿真實驗技術(shù)含量高）

8

10.81%

兩個都有幫助

48

64.86%

有效填寫人次

74

（4）您認(rèn)為虛擬仿真實驗的不足主要體現(xiàn)在哪些地方？ [多選題]

選項

小計

比例

對自己的動手能力沒有提升

22

29.73%

沒有機會熟悉測量儀器的使用

28

37.84%

不了解仿真軟件編制的背景，感覺像在玩游戲，不像做實驗

36

48.65%

對實驗原理不能進行深入了解

36

48.65%

實驗結(jié)果千篇一律，不能體現(xiàn)出差異

12

16.22%

實驗中體現(xiàn)不出團隊意識和合作精神

14

18.92%

和真實實驗的感覺有差距，實驗過程過于理想化

36

48.65%

實驗過程中不會出現(xiàn)實際實驗中可能出現(xiàn)的各種問題，無助于解決問題能力的提升

24

32.43%

有效填寫人次

74

通過上述調(diào)查，可以看出虛擬仿真實驗的開設(shè)得到了絕大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可，虛擬仿真實驗的實施效果也得到了多數(shù)學(xué)生的肯定。但同時學(xué)生也認(rèn)識到虛擬仿真實驗存在的不足，如虛擬仿真實驗和真實實驗差距大、過程過于理想化、沒有出現(xiàn)真實實驗中可能出現(xiàn)的突發(fā)性問題、不能熟悉測量儀器的使用等。另外，不了解仿真軟件編制背景，也在一定程度上影響了學(xué)生對實驗結(jié)果的深入分析和判斷，需要在將來的虛擬仿真實驗教學(xué)中進一步改進。

三、結(jié)語

建環(huán)專業(yè)是一個實踐性很強的專業(yè)。針對建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)當(dāng)前存在的突出問題，開設(shè)虛擬仿真實驗是提升實驗效果的有效途徑。但虛擬仿真實驗的開設(shè)應(yīng)結(jié)合學(xué)校和專業(yè)的教學(xué)實際和學(xué)科特點，在實驗內(nèi)容設(shè)定、實驗過程實施等方面密切聯(lián)系理論課程及傳統(tǒng)實驗教學(xué)，才能全面提升學(xué)生的實踐能力和綜合素質(zhì)。針對虛擬實驗中存在的問題，應(yīng)堅持能“實”不“虛”的原則，虛實結(jié)合才是解決問題的根本途徑。

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Practical exploration of virtual simulation experiment teaching in building

environment and energy application engineering

LI Junmei， SUN Yuying， QIAO Yaxin

（College of Architecture and Civil Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， P. R. China）

Abstract：

Taking the virtual simulation experiment of ventilation system balance adjusting as an example， the application of virtual simulation experiment to undergraduate experimental teaching in building environment and energy application engineering is explored. The implementation results show that although virtual simulation experiment can make up for the deficiencies in conventional experimental equipment， such as insufficient experiment instruments， experiment venues， teaching expenses， etc.， and can enrich the experimental resources， it is low-cost， high efficiency， and strong scalability. There are still certain problems of this kind of experiment. Practical teaching and traditional experiment for undergraduates should be considered for virtual simulation experimental platform developing， experiment content setting， process implementation and grade evaluation. Virtual experiments and conventional experiments should complement each other， so as to achieve the purpose of improving the experimental teaching level and teaching effect.

Key words： virtual simulation; building environment and energy application engineering; experimental teaching; teaching for undergraduates

（責(zé)任編輯 王 宣）