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        基于“虛實結(jié)合”的暖通空調(diào)綜合實驗課程創(chuàng)新研究

        2022-08-01 02:35:40曹曉玲孫亮亮蔣福建
        制冷與空調(diào) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:虛實結(jié)合暖通空調(diào)

        曹曉玲 孫亮亮 蔣福建

        (西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031)

        0 引言

        供暖、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程(簡稱:暖通工程)是一門應(yīng)用型學(xué)科,對于學(xué)生的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)十分重視[1-3]。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性,提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力,實驗課程改革勢在必行。有效的實驗課程能夠強化課程教學(xué)實踐,真正促進暖通專業(yè)高素質(zhì)技能應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標實現(xiàn)。筆者經(jīng)多年的教學(xué)實踐,發(fā)現(xiàn)原有的傳統(tǒng)實驗存在諸多不足,隨著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬仿真實驗平臺成為實驗教學(xué)改革的重要議題[4-6],但是也存在一定的缺點。為此,本文以《暖通空調(diào)綜合實驗》為例,將“虛實結(jié)合”(傳統(tǒng)實驗與虛擬仿真實驗結(jié)合)的理念引入到暖通空調(diào)實驗課程的教學(xué)實踐中,實現(xiàn)學(xué)生實驗設(shè)計能力、動手能力、理論分析能力同步發(fā)展。經(jīng)過教學(xué)實踐,取得了很好的教學(xué)效果,同時也積累了一定的經(jīng)驗。

        1 原有實驗教學(xué)模式的不足

        西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)中,《暖通空調(diào)綜合實驗》是一門開放性、設(shè)計性的實驗課程,針對建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè),學(xué)生已先修本專業(yè)《建筑環(huán)境學(xué)》、《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》、《空氣調(diào)節(jié)》、《流體輸配管網(wǎng)》等重要專業(yè)課程。該課程不限定具體實驗項目,學(xué)生以小組為單位,綜合運用本專業(yè)知識進行實驗方案設(shè)計、實驗測試及實驗分析。

        在改革之前,傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗平行進行,表面上看打破了傳統(tǒng)實驗方法的束縛,卻無法發(fā)揮二者的交叉優(yōu)勢,于是,本文通過筆者多年的教學(xué)實踐結(jié)合學(xué)生的客觀評價總結(jié)原有實驗教學(xué)的不足。選取2017 級、2018 級暖通空調(diào)綜合實驗課程92 名學(xué)生作為研究對象,分析學(xué)生對傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗的客觀評價。具體結(jié)果如下:

        在傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中,筆者發(fā)現(xiàn)以下幾點不足:學(xué)生對空調(diào)系統(tǒng)基本原理及組成不清楚;離開了實驗指導(dǎo)書,不知道如何開展工作;動手能力差;測試數(shù)據(jù)錯誤也無法判斷。從學(xué)生的角度,調(diào)查結(jié)果如表1所示,傳統(tǒng)實驗表現(xiàn)出儀器少、動手機會少等諸多不足,這些不足會導(dǎo)致學(xué)生對實驗課失去興趣,無法完成課程培養(yǎng)目標,加之疫情帶來的外部挑戰(zhàn),實驗教學(xué)改革勢在必行。

        表1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足Table 1 The shortcomings of the original experiment teaching

        虛擬仿真實驗突破傳統(tǒng)實驗的限制,一經(jīng)采用就受到學(xué)生的歡迎和認可。但如表2所示,虛擬仿真實驗同樣存在弊端:部分實驗平臺設(shè)計與實際不符;單純軟件操作,缺乏體驗感;高校間虛擬平臺資源欠缺共享;平臺建設(shè)缺乏專業(yè)培養(yǎng)針對性;缺少提前預(yù)習(xí)的和自主實驗設(shè)計操作模塊,導(dǎo)致其不能完全替代傳統(tǒng)實驗,并限制其廣泛地應(yīng)用。

        表2 虛擬仿真實驗的不足Table 2 The shortcomings of the virtual simulation experiment

        從暖通空調(diào)實驗的角度來看,考慮到暖通空調(diào)系統(tǒng)及組成復(fù)雜、運行工況多,需要借助虛擬實驗教學(xué)的優(yōu)勢,加強學(xué)生對于系統(tǒng)基本運行的認知,也指出了實踐教學(xué)采用虛實結(jié)合模式的必要性;而實做實驗也能有效解決虛擬實驗不能進行實際性能測試的問題。實驗教學(xué)只有采用虛實結(jié)合的模式,才能充分發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢,彌補傳統(tǒng)實物實驗的不足。同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)熱情,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí),形成以學(xué)生為主導(dǎo)的交互式學(xué)習(xí)氛圍。

        2 “虛實結(jié)合”在暖通空調(diào)綜合實驗中的應(yīng)用

        傳統(tǒng)實驗教學(xué)以暖通空調(diào)綜合實驗平臺為基礎(chǔ),實驗臺涵蓋了目前暖通空調(diào)系統(tǒng)主流類型及控制技術(shù),并配置大量測試儀器設(shè)備,學(xué)生在此平臺上自主開展實驗,如圖1(a)所示;虛擬實驗教學(xué)綜合運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真軟件等,通過軟件模擬技術(shù)達到傳統(tǒng)真實實驗的效果,可全面熟練地掌控復(fù)雜龐大的空調(diào)系統(tǒng)組成[7,8],西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)采用的虛擬實驗平臺界面如圖1(b)所示。

        圖1 課程相關(guān)“虛”、“實”實驗項目Fig.1 Course-related'virtual'and'real'experimental projects

        “虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式如圖2所示,從課題系統(tǒng)設(shè)置上來講,將實驗教學(xué)分為三個層次,暖通空調(diào)系統(tǒng)的組成及認知、暖通空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能測試、暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,由淺入深;從實驗項目安排上來講,每個實做實驗對應(yīng)一個虛擬實驗。

        圖2 暖通空調(diào)綜合實驗虛+實結(jié)合模式Fig.2 HVAC integrated experimental virtual+real mode

        根據(jù)具體實驗內(nèi)容,設(shè)置了兩種虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗結(jié)合的方式。一種為虛擬實驗在前,傳統(tǒng)實驗在后,這類方式適用于暖通空調(diào)系統(tǒng)性能測試分析實驗。比如空調(diào)器制冷能力測試實驗,用傳統(tǒng)方法進行實驗時,空調(diào)系統(tǒng)要達到熱平衡狀態(tài)才能進行測試,這一過程至少需要2 小時,如果再加上學(xué)生現(xiàn)場布置測點進行測試,這一過程導(dǎo)致實驗時間過長,課內(nèi)難以安排。原有做法是,實驗教師會提前開啟空調(diào)系統(tǒng),學(xué)生只能最后檢測結(jié)果,對空調(diào)系統(tǒng)的運行和判斷缺乏自主性,只能被動接受,缺乏自主設(shè)計和直觀感受,實驗效果不佳。通過建立開放暖通空調(diào)系統(tǒng)工作虛擬實驗平臺,學(xué)生在線上就可以熟悉設(shè)備,制定方案,進行虛擬實驗,當實驗操作或步驟錯誤時,線上實驗提示不能繼續(xù)進行,直到方案正確為止。根據(jù)虛擬實驗制定的測試方案,再到傳統(tǒng)實驗中進行實施、實測。這樣既提高了實驗效率,同時學(xué)生可以快速的進行多種方案的測試比較,更深刻的理解暖通空調(diào)系統(tǒng)。

        另一種為傳統(tǒng)實驗在前,虛擬實驗在后,這類方式適用于空調(diào)系統(tǒng)部件實際操作及調(diào)控實驗。比如風(fēng)管設(shè)計及組裝實驗。風(fēng)管的分配形式有很多種,學(xué)生先通過傳統(tǒng)實驗只能進行其中一種設(shè)計模式下的風(fēng)管組裝實驗,其余的其他形式可以直接通過虛擬實驗完成。這樣既節(jié)省了實驗時間,也達到了鍛煉學(xué)生動手能力的目的,同時還能開闊學(xué)生思維。

        3 “虛實結(jié)合”實驗教學(xué)效果

        基于上述研究,西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)于2021年更新了暖通空調(diào)綜合實驗大綱,采用“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式??傮w來看,本次實驗教學(xué)模式改革取得了明顯的效果,從學(xué)生反應(yīng)來看,有了非常明顯的變化,在改革之前,來找老師討論實驗方案的學(xué)生很少,而且實驗方案千篇一律,少有創(chuàng)新。而改革施行后,很多學(xué)生主動與老師討論在虛擬實驗平臺遇到的設(shè)計問題及其與后續(xù)實操實驗之間的關(guān)系,實驗方案更加細致,創(chuàng)新性提升。

        為了了解學(xué)生對本次教改的意見和想法,筆者在此設(shè)計調(diào)查問卷,由于之前調(diào)研的2017 級、2018級學(xué)生大多已經(jīng)畢業(yè),因此,本文選取2019 級暖通空調(diào)綜合實驗課程42 名學(xué)生作為研究對象,分析學(xué)生對改革后的“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式的客觀評價,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明:學(xué)生對實驗教學(xué)模式的客觀評價有了大幅度的提高,認為無不足的學(xué)生比例從3.75%提高到88.10%。但仍有少量學(xué)生提出儀器少、動手機會少、與實際不符、不能獨立完成等問題。他們認為虛擬實驗平臺的模塊集成化過高,有利于比較粗糙的理解實驗原理,但是對進一步設(shè)備內(nèi)部的原理理解程度低;部分同學(xué)認為虛擬實驗平臺加深了對原理的理解,但是實際上手操作的時候還是存在障礙,不能獨立完成;此外,雖然虛擬實驗平臺提高了實驗操作的效率,但是依舊存在儀器少,動手機會少的問題。

        表3 “虛實結(jié)合”實驗教學(xué)模式的調(diào)查結(jié)果Table 3 Investigation results of experimental teaching mode of"virtual and real combination"

        4 總結(jié)與改進方向

        通過本次對“虛實結(jié)合”實驗教學(xué)模式的創(chuàng)新研究,不僅提高了學(xué)生在暖通空調(diào)綜合實驗中的實驗設(shè)計能力、動手能力和理論分析能力,而且對虛擬仿真與線下實驗的合理整合提供理論指導(dǎo),同時也引發(fā)了對虛擬仿真實驗平臺這一教學(xué)改革的深刻思考。

        另外,從部分學(xué)生的反饋來看,仍有一些問題需要在以后的教學(xué)中繼續(xù)改進。如:應(yīng)進一步完善虛擬實驗仿真平臺,深入剖析集成部件的內(nèi)部原理;提高實驗室儀器的數(shù)量,讓每個學(xué)生都盡可能多的參與實驗??梢姡灰獔猿忠詫W(xué)生為中心,以他們真正掌握專業(yè)知識并能夠?qū)⒄n程的理論知識應(yīng)用于具體的工程實踐為目標,相應(yīng)的教學(xué)改革就可以取得良好的預(yù)期效果。

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