1)實(shí)驗(yàn)的必要性與實(shí)用性

研究表明人的一生有85%以上的時(shí)間在室內(nèi)度過，因此室內(nèi)污染源的控制尤為重要。2023年3月科學(xué)期刊Nature(615, 206-208(2023))發(fā)表科學(xué)評論“新冠/流感疫情之后，室內(nèi)健康空氣引發(fā)各國關(guān)注思考”一文。文中指出比利時(shí)、美國、英國等國家分別從2022年啟動了“室內(nèi)清潔空氣挑戰(zhàn)”等措施，這是因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣傳播是感染COVID-19的新冠病毒（SARS-CoV-2）以及其他傳染病病原體（水痘、麻疹、結(jié)核病和季節(jié)性流感等）的重要途徑。估算發(fā)現(xiàn)新冠大流行和季節(jié)性流感暴發(fā)讓英國平均每年損失230億英鎊（約合270億美元），英國如果改善建筑通風(fēng)系統(tǒng)，估計(jì)可在60年內(nèi)節(jié)省1740億英鎊。2021年底9到12月，意大利馬爾凱大區(qū)1萬多個(gè)中小學(xué)教室，學(xué)生的通風(fēng)率能達(dá)到至少每人每秒10升時(shí)，傳染風(fēng)險(xiǎn)能降低80%。在一個(gè)中型會議室，兩臺室內(nèi)凈 化器能讓三個(gè)假人的氣溶膠暴露減少65%，其效果與所有假人戴口罩（72%）幾 乎一樣。此外，室內(nèi)環(huán)境的污染物不僅來自于室外，而且室內(nèi)環(huán)境自身存在污染源，例如：煙霧、烹飪產(chǎn)生的細(xì)顆粒物、家具釋放的揮發(fā)性有機(jī)物、致敏的霉菌和花粉等。因此合理的控制室內(nèi)通風(fēng)氣流組織以及采用正確的凈化裝置可以保護(hù)人們免受污染物暴露和疾病傳染。

然而對不同室內(nèi)環(huán)境的控制手段不盡相同，仍存在一些科學(xué)問題需要學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況鉆研思考，例如：多少新鮮空氣才夠？室內(nèi)空氣凈化器要安裝在什么位置？室內(nèi)需要引入新風(fēng)嗎？什么時(shí)候需要開窗或開啟空氣凈化設(shè)備？如何使用各種手段快速降低室內(nèi)空氣污染物？在一定的空氣污染物濃度下，對人體的短期暴露和長期暴露有什么影響？

本科生課程《大氣污染與控制》與《大氣PM2.5與疾病》中包含“室內(nèi)污染與控制”與“室內(nèi)污染傳播”的教學(xué)內(nèi)容，因此指導(dǎo)環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、環(huán)境健康專業(yè)、以及公共衛(wèi)生專業(yè)的學(xué)生在虛擬教學(xué)平臺上通過虛實(shí)結(jié)合的手段、通過海量場景、只需數(shù)十分鐘的操作來模擬真實(shí)環(huán)境下不同時(shí)間尺度（幾小時(shí)到幾年）的室內(nèi)空氣污染狀況和人員暴露損傷，而且可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中難以模擬的真實(shí)環(huán)境，學(xué)習(xí)掌握室內(nèi)空氣傳播是一種重要的病毒傳播方式、如何才能最好地給室內(nèi)通風(fēng)，預(yù)防傳染病擴(kuò)散、以及哪些技術(shù)可以取代或增強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)是必要的且具有實(shí)用性的，關(guān)系到人類的未來。

2)教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性

第一，教學(xué)目標(biāo)明確：通過虛擬與實(shí)際結(jié)合的實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生深入了解室內(nèi)空氣質(zhì)量的相關(guān)知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和科研素養(yǎng)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)還能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力，為今后的工作和學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第二，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有針對性和實(shí)用性：學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)，第一視角了解不同類型室內(nèi)空氣污染的成因和影響因素，掌握室內(nèi)空氣質(zhì)量評估和改善的技術(shù)方法和操作流程。教學(xué)內(nèi)容涉及：環(huán)境科學(xué)、大氣污染控制工程、建筑通風(fēng)與空調(diào)技術(shù)、環(huán)境流體力學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科。實(shí)驗(yàn)場景案例均為常見的日常生活和工作場景，污染源均為老百姓易接觸到的污染類型。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際生活和工作密切相關(guān)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

第三，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法科學(xué)合理：采用虛擬仿真技術(shù)，可以在安全和環(huán)保的前提下進(jìn)行多場景室內(nèi)空氣質(zhì)量評估和改善，節(jié)省教學(xué)成本；同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法虛實(shí)結(jié)合，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)聯(lián)，學(xué)生可以在仿真平臺觀看實(shí)驗(yàn)室操作過程，觀察實(shí)驗(yàn)室內(nèi)污染源如何產(chǎn)生、擴(kuò)散，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳感器如何實(shí)時(shí)監(jiān)測、以及如何預(yù)警和開啟凈化，實(shí)驗(yàn)室傳感器監(jiān)測的所有數(shù)據(jù)如何傳輸至信息存儲平臺；此外，學(xué)生可以接觸并學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及極具現(xiàn)代化、智能化和自動化特性的管理技術(shù)。

第四，實(shí)驗(yàn)流程規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)：包括實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等多個(gè)環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)都需要學(xué)生認(rèn)真執(zhí)行，嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的先進(jìn)性

第一，基于虛實(shí)結(jié)合互補(bǔ)的虛擬仿真技術(shù)：首先，該實(shí)驗(yàn)中部分場景（目前已有廚房、教室、辦公室、家居等實(shí)驗(yàn)室）在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)存在，實(shí)驗(yàn)室中配備了污染物排放源、不同類型的環(huán)境傳感器和預(yù)警系統(tǒng)，人員配有可穿戴式健康傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室真實(shí)場景中的室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)（目前已有PM2.5、油煙、 VOC、非甲烷烴、甲醛、臭氣、CO2、溫濕度、人體呼吸、溫度、血壓、心率、血氧飽和度等），并在達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警信號；實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置了活性炭凈化系統(tǒng)、紫外殺菌凈化系統(tǒng)、及全新風(fēng)系統(tǒng)；該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有智能化和自動化特性，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制和數(shù)據(jù)采集、處理和分析真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、并且可以在自己的電腦上開啟控制真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的凈化手段等和傳感器等多種功能。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境來初步學(xué)習(xí)室內(nèi)污染物控制與健康環(huán)境營造。其次，

所有場景難以在有限的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境真實(shí)復(fù)現(xiàn)，因此學(xué)生可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)研究真實(shí)實(shí)驗(yàn)室難以模擬的場景，例如：商場、醫(yī)院、機(jī)動車內(nèi)、不同室外氣象條件（例如：極端氣候）、不同污染物濃度（極值）等；學(xué)生可以學(xué)習(xí)不同類型的空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、氣流組織形式，以及凈化手段；學(xué)生還可以考慮不同人群特征的影響，例如：不同年齡、不同性別、不同種族、是否患有疾病等。基于這些特異性，學(xué)生可以建立“實(shí)驗(yàn)元素客體庫”。學(xué)生通過不斷完善的“實(shí)驗(yàn)元素客體庫”，達(dá)到線下學(xué)習(xí)千、萬倍案例的多的學(xué)習(xí)效果。

第二，基于多地協(xié)同的共享性試驗(yàn)系統(tǒng)：即該虛擬仿真項(xiàng)目不是離線或僅限于本地使用，而是實(shí)現(xiàn)了多用戶、分布式的共享模式。這意味著學(xué)生們可多名用戶在同一時(shí)間內(nèi)連接到系統(tǒng)，同時(shí)參與虛擬實(shí)驗(yàn)，并且該系統(tǒng)不限于本地使用，而是可以在全球任何一個(gè)角落通過互聯(lián)網(wǎng)連接到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而不必親身到實(shí)驗(yàn)室觀摩學(xué)習(xí)。這種多戶、分布式的共享模式不僅擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的覆蓋面，可以更廣泛地推廣實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且通過多用戶、分布式的共享模式，學(xué)生們有機(jī)會與來自不同地區(qū)、不同文化背景的同學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流與合作，促進(jìn)跨文化的學(xué)習(xí)和交流。

第三，基于多重結(jié)果的開放性和隨機(jī)性場景設(shè)計(jì)：室內(nèi)空氣質(zhì)量的虛擬仿真場景設(shè)計(jì)成具有開放性和隨機(jī)性的多重結(jié)果，學(xué)生可以自由修改建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、人員、污染物的排放濃度，因此產(chǎn)生千變?nèi)f化的隨機(jī)結(jié)果，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中可預(yù)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，更符合實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性。此外，針對學(xué)生的錯(cuò)誤操作，虛擬仿真模擬會同樣給出該錯(cuò)誤操作所導(dǎo)致產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，從而給學(xué)生留下直觀的、深刻的印象和教訓(xùn)。對于非常優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生首次給出了一個(gè)最新的、有意義的案例，系統(tǒng)會自動將其設(shè)置為優(yōu)秀學(xué)生案例，供其他人學(xué)習(xí)。

第四，基于前期科研經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：申請人在室內(nèi)污染與控制領(lǐng)域深耕多年，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于申請人前期在室內(nèi)污染物類型、排放規(guī)律、氣流組織、健康暴露的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和模型研究的積累，這些前期研究經(jīng)驗(yàn)和教科書中的教學(xué)內(nèi)容融合嵌入于智能化、自動化、多樣化、可定制化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中。學(xué)生可以調(diào)用不同的健康暴露模型（分別來自于教科書中及最新的科學(xué)報(bào)道），與傳統(tǒng)的教科書相比，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅提供了專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，還涵蓋了最新的科學(xué)研究成果，讓學(xué)生了解該領(lǐng)域的全球研究熱點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（實(shí)驗(yàn)后應(yīng)該達(dá)到的知識、能力水平）

本研究旨在利用虛擬仿真技術(shù)與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過《健康人居空氣質(zhì)量環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，學(xué)生能夠了解室內(nèi)環(huán)境污染物、掌握室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)、熟悉室內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)、培養(yǎng)室內(nèi)環(huán)境控制和管理能力、提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力等方面的知識和能力，從而能夠更好地應(yīng)對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的調(diào)節(jié)和管理問題。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和責(zé)任感，為綠色中國和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。此外，本實(shí)驗(yàn)還將鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科習(xí)，將環(huán)境科學(xué)、化學(xué)、物理、建筑學(xué)等多個(gè)學(xué)科進(jìn)行有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力，提高其創(chuàng)新和創(chuàng)造能力，培養(yǎng)具有國際競爭力的高素質(zhì)人才。

1)理解室內(nèi)空氣質(zhì)量的相關(guān)概念和指標(biāo)

學(xué)生能夠理解室內(nèi)空氣質(zhì)量的相關(guān)概念和指標(biāo)，包括PM2.5、甲醛、VOC、CO2、霉菌、病毒、臭氣等污染物的含義、危害、計(jì)量方法和標(biāo)準(zhǔn)。

2)掌握室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)

學(xué)生應(yīng)該能夠掌握室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)，包括傳感器的安裝、使用和校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集和處理、預(yù)警和調(diào)節(jié)等技術(shù)方法和工具。

3)熟悉室內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)

學(xué)生應(yīng)該能夠熟悉室內(nèi)空氣質(zhì)量凈化技術(shù)，包括空氣凈化方案的選擇和使用、通風(fēng)和換氣的方法和效果、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)和優(yōu)化等技術(shù)方法和工具。

4)培養(yǎng)室內(nèi)環(huán)境控制和管理能力

學(xué)生應(yīng)該能夠培養(yǎng)室內(nèi)環(huán)境控制和管理能力，包括室內(nèi)環(huán)境人體暴露風(fēng)險(xiǎn)的評估和分析、空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)和優(yōu)化、室內(nèi)設(shè)備的維護(hù)和管理等能力。

5)提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力

學(xué)生應(yīng)該能夠提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方案的制定和改進(jìn)、數(shù)據(jù)采集和處理的方法和技巧、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論的分析和總結(jié)等能力。

（1）實(shí)驗(yàn)原理(限1000字以內(nèi))

《健康人居空氣質(zhì)量環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)原理基于多種技術(shù)，主要包括人工智能、傳感器、BIM技術(shù)、室內(nèi)空氣品質(zhì)研究和元宇宙等。具體原理如下：

知識點(diǎn)：共7個(gè)

1)室內(nèi)空氣污染物類型及濃度

不同的室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生的空氣污染物類型多種多樣，而且排放強(qiáng)度也不相同。學(xué)生學(xué)習(xí)掌握不同功能、內(nèi)部構(gòu)造的建筑產(chǎn)生的空氣污染物是什么，排放濃度是否安全，如何凈化等知識。

2)利用BIM技術(shù)構(gòu)建虛擬建筑

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)可以用于構(gòu)建虛擬建筑，并在其中模擬室內(nèi)空氣品質(zhì)。通過BIM技術(shù)，學(xué)生可以更加直觀地了解室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化情況，并進(jìn)行控制策略的測試。

3)利用傳感器監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝各種傳感器，監(jiān)測室內(nèi)空氣的溫度、濕度、CO2、甲醛、VOC、氣味等污染物的濃度，并將數(shù)據(jù)傳輸至人工智能算法中進(jìn)行處理。通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，可以及時(shí)掌握室內(nèi)環(huán)境的變化情況，同時(shí)也可以更加精準(zhǔn)地模擬室內(nèi)環(huán)境。

4)室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測和優(yōu)化

通過上述傳感器和人工智能算法，可以對室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和預(yù)警。同時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)檢測結(jié)果智能調(diào)節(jié)空氣凈化系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，優(yōu)化室內(nèi)空氣品質(zhì)。這種實(shí)時(shí)檢測和智能優(yōu)化可以保證室內(nèi)空氣的健康品質(zhì)。

5)估算人體的暴露損傷

通過傳感器對室內(nèi)環(huán)境中的空氣質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，獲取實(shí)時(shí)的室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過人體可穿戴式健康傳感器對室內(nèi)人員的健康參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，獲取實(shí)時(shí)的人體參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)采用先進(jìn)的算法和模型對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，以評估人體受到的暴露程度和潛在的損傷情況。此外，利用元宇宙技術(shù)，將室內(nèi)環(huán)境模型與人體模型結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的人體暴露情況仿真模擬，從而可以直觀地觀察和估算人體暴露損傷情況。

6)利用人工智能和CFD技術(shù)模擬和控制室內(nèi)空氣品質(zhì)

通過人工智能算法和CFD技術(shù)模擬室內(nèi)空氣品質(zhì)，包括模擬室內(nèi)空氣污染源、空氣流動和污染物傳播等過程。人工智能算法可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動調(diào)整模型參數(shù)，提高模擬的準(zhǔn)確性和可信度。CFD技術(shù)是計(jì)算流體動力學(xué)，這種模擬可以幫助學(xué)生了解室內(nèi)空氣污染的來源和傳播機(jī)理，同時(shí)也可以測試不同控制策略的效果。虛擬仿真軟件系統(tǒng)可以接收線下儀器的數(shù)據(jù)，同時(shí)在線系統(tǒng)可將學(xué)生操作結(jié)果或者算法上載到實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備控制（例如，啟動空氣凈化儀器、啟動廚房油煙機(jī)等）

7)元宇宙交互

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過元宇宙交互方式，進(jìn)入虛擬世界中，沉浸式學(xué)習(xí)探索不同的室內(nèi)環(huán)境和控制策略，更加直觀地了解室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響因素和控制策略的效果。同時(shí)，學(xué)生還可以在通過實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)習(xí)，并且可以調(diào)整實(shí)驗(yàn)室中的一些儀器設(shè)備，改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。元宇宙技術(shù)則可以將整個(gè)建筑及其室內(nèi)環(huán)境以虛擬化的形式呈現(xiàn)，為學(xué)生提供更加直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

通過上述技術(shù)的融合，可以對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行全面的仿真和分析，得到更加準(zhǔn)確的室內(nèi)空氣品質(zhì)評估結(jié)果。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中的人工智能算法可以通過學(xué)習(xí)和優(yōu)化，提高預(yù)測精度和評估準(zhǔn)確性，為建筑的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營提供科學(xué)的依據(jù)。此外，實(shí)驗(yàn)過程中的傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，從而為人們提供更加舒適健康的居住環(huán)境。

（2）核心要素仿真設(shè)計(jì)（對系統(tǒng)或?qū)ο蟮姆抡婺Ｐ腕w現(xiàn)的客觀結(jié)構(gòu)、功能及其運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行如實(shí)描述，限500字以內(nèi)）

1)室內(nèi)環(huán)境模型

該模型需要真實(shí)反映出室內(nèi)空氣質(zhì)量的客觀結(jié)構(gòu)和功能，包括房間布局、窗戶、通風(fēng)設(shè)備等。同時(shí)，該模型還需要包含多種污染源，如人體、家具、裝修材料等，以便于對空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和評估。例如：廚房烹飪環(huán)境、教室學(xué)習(xí)環(huán)境、新裝修家居、酒店密閉環(huán)境病毒傳播等。

2)傳感器模型

它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、PM2.5、CO2、TVOC等參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器。

3)空氣凈化系統(tǒng)模型

該模型需要模擬真實(shí)的空氣凈化設(shè)備，包括：門窗、空調(diào)系統(tǒng)、空氣凈化器、新風(fēng)系統(tǒng)、紫外線等，以便于實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)空氣的凈化?？諝鈨艋到y(tǒng)會根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，例如開啟或關(guān)閉空氣凈化器、換氣扇等設(shè)備，從而改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

4)人體模型

該模型需要反映出人體的生理特征和行為習(xí)慣，以便于估算人體受到的暴露程度和潛在的損傷情況。模擬人體的身體結(jié)構(gòu)、呼吸、皮膚散熱等生理特征，實(shí)現(xiàn)對人體暴露損傷的估算。

5)健康暴露模型

結(jié)合人體生理學(xué)、毒理學(xué)等申請者前期研究成果及最近科研報(bào)道成果，建立不同污染源排放污染物的“劑量響應(yīng)”、“濃度響應(yīng)”健康損傷數(shù)據(jù)庫。并通過設(shè)置傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測室內(nèi)空氣中的各種污染物濃度、溫度、濕度等因素，并將數(shù)據(jù)作為邊界條件輸入到計(jì)算流體CFD模擬軟件，計(jì)算得到室內(nèi)不同時(shí)空位置的污染物濃度，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)而通過健康損傷數(shù)據(jù)庫計(jì)算出不同暴露水平下的健康風(fēng)險(xiǎn)。

6)元宇宙技術(shù)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)虛擬的三維空間，將室內(nèi)環(huán)境與人體模型結(jié)合起來，讓學(xué)生可以在虛擬的空間中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，感受不同空氣質(zhì)量下的人體暴露效應(yīng)。這些客觀結(jié)構(gòu)、功能及其運(yùn)動規(guī)律是密切相關(guān)的，例如，室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器的數(shù)據(jù)會觸發(fā)空氣凈化系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，減少人體暴露的損傷。而人體模型則可以根據(jù)不同的暴露環(huán)境，輸出不同的暴露損傷結(jié)果，幫助學(xué)生了解空氣質(zhì)量對人體健康的影響。元宇宙平臺則是整個(gè)系統(tǒng)的集成平臺，將這些客觀結(jié)構(gòu)、功能及其運(yùn)動規(guī)律有機(jī)地結(jié)合起來，為學(xué)生提供一個(gè)全面、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

1)實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

學(xué)生將會根據(jù)系統(tǒng)自帶的實(shí)驗(yàn)手冊獲得實(shí)驗(yàn)的相關(guān)背景知識，包括不同場景室內(nèi)空氣污染的來源和排放強(qiáng)度、危害、和防護(hù)措施、以及室內(nèi)氣流組織形式和污染物擴(kuò)散路徑、室內(nèi)通風(fēng)及污染物控制策略、環(huán)境傳感器監(jiān)測原理與技術(shù)、人工智能、 BIM技術(shù)、元宇宙等相關(guān)知識。

2)實(shí)驗(yàn)步驟

a. 學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，完成選擇場景、導(dǎo)入建筑模型、傳感器模型和室內(nèi)空氣模型；場景包括：居民家庭（廚房、吸煙、香薰、除味劑等污染源）、辦公室（打印機(jī)等污染源）、小學(xué)教室（畫畫染料、兒童奔跑地面揚(yáng)塵、開窗引起室外空氣污染物等污染源）、醫(yī)院病房（細(xì)菌、病毒、氣味等污染源）、工業(yè)車間（粉塵、廢氣等污染源）、小轎車內(nèi)（機(jī)動車尾氣、座椅材料散發(fā)等污染源）、商場（餐飲排放等），等。

b. 學(xué)生點(diǎn)擊生成場景，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置實(shí)驗(yàn)手冊設(shè)置室內(nèi)初始環(huán)境參數(shù)，例如：辦公室，室內(nèi)溫度20oC，室內(nèi)相對濕度50%，室內(nèi)風(fēng)速0.1m/s，窗戶關(guān)閉，室外溫度10oC，室外相對濕度40%，室外風(fēng)速 1m/s，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行半回風(fēng)模式，不同的室內(nèi)空氣污染物初始濃度0，打印機(jī)2臺，品牌佳能納米級顆粒物排放濃度6.0× 105個(gè)/cm3。申請人前期科研積累了大量的不同污染源的排放因子和環(huán)境參數(shù)，以表格形式設(shè)置在實(shí)驗(yàn)手冊中。學(xué)生可合理的增加新的污染源，若表格中未提供排放因子和環(huán)境參數(shù)，學(xué)生根據(jù)參考文獻(xiàn)設(shè)置合理的參數(shù)，并提供依據(jù)。

c. 學(xué)生對建筑模型進(jìn)行分析，根據(jù)該場景類型， 點(diǎn)選合適的傳感器并在操作平臺上放置于合理的安裝位置，例如：居民家庭和商場有烹飪油煙的影

響，除了PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、必須加裝油煙傳感器；對工業(yè)車間，除了PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、還要加裝大粒徑顆粒物傳感器以及VOC等氣體傳感器；對醫(yī)院，除了選定前述的普通傳感器，還需加裝生物傳感器、以及氣味傳感器。此外，場景類人員設(shè)置可穿戴式健康傳感器，可以監(jiān)測體表呼吸、溫度、血壓、心率、血氧飽和度等。

d. 學(xué)生根據(jù)建筑形式以及《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50736-2012》、《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50019-2015》、《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-2015》選擇合理的送風(fēng)、排風(fēng)、和氣流組織形式，并在操作平臺上進(jìn)校設(shè)置，包括送風(fēng)口和排風(fēng)口的風(fēng)速溫度、回風(fēng)百分比、全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)間及效率，風(fēng)口的安裝位置，凈化系統(tǒng)的安裝位置與開啟時(shí)長。

e. 學(xué)生設(shè)置本實(shí)驗(yàn)中的人員種類及數(shù)量，需考慮年齡、性別、種族、身高、體重、是否講話等。

f. 學(xué)生根據(jù)前面設(shè)置中的建筑形式、污染物類型、空氣凈化方案等，初步判斷室內(nèi)氣流組織分布特征，并根據(jù)人員的主要活動場所，設(shè)置關(guān)注點(diǎn)。在關(guān)注點(diǎn)、氣流經(jīng)過關(guān)鍵點(diǎn)、凈化關(guān)鍵點(diǎn)等多點(diǎn)設(shè)置傳感器設(shè)備。

g. 學(xué)生啟動場景，污染源在一定時(shí)間內(nèi)向空間排放污染物，送排風(fēng)系統(tǒng)按照設(shè)置自動運(yùn)行，各種環(huán)境傳感器和人體穿戴式健康傳感器啟動監(jiān)測，數(shù)據(jù)每時(shí)每刻傳輸?shù)诫娔X終端，電腦屏幕顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的逐時(shí)變化、和人員的健康參數(shù)。

h. 學(xué)生根據(jù)環(huán)境傳感器和人體健康傳感器傳輸?shù)膮?shù)，判斷此時(shí)室內(nèi)的空氣污染水平，根據(jù)GB/T 18883-2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)，決定是否改變傳感器布置、調(diào)整送風(fēng)、排風(fēng)、及氣流組織形式、或者開啟空氣消殺功能。并觀查室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化、及人體健康參數(shù)的變化；如未改善，繼續(xù)調(diào)整。

i. 學(xué)生記錄保存全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析結(jié)果,完成試驗(yàn)后，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成復(fù)述整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，包括：場景、污染物排放強(qiáng)度、室內(nèi)通風(fēng)方式、人員選擇、傳感器布置、空氣品質(zhì)控制策略等；并通過實(shí)驗(yàn)平臺上的數(shù)據(jù)分析工具，評估室內(nèi)的空氣品質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律、人體健康暴露水平、及通風(fēng)凈化效果；在此基礎(chǔ)上，學(xué)生深入思考，提出改進(jìn)建議、或者設(shè)計(jì)更科學(xué)地未來方案，從而鞏固和擴(kuò)展所學(xué)知識。

（1）學(xué)生交互性操作步驟，共10 步

步驟

序號

步驟目標(biāo)要求

步驟合理用時(shí)

目標(biāo)達(dá)成度賦分模型

步驟

滿分

成績類型

1

觀看視頻、自學(xué)系

統(tǒng)使用方法和正確

的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)視頻

30分鐘

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

5

操作成績

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

預(yù)習(xí)成績

教師評價(jià)報(bào)告

2

清楚描述不同特殊

環(huán)境的空氣質(zhì)量指

標(biāo)和污染源類型與

特征

5

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

5

3

明確了解所選場景

中的人物類型及特

點(diǎn)，并做出正確選

擇布置

5

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

5

4

根據(jù)場景特點(diǎn)和人

物特點(diǎn)，能夠正確

選取環(huán)境和健康傳

感器設(shè)備，并設(shè)置

于合理的位置

10

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

10

5

掌握如何合理設(shè)置

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，選

10

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

20

擇合適的凈化模式

完成度

6

掌握如何設(shè)置預(yù)警

系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)警信

息處理

10

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

10

7

掌握人體暴露模型類型、來源、功能，以及室內(nèi)空氣場流體力學(xué)模型如何模擬室內(nèi)空氣流

場和污染物擴(kuò)散

20

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

10

8

掌握如何在虛擬平臺，控制實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)，以及如何在虛擬平臺，如何模擬不同污染物排放強(qiáng)度以及不同

通風(fēng)凈化方案的效

果。

25

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

15

9

能夠分析并評估室

內(nèi)空氣質(zhì)量，并提

出相應(yīng)的改進(jìn)方案

和建議

15

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

10

10

實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成度良

好，并可進(jìn)行討論

和分享

15

操作準(zhǔn)確

度和任務(wù)

完成度

10

（2）交互性步驟詳細(xì)說明

1)觀看視頻、自學(xué)系統(tǒng)使用方法和正確的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)視頻

該步驟的主要目標(biāo)是使學(xué)生在進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之后，了解系統(tǒng)的界面和功能按鈕。用戶需要熟悉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體布局和各個(gè)功能模塊的位

置，以便于后續(xù)的操作。例如，用戶需要了解如何打開和關(guān)閉實(shí)驗(yàn)場景，如何添加或刪除人物角色、傳感器設(shè)備以及預(yù)警系統(tǒng)等。

2)清楚描述不同特殊環(huán)境的空氣質(zhì)量指標(biāo)和污染源類型與特征

該步驟的主要目標(biāo)是使學(xué)生通過選擇各種不同類型的室內(nèi)環(huán)境，確定一個(gè)室內(nèi)環(huán)境，例如辦公室、教室、住宅廚房、醫(yī)院、老年人活動中心等。然后需要明確該環(huán)境的空氣質(zhì)量指標(biāo)，例如：PM2.5濃度、二氧化碳濃度、甲醛濃度等。還需要了解該環(huán)境的污染源類型和特征，例如：室內(nèi)裝修材料、空調(diào)系統(tǒng)、人員活動等對空氣質(zhì)量的影響。

3)明確了解所選場景中的人物類型及特點(diǎn)，并做出正確選擇布置

該步驟的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解不同年齡、性別、職業(yè)背景的人物、用戶可以添加不同數(shù)量和類型的人物角色，例如：辦公室的工作人員、教室的師生、住宅的家庭成員、醫(yī)院的醫(yī)護(hù)人員與就診病人、老年人活動中心的老年人及工作人員等。然后需要設(shè)置人物角色的活動軌跡和活動時(shí)長，以便于后續(xù)觀察人體暴露損傷和空氣質(zhì)量的變化。

4)根據(jù)場景特點(diǎn)和人物特點(diǎn)，能夠正確選取環(huán)境和健康傳感器設(shè)備，并設(shè)置于合理的位置

該步驟的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解傳感器設(shè)備的類型和作用，以及如何對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。用戶可以添加傳感器設(shè)備，例如溫濕度傳感器、PM2.5傳感器，血氧飽和度傳感器等，對室內(nèi)空氣質(zhì)量和人體健康參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。5)掌握如何合理設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，選擇合適的凈化模式

該步驟的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解通風(fēng)凈化系統(tǒng)的作用和不同凈化模式的效

果，以及如何操作通風(fēng)凈化系統(tǒng)。例如，用戶可以調(diào)整通風(fēng)口的大小和位置，選擇紫外、活性炭、開窗、殺菌等精華模式。

6)掌握如何設(shè)置預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)警信息處理

該步驟的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解預(yù)警系統(tǒng)的作用和預(yù)測精度，以及根據(jù)室內(nèi)空氣污染物與空氣品質(zhì)等級、對人體的健康損傷等“暴露-響應(yīng)”關(guān)系等進(jìn)行分析處理與預(yù)警。

7)掌握人體暴露模型類型、來源、功能，以及室內(nèi)空氣場流體力學(xué)模型如何模擬室內(nèi)空氣流場和污染物擴(kuò)散

該步驟的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解人體暴露模型是指一種用于描述人體暴露于化學(xué)物質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，它可以考慮人體暴露途徑、時(shí)間、頻率等多個(gè)因素，從而計(jì)算出暴露劑量。學(xué)生需要了解不同類型的人體暴露模型，包括接觸、吸入、食入等途徑，以及它們的應(yīng)用場景和局限性。此外，學(xué)生還需要了解室內(nèi)空氣場流體力學(xué)模型的原理，即如何基于空氣流動和污染物擴(kuò)散的基本物理原理建立數(shù)學(xué)模型。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以使用流體力學(xué)模擬軟件來模擬室內(nèi)空氣流場和污染物擴(kuò)散，以預(yù)測污染物在室內(nèi)的傳播路徑和濃度分布情況。

8)掌握如何在虛擬平臺，控制實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)，以及如何在虛擬平臺，如何模擬不同污染物排放強(qiáng)度以及不同通風(fēng)凈化方案的效果。

學(xué)生在虛擬平臺上控制實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對不同污染物排放強(qiáng)度和不同通風(fēng)凈化方案效果的控制操作，學(xué)生將掌握如何使用虛擬控制平臺對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并了解如何調(diào)整實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)凈化系統(tǒng)，以控制室內(nèi)污染物的擴(kuò)散和分布。戲外，學(xué)生還將學(xué)會如何使用虛擬平臺模擬實(shí)驗(yàn)室不能實(shí)現(xiàn)的、不同污染物排放強(qiáng)度和不同通風(fēng)凈化方案的效果，并通過模擬結(jié)果進(jìn)行分析和比較，以評估不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以深入了解室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)凈化系統(tǒng)的工作原理，并掌握如何在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室和虛擬平臺上進(jìn)行有效的

控制和模擬。

9)能夠分析并評估室內(nèi)空氣質(zhì)量，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案和建議

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行評估和分析，包括空氣質(zhì)量指標(biāo)的變化趨勢、污染源的特點(diǎn)及其對空氣質(zhì)量的影響等。根據(jù)評估結(jié)果，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案和建議，如增加通風(fēng)次數(shù)、加強(qiáng)凈化設(shè)備的功能、優(yōu)化人員活動等，以提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

10)實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成度良好，并可進(jìn)行討論和分享

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)的目的、方法、過程、結(jié)

果、分析和結(jié)論等內(nèi)容。在討論和分享環(huán)節(jié)，學(xué)生可以分享自己的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和感受，交流和比較不同室內(nèi)環(huán)境和空氣凈化設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，提高對室內(nèi)空氣質(zhì)量的認(rèn)識和理解。

1)在添加不同數(shù)量和類型的人物角色的情況下，當(dāng)人數(shù)過多時(shí)，室內(nèi)空氣質(zhì)量可能會受到影響，導(dǎo)致PM2.5、CO2等污染物濃度升高，超出國家標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)需要采取合適的通風(fēng)方式來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，例如：開窗、提高換氣次數(shù)等。

2)在設(shè)置不同活動強(qiáng)度的人物角色的情況下，健身房高強(qiáng)度運(yùn)動的人可能會產(chǎn)生更多的CO2和PM2.5等污染物，導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量降低，需要及時(shí)開啟通風(fēng)凈化設(shè)備來保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

3)在選擇不同類型的污染源的情況下，室內(nèi)空氣質(zhì)量受到的影響也不同。例如，烹飪過程中可能會產(chǎn)生大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物和PM2.5等污染物，需要烹飪過程中及烹飪結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)開啟強(qiáng)力通風(fēng)設(shè)備來保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

4)在操作通風(fēng)凈化系統(tǒng)時(shí)，不同的凈化模式可能會對室內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。例如，在過濾模式下，有些過濾器只凈化PM2.5，但不凈化氣態(tài)污染物；若采用凈化器，只對凈化器周邊一定范圍內(nèi)空氣質(zhì)量起作用；若選用負(fù)離子，要考慮是否產(chǎn)生臭氧。因此需要在通風(fēng)時(shí)進(jìn)行合理調(diào)整。

5)在添加預(yù)警系統(tǒng)的情況下，預(yù)警系統(tǒng)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的預(yù)測準(zhǔn)確性將對整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。如果“暴露-響應(yīng)”的關(guān)聯(lián)機(jī)制選擇正確，那么預(yù)警系統(tǒng)就能夠準(zhǔn)確地預(yù)測到空氣污染事件，然后采取適當(dāng)?shù)拇胧憧杉皶r(shí)避免空氣污染對人體健康造成的影響。

相關(guān)知識

室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量
健康生活：沉浸式運(yùn)動體驗(yàn)：虛擬現(xiàn)實(shí)在健身中的應(yīng)用
室內(nèi)空氣質(zhì)量：創(chuàng)造健康的居住環(huán)境
虛擬體育運(yùn)動會感受同樣很真實(shí)
居住環(huán)境空氣污染與健康
環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
人類居住健康與健康的人居環(huán)境
沼氣做能源對室內(nèi)空氣質(zhì)量及人體健康的影響
營造健康運(yùn)動環(huán)境，健身房仿真草坪帶來全新體驗(yàn)
榮事達(dá)多功能空氣凈化器 健康家居環(huán)境從空氣開始

網(wǎng)址: 健康人居空氣質(zhì)量環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn) http://www.u1s5d6.cn/newsview200145.html