虛擬仿真實驗技術輔助建環(huán)實踐體系構建

魏莉莉 邵璟璟 王立娟 張麗娜

摘? 要：建環(huán)專業(yè)是典型的工科專業(yè)，主要面對暖通空調系統(tǒng)。工程實踐中，系統(tǒng)復雜、時效性強，實踐教學環(huán)節(jié)無法深入?yún)⑴c工程實踐，退化為參觀式實踐，不能滿足應用型人才實踐能力培養(yǎng)的要求。虛擬仿真實驗通過信息技術和人機交互，與實體實踐教學相互補充，大大增強了實踐教學的深度和廣度，增強了學生學習的自由度，提升了學生的應用實踐能力。

關鍵詞：虛擬仿真實驗;應用型本科;實踐能力

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）25-0074-04

Abstract： Building environment and energy engineering is a typical engineering major， mainly facing HVAC systems. In engineering practice， the system is complex and time-sensitive. The practice teaching link cannot deeply participate in engineering practice， degenerates into a visit-based practice， and cannot meet the requirements for practical ability training of applied talents. To promote the practical ability of students， virtual simulation experiments are developed by information technology and human-computer interaction. The practical teaching is strongly enlarged in time and profundity. Both freedom and motivation of learning is increased. The learning effect agrees with this teaching mode strongly.

Keywords： virtual simulation experiments; application-oriented undergraduate; practical ability

在信息化和工業(yè)化發(fā)展的背景下，教育部印發(fā)了《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》及《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，要求高等教育與信息技術進行深度融合，對人才培養(yǎng)模式進行創(chuàng)新，要求高等學校的人才培養(yǎng)模式從知識技能型向應用創(chuàng)新型轉變[1]。虛擬仿真實驗技術是隨著計算機和網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展而逐漸成熟和完善的，虛擬實驗室就是利用分散的信息和通信技術以創(chuàng)造及獲取成果為目的，在科研與其他創(chuàng)造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子實驗平臺[1-3]。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果[4]。

建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)（以下簡稱建環(huán)）是典型的工科專業(yè)，主要培養(yǎng)建筑環(huán)境營造和建筑能源系統(tǒng)領域應用研究能力和應用實踐能力相統(tǒng)一的復合型高級工程技術與管理人才，應具備設計、施工、管理的相關知識。但營造建筑環(huán)境的暖通空調系統(tǒng)與建筑緊密配合，施工范圍大、周期長，且大部分是隱蔽工程，傳統(tǒng)的實踐教學過程難以對系統(tǒng)全貌進行參觀認識，對施工過程的參與也只能是一小片段，且受到安全性的限制，實習企業(yè)更加限制學生生產(chǎn)現(xiàn)場實習的時間與空間，要求不準動、不準碰，只能在規(guī)定時間內“看”，進一步導致學生參與度低，效果差[5-9]。因此，系統(tǒng)施工相關的實踐環(huán)節(jié)一直是教學過程的短板，不能滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對人才的要求。我校建環(huán)專業(yè)在省級建筑節(jié)能工程中心的基礎上，通過分析教學過程的痛點，開發(fā)建設了練、考一體的虛擬仿真實驗教學平臺，大大提升了學生的實踐能力[10-11]。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設思路

結合建環(huán)專業(yè)實踐性強、系統(tǒng)規(guī)模大、實踐能力要求高的特點，虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)堅持“虛實互補、能實不虛、規(guī)范引領”的原則。以“實”的系統(tǒng)認識起步，通過各種參觀、實習過程，對系統(tǒng)整理有概念性認識;以“虛”的系統(tǒng)原理教學來展示各設備、部件直到系統(tǒng)整理的原理和流程，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體的認識;以“實”的系統(tǒng)施工安裝和運行操作參觀、參與，實現(xiàn)系統(tǒng)實踐入門;以“虛”的工具選擇、設備安裝、線路連接、安裝調試、運行管理、參數(shù)檢測、性能評價一系列過程，實現(xiàn)對施工過程和運行管理過程的模擬，將工程實踐中獲得的零散的、片面的施工安裝知識和認識串聯(lián)成系統(tǒng)的、完整的實踐過程;回歸“實”的系統(tǒng)施工和運行管理實踐，在畢業(yè)實習過程中，結合工作內容，實現(xiàn)系統(tǒng)實踐知識的“落地”。所有的安裝、調試、操作過程均應符合相應規(guī)范、標準的要求，在必要的環(huán)節(jié)給出規(guī)范提示，加強學生的規(guī)范意識。

二、虛擬仿真實驗內容

以省級實驗教學示范中心——節(jié)能工程中心為依托，針對暖通空調系統(tǒng)實踐教學中的痛點、難點，基于3D仿真技術，使用unity3d、Visual studio等工具開發(fā)了暖通空調虛擬仿真實驗教學平臺，建立了相應的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，主要分為兩大模塊：設計模塊和操作模塊。

（一）設計模塊

設計模塊重現(xiàn)系統(tǒng)設計過程，但與傳統(tǒng)設計過程有所區(qū)別。傳統(tǒng)的設計過程根據(jù)建筑、結構圖紙及工程基本信息，進行分析、計算、方案設計、繪圖，最終生成平面圖紙。對于設計結果的合理性、運行效果，設計者無法判斷;而運行過程的結果缺少反饋路徑，因此設計和運行是割裂的。

本設計模塊在工程資料的基礎上，簡化了計算量、方案設計和繪圖過程，重點考察以下兩點：

1. 計算方法和計算結果，及據(jù)此做出的設備選型。根據(jù)選型結果判斷設計過程的掌握程度。

2. 以設計結果導入系統(tǒng)的運行操作模塊，是本設計模塊的核心價值。系統(tǒng)設計與操作緊密相關，設計的正確性和合理性直接決定了系統(tǒng)性能。因此，系統(tǒng)操作模塊與設計模塊的聯(lián)動反作用于設計模塊，使學生進一步掌握設計的理念和方法。

（二）操作模塊

系統(tǒng)操作模塊重點強調系統(tǒng)安裝、調試及正常運行過程的啟停操作，和對系統(tǒng)運行效果的分析。主要包括以下子模塊

1. 系統(tǒng)認知

虛擬仿真實驗與現(xiàn)有實體實驗室空調系統(tǒng)實驗裝置1：1設置，學生的認知實驗采用虛實結合的方式，實體實驗室中對系統(tǒng)的各部件、設備進行參觀、認識，虛擬實驗系統(tǒng)中更詳細的闡述各設備的原理、三維結構、系統(tǒng)流程，設備內部結構可視化，學生可以隨時隨地進行認識深入而不受時間、空間的限制。

2. 施工實驗

系統(tǒng)的安裝與調試在系統(tǒng)認知實驗的基礎上，學生頭腦中已對目標有清晰的認識，更加有的放矢。按照科學的順序，從工具庫中選擇恰當?shù)墓ぞ撸捎谜_的操作方法完成施工過程，相當于在虛擬場景中模擬了工程施工全過程，不必顧慮安全性和實效性，可以多次犯錯、返工。虛擬操作結合生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習等實踐教學過程中工程現(xiàn)場的認識能夠較好的掌握建筑設備施工安裝技術。

3. 安裝調試

系統(tǒng)調試是系統(tǒng)正常運行的先決條件，根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定的步驟對必要的環(huán)節(jié)實施調試，使學生強化規(guī)范意識，掌握調試方法和步驟。

4. 運行操作與管理

系統(tǒng)安裝完成后的運行管理也是實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行的重要環(huán)節(jié)。實驗內容包括以下部分：（1）系統(tǒng)的啟停操作。掌握基本的運行規(guī)律基礎上，按一定的邏輯順序啟動/停止各閥門、設備，實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行。（2）啟動、運行過程中的故障診斷。運行過程中各個環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的狀況在虛擬仿真實驗平臺再現(xiàn)，通過現(xiàn)象觀察、參數(shù)檢測、原因分析，確定出現(xiàn)故障的位置、原因，并提出解決方案，完成故障排除操作，確保系統(tǒng)正常運行。（3）系統(tǒng)性能分析。運行過程中，通過典型參數(shù)的檢測，完成對系統(tǒng)性能的分析，也為系統(tǒng)的性能優(yōu)化奠定基礎。

5. 系統(tǒng)控制與調節(jié)

通過將系統(tǒng)的自動控制、調節(jié)過程虛擬化，學生掌握控制參數(shù)與控制結果間的規(guī)律，鞏固控制理論、理解控制方法。

6. 設計分析與選型優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)運行過程的參數(shù)現(xiàn)場檢測，引導學生發(fā)出疑問：運行效果節(jié)能性如何？根據(jù)系統(tǒng)的運行過程，判斷系統(tǒng)設計的合理性和先進性，并對應進行設備選型優(yōu)化，使學生在掌握基本設計規(guī)律的基礎上，進一步通過運行過程對設計結果進行反饋，使設計實踐形成閉環(huán)。

三、以虛擬仿真實驗體系支撐實踐能力培養(yǎng)

虛擬實驗不是獨立的、割裂的，而是與工程實踐緊密結合、互相支撐的體系。如圖1，虛擬實驗系統(tǒng)分為設計模塊、操作模塊，其中操作模塊各子模塊間以工程流程串聯(lián)，系統(tǒng)認知模塊與實體工程學習相互促進，保障認識的深度;施工操作、安裝調試、運行操作與管理、系統(tǒng)控制與調節(jié)模塊均屬于實踐中“做不了”的環(huán)節(jié)，在實踐過程中認識、了解，在虛擬實驗系統(tǒng)中實現(xiàn)，反饋回實踐過程驗證，在畢業(yè)實習環(huán)節(jié)中得以應用。設計模塊的結果反饋于系統(tǒng)運行過程中，通過參數(shù)分析、系統(tǒng)性能分析，判斷設計合理性并做出優(yōu)化改進。設計模塊和設計分析與選型優(yōu)化模塊以設計理論和方法為支撐，并在虛擬實驗中強化對設計理論的理解。所有的模塊都源自工程實踐，最終又反饋回對工程實踐的指導。

四、實驗教學原則與方法

（一）規(guī)范引領

虛擬仿真實驗教學過程中緊扣專業(yè)規(guī)范，設計、施工、調試、運行管理與分析環(huán)節(jié)皆有規(guī)范可查閱，強化學生的規(guī)范意識。

（二）虛實結合

虛擬仿真實驗不是獨立存在的，實體工程實踐教學對學生形成的沖擊力，遠遠強于畫面的效果。因此，虛擬仿真實驗教學是建立在實體實踐教學的基礎上。比如系統(tǒng)認知實踐，學生理論學習過程中已經(jīng)見多了各種設備的原理圖片、視頻等資料，系統(tǒng)的認知更加依賴于實體工程，虛擬仿真實驗是實體工程認知之后，對隱蔽工程、系統(tǒng)流程進行重新梳理，將學生參觀所見片面的、零散的印象整合為系統(tǒng)工程，同時對理論知識進行復習鞏固[11-12]。

（三）實踐與理論相結合

理論知識是支撐實驗體系的基本邏輯，因此系統(tǒng)的設計實驗、操作實踐均不能脫離理論而獨立存在。通過虛實結合的實踐教學過程，將學生頭腦中的理論知識調閱出來，融入實驗實踐過程，是實驗體系發(fā)揮作用的關鍵。教師引導學生理解、回顧每一實驗環(huán)節(jié)對應的理論知識，分析本實驗的現(xiàn)象、步驟和原因，起到理論和實踐互相促進的效果。

（四）練習與考核雙模式結合

為滿足學生練習和考核的多種需要，系統(tǒng)設置練習和考核兩種模式。練習模式中，學生對所有操作步驟進行不限次數(shù)練習，隨時可生成報表，查看出錯的位置和原因，進行有針對性的學習。考核模式下，根據(jù)系統(tǒng)的操作步驟和可能出現(xiàn)的問題設置出題規(guī)則，隨機生成個性化考核試題，并規(guī)定考核實踐，以檢測學生的掌握程度。

五、虛擬仿真實驗教學效果

暖通空調虛擬仿真實驗支撐多門課程，如暖通空調、建筑設備施工安裝技術、暖通空調運行管理等，將實體實驗實踐教學中“做不了、做不好”的部分虛擬化，實現(xiàn)“做得到、可重復”，極大的豐富了實踐教學環(huán)節(jié)的深度和廣度。

教學過程反饋結果，虛擬實驗系統(tǒng)對人才實踐能力培養(yǎng)的作用體現(xiàn)在以下方面：

1. 強化了規(guī)范意識。設計、施工、調試過程均做到“有規(guī)可依、有規(guī)必依”，規(guī)范融入實踐，效果遠高于說教。

2. 與校外實習基地有機互補，提高了實踐能力。虛擬實驗有機補充了實習基地的所學，并通過實體工程對虛擬知識進行驗證、落地，改善了實踐教學效果。

3. 拓寬實踐教學廣度，增強自學能力。虛擬仿真實驗改變了實踐教學生態(tài)，不受時長限制，隨時隨地可學，任意環(huán)節(jié)可重復，虛擬仿真的形式也激發(fā)了學習興趣，提高學習主動性。

4. 提高教師實踐能力。虛擬仿真實驗平臺建設過程要求實踐教學團隊提供規(guī)范化方案、典型參數(shù)、分析方法和邏輯，對教師隊伍的實踐能力提升起到了重要作用。

六、結束語

虛擬仿真實驗技術應用于建環(huán)專業(yè)暖通空調系統(tǒng)的設計、施工安裝、調試、運行操作與管理、分析過程，有效的彌補了傳統(tǒng)實習實踐環(huán)節(jié)無法參與的內容，增強了實踐教學的深度和廣度。虛擬實驗的方式使學習有更高的自由度，將抽象的理論轉化為新時代學生喜聞樂見的形式，也提高了學生的學習主動性。

參考文獻：

[1]杜月林，黃剛，王峰，等.建設虛擬仿真實驗平臺 探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：26-29.

[2]田婧，羅通，羅華鋒，等.新建本科院校虛擬仿真實驗室的建設及教學[J].實驗科學與技術，2015，13（6）：219-222+228.

[3]李平，毛昌杰.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32

（11）：5-8.

[4]中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[S].北京：中華人民共和國教育部，

2013.

[5]李炎鋒，杜修力，紀金豹，等.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014（9）：82-85.

[6]王菊，堵錫華，史小琴.應用型本科高校化學化工虛擬仿真實驗中心建設——以徐州工程學院為例[J].山東化工，2016，45（8）：118-120.

[7]吳鋒景，劉小娟，鄧繼勇，等.應用型本科高校中化工虛擬仿真實驗教學探索[J].廣東化工，2016，43（20）：204-205.

[8]孫育英，劉景東，王偉，等.虛擬仿真技術在建環(huán)專業(yè)實驗教學的應用[J].教育教學論壇，2016（5）：106-107.

[9]曾文杰，謝金森，程品晶，等.高校核專業(yè)虛擬仿真實驗教學建設探索——問題與對策[J].教育教學論壇，2017（25）：273-274.

[10]王海波，王立娟.節(jié)能工程中心虛擬實驗教學平臺的建設與探索[J].寧波工程學院學報，2017，29（4）：100-104.

[11]楊南粵，李爭名，戚宇恒.一站式虛擬實驗平臺的設計與建設[J].中國教育信息化，2016（7）：74-77.

[12]明仲，蔡茂國，朱安民.虛實結合建設高水平虛擬仿真實驗教學中心[J].實驗室研究與探索，2017，36（11）：146-150+165.

[13]徐守萍，許葳，王小燕.多維度協(xié)同共建金融虛擬仿真實驗教學云平臺[J].實驗室研究與探索，2016，35（8）：102-105.