HVAC虚拟仿真实验设计教育教学初探

王伟 尹千州 孙育英 王丹

[摘 要] 在新工科建设的背景下，学生实践能力与创新能力的培养是未来建筑环境与能源应用工程专业教学的发展方向。由于场地条件、教学时间等因素限制，部分建环专业实验无法开展，难以满足新工科人才培养要求。虚拟仿真实验以其不受时空限制、实验设计灵活等优势与传统实验相互补充、相互促进，成为推动教学改革与发展的重要教学手段。为进一步提高虚拟仿真实验教学的教学质量，通过分析游戏心理学引入虚拟仿真实验的可行性，对搭建情境互动与游戏心理深度结合的虚拟实验教学平台进行了探讨。

[关键词] 虚拟仿真;实践教学;游戏心理学;教学改革;新工科人才培育

[基金项目] 2020年度北京工业大学“空调风系统管网设计与调试虚拟仿真互动式”实验项目（40004020201912）

[作者简介] 王 伟（1977—），男，黑龙江哈尔滨人，工学博士，北京工业大学建筑环境与能源应用工程系教授，主要从事建筑节能研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）25-0169-04   [收稿日期] 2021-01-20

一、引言

为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部积极推进新工科建设，对新工科专业人才培养也提出了新的要求[1]。建筑环境与能源应用工程专业作为首批入选新工科的专业之一，在实际教学中，存在设备系统投资高、占地面积大、实验周期过长等问题，部分教学实践环节难以开展[2，3]，难以培养新工科人才的工程实践能力。虚拟仿真实验教学具有信息量大、身临其境、生动形象、实时交流等特征[4]，有效破解了专业实践教学中存在的做不了、做不好、做不到、做不上的难题[5，6]。

近年来，我国诸多高校建环专业都开展了虚拟仿真实验教学，例如：南华大学制作了空调水系统水力平衡调节虚拟仿真实验;湖南工业大学精选暖通空调案例，虚拟现实情景，开发了暖通空调系统综合虚拟仿真实验;天津商业大学基于虚拟现实技术，设计了制冷系统虚拟仿真教学软件[7];北京工业大学建设了风系统调试虚拟仿真实训（Heating，Ventilation and Air Conditioning，简称HVAC）软件[8，9]。使用虚拟仿真实验软件之后，学生普遍反映学有所得，对理论知识有了更透彻的理解，有较大的收获。

经过多年实践，虚拟仿真实验教学已经成为实践教学的一种有效方法，但仍存在有待解决完善之处。笔者在风系统调试虚拟仿真实训建设和教学中发现，现有虚拟仿真实训教学有效加强了学生的工程实践能力，但在提升学生活跃度、激发学习积极性等方面仍有进步空间，如何在现有基础上进一步提升教学质量，使学生学习变“被动”为“主动”，是一个开放且重要的研究方向。网络游戏的兴起让教育研究人员看到了其独特的优势，把握好它融入教育教学的途径和原则，就能使游戏成为教学的助力[9]。因此，本文基于我校HVAC虚拟仿真实验平台，提出并探索了一种以游戏心理学为辅助的全新实验教学模式。

二、游戏心理学引入虚拟仿真实验的可行性

游戲是人类最早的学习方式，在游戏中人类认识社会及自我。就游戏的内在精神而言，教学可以成为游戏，自20世纪80年代以来，教学改革过程中便一直希望把游戏作为教学的重要手段[ 10，11 ]。笔者认为教学应该具有游戏的内在品格，从而更好地达到教学目的。虚拟仿真实验作为新兴的实验教学手段，同样可以融合游戏元素使得教学具有趣味性，从而提高学生的学习效率。建环专业实验教学不仅是工程实践方面的技能训练，也是学习者的一个互动探索过程，这一过程具有浓厚的游戏特征，抓住这些特征，就能把游戏融入教学变得可能。

（一）游戏教学的基础：探索性元素

好奇是人类的天性，是当人类处于对某事物全部或部分属性空白时，本能地想添加此事物属性的内在心理。实验教学中的对未知实验过程或实验原理的探索，就是好奇心的来源，也是实现游戏融入教学的基础。当实验者发现在课堂所学的知识即将在实验中被验证时，或是某一个未知实验结果将被揭开时，好奇属性便会发挥推动作用，从心里想去了解即将发生的事物，自发地完成实验。

（二）游戏教学的内核：互动性元素

游戏是具有互动性的娱乐艺术。“互动”是它与传统艺术如电影、书籍等“线性经历”的本质区别[ 12 ]。游戏给予游戏者代入感，把游戏者本人融入游戏中，这在心理学中称为移情能力。而游戏促使游戏者产生移情能力的依据是能动性，游戏者主动改变游戏世界，而不是被动接受，这对移情能力的触发起着至关重要的作用。反观虚拟仿真实验，建环专业实验需要实验者进行系统性操作以改变系统状态，从而达到实验目标结果。根据这一专业实验特点，在实训中可进行高强度人机交互，学生必须遵循合理的实验方法，进行几十次乃至几百次的参数调整才能得到最终的实验结果，这点与游戏设计的基本要素不谋而合。

（三）游戏教学的动力：心理满足感

游戏中通常会设置定量的奖励，例如等级、装备、排名等。历经千辛万苦完成一次任务，千万次锤炼得到一件稀有装备，奋斗数十个小时通关整个游戏，每一个大过程小过程都能体会到各种成就感。在HVAC虚拟仿真实验中，同样也有大大小小的成就点，通过测试评价一个供暖设备的性能，通过调整阀门开度来获得合理的风量分配，从而获得相应的得分，这些都可以让实验者获得成就感，主动地继续实验。

（四）游戏教学的外延：重视觉体验

著名游戏开发者比尔·沃尔克（Bill Volk）曾经对游戏设计写下了一个等式“界面+产品要素=游戏”，强调在游戏设计中界面的重要性[ 13 ]。一个友好的人机交互界面对一款游戏有着至关重要的作用，对于虚拟仿真教学软件同样如此。制作出让学生喜爱的操作界面、场景等虚拟软件中必不可少的元素，可有效增加学习过程的美学享受并增强沉浸感，使得实验连续性、仿真性大大提高。