虚拟仿真实验在环能专业教学中的应用研究

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　　摘要：文章分析了虚拟仿真实验在建筑环境与能源应用工程（环能）专业教学中的重要性，提出了基于项目式学习模式的虚拟仿真实验系统的整体建设思路。依托真实的多功能制冷空调性能综合实验系统，设计并开发了同时具备线上及线下两种运行模式的制冷空调设备虚拟仿真实验系统，全面论述了该虚拟仿真实验系统各功能模块的作用与运行机制，实现了虚实结合的教学模式。经实践验证，该虚拟仿真实验系统不仅有效解决了学生数量众多与实验系统数量不足之间的矛盾，还可将环能专业的多门课程进行融合，有效地提高了专业教学的效果及效率。
　　关键词：虚拟仿真;项目式学习;建筑环境与能源应用工程;暖通空调;专业教学
　　中图分类号：G642.0;TU83     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0390-03
　　 我国教育部在2012年发布的《普通高等学校本科专业目录》和《普通高等学校本科专业设置管理规定》中，将建筑环境与设备工程，建筑节能技术与工程，以及建筑设施智能技术合并为建筑环境与能源应用工程专业（简称：环能专业）[1，2]。在全新的环能专业的课程设置中多以工程实践课程为主，以培养学生的综合设计能力，建立工程概念，养成工程师素质为目标[3，4]。因此，在实际的教学中，实践类/实验课程的设置就显得尤为重要。但是，环能专业所涉及的设备及系统种类繁多，设备角度包括：房间空调器，组合式空调箱，风机盘管，风机，水泵，压缩机，水源/空气源热泵，冷水机组等;而从空调系统的气流组织形式方面来看又可以分为上送风、下送风、侧送风、上回风、下回风、侧回风，一次回风、二次回风等[5]。因此，在环能专业的实践教学中采用单一实验系统的方式是不现实的。目前，国内常用的做法是通过一套综合实验系统满足大部分的实验要求，或者针对多个设备及多种送风形式分别建设综合性能的实验系统[6]。但是这种方式一方面会导致实验系统的建设成本大大增加，很多学校难以建设功能齐全的实验系统;另一方面，即使有条件建设综合实验系统的高校，通常也仅能够建设一套系统，这就会产生实验系统数量不足与学生人数较多的矛盾。环能专业课程设置的另一个特点就是科目较多且项目关联，例如，建筑设备工程，冷热源，空气调节建筑设备自动化，热工测量与控制等[2]。这些课程都需要單独开课，但是在逻辑关系上它们之间又是紧密关联的。对于这些课程，由于课时的限制，在理论授课中很难将其完全融合在一起，学生无法对多门课程的学习内容形成一个系统的认识，无法建立完整的知识体系。
　　近年来，虚拟仿真实验教学得到了大力推广，并且教育部也明确指出，从2017年起预计分年度建设1000个虚拟仿真实验教学项目，并强调重点建设具有自主知识产权的示范性虚拟仿真实验教学项目[7]。虚拟仿真实验系统可以与传统实验模式相互补充，实现虚实结合，极大地提高了实践教学的效果和效率，目前已在多个新兴学科和领域内得到了广泛的应用[8，9]。虚拟仿真实验的教学模式非常适合环能专业的专业课程特征，但是目前尚缺少针对环能专业的功能完善的虚拟仿真教学系统。项目式学习是以构建主义理论为指导的，通过构建一个实际或虚拟的项目，使学生能够融入真实的情景中，进而培养学生发现问题，分析问题，解决问题的综合能力[10，11]。项目式学习的教学模式恰恰是解决环能专业课程较多且相互关联的有效途径，如果能将其与虚拟仿真实验相结合，将会使得专业课程的教学效果得到有效提升。
　　一、虚拟仿真实验系统的架构
　　在对前期所建设的多个实体实验室进行深入思考和优化后，开发设计了该制冷空调系统与装置虚拟仿真实验系统，其总体架构如图1所示。该虚拟仿真实验系统包括线上和线下两种运行模式，线上及线下模式具有相同的功能。每种模式又包含三个功能模块，分别为装置、系统以及建筑能源系统：（1）装置模块主要针对环能专业涉及到的主要设备进行认识及测试。其目的是为了让学生系统认识每种设备的外观，工作原理，性能参数的测试依据等。（2）系统模块主要针对暖通空调系统中不同的气流组织形式进行实验，观察每种气流组织形式的特点，优缺点，以及对室内环境的影响等。（3）建筑能源系统模块是为了响应国家建筑节能的号召，而新增的功能模块，其开发理念是基于多能互补与供需互配的能源利用政策，系统中通过模拟多种能源的综合作用效果，使学生认识建筑节能减排的重要性，以及各种可再生能源的综合利用手段。同时，该虚拟仿真实验系统以项目式学习模式为基础进行了针对性的设计，可以在进行虚拟实验的过程中，将环能专业的多门专业课程进行综合实践。以空调器性能的委托检测项目为例：本项目在设计时以空调器性能委托检测的实际流程为依据，教师作为委托方，学生作为检测机构，实验中要求学生进行样品接受，安装，测试，根据委托设备选取相应的测试标准及测试条件，进行性能测试，报表生成，误差分析，并出具检测报告等。通过一整套的项目流程，不仅能使学生掌握全部的测试规程，也可将环能学科的建筑设备及各类规范、冷热源工程、热工测量等课程进行融会贯通。目前，除了空调器委托检测项目外，还可以采用建筑环境舒适性设计项目（针对空调系统气流组织及节能方案的设计，涵盖空气调节，建筑能源系统，建筑设备等课程），空调系统的故障诊断优化运行（针对空调系统中的控制系统进行设计，涵盖空调调节，建筑设备自动化，热工测量与控制等课程）等项目。
　　二、虚拟仿真实验系统的功能
　　该制冷空调系统与装置虚拟仿真实验系统的主要功能包括：常规功能、性能测试与误差分析、送回风方式选择、建筑能源系统、自动控制与故障诊断等，其主要功能流程如图2所示。
　　三、虚实结合与数据的后处理
　　该制冷空调系统与装置虚拟仿真实验系统的作用主要在于满足教学大纲实践教学设置内容的要求，也使得环能专业高成本、高消耗，大型综合训练的现状得以改变，促进了学生自主学习、研究型学习、无纸化学习的习惯的养成。但是其本质是实践教学的有力补充，并不能完全代替实践教学。学生通过虚拟仿真实验系统进行相关的实验训练后，需要通过真实的实验系统对学习的内容进行验证，这样才能真正将实践教学落到实处。但是通过虚拟仿真实验系统的模拟实验可以使学生提前熟悉实验流程，实验设备及相关的仪器仪表操作，可以使实验更加高效有序地进行，并且可以在实验过程中由于各种问题导致实验数据不准确或者无效的情况下，仍然可以通过虚拟仿真实验系统的数据进行实验误差分析的实践训练，完成项目式学习的最后一个环节。但是由于制冷空调装置的性能测试时间较长，现有的实验课时内很难保证每个学生都亲自进行实验，往往以演示性实验为主，这样学生很难理解实验数据的由来，误差的来源，更加难以进行实验误差的分析与计算。但是通过虚拟仿真实验后，每个学生都可以亲自动手做实验，了解每项实验数据的出处，因此学生能有效地对实验误差进行分析，进而深入理解热工测量这门专业课程的内容。 　　四、結语
　　基于项目式学习模式的制冷空调系统与装置虚拟仿真实验系统可以通过线上或者线下的模式，开展制冷空调系统及设备的各项性能测试，也可以开展教学大纲所包含的各类气流组织实验，自动控制实验，建筑能耗实验。该虚拟仿真实验系统不仅可以使学生掌握环能专业课程涉及的各项内容，还可以结合项目式学习模式，在实践课程开始之前，就通过项目的方式，给学生制定项目的目标，设备选型目标，性能目标，或误差目标，可以将环能专业多个主干课程融会贯通，形成一个系统工程，帮助学生建立完备的知识体系。另一方面，该虚拟仿真实验系统几乎涵盖了环能专业所有重要设备及空调系统形式，在没有条件建设大型综合实验室的院校，也可以通过该系统有效地实施环能专业的各类实践教学工作。
　　参考文献：
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　　Study on the Application of Virtual Simulation Experiment in Major Teaching of Building Environment and Energy Application Engineering
　　ZHANG Kai
　　（College of Urban Construction，Nanjing Tech University，Nanjing，Jiangsu 210009，China）
　　Abstract：The importance of virtual simulation experiment in the major teaching of building environment and energy application engineering is analyzed，and the construction of virtual simulation experiment system is proposed based on the project-based learning.A virtual simulation experiment system for refrigeration and air-conditioning equipment with both online and offline operating modes is designed and developed based on the real multi-functional refrigeration and air-conditioning performance integrated experimental system.The functions and operating modes are discussed in detail for this integrated experimental system.The result show that this virtual simulation experimental system not only effectively solves the mismatch of the large number of students and the insufficient number of experimental systems，but also significance improves the efficiency of the major teaching for building environment and energy application engineering accounting for the integration of several courses.
　　Key words：virtual simulation;project-based learning;building environment and energy application engineering;air-conditioning;major teaching
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