■ 葉 海 YE Hai 羅小華 LUO Xiaohua

0 引言

自2013年教育部重點(diǎn)建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以來，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到蓬勃發(fā)展，中心數(shù)量有了明顯增加。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心早期以土木水利[1]、機(jī)械電子[2]等理工類為主，現(xiàn)在則覆蓋了建筑規(guī)劃[3,4]、經(jīng)濟(jì)管理[5]、化學(xué)化工[6]、分子生物[7]、臨床醫(yī)學(xué)[8]、心理學(xué)[9]等眾多學(xué)科門類。

網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的持續(xù)突破、移動(dòng)終端的普及、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的改善，給各行各業(yè)都帶來了革命性的變化，在線教學(xué)（互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)、網(wǎng)絡(luò)課堂、慕課等）異軍突起，“共享經(jīng)濟(jì)”成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)。部分有實(shí)力、有資源的高校和機(jī)構(gòu)從事供給側(cè)“內(nèi)容”的開發(fā)，使得共享優(yōu)質(zhì)教育資源成為可能。在此背景下，同濟(jì)大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合“雙一流”學(xué)科建設(shè)，持續(xù)進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開發(fā)。

1 “傳熱系數(shù)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件簡(jiǎn)介

本軟件由同濟(jì)大學(xué)國(guó)家級(jí)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心組織開發(fā)，是建成環(huán)境性能虛擬仿真系列軟件之一[10]。該系列軟件針對(duì)的是同一類課程、同一批學(xué)生，因而在內(nèi)容選取、界面風(fēng)格、任務(wù)設(shè)置、操作習(xí)慣等方面保持了連續(xù)性和一致性。

本軟件為《建筑物理》課程中，與建筑熱工相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。本著由淺入深、逐步開發(fā)的思路，選取建筑熱工中最為基本的概念“傳熱系數(shù)”為對(duì)象，將相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)、規(guī)范要求、實(shí)驗(yàn)操作等內(nèi)容進(jìn)行合理編排，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，即采用三維虛擬仿真形式，通過在不同場(chǎng)景中交互操作，對(duì)傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，也可以改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同墻體材料組合，查看傳熱系數(shù)的變化和對(duì)應(yīng)的能耗變化，以此作為輔助手段來加強(qiáng)對(duì)傳熱系數(shù)及其影響因素的認(rèn)識(shí)。

軟件選取了上海地區(qū)一典型居民住宅作為虛擬仿真對(duì)象（圖1），即以居室環(huán)境為主要場(chǎng)景，結(jié)合上海的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)下的全年供熱空調(diào)能耗、外墻內(nèi)表面平均溫度、墻體熱流等分別進(jìn)行計(jì)算，并通過直觀的圖形、動(dòng)畫等方式進(jìn)行展示對(duì)比。5個(gè)任務(wù)模塊顯示在主界面的底端，包括基礎(chǔ)知識(shí)查閱、傳熱系數(shù)測(cè)量、傳熱系數(shù)認(rèn)知、傳熱系數(shù)感知和知識(shí)考查（牛刀小試）。每個(gè)任務(wù)操作后，會(huì)自動(dòng)上傳提交成績(jī)，并由后臺(tái)匯總所有學(xué)生的成績(jī)（選取各次任務(wù)的歷史最好成績(jī)）。

1.1 基礎(chǔ)知識(shí)查閱

進(jìn)入軟件后，主界面默認(rèn)打開第一個(gè)任務(wù)，即基礎(chǔ)知識(shí)查閱（圖1）。本任務(wù)由主界面左側(cè)提供夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定傳熱、冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳熱、墻體內(nèi)部溫度分布和我國(guó)熱工分區(qū)4個(gè)子任務(wù)的學(xué)習(xí)；主界面右側(cè)可以查閱傳熱系數(shù)的定義單位與計(jì)算公式，以及涉及到傳熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。該部分內(nèi)容是對(duì)《建筑物理》教材中，相關(guān)內(nèi)容的回顧與總結(jié)，通過多媒體方式簡(jiǎn)潔直觀地進(jìn)行呈現(xiàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前，熟悉必要的基礎(chǔ)知識(shí)。

1.2 傳熱系數(shù)測(cè)量

“熱箱法測(cè)量構(gòu)件的總傳熱系數(shù)”是建筑熱工學(xué)的一項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)，但限于硬件資源、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和課時(shí)等多方面的限制，很多學(xué)校都沒有開設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正好彌補(bǔ)了這一缺陷。傳熱系數(shù)測(cè)量任務(wù)提供了傳熱系數(shù)測(cè)量原理、測(cè)量規(guī)范和測(cè)量報(bào)告范本的知識(shí)查閱，使用者可查看測(cè)試設(shè)備的三維模型，了解測(cè)試設(shè)備的名稱及相關(guān)性能參數(shù)，提供測(cè)試設(shè)備的模擬連接和模擬試驗(yàn)。

本任務(wù)下有“設(shè)備連線”和“測(cè)試”兩個(gè)子任務(wù)。對(duì)每一實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以雙擊鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)查看三維模型及其相應(yīng)的名稱、功能的介紹。在操作邏輯上，要求必須完成設(shè)備連接后，才能開始測(cè)試?！霸O(shè)備連線”提供了演示模式（圖2），會(huì)逐步演示連接過程，并有語音和文字說明，學(xué)生可以先在此模式下進(jìn)行學(xué)習(xí)。在操作模式下，可以點(diǎn)擊“原理圖示”查看線路連接的原理，點(diǎn)擊“步驟提示”查看每一步的操作說明。該過程有完成進(jìn)度的提示，并可重置連線重新開始。連線完成后，“開始測(cè)試”按鈕自動(dòng)出現(xiàn)，進(jìn)入測(cè)試過程（圖3）。

測(cè)試過程中，每一步操作都有文字說明和圖片高亮閃爍提示，基本上只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可逐步完成。將設(shè)置的熱箱溫度、冷箱溫度，讀取和記錄數(shù)據(jù)，依次填入表格，然后計(jì)算出構(gòu)件的傳熱系數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總傳熱系數(shù)（圖4）。

1.3 傳熱系數(shù)認(rèn)知

本任務(wù)為傳熱系數(shù)的認(rèn)知，以典型居民住宅環(huán)境的模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)，主要目的是讓學(xué)生對(duì)傳熱系數(shù)的影響因素進(jìn)行了解。以常見的幾種墻體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過滑塊調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)層和保溫層的厚度，可以在圖表區(qū)域直觀地看到傳熱系數(shù)的變化，從而對(duì)材料厚度與傳熱系數(shù)關(guān)系有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。

在界面右上方可以選擇墻體結(jié)構(gòu)的“材料組合”（圖5），為了讓傳熱系數(shù)有較大差別，提供了空心砌塊、空心砌塊+XPS、空心砌塊+珍珠巖3種材料，“材料組合”的下方，可以通過滑塊改變材料層的厚度，形成結(jié)構(gòu)層和保溫層厚度各不相同的21種組合。

主界面顯示的傳熱系數(shù)變化曲線，反映不同結(jié)構(gòu)層隨保溫層厚度變化的傳熱系數(shù)值。調(diào)節(jié)滑塊時(shí)，當(dāng)前組合的傳熱系數(shù)值在圖形中用五角星高亮顯示，在調(diào)節(jié)過程中，可以直觀感受到傳熱系數(shù)與材料厚度的關(guān)系。

1.4 傳熱系數(shù)感知

如何對(duì)墻體結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的變化進(jìn)行感知，是虛擬仿真的一個(gè)難點(diǎn)。在基于當(dāng)前主流的計(jì)算機(jī)和手機(jī)終端的硬件條件下，本任務(wù)嘗試?yán)脠D形和動(dòng)畫來進(jìn)行展示，并延續(xù)了前一“傳熱系數(shù)認(rèn)知”任務(wù)的界面，墻體結(jié)構(gòu)的組合與調(diào)節(jié)方式也完全一致。所有感知的數(shù)據(jù)來源都是按照上海的氣象條件進(jìn)行模擬計(jì)算得到的。

墻體的傳熱系數(shù)首先影響的是全年的建筑能耗。因此，軟件增加了全年供熱和空調(diào)能耗的對(duì)比（圖6）。為了與傳熱系數(shù)對(duì)應(yīng)，將傳熱系數(shù)的折線圖與能耗柱狀圖同時(shí)展示在圖中。在移動(dòng)滑塊調(diào)節(jié)砌塊厚度或保溫層厚度時(shí)，用箭頭對(duì)當(dāng)前組合下的能耗進(jìn)行指示。

圖1 軟件的主界面

圖2 測(cè)試過程自動(dòng)演示

圖3 測(cè)試線路連接

圖4 測(cè)試記錄及計(jì)算

為了對(duì)傳熱系數(shù)變化引起的熱流大小進(jìn)行虛擬感知，軟件還可以選擇熱流強(qiáng)度的展示（圖7）。通過動(dòng)畫顯示穿越墻體的熱流狀態(tài)，用紅色粒子的密度和速度表示熱流的大小。

墻體傳熱系數(shù)還能影響外墻內(nèi)表面的溫度。該溫度與室內(nèi)人體的熱舒適相關(guān)，但因熱舒適（PMV）值的影響因素過于復(fù)雜，這里直接展示溫度值（圖8）。通過軟件模擬，計(jì)算得到了各種傳熱系數(shù)對(duì)應(yīng)的冬至日外墻內(nèi)表面平均溫度，調(diào)節(jié)砌塊厚度或保溫層厚度時(shí)，顯示對(duì)應(yīng)的溫度圖。

1.5 知識(shí)考查

知識(shí)考查是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一種檢驗(yàn)，也可以使老師了解學(xué)生對(duì)不同任務(wù)的完成情況。為了避免替考等作弊行為發(fā)生，教師可以在“任務(wù)管理”中設(shè)置攝像頭的抓拍時(shí)間間隔。也可以設(shè)置各個(gè)任務(wù)的開放時(shí)間及在總成績(jī)中的構(gòu)成比例等。學(xué)生提交后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)匯總學(xué)生成績(jī)。學(xué)生的整個(gè)操作過程還能夠記錄，教師可以通過回放模式重現(xiàn)各個(gè)學(xué)生的操作過程。

本任務(wù)提供了兩種模式，即練習(xí)模式和測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ健＞毩?xí)模式不限時(shí)間和次數(shù)，題型有選擇題和思考題，題庫可進(jìn)行編輯擴(kuò)充。練習(xí)模式下，所有題目均提供了參考答案。測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ絻H有選擇題且只能進(jìn)入1次，教師可以在管理平臺(tái)上設(shè)置測(cè)驗(yàn)的日期和時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生通過學(xué)號(hào)登陸進(jìn)入，屏幕上方顯示測(cè)驗(yàn)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。時(shí)間結(jié)束后，強(qiáng)制保存并提交退出。

2 思考及討論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有直觀通用、使用靈活、易于維護(hù)和可擴(kuò)展等優(yōu)越性，可以有效彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)在設(shè)備維護(hù)、資源占用、成本、學(xué)生容量和效果評(píng)估等方面的不足。虛擬實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上的限制，使學(xué)生的碎片時(shí)間得到了充分有效的利用。根據(jù)對(duì)抓拍的照片分析，大部分學(xué)生都是晚上在宿舍里完成實(shí)驗(yàn)的。

隨著知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問題的有效解決，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件必將進(jìn)入市場(chǎng)化銷售或通過其他方式進(jìn)行共享，這使得優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源能夠得到更為充分的推廣利用，實(shí)驗(yàn)的成本也將大大降低。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開發(fā)的過程中，以下幾方面的問題需引起重視。

（1）內(nèi)容設(shè)計(jì)上新穎、有趣、引人入勝。學(xué)生利用碎片化的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，很容易被周圍更有趣的事情吸引開，因此，不能照搬傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，任務(wù)設(shè)計(jì)上要盡可能短小、有趣。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)硬件的要求不能過高。盡管智能可穿戴式設(shè)備（Wearable Devices）可能是今后虛擬現(xiàn)實(shí)的主流，但目前要想學(xué)生隨時(shí)隨地可以開始進(jìn)入學(xué)習(xí)，對(duì)硬件的依賴必須最低，最好在一部智能手機(jī)上就能完成?？纱┐魇皆O(shè)備也許沉浸感和場(chǎng)景感更強(qiáng)，但必然限制了學(xué)習(xí)的場(chǎng)所。

圖5 影響因素認(rèn)知界面

圖6 全年供熱空調(diào)能耗感知

圖7 熱流強(qiáng)度感知

圖8 外墻內(nèi)表面平均溫度感知

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)，不能拘泥于傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。一些知識(shí)點(diǎn)可以經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，成為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，將使不同教學(xué)內(nèi)容的邊界變得模糊。

3 結(jié)語

傳熱系數(shù)是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要熱工性能指標(biāo)，對(duì)建成環(huán)境的熱舒適及建筑能耗都有著重大影響。傳統(tǒng)的熱箱實(shí)驗(yàn)是測(cè)試傳熱系數(shù)的基本方法，但實(shí)體實(shí)驗(yàn)容易受到時(shí)間、空間和條件的限制；而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以大大節(jié)省學(xué)生與教師的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不僅緩解了課時(shí)不足的矛盾，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且使學(xué)生加深了對(duì)概念的理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件是專業(yè)教師同軟件公司合作的成果，它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，通過市場(chǎng)推廣，可以使優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源惠及更多的學(xué)子，這也是順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+教育的一種有益嘗試。