虚拟仿真实验教学在实验教学示范中心的应用

苏冠元 韩晓敏 康博强

摘  要：以天津商业大学热能与动力工程国家级实验教学示范中心为例，阐述高校虚拟仿真实验教学的应用与开展情况，介绍面向制冷技术与装备专业方面的虚拟仿真实验教学体系和实验教学项目。探讨了虚拟仿真实验教学体系的构筑、教学资源的建设以及应用效果等内容，同时介绍了虚拟仿真实验教学项目共享和人才培养模式的探索情况，以便进一步推动实验教学的改革与创新。

关键词：实验教学;虚拟仿真;实验教学示范中心

中图分类号：G434;G642.4     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0194-03

Abstract：The article takes the experimental and training center of thermal energy and power engineering of Tianjin University of Commerce as an example，carries out the application and development of virtual simulation experimental teaching，and introduces the teaching program which is based on virtual simulation experimental teaching and especially directed at refrigeration technology and equipment major. The article discusses the construction of experimental teaching system and teaching resources，and the effect of application. At the same time，it introduces the exploration of virtual simulation experiment teaching project sharing and talent training mode，so as to further promote the reform and innovation of experimental teaching.

Keywords：experimental teaching;virtual simulation;experimental teaching demonstration center

0  引  言

教育信息化是新时代教育改革发展的必然要求，以信息化技术为基础建设的虚拟仿真实验教学是高校实验教学改革的必然结果。经过多年的建设，目前国内高校开始对虚拟仿真实验教学的发展理念、建设模式、开放共享模式进行深层次的探讨[1，2]。天津商业大学制冷技术与装备虚拟仿真实验教学中心（以下简称制冷虚拟仿真实验中心）依托热能与动力工程国家级实验教学示范中心（以下简称热能实验中心）建设，以人才培养知识体系和专业技能需求为主线，通过对现有实验教学资源的有效整合及虚拟仿真实验教学平台的建立，构筑虚拟仿真实验教学体系，强化教学科研，实现优势资源服务于人才培养的目的;并借鉴其他院校的建设经验，不断推进实验教学信息化建设及实验教学改革，在实验教学体系建设、人才培养、成果推广等方面取得明显成效[3，4]。

1  虚拟仿真实验教学体系的构筑

目前，热能实验中心的虚拟仿真实验教学体系已初具规模，构建科学、系统的虚拟仿真实验教学体系有利于促进实验教学的可持续发展。中心已经开始将虚拟仿真实验教学项目融合进实验教学体系之中，虚拟仿真实验教学正朝着规模化、体系化的方向发展[5]。

热能实验中心主要面向能源与动力工程、建筑环境与能源应用工程两个专业，同时还承担物流管理、食品工程等专业学生的相关开放实验，以及工程热力学、制冷原理、空气调节等基础课和专业课课程的实验教学任务，共计实验课程33门、实验项目113个，其中12门课程的24个实验项目涉及虚拟仿真实验，包括8个基础型、12个综合设计型和4个研究创新型实验，已初步建立具有“以虚补实、虚实结合、以虚促实、提升实效”特点的多层次实验教学体系，以适应现代制冷及空调等相关领域科技发展对高素质、创新型人才的培养需求。

基于热能实验中心现有实验设备、自主研发的虚拟仿真平台和大型仪器网络虚拟共享系统，结合学科传统优势教学资源和未来建设规划，建成了“一项活动、两个中心、两种类型、三个层次、四个模块”的虚拟仿真实验教学体系。

一项活动是指利用仿真软件开展课外科研和竞赛活动，开拓学生的创新设计思路。两个中心即热能实验中心与制冷虚拟仿真实验中心，相辅相成，互相支撑与促进。两种类型是指实验类型，一类是高危险型，如氨制冷、CO2制冷;另一类是高成本高消耗型，如溴化锂吸收式制冷、集中空调系统等。三个层次是指基础型、综合设计型、研究创新型。四个模块是指制冷主机模块、制冷附属设备模块、氨制冷系统与集中空调系统模块、其他制冷方式模块。

2  虚拟仿真实验教学资源的建设

目前热能实验中心建设完成了“氨制冷系统安全运行”和“集中空调系统多工况运行调节与性能分析”两个天津市级虚拟仿真实验教学项目以及“CO2制冷系统虚拟仿真实验”“转轮除湿空调系统虚拟仿真实验”“溴化锂吸收式制冷虚拟仿真实验”等多个虚拟仿真实验项目，构建了丰富的虚拟仿真实验教学资源，如图1所示。

以“集中空调系统多工况运行调节与性能分析”虚拟仿真实驗教学项目建设情况为例，通过以本校图书馆集中空调系统为样本进行模拟，构造出与实际场景一致的集中空调系统，让学生直观地看到空调系统各组成部件及运行过程，学会不同工况的运行切换操作，掌握空调系统性能测试手段和计算方法，分析空调系统的实时运行特性。该系统可进行几种典型设计工况的转换测试，实现虚拟与实际实验的交互和深化，弥补了因集中空调实验设施价格昂贵、占用实验室空间大、运行维护费用高等因素导致无法在实验室开设该实验课程的不足;有助于提高学生对复杂问题的认知能力，为提高学生的创新能力提供学习平台，增强实验与空调企业实际应用的对接性，提升学生对现代空调企业的适应性。

3  虚拟仿真实验教学的应用效果

3.1  提升实验教学质量方面的效果

虚拟仿真实验教学可以有效调动学生学习专业理论知识的积极性，激发学生实验兴趣，提高学生实验操作技能，发掘学生创造潜能，提高学生发现并解决問题的综合能力，具体效果体现在以下三方面。

3.1.1  基础型实验教学方面

学生可以通过虚拟仿真实验，对比较抽象的知识产生更具体直观的认识，提高理解程度。学生可以在虚拟实验环境中独立完成预习实验、设置参数、分析情况等工作，从而实现缩短实验时长、减少操作错误、降低实验仪器设备损坏率的目的。

3.1.2  综合设计型实验教学方面

大部分专业综合设计课程需要在连续的较长的时间段内完成，但由某个班的学生长期占用一间实验室是不可能的。通过虚拟仿真课程，可以让学生不受时间、场地、实验设备的限制，同时可以帮助学生发现漏洞和错误，避免因为反复实验产生时间和资金的浪费，在提升学生实验意识、提高设计成功率方面发挥良好作用。

3.1.3  研究创新型实验方面

因该类型实验涉及大型贵重仪器设备，对环境条件和基础设施要求高、运行维护成本较高，并存在危险性，学生难以得到动手实践的机会。沉浸感强的虚拟仿真实验可以让学生深入了解大型仪器设备的操作方法和实验效果，从而为实际使用复杂的仪器设备、了解学科前沿技术打下基础[5]。

3.2  创新人才培养模式方面的效果

热能实验中心根据学校办学指导思想“培养商学素养与专业能力相结合、知识学习与实践能力并重、诚信做人与创新能力兼备的复合型创业型应用人才”和制冷空调行业对人才的需求，秉承“重视基础，强化应用，开发潜能”的教学理念，积极探寻实验教学改革手段，以培养创新意识和工程实践综合能力为核心，以培养高素质复合型创业型应用人才为宗旨，建设虚拟仿真实验教学平台。依靠虚拟仿真实验具有的沉浸感、模拟性、交互性等特点，帮助学生完善知识系统、培养创新意识和解决实际问题的能力[6]。

3.3  探索产学研共同开发实验资源方面的效果

学校在虚拟仿真实验教学体系建设工作中，开辟了校企合作的新模式。将企业在生产研发过程中遇到的难题，以科技立项的形式转化为科研问题，促进了企业的生产和发展;企业提供各种制冷产品的详细技术资料及大型冷库的系统组成和运行管理模式，为制作虚拟仿真实验教学软件提供真实可靠的素材，使虚拟仿真实验更接近实际。虚拟实验与生产实践紧密结合，既能提高学生的能力，又能帮助企业解决问题。

3.4  推广虚拟仿真实验教学成果方面的效果

“氨制冷系统安全运行”和“集中空调系统多工况运行调节与性能分析”作为天津市级虚拟仿真实验教学项目，已在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（http：//www.ilab-x.com/）面向全国开放共享。截至2020年6月，两个项目的累计浏览量12 000余次，其中“集中空调系统多工况运行调节与性能分析”平均得分4.9分（满分5.0分），为其他高校同类型专业的师生提供了优质的教学平台。

4  结  论

围绕本专业知识体系并结合学校的优势资源和办学定位，天津商业大学热能与动力工程国家级实验教学示范中心通过多年的实践，总结了“一项活动、两个中心、两种类型、三个层次、四个模块”的虚拟仿真实验教学体系，是国内高校制冷技术与装备专业方面实验教学工作的一场新的探索。中心紧扣人才培养目标，以“以虚补实、虚实结合、以虚促实、提升实效”为原则，建立起符合专业特点的多层次模块化的实验教学体系，提高了管理效率和教学效果，是实验教学改革中具有意义的一次尝试。

参考文献：

[1] 刘秀清，葛文庆，焦学健，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理 [J].实验技术与管理，2018，35（11）：225-228+233.

[2] 孙君，朱健，戴礼兴.基于虚拟仿真实验教学项目的工程实践 [J].教育教学论坛，2020（14）：219-220.

[3] 李光，宋海燕，孙彬青，等.包装工程国家级虚拟仿真实验教学中心的建设与实践 [J/OL].包装工程，2019（S1）：47-51.https：//doi.org/10.19554/j.cnki.1001-3563.2019.S1.012.

[4] 张敏，刘俊波.对高校虚拟仿真实验教学项目建设的若干思考 [J].中国现代教育装备，2020（1）：10-13.

[5] 曹玉珍，何峰，刘鸣，等.仪器类专业虚拟仿真实验教学中心的建设思路 [J].实验技术与管理，2016，33（5）：165-167+173.

[6] 刘亚丰，吴元喜，苏莉，等.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建 [J].实验技术与管理，2015，32（9）：120-123.

作者简介：苏冠元（1990—），男，汉族，天津人，助理工程师，硕士，研究方向：实验室管理。