基于“虛實結合”的暖通空調綜合實驗課程創新研究

曹曉玲 孫亮亮 蔣福建

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

供暖、供燃氣、通風及空調工程（簡稱：暖通工程）是一門應用型學科，對于學生的綜合應用能力培養十分重視[1-3]。為了激發學生的學習積極性和主動性，提升學生的創新能力和動手能力，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實踐，真正促進暖通專業高素質技能應用型人才培養目標實現。筆者經多年的教學實踐，發現原有的傳統實驗存在諸多不足，隨著網絡互聯技術和計算機技術的快速發展，虛擬仿真實驗平臺成為實驗教學改革的重要議題[4-6]，但是也存在一定的缺點。為此，本文以《暖通空調綜合實驗》為例，將“虛實結合”（傳統實驗與虛擬仿真實驗結合）的理念引入到暖通空調實驗課程的教學實踐中，實現學生實驗設計能力、動手能力、理論分析能力同步發展。經過教學實踐，取得了很好的教學效果，同時也積累了一定的經驗。

1 原有實驗教學模式的不足

西南交通大學機械工程學院建筑環境與能源應用工程專業中，《暖通空調綜合實驗》是一門開放性、設計性的實驗課程，針對建筑環境與能源應用工程專業高年級學生開設，學生已先修本專業《建筑環境學》、《熱質交換原理與設備》、《空氣調節》、《流體輸配管網》等重要專業課程。該課程不限定具體實驗項目，學生以小組為單位，綜合運用本專業知識進行實驗方案設計、實驗測試及實驗分析。

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

在傳統實驗教學過程中，筆者發現以下幾點不足：學生對空調系統基本原理及組成不清楚；離開了實驗指導書，不知道如何開展工作；動手能力差；測試數據錯誤也無法判斷。從學生的角度，調查結果如表1所示，傳統實驗表現出儀器少、動手機會少等諸多不足，這些不足會導致學生對實驗課失去興趣，無法完成課程培養目標，加之疫情帶來的外部挑戰，實驗教學改革勢在必行。

表1 傳統實驗教學的不足Table 1 The shortcomings of the original experiment teaching

虛擬仿真實驗突破傳統實驗的限制，一經采用就受到學生的歡迎和認可。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；平臺建設缺乏專業培養針對性；缺少提前預習的和自主實驗設計操作模塊，導致其不能完全替代傳統實驗，并限制其廣泛地應用。

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

從暖通空調實驗的角度來看，考慮到暖通空調系統及組成復雜、運行工況多，需要借助虛擬實驗教學的優勢，加強學生對于系統基本運行的認知，也指出了實踐教學采用虛實結合模式的必要性；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。實驗教學只有采用虛實結合的模式，才能充分發揮虛擬實驗的優勢，彌補傳統實物實驗的不足。同時激發學生的學習興趣和專業熱情，引導學生自主學習，形成以學生為主導的交互式學習氛圍。

2 “虛實結合”在暖通空調綜合實驗中的應用

傳統實驗教學以暖通空調綜合實驗平臺為基礎，實驗臺涵蓋了目前暖通空調系統主流類型及控制技術，并配置大量測試儀器設備，學生在此平臺上自主開展實驗，如圖1（a）所示；虛擬實驗教學綜合運用網絡技術、多媒體技術、虛擬現實技術和計算機仿真軟件等，通過軟件模擬技術達到傳統真實實驗的效果，可全面熟練地掌控復雜龐大的空調系統組成[7,8]，西南交通大學機械工程學院建筑環境與能源應用工程專業采用的虛擬實驗平臺界面如圖1（b）所示。

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

“虛實結合”的實驗教學模式如圖2所示，從課題系統設置上來講，將實驗教學分為三個層次，暖通空調系統的組成及認知、暖通空調系統關鍵部件性能測試、暖通空調系統設計，由淺入深；從實驗項目安排上來講，每個實做實驗對應一個虛擬實驗。

圖2 暖通空調綜合實驗虛+實結合模式Fig.2 HVAC integrated experimental virtual+real mode

根據具體實驗內容，設置了兩種虛擬實驗與傳統實驗結合的方式。一種為虛擬實驗在前，傳統實驗在后，這類方式適用于暖通空調系統性能測試分析實驗。比如空調器制冷能力測試實驗，用傳統方法進行實驗時，空調系統要達到熱平衡狀態才能進行測試，這一過程至少需要2 小時，如果再加上學生現場布置測點進行測試，這一過程導致實驗時間過長，課內難以安排。原有做法是，實驗教師會提前開啟空調系統，學生只能最后檢測結果，對空調系統的運行和判斷缺乏自主性，只能被動接受，缺乏自主設計和直觀感受，實驗效果不佳。通過建立開放暖通空調系統工作虛擬實驗平臺，學生在線上就可以熟悉設備，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進行，直到方案正確為止。根據虛擬實驗制定的測試方案，再到傳統實驗中進行實施、實測。這樣既提高了實驗效率，同時學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系統。

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

3 “虛實結合”實驗教學效果

基于上述研究，西南交通大學機械工程學院建筑環境與能源應用工程專業于2021年更新了暖通空調綜合實驗大綱，采用“虛實結合”的實驗教學模式。總體來看，本次實驗教學模式改革取得了明顯的效果，從學生反應來看，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生很少，而且實驗方案千篇一律，少有創新。而改革施行后，很多學生主動與老師討論在虛擬實驗平臺遇到的設計問題及其與后續實操實驗之間的關系，實驗方案更加細致，創新性提升。

為了了解學生對本次教改的意見和想法，筆者在此設計調查問卷，由于之前調研的2017 級、2018級學生大多已經畢業，因此，本文選取2019 級暖通空調綜合實驗課程42 名學生作為研究對象，分析學生對改革后的“虛實結合”的實驗教學模式的客觀評價，結果如表3所示。結果表明：學生對實驗教學模式的客觀評價有了大幅度的提高，認為無不足的學生比例從3.75%提高到88.10%。但仍有少量學生提出儀器少、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，但是對進一步設備內部的原理理解程度低；部分同學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 “虛實結合”實驗教學模式的調查結果Table 3 Investigation results of experimental teaching mode of"virtual and real combination"

4 總結與改進方向

通過本次對“虛實結合”實驗教學模式的創新研究，不僅提高了學生在暖通空調綜合實驗中的實驗設計能力、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，同時也引發了對虛擬仿真實驗平臺這一教學改革的深刻思考。

另外，從部分學生的反饋來看，仍有一些問題需要在以后的教學中繼續改進。如：應進一步完善虛擬實驗仿真平臺，深入剖析集成部件的內部原理；提高實驗室儀器的數量，讓每個學生都盡可能多的參與實驗。可見，只要堅持以學生為中心，以他們真正掌握專業知識并能夠將課程的理論知識應用于具體的工程實踐為目標，相應的教學改革就可以取得良好的預期效果。