虛擬仿真實驗教學在實驗教學示范中心的應用

蘇冠元 韓曉敏 康博強

摘 ?要：以天津商業大學熱能與動力工程國家級實驗教學示范中心為例，闡述高校虛擬仿真實驗教學的應用與開展情況，介紹面向制冷技術與裝備專業方面的虛擬仿真實驗教學體系和實驗教學項目。探討了虛擬仿真實驗教學體系的構筑、教學資源的建設以及應用效果等內容，同時介紹了虛擬仿真實驗教學項目共享和人才培養模式的探索情況，以便進一步推動實驗教學的改革與創新。

關鍵詞：實驗教學;虛擬仿真;實驗教學示范中心

中圖分類號：G434;G642.4 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0194-03

Abstract：The article takes the experimental and training center of thermal energy and power engineering of Tianjin University of Commerce as an example，carries out the application and development of virtual simulation experimental teaching，and introduces the teaching program which is based on virtual simulation experimental teaching and especially directed at refrigeration technology and equipment major. The article discusses the construction of experimental teaching system and teaching resources，and the effect of application. At the same time，it introduces the exploration of virtual simulation experiment teaching project sharing and talent training mode，so as to further promote the reform and innovation of experimental teaching.

Keywords：experimental teaching;virtual simulation;experimental teaching demonstration center

0 ?引 ?言

教育信息化是新時代教育改革發展的必然要求，以信息化技術為基礎建設的虛擬仿真實驗教學是高校實驗教學改革的必然結果。經過多年的建設，目前國內高校開始對虛擬仿真實驗教學的發展理念、建設模式、開放共享模式進行深層次的探討[1，2]。天津商業大學制冷技術與裝備虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱制冷虛擬仿真實驗中心）依托熱能與動力工程國家級實驗教學示范中心（以下簡稱熱能實驗中心）建設，以人才培養知識體系和專業技能需求為主線，通過對現有實驗教學資源的有效整合及虛擬仿真實驗教學平臺的建立，構筑虛擬仿真實驗教學體系，強化教學科研，實現優勢資源服務于人才培養的目的;并借鑒其他院校的建設經驗，不斷推進實驗教學信息化建設及實驗教學改革，在實驗教學體系建設、人才培養、成果推廣等方面取得明顯成效[3，4]。

1 ?虛擬仿真實驗教學體系的構筑

目前，熱能實驗中心的虛擬仿真實驗教學體系已初具規模，構建科學、系統的虛擬仿真實驗教學體系有利于促進實驗教學的可持續發展。中心已經開始將虛擬仿真實驗教學項目融合進實驗教學體系之中，虛擬仿真實驗教學正朝著規模化、體系化的方向發展[5]。

熱能實驗中心主要面向能源與動力工程、建筑環境與能源應用工程兩個專業，同時還承擔物流管理、食品工程等專業學生的相關開放實驗，以及工程熱力學、制冷原理、空氣調節等基礎課和專業課課程的實驗教學任務，共計實驗課程33門、實驗項目113個，其中12門課程的24個實驗項目涉及虛擬仿真實驗，包括8個基礎型、12個綜合設計型和4個研究創新型實驗，已初步建立具有“以虛補實、虛實結合、以虛促實、提升實效”特點的多層次實驗教學體系，以適應現代制冷及空調等相關領域科技發展對高素質、創新型人才的培養需求。

基于熱能實驗中心現有實驗設備、自主研發的虛擬仿真平臺和大型儀器網絡虛擬共享系統，結合學科傳統優勢教學資源和未來建設規劃，建成了“一項活動、兩個中心、兩種類型、三個層次、四個模塊”的虛擬仿真實驗教學體系。

一項活動是指利用仿真軟件開展課外科研和競賽活動，開拓學生的創新設計思路。兩個中心即熱能實驗中心與制冷虛擬仿真實驗中心，相輔相成，互相支撐與促進。兩種類型是指實驗類型，一類是高危險型，如氨制冷、CO2制冷;另一類是高成本高消耗型，如溴化鋰吸收式制冷、集中空調系統等。三個層次是指基礎型、綜合設計型、研究創新型。四個模塊是指制冷主機模塊、制冷附屬設備模塊、氨制冷系統與集中空調系統模塊、其他制冷方式模塊。

2 ?虛擬仿真實驗教學資源的建設

目前熱能實驗中心建設完成了“氨制冷系統安全運行”和“集中空調系統多工況運行調節與性能分析”兩個天津市級虛擬仿真實驗教學項目以及“CO2制冷系統虛擬仿真實驗”“轉輪除濕空調系統虛擬仿真實驗”“溴化鋰吸收式制冷虛擬仿真實驗”等多個虛擬仿真實驗項目，構建了豐富的虛擬仿真實驗教學資源，如圖1所示。

以“集中空調系統多工況運行調節與性能分析”虛擬仿真實驗教學項目建設情況為例，通過以本校圖書館集中空調系統為樣本進行模擬，構造出與實際場景一致的集中空調系統，讓學生直觀地看到空調系統各組成部件及運行過程，學會不同工況的運行切換操作，掌握空調系統性能測試手段和計算方法，分析空調系統的實時運行特性。該系統可進行幾種典型設計工況的轉換測試，實現虛擬與實際實驗的交互和深化，彌補了因集中空調實驗設施價格昂貴、占用實驗室空間大、運行維護費用高等因素導致無法在實驗室開設該實驗課程的不足;有助于提高學生對復雜問題的認知能力，為提高學生的創新能力提供學習平臺，增強實驗與空調企業實際應用的對接性，提升學生對現代空調企業的適應性。

3 ?虛擬仿真實驗教學的應用效果

3.1 ?提升實驗教學質量方面的效果

虛擬仿真實驗教學可以有效調動學生學習專業理論知識的積極性，激發學生實驗興趣，提高學生實驗操作技能，發掘學生創造潛能，提高學生發現并解決問題的綜合能力，具體效果體現在以下三方面。

3.1.1 ?基礎型實驗教學方面

學生可以通過虛擬仿真實驗，對比較抽象的知識產生更具體直觀的認識，提高理解程度。學生可以在虛擬實驗環境中獨立完成預習實驗、設置參數、分析情況等工作，從而實現縮短實驗時長、減少操作錯誤、降低實驗儀器設備損壞率的目的。

3.1.2 ?綜合設計型實驗教學方面

大部分專業綜合設計課程需要在連續的較長的時間段內完成，但由某個班的學生長期占用一間實驗室是不可能的。通過虛擬仿真課程，可以讓學生不受時間、場地、實驗設備的限制，同時可以幫助學生發現漏洞和錯誤，避免因為反復實驗產生時間和資金的浪費，在提升學生實驗意識、提高設計成功率方面發揮良好作用。

3.1.3 ?研究創新型實驗方面

因該類型實驗涉及大型貴重儀器設備，對環境條件和基礎設施要求高、運行維護成本較高，并存在危險性，學生難以得到動手實踐的機會。沉浸感強的虛擬仿真實驗可以讓學生深入了解大型儀器設備的操作方法和實驗效果，從而為實際使用復雜的儀器設備、了解學科前沿技術打下基礎[5]。

3.2 ?創新人才培養模式方面的效果

熱能實驗中心根據學校辦學指導思想“培養商學素養與專業能力相結合、知識學習與實踐能力并重、誠信做人與創新能力兼備的復合型創業型應用人才”和制冷空調行業對人才的需求，秉承“重視基礎，強化應用，開發潛能”的教學理念，積極探尋實驗教學改革手段，以培養創新意識和工程實踐綜合能力為核心，以培養高素質復合型創業型應用人才為宗旨，建設虛擬仿真實驗教學平臺。依靠虛擬仿真實驗具有的沉浸感、模擬性、交互性等特點，幫助學生完善知識系統、培養創新意識和解決實際問題的能力[6]。

3.3 ?探索產學研共同開發實驗資源方面的效果

學校在虛擬仿真實驗教學體系建設工作中，開辟了校企合作的新模式。將企業在生產研發過程中遇到的難題，以科技立項的形式轉化為科研問題，促進了企業的生產和發展;企業提供各種制冷產品的詳細技術資料及大型冷庫的系統組成和運行管理模式，為制作虛擬仿真實驗教學軟件提供真實可靠的素材，使虛擬仿真實驗更接近實際。虛擬實驗與生產實踐緊密結合，既能提高學生的能力，又能幫助企業解決問題。

3.4 ?推廣虛擬仿真實驗教學成果方面的效果

“氨制冷系統安全運行”和“集中空調系統多工況運行調節與性能分析”作為天津市級虛擬仿真實驗教學項目，已在國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺（http：//www.ilab-x.com/）面向全國開放共享。截至2020年6月，兩個項目的累計瀏覽量12 000余次，其中“集中空調系統多工況運行調節與性能分析”平均得分4.9分（滿分5.0分），為其他高校同類型專業的師生提供了優質的教學平臺。

4 ?結 ?論

圍繞本專業知識體系并結合學校的優勢資源和辦學定位，天津商業大學熱能與動力工程國家級實驗教學示范中心通過多年的實踐，總結了“一項活動、兩個中心、兩種類型、三個層次、四個模塊”的虛擬仿真實驗教學體系，是國內高校制冷技術與裝備專業方面實驗教學工作的一場新的探索。中心緊扣人才培養目標，以“以虛補實、虛實結合、以虛促實、提升實效”為原則，建立起符合專業特點的多層次模塊化的實驗教學體系，提高了管理效率和教學效果，是實驗教學改革中具有意義的一次嘗試。

參考文獻：

[1] 劉秀清，葛文慶，焦學健，等.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與管理 [J].實驗技術與管理，2018，35（11）：225-228+233.

[2] 孫君，朱健，戴禮興.基于虛擬仿真實驗教學項目的工程實踐 [J].教育教學論壇，2020（14）：219-220.

[3] 李光，宋海燕，孫彬青，等.包裝工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐 [J/OL].包裝工程，2019（S1）：47-51.https：//doi.org/10.19554/j.cnki.1001-3563.2019.S1.012.

[4] 張敏，劉俊波.對高校虛擬仿真實驗教學項目建設的若干思考 [J].中國現代教育裝備，2020（1）：10-13.

[5] 曹玉珍，何峰，劉鳴，等.儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設思路 [J].實驗技術與管理，2016，33（5）：165-167+173.

[6] 劉亞豐，吳元喜，蘇莉，等.生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的構建 [J].實驗技術與管理，2015，32（9）：120-123.

作者簡介：蘇冠元（1990—），男，漢族，天津人，助理工程師，碩士，研究方向：實驗室管理。