融合虛擬仿真的《空調用制冷技術》教學設計

白夢夢 王灃浩 康彥青 張 瑜

（1.西安交通大學城市學院 西安 710018；2.西安交通大學 西安 710049）

0 引言

《關于深化教學改革，培養適應21 世紀需要的高質量人才的意見》中提出，要重視綜合性實踐教學環節，密切教學與科學研究、生產實踐的聯系[1]。建筑環境與能源應用工程專業（建環專業）的核心目標是讓學生掌握系統性的建筑節能技術，涉及的知識體系龐雜、內容體量龐大[2]?，F有文獻顯示，實踐實訓課程（實驗、金工實習和生產實習等）作為建環專業重要的教學部分，在教學開展中普遍存在以下問題：①暖通空調工程涵蓋供熱管網、空調通風系統、制冷站系統、建筑防排煙系統，這些管網系統安裝在建筑的吊頂內、設備間或市政道路下面，系統大而復雜、設備部件多。單純依靠理論教學，學生對系統及整體性認知較弱。②常規教學是通過現場生產實習來學習，但實際工程中的暖通管網基本暗裝不可見，難于進行整體和系統學習。尤其是在后疫情時代，實地的生產實習經常無法開展。③全國多所高等院校建設了實體暖通空調系統實訓中心，占地面積大、費用高、維護困難，在后疫情時代，線上課程的開展，導致實體實驗室的利用變得困難。但同時在教學過程中發現，學生對教學模具的觀察分析、實驗課的動手操作、生產實習中的頂崗實踐、金工實習的部件制作等類似的學習過程給予了高度熱情。因此，在教學中如何積極配合學生的學習特點，建立“虛擬實踐實訓”教學模式，實現學生在“虛擬實踐實訓”中汲取理論知識的教學模式尤為重要。

暖通虛擬仿真實訓平臺以項目案例場景作為大環境，形成集理論、實操、漫游等于一體的仿真系統，在專業理論知識的基礎上，將暖通實體系統仿真和三維化。相比于實體的實訓平臺，虛擬仿真平臺有如下優勢：①身臨其境：構建與現實相同的虛擬三維場景，直觀形象，便于學生對管網系統的學習。②學以致用：學生可實時動手操作，完成暖通系統搭建、設備運維、系統故障檢查分析，理論聯系實際。③寓教于樂：助力開展大數據背景下互聯網+應用型人才實驗教學和教學改革，拓寬人才培養路徑。綜上，虛擬仿真實訓平臺為實踐實訓課程的開展提供了良好的平臺。若在教學中融合虛擬仿真，即可實現線上線下理論教學中實踐實訓課程實時入課堂和學生實時動手操作的目的。

本文以建環專業核心課程《空調用制冷技術》為例，將虛擬仿真平臺與課程教學（理論、實驗、課程設計）相融合，開展融合虛擬仿真的教學設計。擬取得理論教學和實踐教學相得益彰的效果，并完善互聯網+時代線上教學中理論與實踐相融合的閉環教學設計。

1 融合虛擬仿真教學內容

根據《空調用制冷技術》課程的教學目標及職業發展前景[3]，從事設計崗位的學生需掌握制冷站的方案設計、圖紙繪制，與其他系統（空調水系統、通風系統、防排煙系統、消防系統、給水排水系統）的配合，以實現地下機房空間的合理利用和各系統的穩定運營。從事運行崗位的同學需掌握暖通系統的調試、暖通機房的運行管理、暖通機組、設備維護和保養。同時，科技進步不斷催生新型的制冷技術[4]，制冷技術也不斷拓展至新的應用領域。鑒于此，西安交通大學城市學院建環專業學生的培養體系中涵蓋了對應的認知實習、專題訓練、課程設計和以及綜合性的畢業設計。因此，文中借助暖通空調綜合操作虛擬仿真平臺開展了建環專業理論和實習實訓課程的教學設計（見表1），可以讓學生及時直觀地了解新技術和新方法，并通過實時動手操作獲得設計運維的技能。

表1 建環專業課程教學中融合虛擬仿真內容Table 1 The content of integrating of virtual simulation into HVAC teaching courses

2 融合虛擬仿真的課程教學設計

有關課程教學設計的探索，徐曉紅[5]提出了基于工程實踐能力培養的課程設計一體化構建方案和實施辦法。盧楠[6]以BIM 技術為骨架，將課本、PPT 等二維信息逐步轉變為BIM 技術所對應的三維信息。徐言生等人在教學中融入課程思政元素[7]，激發學生內驅力。借鑒學者們教學設計的方式方法，筆者在課堂教學中堅持以“教師為主導，學生為主體”的教學理念[8]，并以建環專業核心課程《空調用制冷技術》為例，開展融合虛擬仿真的課程教學設計。在虛擬仿真的課程教學設計中包含了理論教學，虛擬仿真平臺實訓及實體項目BIM設計，教學內容豐富，故將傳統的理論課時38，實驗課時2，課程設計2 周調整為理論課時30，實驗課時10，課程設計3 周。詳細的教學設計如下。

2.1 核心目標設計：明確課程內容背后支撐性思維、方法和能力目標

（1）確定學習目標

通過分析大一大二學生的基本情況及學情。結合維果的最近發展區理論，當教學以貼近學生發展模式的“小步調”方式，不斷走在學生發展的前面時，學生內部的自我推動機制也會發揮作用。根據建環專業學生的職業發展前景，《空調用制冷技術》的總目標是培養學生能夠掌握制冷技術，獨立自主完成小型制冷站設計，制冷設備的故障檢修，并培養學生具有良好的工匠精神。

（2）細化學習目標

將《空調用制冷技術》的核心目標進一步轉化、分解為具體的教學目標和學習目標。其中，需思考為達成核心目標，學生需要有哪些關鍵性的產出及成果展示。從學生的角度設計學習目標，通過課程學習學生將有哪些主要的收獲？學生能夠利用理論知識解決哪些理論或者實際的問題？因此，根據《空調用制冷技術》的總目標，設計了理論講解→虛擬仿真平臺實操→數據庫（知網，WOS）查閱→小創意設計→虛擬平臺測試→申請專利/參加競賽→獲得成果榮譽的教學路徑，不斷培養學生解決問題的能力。其中，①幫助學生掌握簡單的制冷原理并繪制原理簡圖。②要實現制冷，需要哪些設備？幫助學生明確制冷原理中所需的制冷設備及其輔助部件。③掌握了制冷技術，那可以有什么制冷小創意呢？通過競賽等項目的驅動，引導學生查找資料，不斷激發興趣，主動去實踐。④制冷技術如何服務社會呢？以項目驅動的方式鼓勵學生合作完成小型制冷站的方案設計和內容，再鼓勵學生獨立完成制冷站相關圖紙的繪制。⑤設計成果在運行過程中，會出現什么故障？出現故障后應該怎么檢修？引導學生借助虛擬仿真平臺去測試驗證，運維制冷站。

2.2 學習支架設計：協助、引導、幫助學生達成學習目標

（1）學習活動細化設計

注重增設創新性和開放性的教學設計，為理論教學提供了實踐實訓平臺。通過開展以大學生創新創業訓練、專業競賽、制冷站BIM 設計等為核心目標的教學設計，即依托大學生創新創業實踐項目、專業競賽和實際工程項目，驅動學生對理論知識的掌握，并積極動手實踐獲得實體成果。根據階段性目標的緊迫感積極引導學生多反饋、多思考、多實踐，協助學生達成學習目標。這是師生、生生之間不斷互相啟發，也是互相挑戰的過程。

（2）學習評價設計

注重過程評價，根據平時成績、考試成績、實踐實訓報告成績、實踐實訓成果，形成綜合性評價。其中，注重實踐實訓設計過程和作品展示，過程考核依據教學的交流互動、團隊合作與溝通、系統掌控能力的評價來衡量。結果考核依據項目實施的情況[9]，包括合理性、完整性、創新性3 個方面。

2.3 學習體驗設計：創建高度參與、個性化的學習體驗

2.3.1 學習模式與策略設計

（1）第一次課：為什么學？讓學生認識到所學內容的重要性以及趣味性，動機是學生能夠主動學習的關鍵因素，激發學生的內驅力。學什么？介紹課程核心目標、學習內容、學習方法。怎么學？在教師學習方法的基礎上，分享上屆學生的學習心得和學習方法，展示其成果及評價，激發學生興趣，樹立信心。同時，在第一次課后留思考題，談談自己的想法和期待。例如：談談你對本課程的期待；通過本課程的學習，你希望得到哪些技能？你希望達到什么樣的目標（知識和能力目標）？你準備如何學習來達到你的目標？學生通過回答問題，達到一種自我承諾，激發學生的學習主動性，樹立學習目標。

（2）每章節課：每章節開始開展8min 左右的“頭腦風暴”、“奇思妙想”、“暢所欲言”等環節，了解并把握學生“學習現狀”。然后，借助思維導圖列出各章節教學框架，明確教學目標及教學內容的重難點，讓學生對章節內容有整體的了解，即可在學習過程中做到有的放矢。最后，課余時間積極帶領學生參加線上講座等，并在緒論中引入專業的前沿發展和應用，讓學生有專業憧憬進而“好之”與“樂之”。

（3）中間課程：借助虛擬仿真平臺，可將實踐課和理論課實時結合，讓學生在“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的教學設計為例，首先，學生可通過觀察日常使用的冰箱，具體生動地和老師同學們先做簡單的交流互動后，各自借助虛擬仿真實訓平臺對虛擬制冷機進行統一“實際”的拆裝、運行、糾錯等實踐環節（見圖1），讓每個學生參與到專業學習的實際運維中解決具體問題，激發專業自豪感和專業責任感。其次，學生在課堂中掌握了制冷原理和基礎家用冰箱運行后，課后需要借助虛擬仿真實訓平臺自行組裝設計其他制冷設備（見圖2），實現基礎知識的進一步鞏固以及學生分析解決問題的能力培養。這個大目標需要老師從小目標引導（預習制冷四大部件），通過學生間積極交流互助，鞏固原理，完成流程設計，加載對應部件，進而完成“創新”制冷設備的設計。

圖1 建環專業虛擬仿真實訓系統示例Fig.1 Example of virtual simulation training operation of HVAC system

圖2 建環專業虛擬仿真實訓平臺示例Fig.2 Example of virtual simulation training platform of HVAC

（4）課后課程：在學生掌握了基本的制冷技術基礎上，在其他制冷循環與低溫技術中開展翻轉課堂。學生根據新型的制冷原理及技術，設計制冷小創意作品，并在課堂中用PPT 闡述設計理念、創意內容和預期效果。其中，學生和老師共同評優的作品鼓勵申請實用新型專利。對于創意欠佳的作品，學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，根據情況并鼓勵申請實用新型專利。

2.3.2 項目選題及設計

針對實踐實訓教學環節，在案例式教學和項目式教學中對比學生達到最佳教學狀態的方法，發現項目式教學更能驅動學生去主動探索。其中，項目選題需契合核心目標，具有一定的工程性和復雜度，選題期間積極與校企合作單位溝通，根據設計院在實際項目中遇到的問題等，篩選涵蓋基本教學內容、知識要點、易于劃分模塊的項目，進而確定設計題目。例如，《空調用制冷技術》課程設計圍繞實體項目西安市北圣大廈，以解決實際工程設計問題為目標導向，開展了對應的建筑翻模和制冷站設計。融合虛擬仿真平臺與BIM 的制冷課程教學設計，詳細如下：

（1）以實體項目西安市北圣大廈為載體，在建筑底圖識圖的基礎上，基于BIM 進行建筑翻模。將二維圖紙立體化為三維建筑，便于學生進行三維空間的想象和管網的綜合布置。

（2）依據設計及施工規范，教師和設計院導師共同對學生初期的課程設計進行安排和規范化說明等，讓學生接手制冷站設計。

（3）學生主要查閱并融合當前的研究熱點和新節能技術等，借助虛擬仿真平臺進行節能的制冷方案設計，繪制制冷設計的技術路線或思維導圖，并開展小組答辯。

（4）學生根據設計方案和相關規范，借助BIM 技術進行制冷站系統圖繪制。在教師和企業導師的引導和反饋下，完成制冷站施工圖的繪制，撰寫設計施工說明和三維視頻漫游。

（5）根據設計方案、過程表現、施工圖紙、設計說明書和漫游視頻，通過答辯給予成績評定。

3 教學效果

《空調用制冷技術》借助虛擬仿真平臺，開展互動式教學、情景教學和翻轉課堂，學生的能動性和積極性較高。該種教學方式得到學生的一致好評，建環17 級、18 級、19 級學生對該課程的教學評分高達95 分，教學效果良好。

學生參加競賽，獲得“崇文杯”第八屆創新創業競賽院級二等獎，“天加杯”第十四屆中國制冷空調行業大學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行業大學生科技競賽三等獎。在項目驅動下，學生參與并授權多項實用新型專利。期間，學生的成就感得到明顯提升，從而使得學生的內驅力得到激發，形成了有問題會先思考，主動互相交流討論，主動網上查閱資料的良性學習氛圍。

學生融合虛擬仿真平臺、BIM 技術完成了北圣大廈制冷站設計，設計成果如圖3 所示。通過調查反饋看出，以前在二維建筑平面CAD 條件圖的基礎上，借助天正完成二維的平面圖繪制，三維查看等，錯誤率較高學生自信心受挫，總會為完成任務而完成任務。而融合虛擬仿真平臺的教學讓學生對制冷技術的理論基礎掌握較好，并在參加競賽的過程中使得理論知識得到了鞏固和應用。再者，在BIM 三維設計中制冷站系統和建筑有機地融合，管網的布置優化、標高錯位和和碰撞檢查等更加形象、具體和直觀，極大地促進了學生對三維空間的認識和制冷管網的綜合布置，圖紙繪制的準確度得到了提升。最后，三維漫游視頻極大地提高了學生的主觀能動性，能積極查閱相關資料解決問題。在新媒體時代，將設計成果以視頻的方式分享給周圍人，得到大家贊許的同時，學生的成就感和自豪感由然而生。同時，學生分析問題和解決工程實際問題的能力得到鍛煉，其工匠精神得到了培養。

圖3 制冷站系統設計BIM 圖Fig.3 Refrigeration station system design displayed in BIM

4 結語

本文以《空調用制冷技術》為例，探索了融合虛擬仿真的課程教學設計，通過實時創設良好的學習體驗和動手操作平臺，提高了學生的興趣和學習積極性，構建了教學中理論與實踐實訓內容實時便捷融合的閉環教學方式。在教學過程中，借助虛擬仿真平臺開展了以大學生創新創業訓練、專業競賽、制冷站BIM 設計等為核心目標的教學設計，形成了開放性、創新性和探索性的教學方式，為理論教學提供了虛擬“實踐實訓”平臺，提高了課程整體教學效果。