基于“虛實(shí)結(jié)合”的暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新研究

曹曉玲 孫亮亮 蔣福建

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

供暖、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程（簡稱：暖通工程）是一門應(yīng)用型學(xué)科，對于學(xué)生的綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)十分重視[1-3]。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)課程改革勢在必行。有效的實(shí)驗(yàn)課程能夠強(qiáng)化課程教學(xué)實(shí)踐，真正促進(jìn)暖通專業(yè)高素質(zhì)技能應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。筆者經(jīng)多年的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)原有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在諸多不足，隨著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要議題[4-6]，但是也存在一定的缺點(diǎn)。為此，本文以《暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)》為例，將“虛實(shí)結(jié)合”（傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合）的理念引入到暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、理論分析能力同步發(fā)展。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，取得了很好的教學(xué)效果，同時(shí)也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的不足

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)中，《暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)》是一門開放性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)課程，針對建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)，學(xué)生已先修本專業(yè)《建筑環(huán)境學(xué)》、《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》、《空氣調(diào)節(jié)》、《流體輸配管網(wǎng)》等重要專業(yè)課程。該課程不限定具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生以小組為單位，綜合運(yùn)用本專業(yè)知識進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測試及實(shí)驗(yàn)分析。

在改革之前，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行，表面上看打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的束縛，卻無法發(fā)揮二者的交叉優(yōu)勢，于是，本文通過筆者多年的教學(xué)實(shí)踐結(jié)合學(xué)生的客觀評價(jià)總結(jié)原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。選取2017 級、2018 級暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)課程92 名學(xué)生作為研究對象，分析學(xué)生對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的客觀評價(jià)。具體結(jié)果如下：

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)不足：學(xué)生對空調(diào)系統(tǒng)基本原理及組成不清楚；離開了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，不知道如何開展工作；動(dòng)手能力差；測試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤也無法判斷。從學(xué)生的角度，調(diào)查結(jié)果如表1所示，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出儀器少、動(dòng)手機(jī)會少等諸多不足，這些不足會導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課失去興趣，無法完成課程培養(yǎng)目標(biāo)，加之疫情帶來的外部挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢在必行。

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足Table 1 The shortcomings of the original experiment teaching

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，一經(jīng)采用就受到學(xué)生的歡迎和認(rèn)可。但如表2所示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)同樣存在弊端：部分實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)際不符；單純軟件操作，缺乏體驗(yàn)感；高校間虛擬平臺資源欠缺共享；平臺建設(shè)缺乏專業(yè)培養(yǎng)針對性；缺少提前預(yù)習(xí)的和自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)操作模塊，導(dǎo)致其不能完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，并限制其廣泛地應(yīng)用。

表2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足Table 2 The shortcomings of the virtual simulation experiment

從暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)的角度來看，考慮到暖通空調(diào)系統(tǒng)及組成復(fù)雜、運(yùn)行工況多，需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，加強(qiáng)學(xué)生對于系統(tǒng)基本運(yùn)行的認(rèn)知，也指出了實(shí)踐教學(xué)采用虛實(shí)結(jié)合模式的必要性；而實(shí)做實(shí)驗(yàn)也能有效解決虛擬實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行實(shí)際性能測試的問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)只有采用虛實(shí)結(jié)合的模式，才能充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不足。同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)熱情，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，形成以學(xué)生為主導(dǎo)的交互式學(xué)習(xí)氛圍。

2 “虛實(shí)結(jié)合”在暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)臺涵蓋了目前暖通空調(diào)系統(tǒng)主流類型及控制技術(shù)，并配置大量測試儀器設(shè)備，學(xué)生在此平臺上自主開展實(shí)驗(yàn)，如圖1（a）所示；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真軟件等，通過軟件模擬技術(shù)達(dá)到傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果，可全面熟練地掌控復(fù)雜龐大的空調(diào)系統(tǒng)組成[7,8]，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)采用的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺界面如圖1（b）所示。

圖1 課程相關(guān)“虛”、“實(shí)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目Fig.1 Course-related'virtual'and'real'experimental projects

“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式如圖2所示，從課題系統(tǒng)設(shè)置上來講，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為三個(gè)層次，暖通空調(diào)系統(tǒng)的組成及認(rèn)知、暖通空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能測試、暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由淺入深；從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排上來講，每個(gè)實(shí)做實(shí)驗(yàn)對應(yīng)一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。

圖2 暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)虛+實(shí)結(jié)合模式Fig.2 HVAC integrated experimental virtual+real mode

根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)置了兩種虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式。一種為虛擬實(shí)驗(yàn)在前，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在后，這類方式適用于暖通空調(diào)系統(tǒng)性能測試分析實(shí)驗(yàn)。比如空調(diào)器制冷能力測試實(shí)驗(yàn)，用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)要達(dá)到熱平衡狀態(tài)才能進(jìn)行測試，這一過程至少需要2 小時(shí)，如果再加上學(xué)生現(xiàn)場布置測點(diǎn)進(jìn)行測試，這一過程導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，課內(nèi)難以安排。原有做法是，實(shí)驗(yàn)教師會提前開啟空調(diào)系統(tǒng)，學(xué)生只能最后檢測結(jié)果，對空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行和判斷缺乏自主性，只能被動(dòng)接受，缺乏自主設(shè)計(jì)和直觀感受，實(shí)驗(yàn)效果不佳。通過建立開放暖通空調(diào)系統(tǒng)工作虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生在線上就可以熟悉設(shè)備，制定方案，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)操作或步驟錯(cuò)誤時(shí)，線上實(shí)驗(yàn)提示不能繼續(xù)進(jìn)行，直到方案正確為止。根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)制定的測試方案，再到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)施、實(shí)測。這樣既提高了實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)學(xué)生可以快速的進(jìn)行多種方案的測試比較，更深刻的理解暖通空調(diào)系統(tǒng)。

另一種為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在前，虛擬實(shí)驗(yàn)在后，這類方式適用于空調(diào)系統(tǒng)部件實(shí)際操作及調(diào)控實(shí)驗(yàn)。比如風(fēng)管設(shè)計(jì)及組裝實(shí)驗(yàn)。風(fēng)管的分配形式有很多種，學(xué)生先通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行其中一種設(shè)計(jì)模式下的風(fēng)管組裝實(shí)驗(yàn)，其余的其他形式可以直接通過虛擬實(shí)驗(yàn)完成。這樣既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也達(dá)到了鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的目的，同時(shí)還能開闊學(xué)生思維。

3 “虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

基于上述研究，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)于2021年更新了暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)大綱，采用“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?？傮w來看，本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革取得了明顯的效果，從學(xué)生反應(yīng)來看，有了非常明顯的變化，在改革之前，來找老師討論實(shí)驗(yàn)方案的學(xué)生很少，而且實(shí)驗(yàn)方案千篇一律，少有創(chuàng)新。而改革施行后，很多學(xué)生主動(dòng)與老師討論在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺遇到的設(shè)計(jì)問題及其與后續(xù)實(shí)操實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)方案更加細(xì)致，創(chuàng)新性提升。

為了了解學(xué)生對本次教改的意見和想法，筆者在此設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，由于之前調(diào)研的2017 級、2018級學(xué)生大多已經(jīng)畢業(yè)，因此，本文選取2019 級暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)課程42 名學(xué)生作為研究對象，分析學(xué)生對改革后的“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的客觀評價(jià)，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的客觀評價(jià)有了大幅度的提高，認(rèn)為無不足的學(xué)生比例從3.75%提高到88.10%。但仍有少量學(xué)生提出儀器少、動(dòng)手機(jī)會少、與實(shí)際不符、不能獨(dú)立完成等問題。他們認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的模塊集成化過高，有利于比較粗糙的理解實(shí)驗(yàn)原理，但是對進(jìn)一步設(shè)備內(nèi)部的原理理解程度低；部分同學(xué)認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺加深了對原理的理解，但是實(shí)際上手操作的時(shí)候還是存在障礙，不能獨(dú)立完成；此外，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)平臺提高了實(shí)驗(yàn)操作的效率，但是依舊存在儀器少，動(dòng)手機(jī)會少的問題。

表3 “虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的調(diào)查結(jié)果Table 3 Investigation results of experimental teaching mode of"virtual and real combination"

4 總結(jié)與改進(jìn)方向

通過本次對“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新研究，不僅提高了學(xué)生在暖通空調(diào)綜合實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和理論分析能力，而且對虛擬仿真與線下實(shí)驗(yàn)的合理整合提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也引發(fā)了對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺這一教學(xué)改革的深刻思考。

另外，從部分學(xué)生的反饋來看，仍有一些問題需要在以后的教學(xué)中繼續(xù)改進(jìn)。如：應(yīng)進(jìn)一步完善虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺，深入剖析集成部件的內(nèi)部原理；提高實(shí)驗(yàn)室儀器的數(shù)量，讓每個(gè)學(xué)生都盡可能多的參與實(shí)驗(yàn)?？梢?，只要堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以他們真正掌握專業(yè)知識并能夠?qū)⒄n程的理論知識應(yīng)用于具體的工程實(shí)踐為目標(biāo)，相應(yīng)的教學(xué)改革就可以取得良好的預(yù)期效果。