基于虛擬仿真技術的實驗教學在建環專業的應用分析

李俊梅 簡毅文 李炎鋒 孫育英

摘要：實驗教學是建筑環境與能源應用工程專業（建環專業）實踐教學的重要組成部分，在培養學生的工程素質和創新能力方面一直扮演著十分重要的角色。針對當前專業實驗存在的問題和社會發展對專業人才素質的新要求，提出將虛擬仿真實驗教學引入建環專業實驗教學中，分析了虛擬仿真實驗相對于傳統實驗的優勢及可能存在的問題。但虛擬仿真實驗作為一種新型的教學手段和方法，其具體的實施效果仍需通過大量的實際實驗進行檢驗。

關鍵詞：虛擬仿真；建環專業；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0260-02

一、引言

建筑環境與能源應用工程專業（簡稱建環專業）是在原供暖通風與空調工程專業的基礎上為適應經濟技術和社會發展的需要，經過多次專業拓展、更名發展而來的，是一門跨行業、跨學科的新型交叉學科，專業范圍涉及采暖、通風、空調、給排水、消防、新能源利用、城市燃氣、建筑節能技術、建筑設施智能技術等多個領域，具有綜合性強、專業覆蓋面廣、實踐性強等特點[1]。建環專業的上述特點要求學生不僅具有堅實寬厚的理論基礎和寬廣的知識面，而且能根據不同的專業方向，具備解決復雜工程技術問題的實際能力。近年來，隨著綠色建筑概念的推廣，新能源、新技術和設備在建筑領域內的使用越來越普遍。大體量、復雜、超高層等類型建筑的出現，也對傳統的暖通空調系統提出了更多和更高的技術要求。建筑技術的發展，使得社會對從事建環專業的技術人員的綜合素質和能力以及知識儲備的要求越來越高，迫切需要此領域內能適應現代建筑發展的高級工程技術人才，這也對高校建環專業在人才培養、課程的設置和實踐教學環節方面提出了更高、更新的要求。

實驗教學一直是建環專業實踐教學的重要組成部分，是建立學生工程意識，培養學生的知識運用能力、創新能力和實踐能力，提高學生綜合素質的重要實踐過程，同時也是學校開展教學、科研、生產實踐三結合的重要場所[2-4]。但隨著專業范圍的拓展和社會發展對專業人才的知識和能力需求的不斷提高，原來的實驗在教學方法和內容上也存在諸多問題，迫切需要改進，以適應社會發展對人才培養的要求。

二、傳統實驗教學存在的問題

1.實驗場地不足，實驗設備更新換代慢。隨著高校招生規模的不斷擴大，建環專業在實驗教學方面，同大多數專業一樣，也存在著實驗形式、內容、要求越來越高與實驗設備、器材、場地、經費的保障相對滯后的矛盾。實驗場地小，儀器、設備數量的不足使得以小組為單位的實驗無法展開；實驗經費的相對短缺使得實驗所用儀器的投入、設備維護、更新換代慢，這都在一定程度上影響了實驗教學的開展和學生實踐創新能力的培養。

2.實驗內容的設置和實驗手段不能適應專業發展和社會對專業人才能力培養的要求。傳統的建環專業實驗教學基本上是按照先理論后實驗、先基礎后專業的順序設置實驗教學的。實驗內容多是根據理論課程的內容而設置的驗證性實驗，設計性和綜合性實驗少，如風機性能實驗、空氣加熱器性能實驗、風管內風量測試、干濕球溫度測量、除塵器性能實驗等。實驗過程中學生只需要記錄有關的測量數據，然后進行一般性的處理計算，綜合能力得不到能力提高。另一些雖說是綜合性實驗，如水泵性能與管網匹配實驗、空氣處理過程實驗、制冷壓縮機性能實驗等，但多是在模型實驗臺上完成的，與這些設備在實際系統中的應用相差甚遠。由于設置的實驗內容與實際工程應用聯系不緊密，實驗可用性不強，導致一些學生無法將實驗的內容與實際工程相聯系。有些學生上過實驗課之后仍不知道如何把實驗課中用到的測量工具、測量方法應用到實際的工程中。另外，由于建筑環境控制系統涉及設備眾多，系統構成復雜，傳統的單一跟隨理論課程的實驗內容設置盡管可強化學生對各學科知識的理解，卻忽視了各學科之間的內在聯系，不利于學生綜合能力的提高和工程素質的培養。將專業實驗與實際工程相結合，在實際工程中開展建環專業的相關實驗，盡管可以得到較真實的實驗結果，但實際操作起來并不現實，而且此類實驗費用高、周期長，會對建筑物的正常運行和內部人員的舒適性造成影響。另外，實際工程也不可能涵蓋所有專業相關的設備和技術，有些實驗如建筑火災蔓延及控制實驗也不可能在真實的、正在使用的建筑物中完成。

三、將虛擬仿真引入建環專業的實驗教學

隨著信息技術的發展，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術搭建建筑環境控制系統虛擬仿真綜合實驗平臺使專業實驗與實際工程相結合的實驗設想成為可能[5，6]。建筑環境控制系統虛擬仿真實驗平臺可以由多個獨立的專業模塊構成，各專業模塊可以根據需要增加或刪減，每個模塊可以單獨完成所涉及的專業實驗，同時，各模塊也可相互聯合完成一個整體實驗。虛擬仿真實驗的優勢在于以下幾方面。

1.與傳統實驗教學相比，虛擬仿真實驗不僅可以彌補實驗教學在實驗設備、場地、教學經費等方面的不足，豐富實驗資源，降低實驗成本，而且學生可以突破傳統實驗的限制，利用虛擬仿真實驗平臺幾乎無成本地進行各種實驗工況設計，反復操作，比較實驗結果，提高了實驗教學的質量和效率。

2.虛擬仿真技術可實現專業實驗與實際工程的完美結合。虛擬仿真實驗平臺可以將建筑物、各種管道設備逼真地呈現在虛擬現實中，學生如同身臨其境進行實驗，有利于學生將工程素質的培養和專業學科知識之間有機融合。

3.虛擬仿真實驗可以滿足不可實驗或難以實現的實驗教學環節的要求。建環專業學科專業性強，涉及的領域較多，各種設備、系統種類繁多。對于一些成本高、投入大、實驗能耗大的實驗，如冷熱源系統的性能測試、危險性和破壞性較大的建筑火災蔓延及控制技術實驗、實驗效果沒有虛擬靈活高效的智能建筑控制實驗、暖通管道仿真實驗等，虛擬仿真系統具有無可替代的優勢。學生只需在計算機終端進入虛擬實驗平臺，在虛擬平臺上運用虛擬設備進行實驗操作，即可達到實驗教學的目的和要求。

四、結論與建議

實驗教學是建環專業實踐教學的重要組成部分，能培養學生較強的實際工程技術思維能力、實踐能力和創新能力，是提高學生綜合素質的重要過程。將虛擬仿真實驗引入建環專業實驗教學進一步豐富了實驗教學的內容和手段，有利于學生工程素質的培養和綜合能力的提升。但我們也應看到，虛擬實驗教學不能完全代替真實實驗教學，而真實實驗教學也不能完全代替虛擬實驗教學，兩者相互補充才能更好地提高教學質量和教學效果。再者，虛擬仿真實驗作為建環專業實驗教學的一種新型的實驗方式和手段，其實施的效果如何，能否達到專業人才培養的需要，仍需通過更多的虛擬仿真實驗的實踐來檢驗。

參考文獻：

[1]教育部.普通高等學校本科專業目錄（2012年）[Z].2012.

[2]李俊梅，簡毅文，尹晨晨，等.建環專業實踐教學的改革探索[J].教育研究通訊，2013，（2）：79-83.

[3]趙修萌.建筑環境與設備工程試驗探索研究[J].實驗室科學，2010，13（6）：110-113.

[4]李志生，王曉霞，劉旭紅.建筑環境與設備工程專業實驗平臺的開發[J].高等建筑教育，2009，18（4）：123-125.

[5]楊紅霞.建筑工程虛擬仿真實驗室建設的必要性例證[J].山東英才學院學報，2014，10（1）：31-33.

[6]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，提高實驗室教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

Abstract：Experiment teaching is an important part of the practical teaching of the Building Environment and Energy Engineering （BEEE）specialty，and it plays the key role in cultivating the students' engineering quality and innovation ability. To solve the problems existing in the current experiment teaching and also to satisfy the new requirements of the professionals in BEEE，virtual simulation technology is introduced in the experiment teaching of BEEE.，and its merits and demerits are analyzed. However，virtual simulation experimental teaching as a new teaching tool，its effects are still needed to be inspected in real practices.

Key words：virtual simulation；Building Environment and Energy Engineering（BEEE）；experiment teaching