基于虚拟仿真技术的实验教学在建环专业的应用分析

李俊梅 简毅文 李炎锋 孙育英

摘要：实验教学是建筑环境与能源应用工程专业（建环专业）实践教学的重要组成部分，在培养学生的工程素质和创新能力方面一直扮演着十分重要的角色。针对当前专业实验存在的问题和社会发展对专业人才素质的新要求，提出将虚拟仿真实验教学引入建环专业实验教学中，分析了虚拟仿真实验相对于传统实验的优势及可能存在的问题。但虚拟仿真实验作为一种新型的教学手段和方法，其具体的实施效果仍需通过大量的实际实验进行检验。

关键词：虚拟仿真；建环专业；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0260-02

一、引言

建筑环境与能源应用工程专业（简称建环专业）是在原供暖通风与空调工程专业的基础上为适应经济技术和社会发展的需要，经过多次专业拓展、更名发展而来的，是一门跨行业、跨学科的新型交叉学科，专业范围涉及采暖、通风、空调、给排水、消防、新能源利用、城市燃气、建筑节能技术、建筑设施智能技术等多个领域，具有综合性强、专业覆盖面广、实践性强等特点[1]。建环专业的上述特点要求学生不仅具有坚实宽厚的理论基础和宽广的知识面，而且能根据不同的专业方向，具备解决复杂工程技术问题的实际能力。近年来，随着绿色建筑概念的推广，新能源、新技术和设备在建筑领域内的使用越来越普遍。大体量、复杂、超高层等类型建筑的出现，也对传统的暖通空调系统提出了更多和更高的技术要求。建筑技术的发展，使得社会对从事建环专业的技术人员的综合素质和能力以及知识储备的要求越来越高，迫切需要此领域内能适应现代建筑发展的高级工程技术人才，这也对高校建环专业在人才培养、课程的设置和实践教学环节方面提出了更高、更新的要求。

实验教学一直是建环专业实践教学的重要组成部分，是建立学生工程意识，培养学生的知识运用能力、创新能力和实践能力，提高学生综合素质的重要实践过程，同时也是学校开展教学、科研、生产实践三结合的重要场所[2-4]。但随着专业范围的拓展和社会发展对专业人才的知识和能力需求的不断提高，原来的实验在教学方法和内容上也存在诸多问题，迫切需要改进，以适应社会发展对人才培养的要求。

二、传统实验教学存在的问题

1.实验场地不足，实验设备更新换代慢。随着高校招生规模的不断扩大，建环专业在实验教学方面，同大多数专业一样，也存在着实验形式、内容、要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾。实验场地小，仪器、设备数量的不足使得以小组为单位的实验无法展开；实验经费的相对短缺使得实验所用仪器的投入、设备维护、更新换代慢，这都在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。

2.实验内容的设置和实验手段不能适应专业发展和社会对专业人才能力培养的要求。传统的建环专业实验教学基本上是按照先理论后实验、先基础后专业的顺序设置实验教学的。实验内容多是根据理论课程的内容而设置的验证性实验，设计性和综合性实验少，如风机性能实验、空气加热器性能实验、风管内风量测试、干湿球温度测量、除尘器性能实验等。实验过程中学生只需要记录有关的测量数据，然后进行一般性的处理计算，综合能力得不到能力提高。另一些虽说是综合性实验，如水泵性能与管网匹配实验、空气处理过程实验、制冷压缩机性能实验等，但多是在模型实验台上完成的，与这些设备在实际系统中的应用相差甚远。由于设置的实验内容与实际工程应用联系不紧密，实验可用性不强，导致一些学生无法将实验的内容与实际工程相联系。有些学生上过实验课之后仍不知道如何把实验课中用到的测量工具、测量方法应用到实际的工程中。另外，由于建筑环境控制系统涉及设备众多，系统构成复杂，传统的单一跟随理论课程的实验内容设置尽管可强化学生对各学科知识的理解，却忽视了各学科之间的内在联系，不利于学生综合能力的提高和工程素质的培养。将专业实验与实际工程相结合，在实际工程中开展建环专业的相关实验，尽管可以得到较真实的实验结果，但实际操作起来并不现实，而且此类实验费用高、周期长，会对建筑物的正常运行和内部人员的舒适性造成影响。另外，实际工程也不可能涵盖所有专业相关的设备和技术，有些实验如建筑火灾蔓延及控制实验也不可能在真实的、正在使用的建筑物中完成。

三、将虚拟仿真引入建环专业的实验教学

随着信息技术的发展，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术搭建建筑环境控制系统虚拟仿真综合实验平台使专业实验与实际工程相结合的实验设想成为可能[5，6]。建筑环境控制系统虚拟仿真实验平台可以由多个独立的专业模块构成，各专业模块可以根据需要增加或删减，每个模块可以单独完成所涉及的专业实验，同时，各模块也可相互联合完成一个整体实验。虚拟仿真实验的优势在于以下几方面。

1.与传统實验教学相比，虚拟仿真实验不仅可以弥补实验教学在实验设备、场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源，降低实验成本，而且学生可以突破传统实验的限制，利用虚拟仿真实验平台几乎无成本地进行各种实验工况设计，反复操作，比较实验结果，提高了实验教学的质量和效率。

2.虚拟仿真技术可实现专业实验与实际工程的完美结合。虚拟仿真实验平台可以将建筑物、各种管道设备逼真地呈现在虚拟现实中，学生如同身临其境进行实验，有利于学生将工程素质的培养和专业学科知识之间有机融合。

3.虚拟仿真实验可以满足不可实验或难以实现的实验教学环节的要求。建环专业学科专业性强，涉及的领域较多，各种设备、系统种类繁多。对于一些成本高、投入大、实验能耗大的实验，如冷热源系统的性能测试、危险性和破坏性较大的建筑火灾蔓延及控制技术实验、实验效果没有虚拟灵活高效的智能建筑控制实验、暖通管道仿真实验等，虚拟仿真系统具有无可替代的优势。学生只需在计算机终端进入虚拟实验平台，在虚拟平台上运用虚拟设备进行实验操作，即可达到实验教学的目的和要求。

四、结论与建议

实验教学是建环专业实践教学的重要组成部分，能培养学生较强的实际工程技术思维能力、实践能力和创新能力，是提高学生综合素质的重要过程。将虚拟仿真实验引入建环专业实验教学进一步丰富了实验教学的内容和手段，有利于学生工程素质的培养和综合能力的提升。但我们也应看到，虚拟实验教学不能完全代替真实实验教学，而真实实验教学也不能完全代替虚拟实验教学，两者相互补充才能更好地提高教学质量和教学效果。再者，虚拟仿真实验作为建环专业实验教学的一种新型的实验方式和手段，其实施的效果如何，能否达到专业人才培养的需要，仍需通过更多的虚拟仿真实验的实践来检验。

参考文献：

[1]教育部.普通高等学校本科专业目录（2012年）[Z].2012.

[2]李俊梅，简毅文，尹晨晨，等.建环专业实践教学的改革探索[J].教育研究通讯，2013，（2）：79-83.

[3]赵修萌.建筑环境与设备工程试验探索研究[J].实验室科学，2010，13（6）：110-113.

[4]李志生，王晓霞，刘旭红.建筑环境与设备工程专业实验平台的开发[J].高等建筑教育，2009，18（4）：123-125.

[5]杨红霞.建筑工程虚拟仿真实验室建设的必要性例证[J].山东英才学院学报，2014，10（1）：31-33.

[6]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高实验室教学信息化水平[J].實验室研究与探索，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