白夢夢 王灃浩 康彥青 張 瑜
(1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院 西安 710018;2.西安交通大學(xué) 西安 710049)
《關(guān)于深化教學(xué)改革,培養(yǎng)適應(yīng)21 世紀(jì)需要的高質(zhì)量人才的意見》中提出,要重視綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),密切教學(xué)與科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐的聯(lián)系[1]。建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)(建環(huán)專業(yè))的核心目標(biāo)是讓學(xué)生掌握系統(tǒng)性的建筑節(jié)能技術(shù),涉及的知識體系龐雜、內(nèi)容體量龐大[2]。現(xiàn)有文獻(xiàn)顯示,實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程(實(shí)驗(yàn)、金工實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等)作為建環(huán)專業(yè)重要的教學(xué)部分,在教學(xué)開展中普遍存在以下問題:①暖通空調(diào)工程涵蓋供熱管網(wǎng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、制冷站系統(tǒng)、建筑防排煙系統(tǒng),這些管網(wǎng)系統(tǒng)安裝在建筑的吊頂內(nèi)、設(shè)備間或市政道路下面,系統(tǒng)大而復(fù)雜、設(shè)備部件多。單純依靠理論教學(xué),學(xué)生對系統(tǒng)及整體性認(rèn)知較弱。②常規(guī)教學(xué)是通過現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)習(xí)來學(xué)習(xí),但實(shí)際工程中的暖通管網(wǎng)基本暗裝不可見,難于進(jìn)行整體和系統(tǒng)學(xué)習(xí)。尤其是在后疫情時代,實(shí)地的生產(chǎn)實(shí)習(xí)經(jīng)常無法開展。③全國多所高等院校建設(shè)了實(shí)體暖通空調(diào)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中心,占地面積大、費(fèi)用高、維護(hù)困難,在后疫情時代,線上課程的開展,導(dǎo)致實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的利用變得困難。但同時在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生對教學(xué)模具的觀察分析、實(shí)驗(yàn)課的動手操作、生產(chǎn)實(shí)習(xí)中的頂崗實(shí)踐、金工實(shí)習(xí)的部件制作等類似的學(xué)習(xí)過程給予了高度熱情。因此,在教學(xué)中如何積極配合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),建立“虛擬實(shí)踐實(shí)訓(xùn)”教學(xué)模式,實(shí)現(xiàn)學(xué)生在“虛擬實(shí)踐實(shí)訓(xùn)”中汲取理論知識的教學(xué)模式尤為重要。
暖通虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺以項(xiàng)目案例場景作為大環(huán)境,形成集理論、實(shí)操、漫游等于一體的仿真系統(tǒng),在專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上,將暖通實(shí)體系統(tǒng)仿真和三維化。相比于實(shí)體的實(shí)訓(xùn)平臺,虛擬仿真平臺有如下優(yōu)勢:①身臨其境:構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)相同的虛擬三維場景,直觀形象,便于學(xué)生對管網(wǎng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。②學(xué)以致用:學(xué)生可實(shí)時動手操作,完成暖通系統(tǒng)搭建、設(shè)備運(yùn)維、系統(tǒng)故障檢查分析,理論聯(lián)系實(shí)際。③寓教于樂:助力開展大數(shù)據(jù)背景下互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用型人才實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教學(xué)改革,拓寬人才培養(yǎng)路徑。綜上,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺為實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程的開展提供了良好的平臺。若在教學(xué)中融合虛擬仿真,即可實(shí)現(xiàn)線上線下理論教學(xué)中實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程實(shí)時入課堂和學(xué)生實(shí)時動手操作的目的。
本文以建環(huán)專業(yè)核心課程《空調(diào)用制冷技術(shù)》為例,將虛擬仿真平臺與課程教學(xué)(理論、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì))相融合,開展融合虛擬仿真的教學(xué)設(shè)計(jì)。擬取得理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相得益彰的效果,并完善互聯(lián)網(wǎng)+時代線上教學(xué)中理論與實(shí)踐相融合的閉環(huán)教學(xué)設(shè)計(jì)。
根據(jù)《空調(diào)用制冷技術(shù)》課程的教學(xué)目標(biāo)及職業(yè)發(fā)展前景[3],從事設(shè)計(jì)崗位的學(xué)生需掌握制冷站的方案設(shè)計(jì)、圖紙繪制,與其他系統(tǒng)(空調(diào)水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng))的配合,以實(shí)現(xiàn)地下機(jī)房空間的合理利用和各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)營。從事運(yùn)行崗位的同學(xué)需掌握暖通系統(tǒng)的調(diào)試、暖通機(jī)房的運(yùn)行管理、暖通機(jī)組、設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。同時,科技進(jìn)步不斷催生新型的制冷技術(shù)[4],制冷技術(shù)也不斷拓展至新的應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于此,西安交通大學(xué)城市學(xué)院建環(huán)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)體系中涵蓋了對應(yīng)的認(rèn)知實(shí)習(xí)、專題訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)和以及綜合性的畢業(yè)設(shè)計(jì)。因此,文中借助暖通空調(diào)綜合操作虛擬仿真平臺開展了建環(huán)專業(yè)理論和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)(見表1),可以讓學(xué)生及時直觀地了解新技術(shù)和新方法,并通過實(shí)時動手操作獲得設(shè)計(jì)運(yùn)維的技能。
表1 建環(huán)專業(yè)課程教學(xué)中融合虛擬仿真內(nèi)容Table 1 The content of integrating of virtual simulation into HVAC teaching courses
有關(guān)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的探索,徐曉紅[5]提出了基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)一體化構(gòu)建方案和實(shí)施辦法。盧楠[6]以BIM 技術(shù)為骨架,將課本、PPT 等二維信息逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锽IM 技術(shù)所對應(yīng)的三維信息。徐言生等人在教學(xué)中融入課程思政元素[7],激發(fā)學(xué)生內(nèi)驅(qū)力。借鑒學(xué)者們教學(xué)設(shè)計(jì)的方式方法,筆者在課堂教學(xué)中堅(jiān)持以“教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體”的教學(xué)理念[8],并以建環(huán)專業(yè)核心課程《空調(diào)用制冷技術(shù)》為例,開展融合虛擬仿真的課程教學(xué)設(shè)計(jì)。在虛擬仿真的課程教學(xué)設(shè)計(jì)中包含了理論教學(xué),虛擬仿真平臺實(shí)訓(xùn)及實(shí)體項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì),教學(xué)內(nèi)容豐富,故將傳統(tǒng)的理論課時38,實(shí)驗(yàn)課時2,課程設(shè)計(jì)2 周調(diào)整為理論課時30,實(shí)驗(yàn)課時10,課程設(shè)計(jì)3 周。詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)如下。
(1)確定學(xué)習(xí)目標(biāo)
通過分析大一大二學(xué)生的基本情況及學(xué)情。結(jié)合維果的最近發(fā)展區(qū)理論,當(dāng)教學(xué)以貼近學(xué)生發(fā)展模式的“小步調(diào)”方式,不斷走在學(xué)生發(fā)展的前面時,學(xué)生內(nèi)部的自我推動機(jī)制也會發(fā)揮作用。根據(jù)建環(huán)專業(yè)學(xué)生的職業(yè)發(fā)展前景,《空調(diào)用制冷技術(shù)》的總目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生能夠掌握制冷技術(shù),獨(dú)立自主完成小型制冷站設(shè)計(jì),制冷設(shè)備的故障檢修,并培養(yǎng)學(xué)生具有良好的工匠精神。
(2)細(xì)化學(xué)習(xí)目標(biāo)
將《空調(diào)用制冷技術(shù)》的核心目標(biāo)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化、分解為具體的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)目標(biāo)。其中,需思考為達(dá)成核心目標(biāo),學(xué)生需要有哪些關(guān)鍵性的產(chǎn)出及成果展示。從學(xué)生的角度設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo),通過課程學(xué)習(xí)學(xué)生將有哪些主要的收獲?學(xué)生能夠利用理論知識解決哪些理論或者實(shí)際的問題?因此,根據(jù)《空調(diào)用制冷技術(shù)》的總目標(biāo),設(shè)計(jì)了理論講解→虛擬仿真平臺實(shí)操→數(shù)據(jù)庫(知網(wǎng),WOS)查閱→小創(chuàng)意設(shè)計(jì)→虛擬平臺測試→申請專利/參加競賽→獲得成果榮譽(yù)的教學(xué)路徑,不斷培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。其中,①幫助學(xué)生掌握簡單的制冷原理并繪制原理簡圖。②要實(shí)現(xiàn)制冷,需要哪些設(shè)備?幫助學(xué)生明確制冷原理中所需的制冷設(shè)備及其輔助部件。③掌握了制冷技術(shù),那可以有什么制冷小創(chuàng)意呢?通過競賽等項(xiàng)目的驅(qū)動,引導(dǎo)學(xué)生查找資料,不斷激發(fā)興趣,主動去實(shí)踐。④制冷技術(shù)如何服務(wù)社會呢?以項(xiàng)目驅(qū)動的方式鼓勵學(xué)生合作完成小型制冷站的方案設(shè)計(jì)和內(nèi)容,再鼓勵學(xué)生獨(dú)立完成制冷站相關(guān)圖紙的繪制。⑤設(shè)計(jì)成果在運(yùn)行過程中,會出現(xiàn)什么故障?出現(xiàn)故障后應(yīng)該怎么檢修?引導(dǎo)學(xué)生借助虛擬仿真平臺去測試驗(yàn)證,運(yùn)維制冷站。
(1)學(xué)習(xí)活動細(xì)化設(shè)計(jì)
注重增設(shè)創(chuàng)新性和開放性的教學(xué)設(shè)計(jì),為理論教學(xué)提供了實(shí)踐實(shí)訓(xùn)平臺。通過開展以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、專業(yè)競賽、制冷站BIM 設(shè)計(jì)等為核心目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì),即依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目、專業(yè)競賽和實(shí)際工程項(xiàng)目,驅(qū)動學(xué)生對理論知識的掌握,并積極動手實(shí)踐獲得實(shí)體成果。根據(jù)階段性目標(biāo)的緊迫感積極引導(dǎo)學(xué)生多反饋、多思考、多實(shí)踐,協(xié)助學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。這是師生、生生之間不斷互相啟發(fā),也是互相挑戰(zhàn)的過程。
(2)學(xué)習(xí)評價設(shè)計(jì)
注重過程評價,根據(jù)平時成績、考試成績、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)報(bào)告成績、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)成果,形成綜合性評價。其中,注重實(shí)踐實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)過程和作品展示,過程考核依據(jù)教學(xué)的交流互動、團(tuán)隊(duì)合作與溝通、系統(tǒng)掌控能力的評價來衡量。結(jié)果考核依據(jù)項(xiàng)目實(shí)施的情況[9],包括合理性、完整性、創(chuàng)新性3 個方面。
2.3.1 學(xué)習(xí)模式與策略設(shè)計(jì)
(1)第一次課:為什么學(xué)?讓學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)內(nèi)容的重要性以及趣味性,動機(jī)是學(xué)生能夠主動學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素,激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力。學(xué)什么?介紹課程核心目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法。怎么學(xué)?在教師學(xué)習(xí)方法的基礎(chǔ)上,分享上屆學(xué)生的學(xué)習(xí)心得和學(xué)習(xí)方法,展示其成果及評價,激發(fā)學(xué)生興趣,樹立信心。同時,在第一次課后留思考題,談?wù)勛约旱南敕ê推诖@纾赫務(wù)勀銓Ρ菊n程的期待;通過本課程的學(xué)習(xí),你希望得到哪些技能?你希望達(dá)到什么樣的目標(biāo)(知識和能力目標(biāo))?你準(zhǔn)備如何學(xué)習(xí)來達(dá)到你的目標(biāo)?學(xué)生通過回答問題,達(dá)到一種自我承諾,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,樹立學(xué)習(xí)目標(biāo)。
(2)每章節(jié)課:每章節(jié)開始開展8min 左右的“頭腦風(fēng)暴”、“奇思妙想”、“暢所欲言”等環(huán)節(jié),了解并把握學(xué)生“學(xué)習(xí)現(xiàn)狀”。然后,借助思維導(dǎo)圖列出各章節(jié)教學(xué)框架,明確教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容的重難點(diǎn),讓學(xué)生對章節(jié)內(nèi)容有整體的了解,即可在學(xué)習(xí)過程中做到有的放矢。最后,課余時間積極帶領(lǐng)學(xué)生參加線上講座等,并在緒論中引入專業(yè)的前沿發(fā)展和應(yīng)用,讓學(xué)生有專業(yè)憧憬進(jìn)而“好之”與“樂之”。
(3)中間課程:借助虛擬仿真平臺,可將實(shí)踐課和理論課實(shí)時結(jié)合,讓學(xué)生在“動”起來的過程中不斷穿插理論講解。以蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例,首先,學(xué)生可通過觀察日常使用的冰箱,具體生動地和老師同學(xué)們先做簡單的交流互動后,各自借助虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺對虛擬制冷機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一“實(shí)際”的拆裝、運(yùn)行、糾錯等實(shí)踐環(huán)節(jié)(見圖1),讓每個學(xué)生參與到專業(yè)學(xué)習(xí)的實(shí)際運(yùn)維中解決具體問題,激發(fā)專業(yè)自豪感和專業(yè)責(zé)任感。其次,學(xué)生在課堂中掌握了制冷原理和基礎(chǔ)家用冰箱運(yùn)行后,課后需要借助虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺自行組裝設(shè)計(jì)其他制冷設(shè)備(見圖2),實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識的進(jìn)一步鞏固以及學(xué)生分析解決問題的能力培養(yǎng)。這個大目標(biāo)需要老師從小目標(biāo)引導(dǎo)(預(yù)習(xí)制冷四大部件),通過學(xué)生間積極交流互助,鞏固原理,完成流程設(shè)計(jì),加載對應(yīng)部件,進(jìn)而完成“創(chuàng)新”制冷設(shè)備的設(shè)計(jì)。
圖1 建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)示例Fig.1 Example of virtual simulation training operation of HVAC system
圖2 建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺示例Fig.2 Example of virtual simulation training platform of HVAC
(4)課后課程:在學(xué)生掌握了基本的制冷技術(shù)基礎(chǔ)上,在其他制冷循環(huán)與低溫技術(shù)中開展翻轉(zhuǎn)課堂。學(xué)生根據(jù)新型的制冷原理及技術(shù),設(shè)計(jì)制冷小創(chuàng)意作品,并在課堂中用PPT 闡述設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)意內(nèi)容和預(yù)期效果。其中,學(xué)生和老師共同評優(yōu)的作品鼓勵申請實(shí)用新型專利。對于創(chuàng)意欠佳的作品,學(xué)生和老師共同給出意見和建議,再次修改,并在課后交流群中反饋完善后的成果,根據(jù)情況并鼓勵申請實(shí)用新型專利。
2.3.2 項(xiàng)目選題及設(shè)計(jì)
針對實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié),在案例式教學(xué)和項(xiàng)目式教學(xué)中對比學(xué)生達(dá)到最佳教學(xué)狀態(tài)的方法,發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目式教學(xué)更能驅(qū)動學(xué)生去主動探索。其中,項(xiàng)目選題需契合核心目標(biāo),具有一定的工程性和復(fù)雜度,選題期間積極與校企合作單位溝通,根據(jù)設(shè)計(jì)院在實(shí)際項(xiàng)目中遇到的問題等,篩選涵蓋基本教學(xué)內(nèi)容、知識要點(diǎn)、易于劃分模塊的項(xiàng)目,進(jìn)而確定設(shè)計(jì)題目。例如,《空調(diào)用制冷技術(shù)》課程設(shè)計(jì)圍繞實(shí)體項(xiàng)目西安市北圣大廈,以解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)問題為目標(biāo)導(dǎo)向,開展了對應(yīng)的建筑翻模和制冷站設(shè)計(jì)。融合虛擬仿真平臺與BIM 的制冷課程教學(xué)設(shè)計(jì),詳細(xì)如下:
(1)以實(shí)體項(xiàng)目西安市北圣大廈為載體,在建筑底圖識圖的基礎(chǔ)上,基于BIM 進(jìn)行建筑翻模。將二維圖紙立體化為三維建筑,便于學(xué)生進(jìn)行三維空間的想象和管網(wǎng)的綜合布置。
(2)依據(jù)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范,教師和設(shè)計(jì)院導(dǎo)師共同對學(xué)生初期的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行安排和規(guī)范化說明等,讓學(xué)生接手制冷站設(shè)計(jì)。
(3)學(xué)生主要查閱并融合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和新節(jié)能技術(shù)等,借助虛擬仿真平臺進(jìn)行節(jié)能的制冷方案設(shè)計(jì),繪制制冷設(shè)計(jì)的技術(shù)路線或思維導(dǎo)圖,并開展小組答辯。
(4)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案和相關(guān)規(guī)范,借助BIM 技術(shù)進(jìn)行制冷站系統(tǒng)圖繪制。在教師和企業(yè)導(dǎo)師的引導(dǎo)和反饋下,完成制冷站施工圖的繪制,撰寫設(shè)計(jì)施工說明和三維視頻漫游。
(5)根據(jù)設(shè)計(jì)方案、過程表現(xiàn)、施工圖紙、設(shè)計(jì)說明書和漫游視頻,通過答辯給予成績評定。
《空調(diào)用制冷技術(shù)》借助虛擬仿真平臺,開展互動式教學(xué)、情景教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂,學(xué)生的能動性和積極性較高。該種教學(xué)方式得到學(xué)生的一致好評,建環(huán)17 級、18 級、19 級學(xué)生對該課程的教學(xué)評分高達(dá)95 分,教學(xué)效果良好。
學(xué)生參加競賽,獲得“崇文杯”第八屆創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽院級二等獎,“天加杯”第十四屆中國制冷空調(diào)行業(yè)大學(xué)生科技競賽全國一等獎,“頓漢布什杯”第十六屆中國制冷空調(diào)行業(yè)大學(xué)生科技競賽三等獎。在項(xiàng)目驅(qū)動下,學(xué)生參與并授權(quán)多項(xiàng)實(shí)用新型專利。期間,學(xué)生的成就感得到明顯提升,從而使得學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力得到激發(fā),形成了有問題會先思考,主動互相交流討論,主動網(wǎng)上查閱資料的良性學(xué)習(xí)氛圍。
學(xué)生融合虛擬仿真平臺、BIM 技術(shù)完成了北圣大廈制冷站設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)成果如圖3 所示。通過調(diào)查反饋看出,以前在二維建筑平面CAD 條件圖的基礎(chǔ)上,借助天正完成二維的平面圖繪制,三維查看等,錯誤率較高學(xué)生自信心受挫,總會為完成任務(wù)而完成任務(wù)。而融合虛擬仿真平臺的教學(xué)讓學(xué)生對制冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)掌握較好,并在參加競賽的過程中使得理論知識得到了鞏固和應(yīng)用。再者,在BIM 三維設(shè)計(jì)中制冷站系統(tǒng)和建筑有機(jī)地融合,管網(wǎng)的布置優(yōu)化、標(biāo)高錯位和和碰撞檢查等更加形象、具體和直觀,極大地促進(jìn)了學(xué)生對三維空間的認(rèn)識和制冷管網(wǎng)的綜合布置,圖紙繪制的準(zhǔn)確度得到了提升。最后,三維漫游視頻極大地提高了學(xué)生的主觀能動性,能積極查閱相關(guān)資料解決問題。在新媒體時代,將設(shè)計(jì)成果以視頻的方式分享給周圍人,得到大家贊許的同時,學(xué)生的成就感和自豪感由然而生。同時,學(xué)生分析問題和解決工程實(shí)際問題的能力得到鍛煉,其工匠精神得到了培養(yǎng)。
圖3 制冷站系統(tǒng)設(shè)計(jì)BIM 圖Fig.3 Refrigeration station system design displayed in BIM
本文以《空調(diào)用制冷技術(shù)》為例,探索了融合虛擬仿真的課程教學(xué)設(shè)計(jì),通過實(shí)時創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和動手操作平臺,提高了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性,構(gòu)建了教學(xué)中理論與實(shí)踐實(shí)訓(xùn)內(nèi)容實(shí)時便捷融合的閉環(huán)教學(xué)方式。在教學(xué)過程中,借助虛擬仿真平臺開展了以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、專業(yè)競賽、制冷站BIM 設(shè)計(jì)等為核心目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì),形成了開放性、創(chuàng)新性和探索性的教學(xué)方式,為理論教學(xué)提供了虛擬“實(shí)踐實(shí)訓(xùn)”平臺,提高了課程整體教學(xué)效果。