虚拟仿真在建筑环境与能源应用工程专业实践教学中的应用

李 钊 李奕霖 王 非 王 昕 陈剑波

（上海理工大学建筑环境与能源工程系 上海 200093）

在当今公共卫生事件全球突发的背景下，在线教育已经成为当今社会教育方式的重要组成部分。我国在线教育自MOOC以来也有了长足的发展。在高等教育领域，据统计，疫情期间，全国普通本科高校全部实施了在线教学，108万名教师开出110万门课程，合计1719万门次，在线学习的大学生人次达23亿[1]。在线教育的发展促进了优质教育资源共享，推进了教育均衡发展，突破传统教育时空局限，服务全民终身学习，革新传统教育流程，带动教学结构变革[2]。

虽然目前在线教育得到了较大且较快的发展，但是飞速的发展也为在线教育带来了一些问题。教师需要避免将传统线下教育机械搬到线上，成为线上“填鸭教学模式”；学生方面，“新旧数字鸿沟”的存在使在线教育促进教育公平方面的成效大打折扣；而对于学校，则需要集中解决在线教育资源供给问题[3,4]。

在线教育除了在宏观层面存在一定问题，在具体的教学内容方面也存在一定缺陷，最主要体现在实践课程教育上。对于MOOC资源自主学习，教师直播进行授课和答疑的在线教学模式，对以理论为主的课程或实践较少的课程具有一定效果，但实践类课程教学十分注重学习的过程性，而过程性评价不足，学生高阶思维能力培养缺失等现象影响了实践类教学效果，而目前面向全在线授课，使实践类课程教学存在的这些问题更加突出[5]。

对于建筑环境与能源应用工程（以下简称建环）专业，专业教育的目的之一是为行业培养专业知识过硬，具备解决复杂工程问题能力的专业人员，而由于建环专业的特殊性，实践类教育十分重要。虽然在不同高校中建环专业设置的实践类教学环节有细微的区别，但在传统的建环专业教育中，实践类教育主要包括专业认识实习、专业生产实习两大部分，此外根据学校自身发展定位，可以设置金工实习、创新创业实践、毕业实习等不同的环节。在特殊时期，这些实践教学环节在线下都无从开展，而普通的在线直播式的教学模式也无法锻炼学生对实际的认知以及动手能力。在此背景下，借助虚拟现实（Virtual Reality：VR）技术，数字孪生（Digital Twins）等技术发展为创建新的建环专业实践类课程教学模式提供了良好的契机与工具。

1 虚拟仿真技术的发展

虚拟现实（Virtual Reality）技术在目前的技术条件下，是一种以计算机技术为基础，通过特定感知设备的输入输出功能，在用户视觉映像中构建一个虚拟的、非物理存在的环境[6]。数字孪生（Digital Twins）则是通过多维虚拟模型和融合数据双驱动，以及物理对象和虚拟模型的交互来描述物理对象的多维属性，刻画物理对象的实际行为和状态，分析物理对象的未来发展趋势，实现对物理对象的监控、仿真、预测、优化等[7]。VR技术所涉及的技术因素角度，系统构成较为复杂，需要借助互联网以及计算机[8]。因此VR、DT等技术的兴起，也为在线教学的发展提供了必要的保障。

对于完备的VR、DT技术，对软、硬件的要求较高，如全景照相、摄像设备、全景一体机设备、VR眼镜和VR一体机等。系统成本较高，因此在条件有限的情况下，可以采用虚拟仿真的形式来进行实践教学的安排。

2 建环专业实践教学虚拟仿真化的必要性

建筑环境与能源应用工程是一门多学科基础，以应用为主，解决能源、人与环境问题的学科。而在社会发展历程中，能源问题在不同的历史阶段中也反复出现。近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源问题已成为整个社会迫切需要解决的问题之一，建设一个节约型社会是我国一项重大的国策，而建筑能耗占社会总能耗的40%-50%。而空调能耗又占了到建筑能耗中最大的比例。双碳计划的提出要求我国在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，而建筑节能发展至今各项技术已趋成熟，进一步的节能减排需要在建筑节能发展基础上探寻新的路径。随着5G、物联网（IoT）、大数据、数字孪生等技术的高速发展，智慧建筑是未来建筑行业的发展方向。利用高速发展的信息化技术，充分提升智慧建筑空调系统机房能效，是绿色建筑、智慧建筑技术中的重要组成部分。

建环专业由于专业的特殊性，其专业实践教育在整个专业的人才培养体系中占据了重要地位。在专业中的各类认识实习、生产实习是建环专业学生在走上工作岗位前深入接触本专业实际设备、系统的唯一机会。但是对于一个实际建筑的人工环境控制系统，其影响因素众多，并且实际系统具有众多高温设备（锅炉、板式换热器）、高压设备（如制冷机组）、高速转动设备（水泵），并且强电用电设备较多，虽然目前各类人工环境控制系统自动化程度已经较高，但是仍需要经专业训练的工作人员进行专门的运行维护及部分调节操作，否则易造成设备的损坏或影响人身安全。即便有实际的工程项目与集中空调系统可供学生进行运行调节实验，也无法在短时间内实现全年气候变化下或不同室内负荷条件下的系统运行调节训练，实际工程项目的集中空调系统运行调节实验的时间成本、经济成本都较高。为此，本校也创新提出基于模块化的集中式空调缩尺模型实验平台，通过不同模块的组合，模拟实际集中式空调系统的运行并提供给学生进行运行调节实验，但是模块化缩尺实验只能为学生提供基本专业知识的验证与模拟，也缺乏丰富的实验工况，从而无法有效为学生提供创新创业技能的培训。

因此实际工程项目只能为学生提供简单参观学习的机会，而实验室中的小型系统为缩尺模型，在运行调节特性上与大型建筑中的人工环境控制系统运行调节规律有较大区别，且无法为学生提供深入探索与试错的机会，从而无法让学生对各因素造成的系统影响规律形成宏观的印象，学生将无法真正掌握实际建筑集中空调系统调节运行管理的方法。

3 建环专业实践教学虚拟仿真路径

根据以上分析的建环专业实践教学虚拟仿真实验的必要性，建环专业可以从虚拟仿真方法路线、教学方法创新以及虚拟仿真覆盖面的拓展三个角度来考虑虚拟仿真路径。

3.1 建环专业虚拟仿真方法路线

建环专业可以按照“了解参数—认识系统—探索方法”的方法路线进行实践课程的虚拟仿真。首先需要对空调系统的基本运行参数进行了解，在相应正确的位置获取正确的数据，在了解参数的基础上，认识各种参数变化对制冷系统、空调系统甚至整个智慧建筑造成的影响，如室外空气温湿度、室内温湿度设定、室内负荷变化等对冷却水供回水温度、冷冻水温度、室内温湿度等参数的影响。因此，认识系统的基础要基于完善的数据库，可以提供学生认识系统在不同工况下的运行情况。最后，需要学生探索在工况变化条件下，怎样对空调系统、制冷系统进行调节，如制冷机组的加载减载、容量的调节、冷冻水流量的调节等。

综上，建环专业建立虚拟仿真实验平台核心要素的仿真度体现在：对实际系统设备对应的实体模型的仿真，包括冷却塔、制冷机组、空调箱等系统核心部件；对部分操作的仿真，如阀门的调节、温度、流量的测量，采用实体测量仪器的模型进行操作仿真，在正确的位置正确的测量数据；对系统运行数据的仿真，包括设备在不同工况下的性能参数，如制冷机组不同负荷率下的COP，水泵的性能曲线、管道的阻力特性、负荷特性等，通过实际运行数据进行拟合或通过理论计算公式获得。

3.2 教学方法创新

教学首先通过线上线下虚实结合实施。虚拟仿真平台可以为学生提供近似实际工程项目运行调节的实践训练，而与线下的模块化缩尺集中空调系统实体实验结合则可以有效形成线上线下混合式教学。学生通过线上虚拟仿真，实践不同工况下的系统运行调节方法，并在线下实体实验进行印证，从而可以加深对运行调节知识点的掌握。

其次是基于场景预设的教学。对室内环境负荷条件进行使用场景预设，如将空调系统服务对象预设为一个大型多功能会议室。实践过程中通过设置不同的会议场景，改变室内负荷情况，如：举办大型国际会议：系统满负荷运行，人数较多，设计温度相对较低；举办大型政府工作会议，系统满负荷运行，人数中等，室内温度设计基本为标准规定范围的上限值；召开小型学术沙龙，系统部分负荷运行，人数较少，且人员具有一定的流动性。通过不同使用场景的预设，学生可以获得系统运行发生变化的根本原因，从而使学生直观明确调节原因与目的。

3.3 虚拟仿真实践教学覆盖面的拓展

从虚拟仿真场景贴近实际以及虚拟仿真教学资源的充分利用两方面进行考虑，虚拟仿真教学都应该对覆盖面进行拓展。对建环专业来讲，首先应该对本专业进行课程支撑覆盖，在此基础上对相近专业或具有近似课程专业进行覆盖，如下图所示。

如图1所示，建环专业建立智慧建筑集中空调系统运行调节虚拟仿真实验平台，通过虚实结合，可以实现跨多个学院与专业。与建环专业具有近似核心课程的能源与动力工程专业等多个专业的10余门课程，可以共用平台，并且课程可以覆盖大一至大四四年的不同类型课程，包括概论课、基础课、专业课以及实践课，因此真正做到时间、空间的全面覆盖。

图1：建环专业虚拟仿真实验平台的覆盖拓展

4 结论与展望

在目前建筑节能技术日趋成熟的背景下，为了实现3060双碳目标，建环专业必须探索新的路径，这也对建环专业培养市场所需人才提出了挑战。而虚拟仿真实践教育可以最大限度地为学生提供贴近实际工程项目的运行调节实践训练，有效克服了传统教育中运行调节实践的危险性、操作探索难以实现、无法短时间模拟众多工况等缺点，将成为建环专业未来人才培养环节中实践教育不可或缺的新方法。