▋ 引言
根据清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2020》[1]，我国建筑碳排放总量2019年达到21亿吨，占总碳排放量的21%，且呈现逐年递增的趋势，因此，为了实现我国2030年碳达峰，2060年碳中和的目标，建筑行业的碳排放将是未来研究的重要挑战，而作为建筑节能领域的核心专业，建环专业的发展和人才培养模式也要与时俱进，迎接新的挑战。根据教育部印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》
[2]
的通知精神，各高校要科学研判，加快新能源、储能、
氢能和碳捕集等紧缺人才培养，加快传统能源动力类、电气类、交通运输类和建筑类等重点领域专业人才培养转型升级。天津大学吕石磊等人指出在“30·60”双碳目标下，传统建环专业课程体系缺乏对可再生能源、储能等新能源和新技术的重视，与双碳目标下零碳建筑技术路径脱节，应协调增加建筑碳排放核算、可再生能源应用等方面知识，
尤其是建筑供能清洁化和用能电气化是建环专业改革的两个主要方向[3]。
北京工业大学李俊梅等人探索了虚拟仿真实验在建环专业风平衡调试实验中的应用，提出优秀的虚拟仿
真平台的开发和实验内容的设定，以及合理的实验过程实施，可以实现虚拟实验与常规试验的虚实结合，达到提高实验教学水平和提高学生综合素质的目标[4]。井冈山大学庞丽东等人在建环专业的实践教学中，可以运用PBL 教学法，设计贴合实际的问题，引导学生将所学理论知识和实践知识相结合，能够有效提高学生的思考和探索能力，激发教师教学热情，促进师生协作和互动[5]。综上所述，建环专业的实践教学模式迫切需要在双碳目标之下进行相应的改革，以培养学生既具备解决建筑环境与能源应用工程专业复杂的工程问题，又具有实现双碳目标的使命感和紧迫感，为建筑行业节能减排和能源转型提供大量高素质人才。因此，本研究将PBL 教学法与虚拟仿真相结合，应用于建环专业的实践教学改革，同时为适应双碳战略目标，建立了光伏
基金项目：河南城建学院高等教育教学改革研究与实践项目（2021JGPY070）
作者简介：陈洪林（1986-），男，硕士，河南周口人，助教，现从事新能源发电技术研究与应用。
基于PBL 方法的建环专业虚拟仿真教学探析
◎陈洪林 鞠 睿 董闪闪 孔佑方
（河南城建学院，河南 平顶山 467000）
摘要：双碳战略目标的提出为建筑环境与能源应用工程专业调整和完善教学体系提供了发展方向，该
专业的实践教学内容必须满足双碳目标下新型建筑节能设计对高素质人才培养的需求。文章分析了建环专业实践教学中存在建筑节能低碳课程种类少，实验设备少，知识点设置单一等问题，以光伏一体化建筑冷热源虚拟仿真建设为例，提出基于PBL 教学法的虚拟仿真实践教学方法，在教学过程中学生需要自主学习、分组协作，在线下熟悉关键设备，线上完成系统设计操作流程，整个虚拟仿真实验做到了虚实结合、以虚拓实的效果，显著地提高学生系统化学习能力和系统工程思维，并且具备“碳达峰、碳中和”的使命感和促进建筑行业低碳转型的责任感。
关键词：PBL 教学法；建环专业；虚拟仿真教学；双碳目标
一体化建筑冷热源系统设计虚拟仿真系统。同时，传播相关科学知识。
▋一、建环专业开发虚拟仿真实验教学的必要性
目前应用型本科院校中建环专业的传统实践教学过程，主要存在以下问题，第一，教学设计相对落后，理论教学与实践教学没有有效地结合起来，教学质量低，教学效果不佳，学生学习专业能力提升缓慢，所学技能难以满足社会发展的需要，尤其是对建筑节能减排和绿低碳等方面知识基础极为薄弱；第二，受限于实验场地和经费的问题，建环专业的实验教学普遍存在硬件资源相对匮乏，部分实验设备的使用年限甚至超过学生年龄，教学内容长久没有更新，教学过程以教师讲授为主，当实验分组人数较多时，授课过程中时常出现学生将老师团团包围，但是在实际操作实验时，只有一两名学生
动手实操，其他人则置身事外，并且大部分实验设备只能控制一个简单变量，比如温度、流量等，实验所获得的数据也极为简单，学生完成实验报告千篇一律，无法展现学生在实验过程中的分析和思考，达不到实践训练的目标；第三，实验所对应的知识点是分散和孤立的，学生通过实验学习到单一的知识点，却缺少具体的应用场景，学生的逻辑思维能力和系统工程设计能力达不到训练目的，不能给以后的毕业设计环节提供有效的能力支撑，也不能胜任实际建筑环境的复杂系统设计要求。
相对于传统实践教学，虚拟仿真教学可以广泛利用信息化智能化技术，具备模块化、全面性和系统性，尤其是在双碳目标下，采用虚拟仿真技术可以将建筑物节能减排的新技术新方法迅速地融入实践教学中，提高教学效果，同时还可以降低实验成本，最重要的是学生可以对虚拟仿真实验系统反复操作，培养学生对工程系统设计全过程的深入理解和掌握[6]。但是虚拟仿真教学如果组织不当，容易造成学生学习脱实向虚，对于实际过程中一些基本参数如流量、温度的测量过程无法通过虚拟实现，不利于学生的实际动手能力。基于以上原因，在建环专业的实践教学采用了虚拟仿真项目，同时为了避免虚拟仿真的教学弱点，提出基于PBL（Problem-based Learning）的虚拟仿真实践教学法，期望做到“先实后虚、虚实结合、以虚拓实”的教学目的，使学生能够自主学习，具备扎实的专业基础知识和较强的实践创新能力，能够系统的解决建筑环境与能源应用工程专业复杂的工程问题。井冈山大学怎么样
▋二、PBL教学法在实验教学中的实施方案
PBL教学法即基于问题的教学法，是以学生为中心，以问题为导向，将师生互动贯穿整个教学过程之中，及时全面的掌握学生学习情况，根据学生学习效果反馈，调整教学内容和方法[7-8]。以PBL教学法为基础，将建环专业理论知识与虚拟仿真实操作业有机结合，将实验室线下各实验设备的实操与虚拟仿真系统应用相互交融，打破次元壁，取长补短，有效提高学生学习效果。
以光伏一体化建筑冷热源系统设计仿真系统为例，该仿真系统分为建筑光伏集成发电系统、建筑冷热负荷计算、建筑冷热源系统设计及设备选型、光伏及冷热源方案优化分析、三维系统图的创建和系统的运行与调节六个模块。基于以上虚拟仿真实验平台的PBL教学过程总体上分为课前预习、反复实操和课后总结提高三个阶段。
（1）课前通过线上布置实验任务，根据实验目的和要求，将本实验的六个模块的核心知识点作为课前自学内容上传至虚拟仿真平台，学生可通过网络，随时随地登陆虚拟仿真平台，自学本实验六个模块的核心知识点。
（2）课中教学“先实后虚”，老师首先带学生认识本仿真实验所涉及的部分关键设备，比如制冷制热设备、循环水泵、建筑围护结构、换热器和光伏发电设备等，多维度讲解设备的工作原理和操作方法，然后针对各个设备，提出启发式问题，接着学生带着疑问，分组进行关键设备的实践操作，然后每人独自进行虚拟仿真系统设计和操作。在虚拟仿真教学中，学生需要进行自主学习寻答案，并根据实
验中所设定的应用场景设计冷热源系统，实验完成后，学生可分小组讨论问题，并将数据保存系统，老师在虚拟仿真阶段可以在线监控学生设计任务完成情况、核心知识点的掌握情况以及容易出错的一些重点和难点，以便在下次教学时，针对性的提出问题。
（3）实验课做完后，学生还要完成老师布置的针对建筑冷热源的拓展性问题，以及总结自己在虚拟仿真设计过程中不足之处，之后可以在线提交实验报告，教师通过线上进行评价。通过以上过程，学生可以通过虚实结合的实验过程，基本掌握光伏一体化建筑冷热源系统的设计任务。 ▋三、虚拟仿真实验教学的内容设计
光伏一体化建筑冷热源仿真系统是涉及《制冷技术》《空气调剂》《建筑冷热源》《建筑光伏一体化》等专业课程的综合性、系统性实验，是对学生掌握建筑冷热源系统设计、分布式光伏系统设计以及零碳建筑设计的一次重要考核。本实验的教学以PBL为基础，针对光伏建筑一体化等六个核心知识点，将其进行细分为若干小知识点，采用任务驱动或者潜移默化的互动方法，强化学生对知识的掌握，提高自主学习能力。本实验的内容设计如下：
3.1 系统的负荷计算
光伏一体化建筑冷热源仿真系统的负荷计算包括建筑集成光伏系统容量计算和冷热源系统负荷计算两方面。建筑集成光伏系统需要计算光伏发电组件的安装面积和安装容量，结合所在地太阳辐射条件和
光伏发电系统效率，计算光伏发电量，并折算二氧化碳的减排量。建筑冷热源负荷计算包括热负荷和冷负荷计算，热负荷的计算包括围护结构耗热量和门窗缝隙渗入冷空气耗热量，设计热负荷按照稳态方法进行计算；建筑冷负荷包括围护结构冷负荷、室内热源散热冷负荷、新风冷负荷和湿负荷，计算采用简化的非稳态传热。围护结构的冷负荷和热负荷计算需要考虑采用光伏一体化建筑之后光伏板对围护结构的保温和节能作用。这一环节的仿真实验内容以问答为主，采用PBL 教学法，根据负荷计算的任务，设置相关问题，学生需要课前预习，然后在实验平台上进行作答，以闯关的形式完成试验任务，进入下一个环节，如果答题过程出现错误，需要重新开始，以项目任务为基础的互动式问题，可以有效提高学生的自主学习能力。
3.2 系统设备选型和方案确定
根据上一环节的计算结果，在本环节需要初步完成关键部件的选定，构建建筑集成光伏发电系统需要对光伏发电组件、逆变器、蓄电池等进行选型，光伏组件需要根据建筑特点进行选择，包括建筑幕墙光伏方阵、屋面光伏方阵、光伏发电瓦和柔性光伏组件等，选定组件之后确定连接方式，最后根据光伏组件总安装容量选择逆变器和蓄电池等。冷热源系统需要根据冷热负荷，选择制冷、制热设备的容量及型号，以及水泵，冷却塔等其他主要设备，需要根据冷热源方案确定系统的辅助设备和连接形式。在此仿真阶段开始前，学生需要先在实验室里熟悉光伏板、逆变器、制冷制热装置、水泵、阀门以及各种连接件等设备，为虚拟仿真系统的搭建打好基础。
光伏一体化建筑冷热源方案的确定是仿真系统设计的核心与关键，系统方案优化比选要具备以下要点：第一符合国家和地方的节能减排政策，第二结合当地太阳辐射强度、工业基础、建筑功能和结构、建筑用能负荷以及建筑周边可利用冷热源资源设计；第三综合分析系统在全生命周期内的总成本，保证系统的经济性较高。通过本环节线下实验室主要设备的熟悉和认知，结合虚拟仿真系统的选型和方案确定，有利于学生了解国家双碳政策、光伏发电基本工作原理及其在降低建筑能耗中的重要作用，掌握建筑冷热源设备的运行与室外环境的关系，并能够估算系统运行成本，培养学生的系统工程的思维能力以及解决实际工程问题的能力，增强学生的创新意识。
3.3 系统搭建和模拟运行
利用虚拟仿真的方法搭建光伏一体化建筑冷热源系统可以最大限度地发挥虚拟仿真的优点，可以实现以较小的成本完成复杂的系统设计和搭建，并让更多的学生有动手设计复杂的建筑能源与环境系统的机会。在本环节根据选择的光伏发电系统设备以及建筑冷热源设备及其连接附件，按照仿真系统的工艺流程图，构建系统的三维流程图，搭建系统的三维布置图。系统的搭建可以进一步使学生掌握太阳能光伏发电组件、逆变器、冷热源装置以及各种阀门和连接件的结构和工作原理。
系统搭建完成之后需要在虚拟仿真系统上进行调试和运行。系统调试是检验系统设计及构建是否合理，能否成功运行的唯一可靠手段。建环专业传统毕业设计中没有针对学生是否掌握系统工程调试方法的考核，而且大部分没
有考虑建筑节能和碳减排方面的设计，无法验证毕业设计做出的冷热源系统是否能够达到既定目标与要求，也不符合建筑清洁用能零碳排放的发展趋势。建筑光伏发电系统的实际运行要点包括光伏发电特性、逆变器工作特性与最大功率追踪等；冷热源系统的实际运行工况取决于末端的负荷变化以及室外气象参数的变化。运行要点包括部分负荷运行下，系统循环水流量与负荷，水泵功率与流量，以及冷热源能耗与室外参数、循环水流量的物理关系；变负荷条件下，如何调节系统循环水流量，如何计算系统能耗及综合性能。冷热源系统操作的重点是调节阀门开度改变流量，以及调节水泵频率改变流量等。在通过虚实结合的方式，完成以上调试和运行试验后，学生对建筑光伏一体化发电系统和冷热源系统都有了较为深入的认识，具备解决类似工程问题和自主设计的能力。
▋四、结语
2022年教育部印发了《绿低碳发展国民教育体系建设实施方案》，要求加大绿低碳发展领域的高层次专业化人才培养力度，深化产教结合。根据这一方案要求，建环专业的实践教学工作需要进行针对性改革，在原有专业知识的基础上，增加零碳建筑技术方案，为了实现这一目标，以光伏一体化建筑冷热源虚拟仿真系统为例，冷热源能耗约占建筑能耗的60%左右，是建筑运行过程中碳排放最大的部分，采用了集成光伏发电系统后可有效实现清洁电能的替代使用，同时增加围护结构的热阻，降低了冷热源系统的能耗，是实现零碳建筑的重要途径，但该系统较为复杂，在有限的教学学时和资金投入条件下，采用虚拟仿真是最优方法。为了防止虚拟仿真实验过程脱离实际的风险，开发出基于PBL
教学法，通过合理设置知识点问题，先线下熟悉关键设备，再线上搭建系统的虚实结合的教学过程，可以显著的提高学生的独立自主、系统化学习的能力，锻炼学生系统工程思维和动手能力，使学生具有“碳达峰、碳中和”的使命感和促进我国建筑行业清洁电能替代、低碳转型的责任感。
参考文献
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[6]曾凡琮.虚拟仿真实验在“汽车空气动力学”教学中的应用与探索[J].科技与创新，2022，14（11）：31-37.
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[9]曹玮.能源动力类虚拟仿真综合实践平台建设[J].中国教育信息化，2021，4（71）：71-74.
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