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摘要：以风系统平衡调试虚拟仿真实验为例，对虚拟仿真实验在建筑环境与能源应用工程专业本科实验教学中的应用进行了探索。结果表明，尽管虚拟仿真实验可以弥补常规实验在设备、场地、教学经费等方面的不足，
具有实验资源丰富，成本低、效率高、可扩展性强等特点，但虚拟仿真实验在实施过程中也存在一些问题。在实验平台开发、实验内容设定、过程实施以及成绩评定等方面，应考虑与专业本科教学实际以及传统实验相关内容相结合，使虚拟实验和常规实验优势互补，从而达到提高实验教学水平和教学效果的目的。
关键词：虚拟仿真;建环专业;实验教学;本科教学
中图分类号：G6420;TU 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2021）03-0165-06
2012年，教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录》和《普通高等学校本科专业设置管理规定》，将建筑节能技术与工程、建筑设施智能技术和建筑环境与设备工程三个专业合并为建筑环境与能源应用工程专业（以下简称建环专业）。建环专业主要培养从事建筑环境控制、建筑节能和建筑设施智能技术领域工作，具有空调、供热、通风、建筑给排水、燃气供应等公共设施系统、建筑热能供应系统和建筑节能的设计、施工、调试、运行管理能力和建筑自动化系统方案制定能力的高级工程技术人才和管理人才[1]。从建环专业人才培养目标可以看出，工程实践能力对建环专业学生至关重要。学生的专业理论知识需要通过实验、实习、设计、课外活动等实践教学环节来巩固，工程实践与应用能力、独立工作能力、创新能力则需要通过实践教学环节来培养[2-3]。通过搭建科研与实验平台来辅助教学与实践，一直是建环专业培养学生工程意识、知识应用能力、创新能力和实践能力的重要手段[4]。然而，当前的专业实验教学存在一些问题，在一定程度上影响了实验教学的开展和实验教学效果的提升。
一、当前专业实验存在的问题
以北京工业大学为例，当前建环专业实验教学存在的突出问题有以下几个方面。
（1）实验场地及实验装置数量不足。建环专业的大部分专业实验，如空调系统及空气处理过程实验、锅炉房工艺与设备综合实验、制冷装置调控特性及壓缩机性能实验等，所用的实验装置体型庞大且价格较为昂贵，要配置多台相同型号的实验设备有难度。这就造成在实验过程中，可能只有少部分学生能够亲自参与实验项目的操作，而其他大多数学生只能充当围观者，学生的实际动手能力得不到锻炼。此外，由于场地和经费的限制，部分实验装置被设计成模型实验设备，如风系统、水系统的水力平衡实验、热网水力工程实验的管路多为简化版的小比例模型装置，这与实际工程中的系统和设备相差甚远，多数情况下实验变成了演示实验，很难达到促进理论教学的目的。
（2）实验经费缺乏导致实验设备更新换代慢，且有时候因实验设备维护不及时不得不减少部分实验内容。
（3）在实验实施方面，实验内容、方法、形式并没有随着专业领域的拓宽和社会对人才新的需求而及时更新。
由于暖通空调系统构成复杂，冷热源和末端之间需通过复杂的管路及输运设备相连，现有单一配合理论课程的实验内容设置尽管可强化学生对各学科知识的理解，但忽视了各学科内容之间的联系，学生对暖通空调系统的整体运行缺乏认识，这显然不利于学生综合能力的提升和工程素养的培育。
搭建综合性的专业实验平台，将各学科内容进行有机结合，使系统尽可能地接近工程实际，有助于加深学生对专业知识的理解，使学生的工程实践能力得到进一步锻炼。但专业综合实验平台的搭建耗费巨大，对于多数学校来说并不现实。
随着信息技术的发展，依托虚拟现实、多媒体、人机交互以及网络通讯等技术搭建建筑环境控制系统虚拟仿真综合实验平台，使建环专业实验与实际工程相结合成为可能。虚拟仿真可以将建环专业涉及的分散在建筑物内的系统设备集中呈现，给学生以接近实际的整体的系统概念，而非单个的设备及管路，使学生对设备及系统的运行有更深入全面的了解，从而实现专业实验与实际工程的完美结合。
虚拟仿真实验具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放、资源共享、随技术发展更新换代快等特点[5-7]。搭建虚拟仿真实验平台不仅可以弥补实验教学在实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源，而且对于一些难以完成的真实实验，虚拟仿真系统具有无可替代的优势。基于此，各高校纷纷搭建自己的虚拟仿真实验平台以辅助理论教学和实践教学。然而，虚拟仿真实验作为专业实验教学的一种新型的方式和手段，在实施过程中也存在各种各样的问题，如实验内容的设置、实验教学能否达到预期的教学目标等仍需通过相关的实践来进行检验。本文以北京工业大学建环专业为例，对虚拟仿真实验在建环专业实验教学中的应用进行初步的探索，对实施过程中存在的问题进行分析，并提出相应的解决方法，以进一步完善虚拟仿真实验教学，提升其教学效果。
二、虚拟仿真实验教学实践
（一）虚拟仿真实验平台的搭建
针对现有传统实验教学中存在的问题，结合北京工业大学建环专业理论教学和实验教学的实际，学校先期开发了“空调风系统管网性能及风系统平衡调试虚拟仿真实验平台”“室内环境气流组织仿真模拟平台”“建筑能耗分析仿真实验平台”等虚拟仿真实验平台，并设计了相应的教学内容，用于现有专业实验的补充与拓展。利用上述虚拟仿真平台，在2013级、2014级、2015级、2016级本科实验教学中进行了虚拟仿真实验的教学实践，取得了较好的教学效果。
（二） 虚拟仿真实验教学的实施
选取北京工业大学“空调风系统平衡调试虚拟仿真实验”为例，对虚拟仿真实验的实施情况进行介绍。
该实验在“空调风系统管网性能及风系统平衡调试虚拟仿真实训平台”上完成。该实验平台开发的主要目的是克服实地测量真实风管系统的不便，通过虚拟仿真实验，学生能够更直观、系统地学习并应用管网压力分布图、风机性能曲线、管网特性曲线以及风机与管网匹配等理论知识，初步掌握风系统平衡调试的原理和方法[8]。
具有实验资源丰富，成本低、效率高、可扩展性强等特点，但虚拟仿真实验在实施过程中也存在一些问题。在实验平台开发、实验内容设定、过程实施以及成绩评定等方面，应考虑与专业本科教学实际以及传统实验相关内容相结合，使虚拟实验和常规实验优势互补，从而达到提高实验教学水平和教学效果的目的。
关键词：虚拟仿真;建环专业;实验教学;本科教学
中图分类号：G6420;TU 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2021）03-0165-06
2012年，教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录》和《普通高等学校本科专业设置管理规定》，将建筑节能技术与工程、建筑设施智能技术和建筑环境与设备工程三个专业合并为建筑环境与能源应用工程专业（以下简称建环专业）。建环专业主要培养从事建筑环境控制、建筑节能和建筑设施智能技术领域工作，具有空调、供热、通风、建筑给排水、燃气供应等公共设施系统、建筑热能供应系统和建筑节能的设计、施工、调试、运行管理能力和建筑自动化系统方案制定能力的高级工程技术人才和管理人才[1]。从建环专业人才培养目标可以看出，工程实践能力对建环专业学生至关重要。学生的专业理论知识需要通过实验、实习、设计、课外活动等实践教学环节来巩固，工程实践与应用能力、独立工作能力、创新能力则需要通过实践教学环节来培养[2-3]。通过搭建科研与实验平台来辅助教学与实践，一直是建环专业培养学生工程意识、知识应用能力、创新能力和实践能力的重要手段[4]。然而，当前的专业实验教学存在一些问题，在一定程度上影响了实验教学的开展和实验教学效果的提升。
一、当前专业实验存在的问题
以北京工业大学为例，当前建环专业实验教学存在的突出问题有以下几个方面。
（1）实验场地及实验装置数量不足。建环专业的大部分专业实验，如空调系统及空气处理过程实验、锅炉房工艺与设备综合实验、制冷装置调控特性及壓缩机性能实验等，所用的实验装置体型庞大且价格较为昂贵，要配置多台相同型号的实验设备有难度。这就造成在实验过程中，可能只有少部分学生能够亲自参与实验项目的操作，而其他大多数学生只能充当围观者，学生的实际动手能力得不到锻炼。此外，由于场地和经费的限制，部分实验装置被设计成模型实验设备，如风系统、水系统的水力平衡实验、热网水力工程实验的管路多为简化版的小比例模型装置，这与实际工程中的系统和设备相差甚远，多数情况下实验变成了演示实验，很难达到促进理论教学的目的。
（2）实验经费缺乏导致实验设备更新换代慢，且有时候因实验设备维护不及时不得不减少部分实验内容。
（3）在实验实施方面，实验内容、方法、形式并没有随着专业领域的拓宽和社会对人才新的需求而及时更新。
由于暖通空调系统构成复杂，冷热源和末端之间需通过复杂的管路及输运设备相连，现有单一配合理论课程的实验内容设置尽管可强化学生对各学科知识的理解，但忽视了各学科内容之间的联系，学生对暖通空调系统的整体运行缺乏认识，这显然不利于学生综合能力的提升和工程素养的培育。
搭建综合性的专业实验平台，将各学科内容进行有机结合，使系统尽可能地接近工程实际，有助于加深学生对专业知识的理解，使学生的工程实践能力得到进一步锻炼。但专业综合实验平台的搭建耗费巨大，对于多数学校来说并不现实。
随着信息技术的发展，依托虚拟现实、多媒体、人机交互以及网络通讯等技术搭建建筑环境控制系统虚拟仿真综合实验平台，使建环专业实验与实际工程相结合成为可能。虚拟仿真可以将建环专业涉及的分散在建筑物内的系统设备集中呈现，给学生以接近实际的整体的系统概念，而非单个的设备及管路，使学生对设备及系统的运行有更深入全面的了解，从而实现专业实验与实际工程的完美结合。
虚拟仿真实验具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放、资源共享、随技术发展更新换代快等特点[5-7]。搭建虚拟仿真实验平台不仅可以弥补实验教学在实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源，而且对于一些难以完成的真实实验，虚拟仿真系统具有无可替代的优势。基于此，各高校纷纷搭建自己的虚拟仿真实验平台以辅助理论教学和实践教学。然而，虚拟仿真实验作为专业实验教学的一种新型的方式和手段，在实施过程中也存在各种各样的问题，如实验内容的设置、实验教学能否达到预期的教学目标等仍需通过相关的实践来进行检验。本文以北京工业大学建环专业为例，对虚拟仿真实验在建环专业实验教学中的应用进行初步的探索，对实施过程中存在的问题进行分析，并提出相应的解决方法，以进一步完善虚拟仿真实验教学，提升其教学效果。
二、虚拟仿真实验教学实践
（一）虚拟仿真实验平台的搭建
针对现有传统实验教学中存在的问题，结合北京工业大学建环专业理论教学和实验教学的实际，学校先期开发了“空调风系统管网性能及风系统平衡调试虚拟仿真实验平台”“室内环境气流组织仿真模拟平台”“建筑能耗分析仿真实验平台”等虚拟仿真实验平台，并设计了相应的教学内容，用于现有专业实验的补充与拓展。利用上述虚拟仿真平台，在2013级、2014级、2015级、2016级本科实验教学中进行了虚拟仿真实验的教学实践，取得了较好的教学效果。
（二） 虚拟仿真实验教学的实施
选取北京工业大学“空调风系统平衡调试虚拟仿真实验”为例，对虚拟仿真实验的实施情况进行介绍。
该实验在“空调风系统管网性能及风系统平衡调试虚拟仿真实训平台”上完成。该实验平台开发的主要目的是克服实地测量真实风管系统的不便，通过虚拟仿真实验，学生能够更直观、系统地学习并应用管网压力分布图、风机性能曲线、管网特性曲线以及风机与管网匹配等理论知识，初步掌握风系统平衡调试的原理和方法[8]。