HVAC虚拟仿真实验设计教育教学初探

                   ——以游戏心理学为例

     王 伟，尹千州，孙育英，王 丹  

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

[摘  要]在当前“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可与传统实验相互补充，相互促进，成为了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，本文分析了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，项目编号：40004020201912。

[作者简介]王伟，（1977-），男，黑龙江哈尔滨人，工学博士，建筑环境与能源应用工程系教授，研究方向：建筑节能。

[中图分类号]G642.0   [文献标识码]A   [文章编号]   

0 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始开展虚拟仿真实验教学，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“HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning，简称HVAC）风系统调试虚拟仿真实训”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被认为是实践教学的一种有效方法，但仍存在有待解决完善的问题。笔者在“HVAC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，使学生学习状态化“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。

1 游戏心理学引入虚拟仿真实验的可行性

游戏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^[11]。笔者认为教学应该具有游戏的内在品格，从而更好的达到教学目的。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就变得可能：

（1）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，本能的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，自发的完成实验。

（2）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，把游戏者本人融入到游戏中，这种在心理学中称之为移情能力。而游戏促使游戏者发动移情能力的依赖是能动性，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动作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。

（3）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、排名等元素。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，主动的继续实验。

（4）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。

2 虚拟仿真实验中运用游戏心理学

虚拟仿真实验具备与游戏心理结合的要素，在实验中，除了具备一般游戏的特点外，还应紧密结合教学内容，做到游中有教，教中有学。针对HVAC虚拟仿真实验的特点，笔者甄选出四种具体的游戏心理学动机，可以融入实验辅助教学：

（1）攀比炫耀心理

炫耀心理是一种内心渴望被发现、被羡慕的表现，很多玩家在游戏中得到别人或者大部分人都不能拥有的东西时内心有一种想被全世界看到的冲动。类似于炫耀心理，攀比心理也是基于玩家虚荣心的一种心理诉求，攀比心理在心理学上被定义为个体发现自身与参照个体发生偏差时产生负面情绪的心理过程，玩家可以在游戏中体验和现实生活中完全不同的身份而产生快乐，进而对游戏产生好感和依赖，这一切的根基就是攀比心理。

（2）目标结果以及过程的完全可视化

每完成一个任务获得金币或者击杀一个BOSS获得装备，这种获取是完全透明并且可以直观的看到，并且结果非常明确。为了提升一个等级需要获得多少经验，击杀一个怪物过程中获得了多少经验，这些都非常的直观。现实生活中往往努力的结果以及奋斗的目标都是不清晰的，或者不能进行相应计算与衡量，导致人们经常不能坚持完成一件事。

（3）激励心理

激励在心理学中，指持续地激发人的行为动机的心理过程。完成一个任务奖励在完成的一瞬间迅速发放，学会一个新的技能，马上就可以操作游戏角色进行使用等等，这是游戏激励玩家继续的动力。充分并且最快的享受到自己的奋斗成果，投入马上就有回报，这正是在现实学习生活中所缺乏的内心体验。

（4）沉浸理论

沉浸理论是由美国Csikszentmihalyi博士在1975年首次提出，意为当人们在进行某些日常活动时会完全投入情境当中，集中注意力，并过滤掉外界不相干的知觉，进入一种沉浸的状态^[14]。Csikszentmihalyi认为，辅助沉浸体验生成的因素主要包括两个方面：一是个体因素，二是情境因素。一旦满足条件触发沉浸体验，学习效率必将成倍提升。

3 游戏心理学引入虚拟仿真实验的方案设计

游戏心理学辅助虚拟仿真实验，重点在于唤醒学生对学习的兴趣，把学习看作是一种能获得快乐的方式和途径，从而主动地学习，通过学习获得满足感与成就感。所以，实验方案要摆脱过去强硬的教学方式，激发学习动机，提高自信，体现学生的主体性，让学生能真正享受做实验的过程。

（1）以网络技术为基础，激发炫耀心理

以网络技术为基础，建立网络虚拟仿真实验平台，激发炫耀攀比心理。根据实际工程特点，设计多人合作实验模式。在实际工程中，一个人难以独立完成HVAC风系统调适，必须多人科学的配合才能顺利且高效的达成目标。因此，在实验最后考核阶段引入多人合作的实验模式，通过网络平台互相可以进行交流，使原本“孤单”的实验过程有了其他同学相配合。多人配合既是一种监督更是一种激励，学生在实验过程中有了同伴，不能任凭自己的喜怒决定完成实验的质量。这不仅训练了实际工程所要求的团队协作能力，而且随时都在强化“我不能比别人差”的攀比心理，本能的使其对待实验更加认真。

实验最后设置考核，双人组队在规定时间内完成调试任务，系统根据各组调试的风系统平衡性及风口风量自动打分。将成绩靠前的学生实验分数进行全网排名，再配合网络互相可视化的特性，代表不同调试水平的实验分数成为值得攀比的“香饽饽”。此做法既可以保护成绩不理想的同学不受打击，又可使原本平淡乏味的实验产生竞技性，使学生之间形成良性竞争：主动接受实验知识，争当实验尖子生。

（2）创建进程反馈机制，实验进度“可视化”

在虚拟仿真实验中加入进程反馈机制，每做出一点努力就看到相应的结果。实验全程配有进度条，完成一个实验模块便增加对应的进度条经验值，实验者可以时刻了解实验进度，使得进度全程“可视化”，无论完成的好坏，当做完实验规定的全部步骤进度条达到100%，保证学生持续参与的热情。

（3）依托专业实验特点，引入激励制度

运用及时激励制度，可使学生获得成就感树立信心。在学习测量仪表的步骤中，完成一种仪器的学习才能解锁其使用权限，倘若学生跳过仪器学习阶段而进入最终实验，则无法使用该种仪器，导致缺乏实验数据，无法完成实验。此机制可以使学生自觉而愉快的完成学习，解锁仪器不但有受到激励的愉悦，而且解锁的仪器对最终测量有重要作用，前后呼应，强化了“成就感”，激励学生继续愉悦的学习。

（4）制作真实实验界面，创造沉浸条件

基于真实工程项目，借助Unity3D开发平台，制作仿真三维建筑场景，创造沉浸条件。软件全方位还原北京某综合办公楼场景，按照实际比尺制作送回风管道、吊顶、测量仪器设备等物件模型，测量时出现模拟人物进行测量，尽可能还原真实风系统平衡调试过程，帮助学生沉浸于虚拟实验，提升学习效率。

4 结语

为了提高建环专业教学质量，满足新工科人才培养要求，本文对HVAC虚拟仿真实验中引入游戏心理学辅助教学的可行性进行了分析，并开发了融入游戏心理学的HVAC虚拟仿真实训平台。该平台应用了众多游戏心理学元素，其新颖的实验模式，逼真的情景带入感，将更能调动学生学习的积极主动性，使知识学习过程化“被动”为“主动”，提高了学生工程实践能力，为深化建环专业实践教学改革、提升实践教学质量开拓了新的思路和方法。

[参考文献]

[1] “新工科”建设行动路线(“天大行动”)[J].高等工程教育研究,2017(02):24-25.

[2] 孙育英,盖轶静,王伟,吴旭,洪阳.空调风系统管网性能虚拟仿真教学实训平台的开发[J].图学学报,2016,37(04):550-555.

[3] 李俊梅,简毅文,李炎锋,et al.基于虚拟仿真技术的实验教学在建环专业的应用分析[J].教育教学论坛,2016(4):260-261.

[4] 孙育英,刘景东,王伟,等. 虚拟仿真技术在建环专业实验教学的应用[J].教育教学论坛,2016(5):106-107.

[5] 李 平,毛昌杰,徐 进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设,提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32 (11):5-8.

  [6] 教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94号.

[7] 苏冠元,韩晓敏,康博强.虚拟仿真实验教学在实验教学示范中心的应用[J].现代信息科技,2020,4(13):194-195+198.

[8 ]洪阳,孙育英,王伟,et al.基于Modelica风机盘管空调系统动态控制过程仿真平台的开发与验证[J]. 建筑科学, 2016, 32(4):120-127.

  [9] 孙育英,吴旭,王伟,盖轶静,洪阳.Dymola空调风平衡调试虚拟仿真实训平台开发[J].实验室研究与探索,2016,35(07):75-79.

[10] 田维.从心理学角度看网络游戏的教育潜能[J].重庆科技学院学报(社会科学版), 2009(2):214-215.

 [11] 周建平. 游戏教学观论要[J]. 教育理论与实践, 2002(5):56-59.

  [12] 马鑫淼. 从马斯洛到游戏心理学[J]. 程序员：游戏创造, 2007(5):74-77.

  [13] 李敏.计算机游戏界面设计中的人机交互性研究[J].艺术与设计(理论),2007(03):99-101.

[14] 陶侃.沉浸理论视角下的虚拟交互与学习探究——兼论成人学习者“学习内存”的拓展[J].中国远程教育,2009(01):20-25+78.

HVAC Virtual Simulation Experimental Design for Educational Teaching

—— Take Game Psychology as an Example

 Wang Wei, Yin Qianzhou, Sun Yuying, Wang Dan

 (School of Architectural Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

 Absrtact: under the background of the construction of "new engineering subject ", the cultivation of students' practical ability and innovation ability is the development direction of the teaching of building environment and energy application engineering in the future. Due to the limitation of site conditions, teaching time and other factors, some experiments of building environmental protection specialty can not be carried out, so it is difficult to meet the requirements of "new engineering" personnel training. Virtual simulation experiment is an important teaching method to promote teaching reform and development because of its advantages, such as not limited by time and space, flexible design and so on. In order to further improve the teaching quality of virtual simulation experiment teaching, this paper analyzes the feasibility of introducing virtual simulation experiment into game psychology, and discusses the virtual experiment teaching platform which combines situational interaction with game psychology depth.

 Keywords: virtual simulation; practical teaching; game psychology; teaching reform; cultivation of new engineering talents