摘要：文章分析了虛擬仿真實驗在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（環(huán)能）專業(yè)教學(xué)中的重要性，提出了基于項目式學(xué)習(xí)模式的虛擬仿真實驗系統(tǒng)的整體建設(shè)思路。依托真實的多功能制冷空調(diào)性能綜合實驗系統(tǒng)，設(shè)計并開發(fā)了同時具備線上及線下兩種運(yùn)行模式的制冷空調(diào)設(shè)備虛擬仿真實驗系統(tǒng)，全面論述了該虛擬仿真實驗系統(tǒng)各功能模塊的作用與運(yùn)行機(jī)制，實現(xiàn)了虛實結(jié)合的教學(xué)模式。經(jīng)實踐驗證，該虛擬仿真實驗系統(tǒng)不僅有效解決了學(xué)生數(shù)量眾多與實驗系統(tǒng)數(shù)量不足之間的矛盾，還可將環(huán)能專業(yè)的多門課程進(jìn)行融合，有效地提高了專業(yè)教學(xué)的效果及效率。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;項目式學(xué)習(xí);建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程;暖通空調(diào);專業(yè)教學(xué)

中圖分類號：G642.0;TU83 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0390-03

我國教育部在2012年發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》和《普通高等學(xué)校本科專業(yè)設(shè)置管理規(guī)定》中，將建筑環(huán)境與設(shè)備工程，建筑節(jié)能技術(shù)與工程，以及建筑設(shè)施智能技術(shù)合并為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)（簡稱：環(huán)能專業(yè)）[1，2]。在全新的環(huán)能專業(yè)的課程設(shè)置中多以工程實踐課程為主，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力，建立工程概念，養(yǎng)成工程師素質(zhì)為目標(biāo)[3，4]。因此，在實際的教學(xué)中，實踐類/實驗課程的設(shè)置就顯得尤為重要。但是，環(huán)能專業(yè)所涉及的設(shè)備及系統(tǒng)種類繁多，設(shè)備角度包括：房間空調(diào)器，組合式空調(diào)箱，風(fēng)機(jī)盤管，風(fēng)機(jī)，水泵，壓縮機(jī)，水源/空氣源熱泵，冷水機(jī)組等;而從空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織形式方面來看又可以分為上送風(fēng)、下送風(fēng)、側(cè)送風(fēng)、上回風(fēng)、下回風(fēng)、側(cè)回風(fēng)，一次回風(fēng)、二次回風(fēng)等[5]。因此，在環(huán)能專業(yè)的實踐教學(xué)中采用單一實驗系統(tǒng)的方式是不現(xiàn)實的。目前，國內(nèi)常用的做法是通過一套綜合實驗系統(tǒng)滿足大部分的實驗要求，或者針對多個設(shè)備及多種送風(fēng)形式分別建設(shè)綜合性能的實驗系統(tǒng)[6]。但是這種方式一方面會導(dǎo)致實驗系統(tǒng)的建設(shè)成本大大增加，很多學(xué)校難以建設(shè)功能齊全的實驗系統(tǒng);另一方面，即使有條件建設(shè)綜合實驗系統(tǒng)的高校，通常也僅能夠建設(shè)一套系統(tǒng)，這就會產(chǎn)生實驗系統(tǒng)數(shù)量不足與學(xué)生人數(shù)較多的矛盾。環(huán)能專業(yè)課程設(shè)置的另一個特點就是科目較多且項目關(guān)聯(lián)，例如，建筑設(shè)備工程，冷熱源，空氣調(diào)節(jié)建筑設(shè)備自動化，熱工測量與控制等[2]。這些課程都需要單獨開課，但是在邏輯關(guān)系上它們之間又是緊密關(guān)聯(lián)的。對于這些課程，由于課時的限制，在理論授課中很難將其完全融合在一起，學(xué)生無法對多門課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容形成一個系統(tǒng)的認(rèn)識，無法建立完整的知識體系。

近年來，虛擬仿真實驗教學(xué)得到了大力推廣，并且教育部也明確指出，從2017年起預(yù)計分年度建設(shè)1000個虛擬仿真實驗教學(xué)項目，并強(qiáng)調(diào)重點建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目[7]。虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较嗷パa(bǔ)充，實現(xiàn)虛實結(jié)合，極大地提高了實踐教學(xué)的效果和效率，目前已在多個新興學(xué)科和領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[8，9]。虛擬仿真實驗的教學(xué)模式非常適合環(huán)能專業(yè)的專業(yè)課程特征，但是目前尚缺少針對環(huán)能專業(yè)的功能完善的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。項目式學(xué)習(xí)是以構(gòu)建主義理論為指導(dǎo)的，通過構(gòu)建一個實際或虛擬的項目，使學(xué)生能夠融入真實的情景中，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的綜合能力[10，11]。項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式恰恰是解決環(huán)能專業(yè)課程較多且相互關(guān)聯(lián)的有效途徑，如果能將其與虛擬仿真實驗相結(jié)合，將會使得專業(yè)課程的教學(xué)效果得到有效提升。

一、虛擬仿真實驗系統(tǒng)的架構(gòu)

在對前期所建設(shè)的多個實體實驗室進(jìn)行深入思考和優(yōu)化后，開發(fā)設(shè)計了該制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖1所示。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括線上和線下兩種運(yùn)行模式，線上及線下模式具有相同的功能。每種模式又包含三個功能模塊，分別為裝置、系統(tǒng)以及建筑能源系統(tǒng)：（1）裝置模塊主要針對環(huán)能專業(yè)涉及到的主要設(shè)備進(jìn)行認(rèn)識及測試。其目的是為了讓學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識每種設(shè)備的外觀，工作原理，性能參數(shù)的測試依據(jù)等。（2）系統(tǒng)模塊主要針對暖通空調(diào)系統(tǒng)中不同的氣流組織形式進(jìn)行實驗，觀察每種氣流組織形式的特點，優(yōu)缺點，以及對室內(nèi)環(huán)境的影響等。（3）建筑能源系統(tǒng)模塊是為了響應(yīng)國家建筑節(jié)能的號召，而新增的功能模塊，其開發(fā)理念是基于多能互補(bǔ)與供需互配的能源利用政策，系統(tǒng)中通過模擬多種能源的綜合作用效果，使學(xué)生認(rèn)識建筑節(jié)能減排的重要性，以及各種可再生能源的綜合利用手段。同時，該虛擬仿真實驗系統(tǒng)以項目式學(xué)習(xí)模式為基礎(chǔ)進(jìn)行了針對性的設(shè)計，可以在進(jìn)行虛擬實驗的過程中，將環(huán)能專業(yè)的多門專業(yè)課程進(jìn)行綜合實踐。以空調(diào)器性能的委托檢測項目為例：本項目在設(shè)計時以空調(diào)器性能委托檢測的實際流程為依據(jù)，教師作為委托方，學(xué)生作為檢測機(jī)構(gòu)，實驗中要求學(xué)生進(jìn)行樣品接受，安裝，測試，根據(jù)委托設(shè)備選取相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)及測試條件，進(jìn)行性能測試，報表生成，誤差分析，并出具檢測報告等。通過一整套的項目流程，不僅能使學(xué)生掌握全部的測試規(guī)程，也可將環(huán)能學(xué)科的建筑設(shè)備及各類規(guī)范、冷熱源工程、熱工測量等課程進(jìn)行融會貫通。目前，除了空調(diào)器委托檢測項目外，還可以采用建筑環(huán)境舒適性設(shè)計項目（針對空調(diào)系統(tǒng)氣流組織及節(jié)能方案的設(shè)計，涵蓋空氣調(diào)節(jié)，建筑能源系統(tǒng)，建筑設(shè)備等課程），空調(diào)系統(tǒng)的故障診斷優(yōu)化運(yùn)行（針對空調(diào)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，涵蓋空調(diào)調(diào)節(jié)，建筑設(shè)備自動化，熱工測量與控制等課程）等項目。

二、虛擬仿真實驗系統(tǒng)的功能

該制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)的主要功能包括：常規(guī)功能、性能測試與誤差分析、送回風(fēng)方式選擇、建筑能源系統(tǒng)、自動控制與故障診斷等，其主要功能流程如圖2所示。

三、虛實結(jié)合與數(shù)據(jù)的后處理

該制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)的作用主要在于滿足教學(xué)大綱實踐教學(xué)設(shè)置內(nèi)容的要求，也使得環(huán)能專業(yè)高成本、高消耗，大型綜合訓(xùn)練的現(xiàn)狀得以改變，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究型學(xué)習(xí)、無紙化學(xué)習(xí)的習(xí)慣的養(yǎng)成。但是其本質(zhì)是實踐教學(xué)的有力補(bǔ)充，并不能完全代替實踐教學(xué)。學(xué)生通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的實驗訓(xùn)練后，需要通過真實的實驗系統(tǒng)對學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行驗證，這樣才能真正將實踐教學(xué)落到實處。但是通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)的模擬實驗可以使學(xué)生提前熟悉實驗流程，實驗設(shè)備及相關(guān)的儀器儀表操作，可以使實驗更加高效有序地進(jìn)行，并且可以在實驗過程中由于各種問題導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者無效的情況下，仍然可以通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗誤差分析的實踐訓(xùn)練，完成項目式學(xué)習(xí)的最后一個環(huán)節(jié)。但是由于制冷空調(diào)裝置的性能測試時間較長，現(xiàn)有的實驗課時內(nèi)很難保證每個學(xué)生都親自進(jìn)行實驗，往往以演示性實驗為主，這樣學(xué)生很難理解實驗數(shù)據(jù)的由來，誤差的來源，更加難以進(jìn)行實驗誤差的分析與計算。但是通過虛擬仿真實驗后，每個學(xué)生都可以親自動手做實驗，了解每項實驗數(shù)據(jù)的出處，因此學(xué)生能有效地對實驗誤差進(jìn)行分析，進(jìn)而深入理解熱工測量這門專業(yè)課程的內(nèi)容。

四、結(jié)語

基于項目式學(xué)習(xí)模式的制冷空調(diào)系統(tǒng)與裝置虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以通過線上或者線下的模式，開展制冷空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的各項性能測試，也可以開展教學(xué)大綱所包含的各類氣流組織實驗，自動控制實驗，建筑能耗實驗。該虛擬仿真實驗系統(tǒng)不僅可以使學(xué)生掌握環(huán)能專業(yè)課程涉及的各項內(nèi)容，還可以結(jié)合項目式學(xué)習(xí)模式，在實踐課程開始之前，就通過項目的方式，給學(xué)生制定項目的目標(biāo)，設(shè)備選型目標(biāo)，性能目標(biāo)，或誤差目標(biāo)，可以將環(huán)能專業(yè)多個主干課程融會貫通，形成一個系統(tǒng)工程，幫助學(xué)生建立完備的知識體系。另一方面，該虛擬仿真實驗系統(tǒng)幾乎涵蓋了環(huán)能專業(yè)所有重要設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)形式，在沒有條件建設(shè)大型綜合實驗室的院校，也可以通過該系統(tǒng)有效地實施環(huán)能專業(yè)的各類實踐教學(xué)工作。

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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