虚拟仿真实验技术辅助建环实践体系构建

魏莉莉 邵璟璟 王立娟 张丽娜

摘  要：建环专业是典型的工科专业，主要面对暖通空调系统。工程实践中，系统复杂、时效性强，实践教学环节无法深入参与工程实践，退化为参观式实践，不能满足应用型人才实践能力培养的要求。虚拟仿真实验通过信息技术和人机交互，与实体实践教学相互补充，大大增强了实践教学的深度和广度，增强了学生学习的自由度，提升了学生的应用实践能力。

关键词：虚拟仿真实验;应用型本科;实践能力

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：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

在信息化和工业化发展的背景下，教育部印发了《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》及《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，要求高等教育与信息技术进行深度融合，对人才培养模式进行创新，要求高等学校的人才培养模式从知识技能型向应用创新型转变[1]。虚拟仿真实验技术是随着计算机和网络技术的快速发展而逐渐成熟和完善的，虚拟实验室就是利用分散的信息和通信技术以创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子实验平台[1-3]。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果[4]。

建筑环境与能源应用工程专业（以下简称建环）是典型的工科专业，主要培养建筑环境营造和建筑能源系统领域应用研究能力和应用实践能力相统一的复合型高级工程技术与管理人才，应具备设计、施工、管理的相关知识。但营造建筑环境的暖通空调系统与建筑紧密配合，施工范围大、周期长，且大部分是隐蔽工程，传统的实践教学过程难以对系统全貌进行参观认识，对施工过程的参与也只能是一小片段，且受到安全性的限制，实习企业更加限制学生生产现场实习的时间与空间，要求不准动、不准碰，只能在规定时间内“看”，进一步导致学生参与度低，效果差[5-9]。因此，系统施工相关的实践环节一直是教学过程的短板，不能满足经济社会发展对人才的要求。我校建环专业在省级建筑节能工程中心的基础上，通过分析教学过程的痛点，开发建设了练、考一体的虚拟仿真实验教学平台，大大提升了学生的实践能力[10-11]。

一、虚拟仿真实验教学中心建设思路

结合建环专业实践性强、系统规模大、实践能力要求高的特點，虚拟仿真实验教学系统坚持“虚实互补、能实不虚、规范引领”的原则。以“实”的系统认识起步，通过各种参观、实习过程，对系统整理有概念性认识;以“虚”的系统原理教学来展示各设备、部件直到系统整理的原理和流程，实现对系统整体的认识;以“实”的系统施工安装和运行操作参观、参与，实现系统实践入门;以“虚”的工具选择、设备安装、线路连接、安装调试、运行管理、参数检测、性能评价一系列过程，实现对施工过程和运行管理过程的模拟，将工程实践中获得的零散的、片面的施工安装知识和认识串联成系统的、完整的实践过程;回归“实”的系统施工和运行管理实践，在毕业实习过程中，结合工作内容，实现系统实践知识的“落地”。所有的安装、调试、操作过程均应符合相应规范、标准的要求，在必要的环节给出规范提示，加强学生的规范意识。

二、虚拟仿真实验内容

以省级实验教学示范中心——节能工程中心为依托，针对暖通空调系统实践教学中的痛点、难点，基于3D仿真技术，使用unity3d、Visual studio等工具开发了暖通空调虚拟仿真实验教学平台，建立了相应的虚拟仿真实验教学系统，主要分为两大模块：设计模块和操作模块。

（一）设计模块

设计模块重现系统设计过程，但与传统设计过程有所区别。传统的设计过程根据建筑、结构图纸及工程基本信息，进行分析、计算、方案设计、绘图，最终生成平面图纸。对于设计结果的合理性、运行效果，设计者无法判断;而运行过程的结果缺少反馈路径，因此设计和运行是割裂的。

本设计模块在工程资料的基础上，简化了计算量、方案设计和绘图过程，重点考察以下两点：

1. 计算方法和计算结果，及据此做出的设备选型。根据选型结果判断设计过程的掌握程度。

2. 以设计结果导入系统的运行操作模块，是本设计模块的核心价值。系统设计与操作紧密相关，设计的正确性和合理性直接决定了系统性能。因此，系统操作模块与设计模块的联动反作用于设计模块，使学生进一步掌握设计的理念和方法。

（二）操作模块

系统操作模块重点强调系统安装、调试及正常运行过程的启停操作，和对系统运行效果的分析。主要包括以下子模块

1. 系统认知

虚拟仿真实验与现有实体实验室空调系统实验装置1：1设置，学生的认知实验采用虚实结合的方式，实体实验室中对系统的各部件、设备进行参观、认识，虚拟实验系统中更详细的阐述各设备的原理、三维结构、系统流程，设备内部结构可视化，学生可以随时随地进行认识深入而不受时间、空间的限制。

2. 施工实验

系统的安装与调试在系统认知实验的基础上，学生头脑中已对目标有清晰的认识，更加有的放矢。按照科学的顺序，从工具库中选择恰当的工具，采用正确的操作方法完成施工过程，相当于在虚拟场景中模拟了工程施工全过程，不必顾虑安全性和实效性，可以多次犯错、返工。虚拟操作结合生产实习、毕业实习等实践教学过程中工程现场的认识能够较好的掌握建筑设备施工安装技术。

3. 安装调试

系统调试是系统正常运行的先决条件，根据相关规范规定的步骤对必要的环节实施调试，使学生强化规范意识，掌握调试方法和步骤。

4. 运行操作与管理

系统安装完成后的运行管理也是实现系统节能运行的重要环节。实验内容包括以下部分：（1）系统的启停操作。掌握基本的运行规律基础上，按一定的逻辑顺序启动/停止各阀门、设备，实现系统的正常运行。（2）启动、运行过程中的故障诊断。运行过程中各个环节可能出现的状况在虚拟仿真实验平台再现，通过现象观察、参数检测、原因分析，确定出现故障的位置、原因，并提出解决方案，完成故障排除操作，确保系统正常运行。（3）系统性能分析。运行过程中，通过典型参数的检测，完成对系统性能的分析，也为系统的性能优化奠定基础。

5. 系统控制与调节

通过将系统的自动控制、调节过程虚拟化，学生掌握控制参数与控制结果间的规律，巩固控制理论、理解控制方法。

6. 设计分析与选型优化

根据系统运行过程的参数现场检测，引导学生发出疑问：运行效果节能性如何？根据系统的运行过程，判断系统设计的合理性和先进性，并对应进行设备选型优化，使学生在掌握基本设计规律的基础上，进一步通过运行过程对设计结果进行反馈，使设计实践形成闭环。

三、以虚拟仿真实验体系支撑实践能力培养

虚拟实验不是独立的、割裂的，而是与工程实践紧密结合、互相支撑的体系。如图1，虚拟实验系统分为设计模块、操作模块，其中操作模块各子模块间以工程流程串联，系统认知模块与实体工程学习相互促进，保障认识的深度;施工操作、安装调试、运行操作与管理、系统控制与调节模块均属于实践中“做不了”的环节，在实践过程中认识、了解，在虚拟实验系统中实现，反馈回实践过程验证，在毕业实习环节中得以应用。设计模块的结果反馈于系统运行过程中，通过参数分析、系统性能分析，判断设计合理性并做出优化改进。设计模块和设计分析与选型优化模块以设计理论和方法为支撑，并在虚拟实验中强化对设计理论的理解。所有的模块都源自工程实践，最终又反馈回对工程实践的指导。

四、实验教学原则与方法

（一）规范引领

虚拟仿真实验教学过程中紧扣专业规范，设计、施工、调试、运行管理与分析环节皆有规范可查阅，强化学生的规范意识。

（二）虚实结合

虚拟仿真实验不是独立存在的，实体工程实践教学对学生形成的冲击力，远远强于画面的效果。因此，虚拟仿真实验教学是建立在实体实践教学的基础上。比如系统认知实践，学生理论学习过程中已经见多了各种设备的原理图片、视频等资料，系统的认知更加依赖于实体工程，虚拟仿真实验是实体工程认知之后，对隐蔽工程、系统流程进行重新梳理，将学生参观所见片面的、零散的印象整合为系统工程，同时对理论知识进行复习巩固[11-12]。

（三）實践与理论相结合

理论知识是支撑实验体系的基本逻辑，因此系统的设计实验、操作实践均不能脱离理论而独立存在。通过虚实结合的实践教学过程，将学生头脑中的理论知识调阅出来，融入实验实践过程，是实验体系发挥作用的关键。教师引导学生理解、回顾每一实验环节对应的理论知识，分析本实验的现象、步骤和原因，起到理论和实践互相促进的效果。

（四）练习与考核双模式结合

为满足学生练习和考核的多种需要，系统设置练习和考核两种模式。练习模式中，学生对所有操作步骤进行不限次数练习，随时可生成报表，查看出错的位置和原因，进行有针对性的学习。考核模式下，根据系统的操作步骤和可能出现的问题设置出题规则，随机生成个性化考核试题，并规定考核实践，以检测学生的掌握程度。

五、虚拟仿真实验教学效果

暖通空调虚拟仿真实验支撑多门课程，如暖通空调、建筑设备施工安装技术、暖通空调运行管理等，将实体实验实践教学中“做不了、做不好”的部分虚拟化，实现“做得到、可重复”，极大的丰富了实践教学环节的深度和广度。

教学过程反馈结果，虚拟实验系统对人才实践能力培养的作用体现在以下方面：

1. 强化了规范意识。设计、施工、调试过程均做到“有规可依、有规必依”，规范融入实践，效果远高于说教。

2. 与校外实习基地有机互补，提高了实践能力。虚拟实验有机补充了实习基地的所学，并通过实体工程对虚拟知识进行验证、落地，改善了实践教学效果。

3. 拓宽实践教学广度，增强自学能力。虚拟仿真实验改变了实践教学生态，不受时长限制，随时随地可学，任意环节可重复，虚拟仿真的形式也激发了学习兴趣，提高学习主动性。

4. 提高教师实践能力。虚拟仿真实验平台建设过程要求实践教学团队提供规范化方案、典型參数、分析方法和逻辑，对教师队伍的实践能力提升起到了重要作用。

六、结束语

虚拟仿真实验技术应用于建环专业暖通空调系统的设计、施工安装、调试、运行操作与管理、分析过程，有效的弥补了传统实习实践环节无法参与的内容，增强了实践教学的深度和广度。虚拟实验的方式使学习有更高的自由度，将抽象的理论转化为新时代学生喜闻乐见的形式，也提高了学生的学习主动性。

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