虛擬仿真在建筑環境與能源應用工程專業實踐教學中的應用

李 釗 李奕霖 王 非 王 昕 陳劍波

（上海理工大學建筑環境與能源工程系 上海 200093）

在當今公共衛生事件全球突發的背景下，在線教育已經成為當今社會教育方式的重要組成部分。我國在線教育自MOOC以來也有了長足的發展。在高等教育領域，據統計，疫情期間，全國普通本科高校全部實施了在線教學，108萬名教師開出110萬門課程，合計1719萬門次，在線學習的大學生人次達23億[1]。在線教育的發展促進了優質教育資源共享，推進了教育均衡發展，突破傳統教育時空局限，服務全民終身學習，革新傳統教育流程，帶動教學結構變革[2]。

雖然目前在線教育得到了較大且較快的發展，但是飛速的發展也為在線教育帶來了一些問題。教師需要避免將傳統線下教育機械搬到線上，成為線上“填鴨教學模式”；學生方面，“新舊數字鴻溝”的存在使在線教育促進教育公平方面的成效大打折扣；而對于學校，則需要集中解決在線教育資源供給問題[3,4]。

在線教育除了在宏觀層面存在一定問題，在具體的教學內容方面也存在一定缺陷，最主要體現在實踐課程教育上。對于MOOC資源自主學習，教師直播進行授課和答疑的在線教學模式，對以理論為主的課程或實踐較少的課程具有一定效果，但實踐類課程教學十分注重學習的過程性，而過程性評價不足，學生高階思維能力培養缺失等現象影響了實踐類教學效果，而目前面向全在線授課，使實踐類課程教學存在的這些問題更加突出[5]。

對于建筑環境與能源應用工程（以下簡稱建環）專業，專業教育的目的之一是為行業培養專業知識過硬，具備解決復雜工程問題能力的專業人員，而由于建環專業的特殊性，實踐類教育十分重要。雖然在不同高校中建環專業設置的實踐類教學環節有細微的區別，但在傳統的建環專業教育中，實踐類教育主要包括專業認識實習、專業生產實習兩大部分，此外根據學校自身發展定位，可以設置金工實習、創新創業實踐、畢業實習等不同的環節。在特殊時期，這些實踐教學環節在線下都無從開展，而普通的在線直播式的教學模式也無法鍛煉學生對實際的認知以及動手能力。在此背景下，借助虛擬現實（Virtual Reality：VR）技術，數字孿生（Digital Twins）等技術發展為創建新的建環專業實踐類課程教學模式提供了良好的契機與工具。

1 虛擬仿真技術的發展

虛擬現實（Virtual Reality）技術在目前的技術條件下，是一種以計算機技術為基礎，通過特定感知設備的輸入輸出功能，在用戶視覺映像中構建一個虛擬的、非物理存在的環境[6]。數字孿生（Digital Twins）則是通過多維虛擬模型和融合數據雙驅動，以及物理對象和虛擬模型的交互來描述物理對象的多維屬性，刻畫物理對象的實際行為和狀態，分析物理對象的未來發展趨勢，實現對物理對象的監控、仿真、預測、優化等[7]。VR技術所涉及的技術因素角度，系統構成較為復雜，需要借助互聯網以及計算機[8]。因此VR、DT等技術的興起，也為在線教學的發展提供了必要的保障。

對于完備的VR、DT技術，對軟、硬件的要求較高，如全景照相、攝像設備、全景一體機設備、VR眼鏡和VR一體機等。系統成本較高，因此在條件有限的情況下，可以采用虛擬仿真的形式來進行實踐教學的安排。

2 建環專業實踐教學虛擬仿真化的必要性

建筑環境與能源應用工程是一門多學科基礎，以應用為主，解決能源、人與環境問題的學科。而在社會發展歷程中，能源問題在不同的歷史階段中也反復出現。近年來，隨著我國國民經濟的迅速發展，能源問題已成為整個社會迫切需要解決的問題之一，建設一個節約型社會是我國一項重大的國策，而建筑能耗占社會總能耗的40%-50%。而空調能耗又占了到建筑能耗中最大的比例。雙碳計劃的提出要求我國在2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和，而建筑節能發展至今各項技術已趨成熟，進一步的節能減排需要在建筑節能發展基礎上探尋新的路徑。隨著5G、物聯網（IoT）、大數據、數字孿生等技術的高速發展，智慧建筑是未來建筑行業的發展方向。利用高速發展的信息化技術，充分提升智慧建筑空調系統機房能效，是綠色建筑、智慧建筑技術中的重要組成部分。

建環專業由于專業的特殊性，其專業實踐教育在整個專業的人才培養體系中占據了重要地位。在專業中的各類認識實習、生產實習是建環專業學生在走上工作崗位前深入接觸本專業實際設備、系統的唯一機會。但是對于一個實際建筑的人工環境控制系統，其影響因素眾多，并且實際系統具有眾多高溫設備（鍋爐、板式換熱器）、高壓設備（如制冷機組）、高速轉動設備（水泵），并且強電用電設備較多，雖然目前各類人工環境控制系統自動化程度已經較高，但是仍需要經專業訓練的工作人員進行專門的運行維護及部分調節操作，否則易造成設備的損壞或影響人身安全。即便有實際的工程項目與集中空調系統可供學生進行運行調節實驗，也無法在短時間內實現全年氣候變化下或不同室內負荷條件下的系統運行調節訓練，實際工程項目的集中空調系統運行調節實驗的時間成本、經濟成本都較高。為此，本校也創新提出基于模塊化的集中式空調縮尺模型實驗平臺，通過不同模塊的組合，模擬實際集中式空調系統的運行并提供給學生進行運行調節實驗，但是模塊化縮尺實驗只能為學生提供基本專業知識的驗證與模擬，也缺乏豐富的實驗工況，從而無法有效為學生提供創新創業技能的培訓。

因此實際工程項目只能為學生提供簡單參觀學習的機會，而實驗室中的小型系統為縮尺模型，在運行調節特性上與大型建筑中的人工環境控制系統運行調節規律有較大區別，且無法為學生提供深入探索與試錯的機會，從而無法讓學生對各因素造成的系統影響規律形成宏觀的印象，學生將無法真正掌握實際建筑集中空調系統調節運行管理的方法。

3 建環專業實踐教學虛擬仿真路徑

根據以上分析的建環專業實踐教學虛擬仿真實驗的必要性，建環專業可以從虛擬仿真方法路線、教學方法創新以及虛擬仿真覆蓋面的拓展三個角度來考慮虛擬仿真路徑。

3.1 建環專業虛擬仿真方法路線

建環專業可以按照“了解參數—認識系統—探索方法”的方法路線進行實踐課程的虛擬仿真。首先需要對空調系統的基本運行參數進行了解，在相應正確的位置獲取正確的數據，在了解參數的基礎上，認識各種參數變化對制冷系統、空調系統甚至整個智慧建筑造成的影響，如室外空氣溫濕度、室內溫濕度設定、室內負荷變化等對冷卻水供回水溫度、冷凍水溫度、室內溫濕度等參數的影響。因此，認識系統的基礎要基于完善的數據庫，可以提供學生認識系統在不同工況下的運行情況。最后，需要學生探索在工況變化條件下，怎樣對空調系統、制冷系統進行調節，如制冷機組的加載減載、容量的調節、冷凍水流量的調節等。

綜上，建環專業建立虛擬仿真實驗平臺核心要素的仿真度體現在：對實際系統設備對應的實體模型的仿真，包括冷卻塔、制冷機組、空調箱等系統核心部件；對部分操作的仿真，如閥門的調節、溫度、流量的測量，采用實體測量儀器的模型進行操作仿真，在正確的位置正確的測量數據；對系統運行數據的仿真，包括設備在不同工況下的性能參數，如制冷機組不同負荷率下的COP，水泵的性能曲線、管道的阻力特性、負荷特性等，通過實際運行數據進行擬合或通過理論計算公式獲得。

3.2 教學方法創新

教學首先通過線上線下虛實結合實施。虛擬仿真平臺可以為學生提供近似實際工程項目運行調節的實踐訓練，而與線下的模塊化縮尺集中空調系統實體實驗結合則可以有效形成線上線下混合式教學。學生通過線上虛擬仿真，實踐不同工況下的系統運行調節方法，并在線下實體實驗進行印證，從而可以加深對運行調節知識點的掌握。

其次是基于場景預設的教學。對室內環境負荷條件進行使用場景預設，如將空調系統服務對象預設為一個大型多功能會議室。實踐過程中通過設置不同的會議場景，改變室內負荷情況，如：舉辦大型國際會議：系統滿負荷運行，人數較多，設計溫度相對較低；舉辦大型政府工作會議，系統滿負荷運行，人數中等，室內溫度設計基本為標準規定范圍的上限值；召開小型學術沙龍，系統部分負荷運行，人數較少，且人員具有一定的流動性。通過不同使用場景的預設，學生可以獲得系統運行發生變化的根本原因，從而使學生直觀明確調節原因與目的。

3.3 虛擬仿真實踐教學覆蓋面的拓展

從虛擬仿真場景貼近實際以及虛擬仿真教學資源的充分利用兩方面進行考慮，虛擬仿真教學都應該對覆蓋面進行拓展。對建環專業來講，首先應該對本專業進行課程支撐覆蓋，在此基礎上對相近專業或具有近似課程專業進行覆蓋，如下圖所示。

如圖1所示，建環專業建立智慧建筑集中空調系統運行調節虛擬仿真實驗平臺，通過虛實結合，可以實現跨多個學院與專業。與建環專業具有近似核心課程的能源與動力工程專業等多個專業的10余門課程，可以共用平臺，并且課程可以覆蓋大一至大四四年的不同類型課程，包括概論課、基礎課、專業課以及實踐課，因此真正做到時間、空間的全面覆蓋。

圖1：建環專業虛擬仿真實驗平臺的覆蓋拓展

4 結論與展望

在目前建筑節能技術日趨成熟的背景下，為了實現3060雙碳目標，建環專業必須探索新的路徑，這也對建環專業培養市場所需人才提出了挑戰。而虛擬仿真實踐教育可以最大限度地為學生提供貼近實際工程項目的運行調節實踐訓練，有效克服了傳統教育中運行調節實踐的危險性、操作探索難以實現、無法短時間模擬眾多工況等缺點，將成為建環專業未來人才培養環節中實踐教育不可或缺的新方法。