虚拟仿真在建筑环境专业本科实验教学中的实践

李俊梅 乔雅心 程樟 李炎锋

[摘 要] 虚拟仿真实验尽管具有很多传统实验不具有的优势，但在实施过程也存在诸多问题。以本校开展的建环专业虚拟仿真实验教学为例，总结了其实施过程中存在的不足，为进一步改进和完善仿真实验教学奠定了基础。

[关键词] 虚拟仿真;建环;实验;本科教学

[基金项目] 2018北京工业大学教育教学研究项目“虚拟仿真在建环专业实验教学中的应用探索”（ER2018C020602）

[作者简介] 李俊梅（1970—），女，河南新密人，博士，北京工业大学建筑工程学院建环系副教授，研究方向为建筑火灾安全及建筑节能。

[中图分类号] G642.423    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）43-0388-02    [收稿日期] 2020-03-18

一、引言

实验教学是建筑环境与能源应用工程（建环）专业实践教学的重要组成部分，是建立学生工程意识，培养学生的知识运用能力、创新能力和实践动手能力，提高学生综合素质的重要实践过程[1，2]。但在以往的实验教学中，存在着实验形式、内容、要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后等矛盾，这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。

随着信息技术的发展，开发有针对性的虚拟仿真实验平台，克服传统实验教学存在的不足，已经成为可能。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[2-4]，搭建建筑环境虚拟仿真实验平台不仅可以弥补实验教学因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源，而且对于一些真實实验不具备或难以完成的实验如建设成本高、危险性和破坏性较大的实验，虚拟仿真系统具有无可替代的优势[2]。

然而，虚拟仿真实验作为专业实验教学的一种新型的实验方式和手段，在实施过程中也可能存在各种各样的问题[4，5]。实验教学能否达到预期的教学目标，仍需通过相关的实践来进行进一步的检验和完善。本文以我校建筑环境专业实验教学为例，对虚拟仿真在建筑环境专业实验教学中的应用进行了初步的探索，对其在实施过程中存在的问题进行了分析，为进一步完善虚拟仿真实验教学，提升其实验教学效果奠定基础。

二、虚拟仿真实验平台的搭建

针对我校建筑环境专业中传统实验教学中存在的实验场地不足，专业实验中过于分散的设备系统无法集中呈现等问题，我校先期开发了空调风系统管网性能虚拟仿真实训平台、室内环境气流组织仿真模拟平台、建筑能耗分析虚拟仿真实验平台等虚拟仿真实验平台，并设计了相应的虚拟仿真实验教学内容，用于现有专业实验的补充与拓展。

“空调风系统管网性能虚拟仿真实训平台”开发的主要目的是使学生借助于该模拟仿真，更加直观化、系统化地学习并实践管网压力分布图、风机性能曲线、管网特性曲线、风机与管网的匹配等理论知识。该实验平台克服了实地测量真实风管系统的不便，通过虚拟仿真实验，了解风系统管网的压力分布，以及风机性能与管网的配合关系，学习绘制管网压力分布图、风机和管网特性曲线图，掌握管网性能的相关理论[6]。

“室内环境气流组织仿真模拟平台”主要借助于CFD模拟软件，模拟不同建筑结构、不同外围护结构热工性能、不同送回风方案及送风参数作用下，房间内的温度环境及气流组织分布。空调工况下建筑室内环境的好坏与空调室内的气流组织密切相关。传统的理论教学只是给出了送、回风口布置、送、回风参数选择的一般原则，并给出了气流组织计算的经验公式。

但在实际工况中，室内的气流组织、温度分布与室内冷热负荷的分布、外围护结构的性质以及送、回风口的布置和送、回风参数密切相关，而经验公式并不能给出系统实际运行后室内环境的真实状况，通过模拟仿真就可以解决此方面的难题。虚拟仿真可以直观给出某种设计工况下室内的气流组织、温度分布及人体的热舒适度分布，并依此判断设计方案的优劣，在空调的设计方案选择中具有不可替代的作用，弥补了经验公式的局限性，丰富了理论教学的内容。

“建筑能耗分析虚拟仿真实验平台”借助于建筑环境设计模拟分析软件DeST，通过实施模拟分析，使学生从整体上了解建筑围护结构、室外气象参数、室内的冷热负荷的时空分布、冷热源的选择对建筑能耗的综合影响，为建筑节能系统的设计和优化运行提供指导。

三、虚拟仿真实验教学的实施及存在的问题

利用上述虚拟仿真平台，我们在2013级、2014级、2015级、2016级的本科实验教学中进行了虚拟仿真实验教学的实践。针对虚拟仿真，我们就实验开设的必要性、虚拟仿真的效果及存在的问题开展了相关的问卷调查工作。

在65个有效调查问卷中，有86%的学生认为专业教学中有必要开设虚拟仿真实验;78.4%的学生认为，虚拟仿真实验的开设有助于对所学专业知识的理解和掌握;与传统实验相比，50%以上的学生认为虚拟仿真实验的优势在于可以进行更多的实验工况、可以随时在计算机上操作、不担心损坏仪器等。但多数学生对虚拟仿真实验的不足也有一定的认识，64.8%的学生认为对由于虚拟仿真软件编制的背景不了解，不知道结果实验结果的正确性;58%的学生认为实验过程过于理想化，和真实实验的感觉有差距。在针对虚拟仿真实验的建议中，47.1%的学生认为教师在实验前应首先对软件编制的理论基础进行讲解。

从上述的初步调查结果可以看出，尽管虚拟仿真实验达到了初步设定的教学目标，但在虚拟仿真实验教学的初步实施过程中，也还存在着诸多问题。

首先，虚拟实验由于软、硬件的限制，并不能完全地呈现真实的实验过程，对实验中的不可控因素也不能进行有效地模拟，如风管气流调试实验中，气流的突然变化、管子的漏风、散流器的真实气流分布等，纯粹的虚拟仿真实验对学生的实际动手能力和现场处理实际问题的能力的提升帮助有限。

第二，在虚拟实验过程由于不用担心仪器和设备的损坏及故障，学生在实验过程中缺乏真实实验中的谨慎和负责态度。基于此，在实际条件允许的情况下，实验教学还是应尽可能多地开展真实实验，做到能“实”不“虚”。针对虚拟实验，有条件的话，最好能开展虚实实验的对比，让学生了解虚拟实验和真实实验的主要区别。能实不虚，虚实结合是解决此类问题的根本途径。

四、小结

虚拟仿真实验目前尽管开展地如火如荼，但虚拟仿真实验在实施过程中也存在一定的问题。虚拟仿真实验的开设应结合学校和专业的教学实际和学科特点，在实施过程中如何与理论课程和传统实验教学相结合、如何设定相关的实验内容，开发相对完善的虚拟仿真实验平台，弥补虚拟仿真实验的不足，仍是虚拟仿真实验教学需要深入研究的内容。

参考文献

[1]何叶从.建筑环境与能源应用工程专业实验教学体系改革分析[J].山东农业大学学报（自然科学版），2017（4）：633-635.

[2]李俊梅，简毅文，李炎锋，等.基于虚拟仿真技术的实验教学在建环专业的应用分析[J].教育教学论坛，2016（4）：260-261.

[3]陈萍，周会超，周虚.构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2011（3）277-280.

[4]李磊.虚拟仿真实验教学的必要性、存在问题及其可持续发展机制[J].湖北开放职业学院学报，2019（7）：151-153.

[5]王淑嫱，贺行洋，邹贻权，等.土建类虚拟仿真实验教学资源持续建设与实践[J].高等建筑教育，2018（5）：159-165.

[6]孙育英，盖轶静，王伟等.空调风系统管网西能虚拟仿真教学实训平台的开发[J].图学学报，2016（4）：550-555.