孫育英 劉景東 王偉 吳旭 洪陽(yáng)

摘要：從建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，分析當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題，論述虛擬仿真技術(shù)在建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的必要性，梳理建環(huán)專業(yè)領(lǐng)域的常用仿真技術(shù)以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀。論文研究對(duì)促進(jìn)建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有重要意義。

關(guān)鍵詞：建環(huán)專業(yè);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）05-0106-02

引言

虛擬仿真技術(shù)是20世紀(jì)末才興起的一門嶄新的信息技術(shù)，能夠模擬真實(shí)設(shè)備或系統(tǒng)的工作過(guò)程，具有信息量大、生動(dòng)形象、身臨其境、實(shí)時(shí)交流等特征。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[1]，促進(jìn)當(dāng)前教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革。

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程是一個(gè)典型工科類的專業(yè)，在人才培養(yǎng)中普遍存在“重設(shè)計(jì)、輕實(shí)踐”等問(wèn)題，強(qiáng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型和創(chuàng)新型的實(shí)用人才，是社會(huì)對(duì)建環(huán)專業(yè)教學(xué)改革的迫切要求。將虛擬仿真技術(shù)的引入到建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的存在問(wèn)題，提高建環(huán)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，是值得研究和探索的課題。

一、建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀

目前，建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是傳統(tǒng)模式[2]，存在實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段單一等諸多問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)類型多以驗(yàn)證性、演示型為主，學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)，往往敷衍了事。為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，很多學(xué)校做出積極探索和改革[3-4]，如獨(dú)立設(shè)置專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程、改革實(shí)驗(yàn)考核模式、開(kāi)設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、增加生產(chǎn)實(shí)習(xí)等。雖然這些努力對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起到了一定作用，但是，建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展中存在瓶頸：

1.受實(shí)驗(yàn)室條件限制，很難開(kāi)設(shè)交叉性專業(yè)實(shí)驗(yàn)。

暖通空調(diào)系統(tǒng)形式多樣、構(gòu)成復(fù)雜、設(shè)備龐大、維護(hù)費(fèi)用高，受實(shí)驗(yàn)室空間和資金的限制，很難建設(shè)較為綜合的暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生對(duì)系統(tǒng)整體性和在工程中的實(shí)際運(yùn)行缺少全面性認(rèn)識(shí)。

2.受生產(chǎn)與安全條件限制，生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)效果很難達(dá)到預(yù)期要求。

為了彌補(bǔ)交叉性專業(yè)實(shí)驗(yàn)的不足，很多學(xué)校加強(qiáng)了生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。但是，由于實(shí)際工程環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)大、操作安全要求高，企業(yè)出于經(jīng)濟(jì)效益和安全考慮，不可能同意把在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只能是走馬觀花的參觀式教學(xué)，實(shí)際教學(xué)效果不佳。

3.受師資力量和實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量大打折扣。

大多數(shù)學(xué)校建環(huán)專業(yè)每年招生2個(gè)班以上，有的學(xué)校甚至達(dá)到4個(gè)班。當(dāng)學(xué)生人數(shù)多時(shí)，而師資力量有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限時(shí)，如何安排好學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且能夠激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性、積極性是一件非常困難的事情。

二、建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

虛擬仿真技可以生動(dòng)形象地復(fù)現(xiàn)各類復(fù)雜的暖通空調(diào)系統(tǒng)，有效解決建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)改革的瓶頸問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室條件的限制、生產(chǎn)與安全條件的限制、師資與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，可以實(shí)現(xiàn)在課堂和實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過(guò)程，拓展實(shí)驗(yàn)類型，開(kāi)展豐富多樣的專業(yè)交叉性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

建環(huán)專業(yè)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將帶來(lái)如下優(yōu)勢(shì)：①能營(yíng)造出一種仿真式與交互式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不用考慮實(shí)驗(yàn)室面積、投資、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，使得實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大大降低。②能展現(xiàn)建環(huán)專業(yè)的最前沿技術(shù)，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。③擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和深度，突破課堂教學(xué)難點(diǎn)。④去除了繁雜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，節(jié)省去人力、物力，更有效利用師資力量。⑤可以反復(fù)訓(xùn)練，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供平臺(tái)，提高學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)主動(dòng)思考。

對(duì)于實(shí)踐教學(xué)而言，不同層次的實(shí)踐教學(xué)可以用不同層次的虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬。在專業(yè)基礎(chǔ)課程中的實(shí)踐教學(xué)可以使用簡(jiǎn)單、高效、成本低廉的傳統(tǒng)仿真技術(shù)來(lái)完成，對(duì)于專業(yè)核心課程的實(shí)踐教學(xué)或綜合性實(shí)驗(yàn)，可采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、建環(huán)專業(yè)領(lǐng)域的常用仿真技術(shù)

仿真技術(shù)以低成本、高開(kāi)放性和廣泛適用性等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在建環(huán)專業(yè)相關(guān)的科研領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用和研究，很多仿真軟件被用于暖通空調(diào)的仿真建模，主要分為以下三個(gè)方面：

1.建筑室內(nèi)環(huán)境的仿真。主要有Fluent、Airpak、Phoenics和Flovent等軟件，其中Fluent和Airpak最具代表性。Fluent軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，能夠準(zhǔn)確模擬所研究對(duì)象內(nèi)的空氣流動(dòng)、傳熱和污染等物理現(xiàn)象。Airpak則是專門面向HVAC領(lǐng)域的室內(nèi)環(huán)境仿真軟件，在功能上沒(méi)有Fluent全面，但是比Fluent更易于建環(huán)專業(yè)人員使用。

2.建筑或空調(diào)系統(tǒng)能耗的仿真。主要有EnergyPlus、DeST、DOE-2和BLAST等軟件，其中EnergyPlus和DeST在我國(guó)應(yīng)用最多。EnergyPlus吸收了DOE-2和BLAST的優(yōu)點(diǎn)，采用集成同步的負(fù)荷/系統(tǒng)/設(shè)備的模擬方法。DeST基于狀態(tài)空間法理論，利用多區(qū)熱質(zhì)平衡算法和三維動(dòng)態(tài)傳熱算法模擬建筑能耗。

3.暖通空調(diào)系統(tǒng)性能的仿真。主要有TRNSYS、SIMULINK、HVACSIM+和DYMOLA等軟件。TRNSYS模塊化結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模擬軟件，內(nèi)置了200多個(gè)功能性子程序，目前應(yīng)用最為普遍。DYMOLA是基于方程式的多物理系統(tǒng)模擬軟件，能夠很好解決因果類仿真平臺(tái)的代數(shù)循環(huán)問(wèn)題，而且具備將建模和數(shù)值方法的理想解耦，適用于開(kāi)發(fā)復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)仿真模型。

可見(jiàn)，仿真技術(shù)已經(jīng)在建環(huán)專業(yè)科研領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，可以模擬建筑室內(nèi)復(fù)雜的熱環(huán)境，仿真各種復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)，為暖通空調(diào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

四、建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r

仿真技術(shù)是用來(lái)構(gòu)建仿真系統(tǒng)的物理模型，真實(shí)反映出實(shí)際系統(tǒng)的特性。對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，必須有交互式界面，通常用Vega、U3D、Eclipse、CATIA、WebBuilder、Visual Studio、LabVIEW等軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，使學(xué)生可直接參與，探索仿真對(duì)象的變化過(guò)程。目前，雖然建環(huán)專業(yè)領(lǐng)域的仿真研究很多，但主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域;建環(huán)專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)很少，尚處于初步探索階段。

美國(guó)可持續(xù)建筑性能研究所開(kāi)發(fā)了LearnHVAC軟件，如圖1所示。學(xué)生可以對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，包括短期控制模擬，長(zhǎng)期能耗模擬，分析系統(tǒng)故障。教師可以自定義暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬場(chǎng)景，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理。目前，LearnHVAC只是可發(fā)了變風(fēng)量系統(tǒng)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在國(guó)內(nèi)，山東建筑大學(xué)開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，只側(cè)重于對(duì)原理的認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)功能簡(jiǎn)單;合肥工業(yè)大學(xué)楊善林教授將組件技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)的計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，其開(kāi)發(fā)方法能夠?qū)μ摂M仿真軟件有一個(gè)很好的參考作用[5];湖北工業(yè)大學(xué)以BIM技術(shù)、信息技術(shù)為支撐，組建了綠色建筑全生命周期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[6]。

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)逐漸得到重視，很多大學(xué)已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)調(diào)研，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、研究虛擬仿真教學(xué)方法等工作已經(jīng)逐步開(kāi)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)是當(dāng)前高等教育的重要教學(xué)手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)必將推動(dòng)建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展，如何與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，設(shè)置合理的實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，將是近年來(lái)建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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