虛擬仿真在建筑環境專業本科實驗教學中的實踐

李俊梅 喬雅心 程樟 李炎鋒

[摘 要] 虛擬仿真實驗盡管具有很多傳統實驗不具有的優勢，但在實施過程也存在諸多問題。以本校開展的建環專業虛擬仿真實驗教學為例，總結了其實施過程中存在的不足，為進一步改進和完善仿真實驗教學奠定了基礎。

[關鍵詞] 虛擬仿真;建環;實驗;本科教學

[基金項目] 2018北京工業大學教育教學研究項目“虛擬仿真在建環專業實驗教學中的應用探索”（ER2018C020602）

[作者簡介] 李俊梅（1970—），女，河南新密人，博士，北京工業大學建筑工程學院建環系副教授，研究方向為建筑火災安全及建筑節能。

[中圖分類號] G642.423 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）43-0388-02 ? ?[收稿日期] 2020-03-18

一、引言

實驗教學是建筑環境與能源應用工程（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、創新能力和實踐動手能力，提高學生綜合素質的重要實踐過程[1，2]。但在以往的實驗教學中，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等矛盾，這在一定程度上影響了實驗教學的開展和實驗教學效果的提升。

隨著信息技術的發展，開發有針對性的虛擬仿真實驗平臺，克服傳統實驗教學存在的不足，已經成為可能。虛擬仿真實驗具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放、資源共享、隨技術發展更新換代快等特點[2-4]，搭建建筑環境虛擬仿真實驗平臺不僅可以彌補實驗教學因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的不足，豐富實驗資源，而且對于一些真實實驗不具備或難以完成的實驗如建設成本高、危險性和破壞性較大的實驗，虛擬仿真系統具有無可替代的優勢[2]。

然而，虛擬仿真實驗作為專業實驗教學的一種新型的實驗方式和手段，在實施過程中也可能存在各種各樣的問題[4，5]。實驗教學能否達到預期的教學目標，仍需通過相關的實踐來進行進一步的檢驗和完善。本文以我校建筑環境專業實驗教學為例，對虛擬仿真在建筑環境專業實驗教學中的應用進行了初步的探索，對其在實施過程中存在的問題進行了分析，為進一步完善虛擬仿真實驗教學，提升其實驗教學效果奠定基礎。

二、虛擬仿真實驗平臺的搭建

針對我校建筑環境專業中傳統實驗教學中存在的實驗場地不足，專業實驗中過于分散的設備系統無法集中呈現等問題，我校先期開發了空調風系統管網性能虛擬仿真實訓平臺、室內環境氣流組織仿真模擬平臺、建筑能耗分析虛擬仿真實驗平臺等虛擬仿真實驗平臺，并設計了相應的虛擬仿真實驗教學內容，用于現有專業實驗的補充與拓展。

“空調風系統管網性能虛擬仿真實訓平臺”開發的主要目的是使學生借助于該模擬仿真，更加直觀化、系統化地學習并實踐管網壓力分布圖、風機性能曲線、管網特性曲線、風機與管網的匹配等理論知識。該實驗平臺克服了實地測量真實風管系統的不便，通過虛擬仿真實驗，了解風系統管網的壓力分布，以及風機性能與管網的配合關系，學習繪制管網壓力分布圖、風機和管網特性曲線圖，掌握管網性能的相關理論[6]。

“室內環境氣流組織仿真模擬平臺”主要借助于CFD模擬軟件，模擬不同建筑結構、不同外圍護結構熱工性能、不同送回風方案及送風參數作用下，房間內的溫度環境及氣流組織分布。空調工況下建筑室內環境的好壞與空調室內的氣流組織密切相關。傳統的理論教學只是給出了送、回風口布置、送、回風參數選擇的一般原則，并給出了氣流組織計算的經驗公式。

但在實際工況中，室內的氣流組織、溫度分布與室內冷熱負荷的分布、外圍護結構的性質以及送、回風口的布置和送、回風參數密切相關，而經驗公式并不能給出系統實際運行后室內環境的真實狀況，通過模擬仿真就可以解決此方面的難題。虛擬仿真可以直觀給出某種設計工況下室內的氣流組織、溫度分布及人體的熱舒適度分布，并依此判斷設計方案的優劣，在空調的設計方案選擇中具有不可替代的作用，彌補了經驗公式的局限性，豐富了理論教學的內容。

“建筑能耗分析虛擬仿真實驗平臺”借助于建筑環境設計模擬分析軟件DeST，通過實施模擬分析，使學生從整體上了解建筑圍護結構、室外氣象參數、室內的冷熱負荷的時空分布、冷熱源的選擇對建筑能耗的綜合影響，為建筑節能系統的設計和優化運行提供指導。

三、虛擬仿真實驗教學的實施及存在的問題

利用上述虛擬仿真平臺，我們在2013級、2014級、2015級、2016級的本科實驗教學中進行了虛擬仿真實驗教學的實踐。針對虛擬仿真，我們就實驗開設的必要性、虛擬仿真的效果及存在的問題開展了相關的問卷調查工作。

在65個有效調查問卷中，有86%的學生認為專業教學中有必要開設虛擬仿真實驗;78.4%的學生認為，虛擬仿真實驗的開設有助于對所學專業知識的理解和掌握;與傳統實驗相比，50%以上的學生認為虛擬仿真實驗的優勢在于可以進行更多的實驗工況、可以隨時在計算機上操作、不擔心損壞儀器等。但多數學生對虛擬仿真實驗的不足也有一定的認識，64.8%的學生認為對由于虛擬仿真軟件編制的背景不了解，不知道結果實驗結果的正確性;58%的學生認為實驗過程過于理想化，和真實實驗的感覺有差距。在針對虛擬仿真實驗的建議中，47.1%的學生認為教師在實驗前應首先對軟件編制的理論基礎進行講解。

從上述的初步調查結果可以看出，盡管虛擬仿真實驗達到了初步設定的教學目標，但在虛擬仿真實驗教學的初步實施過程中，也還存在著諸多問題。

首先，虛擬實驗由于軟、硬件的限制，并不能完全地呈現真實的實驗過程，對實驗中的不可控因素也不能進行有效地模擬，如風管氣流調試實驗中，氣流的突然變化、管子的漏風、散流器的真實氣流分布等，純粹的虛擬仿真實驗對學生的實際動手能力和現場處理實際問題的能力的提升幫助有限。

第二，在虛擬實驗過程由于不用擔心儀器和設備的損壞及故障，學生在實驗過程中缺乏真實實驗中的謹慎和負責態度。基于此，在實際條件允許的情況下，實驗教學還是應盡可能多地開展真實實驗，做到能“實”不“虛”。針對虛擬實驗，有條件的話，最好能開展虛實實驗的對比，讓學生了解虛擬實驗和真實實驗的主要區別。能實不虛，虛實結合是解決此類問題的根本途徑。

四、小結

虛擬仿真實驗目前盡管開展地如火如荼，但虛擬仿真實驗在實施過程中也存在一定的問題。虛擬仿真實驗的開設應結合學校和專業的教學實際和學科特點，在實施過程中如何與理論課程和傳統實驗教學相結合、如何設定相關的實驗內容，開發相對完善的虛擬仿真實驗平臺，彌補虛擬仿真實驗的不足，仍是虛擬仿真實驗教學需要深入研究的內容。

參考文獻

[1]何葉從.建筑環境與能源應用工程專業實驗教學體系改革分析[J].山東農業大學學報（自然科學版），2017（4）：633-635.

[2]李俊梅，簡毅文，李炎鋒，等.基于虛擬仿真技術的實驗教學在建環專業的應用分析[J].教育教學論壇，2016（4）：260-261.

[3]陳萍，周會超，周虛.構建虛擬仿真實驗平臺，探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理，2011（3）277-280.

[4]李磊.虛擬仿真實驗教學的必要性、存在問題及其可持續發展機制[J].湖北開放職業學院學報，2019（7）：151-153.

[5]王淑嬙，賀行洋，鄒貽權，等.土建類虛擬仿真實驗教學資源持續建設與實踐[J].高等建筑教育，2018（5）：159-165.

[6]孫育英，蓋軼靜，王偉等.空調風系統管網西能虛擬仿真教學實訓平臺的開發[J].圖學學報，2016（4）：550-555.