張東海,高蓬輝,王義江,魏京勝,黃建恩,劉 展

(中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展,全球經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展,以及人類生活正經(jīng)歷著一場全方位根本性的變革。教育作為信息技術(shù)的先行者和踐行者,教育信息化建設(shè)和發(fā)展對于重塑教育理論、文化、形態(tài),以及提高高等教育質(zhì)量具有重要意義,得到了國家的高度重視[1]。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》(教技〔2012〕5號)中明確指出,信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響,全民教育、優(yōu)質(zhì)教育、個(gè)性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)已成為信息時(shí)代教育發(fā)展的重要特征,要求高校要推動信息技術(shù)與高等教育深度融合,把教育信息化擺在支撐引領(lǐng)教育現(xiàn)代化的戰(zhàn)略地位[2]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生大膽質(zhì)疑、深度分析、解決復(fù)雜問題能力和高級思維的重要環(huán)節(jié)[3],對于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)、實(shí)踐動手能力與創(chuàng)新意識具有重要作用[4-5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[6],具有內(nèi)容精彩、技術(shù)先進(jìn)、構(gòu)思巧妙、做法靈活、時(shí)空拓展等特征和優(yōu)勢[7],近年來得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[8-11]。

為加強(qiáng)和規(guī)范高校優(yōu)勢虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)和應(yīng)用,推動高校積極探索線上、線下教學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,2017年教育部決定開展國家級示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作(2017—2020),指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[12]。2019年教育部印發(fā)《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》(教高〔2019〕8號),要求按照“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn),建設(shè)萬門5類“金課”,即一流本科課程“雙萬計(jì)劃”[13]。其中,國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目被列為教育部推出的5類“金課”之一,進(jìn)一步凸顯了其在高等教育實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)體系中的重要地位和作用,已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新的重要著力點(diǎn)。

一、專業(yè)發(fā)展概況

中國礦業(yè)大學(xué)始建于1909年,在百余年的辦學(xué)實(shí)踐積淀中形成了以工為主、能源資源為特色、理工文管等多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的學(xué)科專業(yè)體系。學(xué)?，F(xiàn)有深部巖土力學(xué)和地下工程,以及煤炭資源與安全開采2個(gè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,礦業(yè)工程和安全科學(xué)與工程為國家“雙一流”建設(shè)A+學(xué)科,建有礦業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)示范中心和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,體現(xiàn)了學(xué)校在深部地下工程和礦業(yè)工程領(lǐng)域的品牌優(yōu)勢和鮮明特色。

中國礦業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)(以下簡稱建環(huán)專業(yè))成立于1989年,在專業(yè)發(fā)展過程中始終堅(jiān)持以特色作為引領(lǐng),主動與學(xué)校傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科進(jìn)行交叉融合,在傳統(tǒng)地面建筑熱濕環(huán)境調(diào)控理論和技術(shù)研究基礎(chǔ)上逐步向深部地下空間環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域拓展,在高溫礦井降溫技術(shù)、礦井多源互補(bǔ)熱能回收利用、廢棄礦井開發(fā)與利用、深部地下空間熱濕環(huán)境評價(jià)等方面開展了大量探索和實(shí)踐,形成了以深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控為特色的學(xué)科和專業(yè)發(fā)展模式。近年來,專業(yè)建設(shè)和發(fā)展取得明顯成效。2006年獲得博士學(xué)位授予權(quán)。2012年該專業(yè)被遴選為江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)。2014年、2019年先后2次通過住建部本科教育評估工作。2016年,與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)辦中外合作建環(huán)本科專業(yè),被確定為江蘇省首批中外合作辦學(xué)高水平示范性建設(shè)工程項(xiàng)目[14]。2021年、2022年先后入選江蘇省和國家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

為切實(shí)提高學(xué)生解決專業(yè)復(fù)雜問題的綜合能力,緊密依托學(xué)科優(yōu)勢和科研特色資源,基于工程教育“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的質(zhì)量理念,堅(jiān)持需求和問題導(dǎo)向創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,嘗試將本學(xué)科在深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域的最新特色研究成果引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),以特色科研助力實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究和教育教學(xué)的深度融合。

二、深部地下空間及其熱濕環(huán)境特點(diǎn)

經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展及國家戰(zhàn)略安全的新需求,使地下空間開發(fā)不斷走向深部已成必然趨勢[15]。一方面隨著淺部能源和礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭,能源和資源開采不斷向深部延伸。目前,我國中東部主要礦井開采深度均達(dá)800～1 000m,且每年以10～25m的速度增加,據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年我國采深超千米的礦井有47座,平均采深為1 086m。此外,我國金屬和有色金屬礦山同樣正進(jìn)入1 000～2 000m深部開采區(qū)。另一方面,全球變暖、環(huán)境惡化、城市綜合癥等問題日益突出,使得傳統(tǒng)意義上的人類地球生存空間(地面和淺地表)難以滿足人類活動的需求,向地球深部尋求發(fā)展和生存空間、開發(fā)深部地下城市新型空間已成為人類活動的未來趨勢[16]。謝和平院士[17]和袁亮院士[18]提出利用關(guān)閉/廢棄礦井大體量的地下空間,變廢為寶,實(shí)現(xiàn)關(guān)閉/廢棄礦井的資源化利用和轉(zhuǎn)型升級。如建設(shè)地下生態(tài)城市、地下醫(yī)學(xué)和療養(yǎng)院、地下礦井特色旅游、深地科學(xué)探索區(qū)等,打造礦區(qū)地下空間綜合利用模式。此外,基于國家政治經(jīng)濟(jì)安全角度考慮,在地球深部進(jìn)行地下戰(zhàn)略防護(hù)工程、核廢料處置和石油戰(zhàn)略儲備也已日益受到廣泛關(guān)注。

適宜的地下空間熱濕環(huán)境是深部地下空間開發(fā)和利用的前提保障,深部巖土由于特殊的賦存環(huán)境,呈現(xiàn)出顯著的“高地溫”特性,導(dǎo)致地下空間出現(xiàn)高溫高濕環(huán)境(“熱害”),難以滿足人類深部作業(yè)和生活要求。隨著地下深度的不斷增加,原巖溫度不斷升高,地下空間的高溫?zé)岷τ訃?yán)重,成為制約深部資源開采和地下空間利用的難題之一。如徐州三河尖礦—980 m深度水平上工作面溫度高達(dá)36℃～37℃,濕度達(dá)到95%～100%,高溫高濕環(huán)境嚴(yán)重影響工人身心健康和礦井安全生產(chǎn)[19]。為此,深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控成為地下空間開發(fā)和利用的必然選擇。

深部地下空間環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)受控對象地處地球深部,垂直方向上距地面高差較大、水平方向上在地下可延伸至數(shù)十米,甚至數(shù)公里。鑒于深部地下空間環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)具有環(huán)路復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn),學(xué)生無法現(xiàn)場觀摩和操作實(shí)際的地下工程熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。為此,通過三維虛擬仿真技術(shù),以本專業(yè)承擔(dān)的某礦井地下降溫工程為原型,構(gòu)建深部地下空間環(huán)境熱濕調(diào)控仿真模擬系統(tǒng),對礦井降溫主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理、實(shí)驗(yàn)場景、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方法、操作步驟、實(shí)驗(yàn)考核等進(jìn)行模擬再現(xiàn),讓學(xué)生在開放、自主的虛擬環(huán)境中開展實(shí)時(shí)交互性實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)習(xí)主動性和潛能,促進(jìn)知識體系的構(gòu)建,提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

深部地下空間環(huán)境熱濕調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn),按照“學(xué)生中心、自主交互”+“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”+“科研前沿、特色明顯”的設(shè)計(jì)理念而構(gòu)建,旨在建成一套技術(shù)先進(jìn)與高效實(shí)用相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,服務(wù)實(shí)踐和創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

(一)教學(xué)理念注重“學(xué)生中心、自主交互”

深部地下空間環(huán)境熱濕調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體建設(shè)目標(biāo)是通過三維虛擬仿真技術(shù),構(gòu)建礦井地下實(shí)驗(yàn)場景和降溫調(diào)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對象,為學(xué)生完整呈現(xiàn)特殊空間環(huán)境調(diào)控的原理、設(shè)備與方法,學(xué)生可通過線上系統(tǒng)模塊,不受時(shí)間和地點(diǎn)限制,自主開展“沉浸式體驗(yàn)+專業(yè)化學(xué)習(xí)+交互式操作+全程化考核”的開放式實(shí)驗(yàn),完成專業(yè)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和能力提升。

通過虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)生可以沉浸式體驗(yàn)深部地下空間場景、熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的組成、工作原理和工作流程;專業(yè)化學(xué)習(xí)深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控方式,掌握調(diào)控用主要設(shè)備(制冷系統(tǒng)、高低壓換熱設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵、調(diào)節(jié)末端等)的工作特性,能夠?qū)φ{(diào)節(jié)系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析和評價(jià);交互式操作虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),深入理解深部地下空間復(fù)雜條件下熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控原理、手段及運(yùn)行優(yōu)化策略;全程化設(shè)置知識考核點(diǎn)及小練習(xí),使學(xué)生邊操作邊學(xué)習(xí),激發(fā)學(xué)生自主探索的熱情和潛能,全面記錄學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)考核結(jié)果的智能反饋。教師可根據(jù)培養(yǎng)和教學(xué)目標(biāo)要求,對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置和更新,對學(xué)生信息進(jìn)行管理與查詢,通過仿真平臺開展師生互動交流、批改學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告、反饋實(shí)驗(yàn)成績,實(shí)現(xiàn)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的高效化管理和監(jiān)控。虛擬仿真系統(tǒng)充分體現(xiàn)了“學(xué)生中心、自主交互”的教學(xué)理念,能夠充分調(diào)動學(xué)生積極性,有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

(二)教學(xué)功能體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”

學(xué)校建環(huán)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建有較為完善的實(shí)體暖通空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備資源主要面向建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境調(diào)控開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[3,20,21]。深部地下空間熱濕調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將環(huán)境調(diào)控技術(shù)與深部地下空間場景結(jié)合,面向深部地下特殊空間環(huán)境調(diào)控的復(fù)雜性和特殊性而開設(shè),可應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)習(xí)、創(chuàng)新訓(xùn)練等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),是傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室服務(wù)地面建筑室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的重要補(bǔ)充。“地面建筑空間+地下空間”兩者有效結(jié)合,線下和線上相互補(bǔ)充,極大地拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度,充分體現(xiàn)了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的重要原則。

(三)教學(xué)內(nèi)容彰顯“科研前沿、特色明顯”

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將學(xué)科在深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域的最新特色研究成果和信息化技術(shù)融合,以工程實(shí)際項(xiàng)目為支撐,將礦井熱濕調(diào)控系統(tǒng)以虛擬仿真的形式完整地構(gòu)建線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,開展不同層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度,提升了實(shí)驗(yàn)課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度,是本專業(yè)科研優(yōu)勢和特色資源的集中體現(xiàn),彰顯了教學(xué)內(nèi)容的前沿性、特色性和時(shí)代性。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)涵建設(shè)

(一)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu),具有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一接口,可鏈接到校內(nèi)外虛擬仿真管理平臺上,支持網(wǎng)頁和手機(jī)界面操作方式,可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和開放共享。系統(tǒng)基于Unity3D引擎在Windows平臺下通過DirectX技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D渲染,通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(實(shí)時(shí)陰影、光照貼圖、凹凸貼圖等)和計(jì)算幾何學(xué)(碰撞檢測、射線檢測、剛體模擬等)實(shí)現(xiàn)圖形的仿真,使用C#語言實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作功能程序編制,重點(diǎn)突出交互性和開放性,具備形象逼真的實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)時(shí)互動的實(shí)驗(yàn)過程、豐富多樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和細(xì)致完善的結(jié)果反饋。

(二)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)置

深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于“層次化+模塊化”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和內(nèi)容,按照認(rèn)知→基礎(chǔ)→綜合→提升四個(gè)層次,設(shè)置調(diào)控系統(tǒng)整體認(rèn)知、核心設(shè)備性能測試、地下空間熱濕調(diào)控效果和系調(diào)控統(tǒng)運(yùn)行能效綜合評價(jià)四個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,如圖1。

圖1 深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊設(shè)置

1.模塊1:系統(tǒng)認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)?zāi)K為認(rèn)知層次,基于深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型,以第一人稱視角采用漫游模式通過鍵盤、鼠標(biāo)等控制方式,全景漫游和沉浸式體驗(yàn)整個(gè)深部地下空間,以及環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)三維仿真模型,掌握地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)組成(如圖2所示)及其工作原理,幫助學(xué)生建立地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的整體概念,思考深部地下和建筑空間熱濕調(diào)控系統(tǒng)的異同。

圖2 深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)組成

三維仿真系統(tǒng)認(rèn)知模塊可實(shí)現(xiàn):(1)所有核心設(shè)備模型按照工程原型采用主流三維建模軟件搭建,均可拆卸組裝、可透視設(shè)備內(nèi)部細(xì)節(jié);(2)核心設(shè)備聚焦和字幕彈出功能,當(dāng)鼠標(biāo)掃過系統(tǒng)主要組成設(shè)備時(shí),會熱點(diǎn)顯示出設(shè)備輪廓,點(diǎn)擊設(shè)備會彈出設(shè)備功能說明頁面,為學(xué)生提供學(xué)習(xí)幫助;(3)仿真系統(tǒng)可對不同水系統(tǒng)管路循環(huán)(冷卻水、一次制冷機(jī)側(cè)冷凍水、二次換熱器冷凍水)分類單獨(dú)顯示,清晰呈現(xiàn)整個(gè)調(diào)控系統(tǒng)的邏輯組成關(guān)系。

2.模塊2:主要組成設(shè)備特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要完成深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng),如制冷冷水機(jī)組性能、循環(huán)水泵、中間換熱器、冷卻塔、末端噴淋裝置等主要組成設(shè)備的特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉調(diào)控系統(tǒng)主要核心設(shè)備的構(gòu)造、組成及工作原理,通過互動式操作掌握主要設(shè)備的工作特性和影響因素,加深對理論的理解,為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)備的耦合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

圖3a為虛擬仿真制冷系統(tǒng)模型展示。機(jī)組模型基于工程實(shí)際尺寸搭建,通過模型拆解和相關(guān)文字信息反饋,配合鼠標(biāo)拖動旋轉(zhuǎn)視覺,可多角度透視機(jī)組內(nèi)部組成部件,讓學(xué)生全面了解制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其功能。此外,還可以動畫呈現(xiàn)機(jī)組內(nèi)部制冷劑的蒸發(fā)和冷凝過程,強(qiáng)化學(xué)生對制冷循環(huán)過程的理解。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生通過虛擬仿真操作開展制冷系統(tǒng)特性和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)(圖3b所示),掌握深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控用制冷系統(tǒng)運(yùn)行工藝流程、系統(tǒng)動態(tài)熱性、調(diào)控措施,以及制冷系統(tǒng)過載保護(hù)控制模式等。實(shí)驗(yàn)過程中通過輸入相關(guān)參數(shù),可對制冷系統(tǒng)性能及其影響因素作出評價(jià)。

圖3 制冷性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

3.模塊3:地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)耦合運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要對深部地下空間熱濕調(diào)控系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行模擬仿真,為綜合層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。要求學(xué)生將地面制冷系統(tǒng)、中間換熱系統(tǒng)和地下空間末端調(diào)控系統(tǒng)組合連接并實(shí)現(xiàn)耦合運(yùn)行,讓學(xué)生掌握熱濕調(diào)控系統(tǒng)的整個(gè)工作過程,特別對深部地下特殊空間末端調(diào)控用噴淋降溫裝置的原理和降溫效果有深入把握,在實(shí)驗(yàn)過程中獲得地下空間溫濕度的變化規(guī)律,分析熱濕調(diào)控效果及其有效性,研究影響系統(tǒng)調(diào)控效果的主要影響因素。

4.模塊4:地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)節(jié)能性能評價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

該模塊通過在系統(tǒng)中合理位置設(shè)置流量計(jì)、功率表、溫度計(jì)、壓力表等測試儀表和裝置,實(shí)現(xiàn)對深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行能耗進(jìn)行虛擬監(jiān)測,并開展節(jié)能評價(jià)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn),辨析制冷機(jī)組性能系數(shù)和系統(tǒng)能效系數(shù)的區(qū)別,加深對制冷機(jī)組性能系數(shù)和系統(tǒng)能效系數(shù)的理解,學(xué)習(xí)系統(tǒng)能效系數(shù)的測試方法,研究系統(tǒng)運(yùn)行工況對系統(tǒng)能效的影響規(guī)律,以便能夠優(yōu)化地下空間熱濕環(huán)境運(yùn)行參數(shù),提出提高系統(tǒng)運(yùn)行能效的對策。

(三)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)

深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來源于實(shí)際科研項(xiàng)目,具有較強(qiáng)的綜合性、工程性和前沿性,符合“兩性一度”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)知識點(diǎn)覆蓋了本專業(yè)認(rèn)知、基礎(chǔ)、綜合和提升四個(gè)層次共22個(gè)重要知識點(diǎn),具體如表1所示。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可經(jīng)歷一次從系統(tǒng)整體認(rèn)知到單一核心設(shè)備性能實(shí)驗(yàn),再到系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)地下空間調(diào)控效果實(shí)驗(yàn),最后完成系統(tǒng)整體能效綜合評定的專業(yè)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和綜合鍛煉,極大地促進(jìn)了學(xué)生對專業(yè)知識的重構(gòu),增強(qiáng)了學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識解決復(fù)雜工程實(shí)際問題的能力。

表1 深部地下空間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)知識點(diǎn)

五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

本虛擬仿真系統(tǒng)基于虛實(shí)結(jié)合、科研反哺教學(xué)的思路,采用虛擬仿真技術(shù)完成深部地下空間熱濕調(diào)控系統(tǒng)的構(gòu)建,作為實(shí)驗(yàn)室實(shí)體熱濕調(diào)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要補(bǔ)充,學(xué)生可通過本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互動式體驗(yàn)、操作和學(xué)習(xí),系統(tǒng)掌握暖通空調(diào)專業(yè)知識,提升綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

(一)基于虛擬仿真系統(tǒng)和實(shí)體設(shè)備,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互補(bǔ)、通特結(jié)合,全面提高實(shí)踐教學(xué)效果

實(shí)驗(yàn)室實(shí)體設(shè)備和校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地,主要面向建筑空間熱濕調(diào)控單一設(shè)備和系統(tǒng)局部開展實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)工作,由于受空間限制和視覺影響,學(xué)生一般無法獲得暖通空調(diào)系統(tǒng)整體性的架構(gòu)認(rèn)知和核心設(shè)備內(nèi)部的詳細(xì)構(gòu)造,實(shí)踐教學(xué)存在“只見樹木不見森林”之弊端。

地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真系統(tǒng)依托信息化和計(jì)算機(jī)技術(shù),面向地下特殊空間環(huán)境場景,基于學(xué)科特色科研成果和工程實(shí)際資源,搭建了熱濕調(diào)控系統(tǒng)完整的全尺寸仿真模型,具有形象逼真的實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)時(shí)互動的實(shí)驗(yàn)過程和豐富多樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過設(shè)備細(xì)節(jié)拆解、局部透視、動畫視頻、視角切換將聲、光、電多媒體和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合,讓學(xué)生身臨其境、沉浸式體驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)工作原理和運(yùn)行特性,達(dá)到“既見樹木又見森林,還可見樹木紋理”的良好效果。

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法發(fā)揮了虛擬系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場設(shè)備雙方的優(yōu)勢,讓學(xué)生全面了解建筑空間和深部地下特殊空間調(diào)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)線上線下資源優(yōu)勢互補(bǔ)、通用和特色兼修,有利于拓展學(xué)生的知識體系和就業(yè)渠道,提升其綜合競爭力。

(二)基于電腦和手機(jī)終端平臺,突破時(shí)空束縛,實(shí)施全開放性教學(xué)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和校內(nèi)外基地實(shí)踐教學(xué)由于受時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)和人員等條件的制約,實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量往往達(dá)不到理想效果。虛擬仿真系統(tǒng)基于電腦和手機(jī)雙平臺客戶端而構(gòu)建,學(xué)生可利用計(jì)算機(jī)和手機(jī)終端隨時(shí)隨地開展虛擬實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)、互動式操作和專業(yè)化學(xué)習(xí)的效果。此外,本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄學(xué)生登錄、學(xué)習(xí)、操作、問題反饋等數(shù)據(jù),教師可基于虛擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)評定學(xué)生參與度和成績,與學(xué)生在線開展交流。因此,地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全開放,拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空,體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念,大大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,有利于學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)和成才。

(三)基于模塊化虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí),開展層次化教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照認(rèn)知→基礎(chǔ)→綜合→提升四個(gè)層次,設(shè)置系統(tǒng)整體認(rèn)識、核心設(shè)備性能測試、地下空間調(diào)控效果和系統(tǒng)運(yùn)行綜合能效評價(jià)四個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K共22個(gè)重要專業(yè)知識點(diǎn),充分體現(xiàn)了“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)。在教學(xué)實(shí)施過程中,每個(gè)模塊按照1個(gè)學(xué)分設(shè)置,要求學(xué)生利用開放時(shí)間,按照模塊層次高低順序,分階段逐步完成所有實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié),系統(tǒng)性學(xué)習(xí)、仿真操作整個(gè)熱濕調(diào)控系統(tǒng)。這種“模塊化+層次化+碎片化”的教與學(xué)模式符合知識的構(gòu)建規(guī)律,有利于信息化時(shí)代背景下知識系統(tǒng)的形成,促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

六、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施成效

深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真系統(tǒng)依托學(xué)科科研優(yōu)勢和特色資源構(gòu)建,目前全部教學(xué)資源已發(fā)布在學(xué)校專用平臺網(wǎng)站,并已申獲計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)。虛擬仿真系統(tǒng)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)、認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、創(chuàng)新訓(xùn)練等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)已得以大量應(yīng)用,有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)體教學(xué)資源的不足,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和資源,提升了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題的能力,促進(jìn)了人才培養(yǎng)的成效,提升了專業(yè)影響力。

基于深部地下空間虛擬仿真系統(tǒng),面向全校建環(huán)、能源動力、采礦工程、安全工程等專業(yè)每年約450人,開展專業(yè)實(shí)習(xí)和制冷空調(diào)課程實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。虛擬仿真系統(tǒng)還可為大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練和科技競賽活動提供實(shí)驗(yàn)資源和技術(shù)支撐,提高科技創(chuàng)新能力和水平。近年來,學(xué)生先后申請“高溫?zé)崴徒饘偕罹V井降溫與余熱梯級利用研究”“廢棄巷道地面漫流換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究”“高溫礦井采區(qū)集中降溫空調(diào)器實(shí)驗(yàn)研究”等國家級、省級和校級各類大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目20余項(xiàng),完成的“高溫深部礦井降溫冷凝余熱綜合梯度利用系統(tǒng)”“基于噴射器的礦井降溫及余熱利用系統(tǒng)”等科技作品在全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽、CAR-ASHARE設(shè)計(jì)大賽、中國制冷空調(diào)行業(yè)大學(xué)生科技競賽等重要學(xué)科競賽中獲獎14項(xiàng)。此外,深部地下空間熱濕環(huán)境調(diào)控虛擬仿真資源還服務(wù)于教師開展科學(xué)研究工作,通過與合作企業(yè)共享,擴(kuò)大了學(xué)校在深部地下空間環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域的知名度和影響力,已先后完成多個(gè)高溫礦井工作區(qū)域降溫系統(tǒng)的研究和實(shí)施,取得了良好的應(yīng)用效果。

七、結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代教育改革和發(fā)展的必然要求。為充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要支撐作用,今后需進(jìn)一步充分利用學(xué)科、專業(yè)優(yōu)勢和特色,按照“兩性一度”金課標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)踐中持續(xù)更新和完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和內(nèi)容,探索線上線下資源的高效結(jié)合,擴(kuò)大資源開放度和共享面,以適應(yīng)不斷發(fā)展的高等教育教學(xué)新形勢和新要求。