1)實驗的必要性與實用性

研究表明人的一生有85%以上的時間在室內(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、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，這是因為科學(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系統(tǒng)，估計可在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)1萬多個中小學(xué)教室，學(xué)生的通風率能達到至少每人每秒10升時，傳染風險能降低80%。在一個中型會議室，兩臺室內(nèi)凈 化器能讓三個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)生的細顆粒物、家具釋放的揮發(fā)性有機物、致敏的霉菌和花粉等。因此合理的控制室內(nèi)通風氣流組織以及采用正確的凈化裝置可以保護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)需要引入新風嗎？什么時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環(huán)境下不同時間尺度（幾小時到幾年）的室內(nèi)空氣污染狀況和人員暴露損傷，而且可以實現(xiàn)現(xiàn)實中難以模擬的真實環(huán)境，學(xué)習掌握室內(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，預(yù)防傳染病擴散、以及哪些技術(shù)可以取代或增強機械通風系統(tǒng)是必要的且具有實用性的，關(guān)系到人類的未來。

2)教學(xué)設(shè)計的合理性

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

第二，實驗內(nèi)容具有針對性和實用性：學(xué)生通過虛擬實驗，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、建筑通風與空調(diào)技術(shù)、環(huán)境流體力學(xué)等多個交叉學(xué)科。實驗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。這些實驗內(nèi)容與實際生活和工作密切相關(guān)，具有很強的實用性。

第三，實驗教學(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，該實驗教學(xué)方法虛實結(jié)合，與真實實驗室相關(guān)聯(lián)，學(xué)生可以在仿真平臺觀看實驗室操作過程，觀察實驗室內(nèi)污染源如何產(chǎn)生、擴散，實驗室內(nèi)傳感器如何實時監(jiān)測、以及如何預(yù)警和開啟凈化，實驗室傳感器監(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，實驗流程規(guī)范嚴謹：包括實驗前準備、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)記錄和實驗結(jié)果分析等多個環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)都需要學(xué)生認真執(zhí)行，嚴格遵守實驗操作規(guī)程，確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性。

3)實驗系統(tǒng)的先進性

第一，基于虛實結(jié)合互補的虛擬仿真技術(shù)：首先，該實驗中部分場景（目前已有廚房、教室、辦公室、家居等實驗室）在實驗室真實存在，實驗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監(jiān)測實驗室真實場景中的室內(nèi)空氣質(zhì)量指標（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），并在達到預(yù)警閾值時發(fā)出預(yù)警信號；實驗室通風系統(tǒng)設(shè)置了活性炭凈化系統(tǒng)、紫外殺菌凈化系統(tǒng)、及全新風系統(tǒng)；該實驗系統(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、處理和分析真實實驗室的實驗數(shù)據(jù)、并且可以在自己的電腦上開啟控制真實實驗室的凈化手段等和傳感器等多種功能。學(xué)生可以根據(jù)實際環(huán)境來初步學(xué)習室內(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驗室環(huán)境真實復(fù)現(xiàn)，因此學(xué)生可以在虛擬仿真實驗中學(xué)習研究真實實驗室難以模擬的場景，例如：商場、醫(yī)院、機動車內(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)習不同類型的空調(diào)系統(tǒng)、通風系統(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?；谶@些特異性，學(xué)生可以建立“實驗元素客體庫”。學(xué)生通過不斷完善的“實驗元素客體庫”，達到線下學(xué)習千、萬倍案例的多的學(xué)習效果。

第二，基于多地協(xié)同的共享性試驗系統(tǒng)：即該虛擬仿真項目不是離線或僅限于本地使用，而是實現(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間內(nèi)連接到系統(tǒng)，同時參與虛擬實驗，并且該系統(tǒng)不限于本地使用，而是可以在全球任何一個角落通過互聯(lián)網(wǎng)連接到實驗系統(tǒng)，而不必親身到實驗室觀摩學(xué)習。這種多戶、分布式的共享模式不僅擴大了實驗的覆蓋面，可以更廣泛地推廣實驗教學(xué)，而且通過多用戶、分布式的共享模式，學(xué)生們有機會與來自不同地區(qū)、不同文化背景的同學(xué)進行學(xué)術(shù)交流與合作，促進跨文化的學(xué)習和交流。

第三，基于多重結(jié)果的開放性和隨機性場景設(shè)計：室內(nèi)空氣質(zhì)量的虛擬仿真場景設(shè)計成具有開放性和隨機性的多重結(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化的隨機結(jié)果，與實際實驗室中可預(yù)計的實驗結(jié)果相比，更符合實際環(huán)境的復(fù)雜性。此外，針對學(xué)生的錯誤操作，虛擬仿真模擬會同樣給出該錯誤操作所導(dǎo)致產(chǎn)生的嚴重后果，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)秀的實驗操作，學(xué)生首次給出了一個最新的、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。

第四，基于前期科研經(jīng)驗的實驗設(shè)計與實現(xiàn)：申請人在室內(nèi)污染與控制領(lǐng)域深耕多年，本實驗系統(tǒng)的設(shè)計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)實驗和模型研究的積累，這些前期研究經(jīng)驗和教科書中的教學(xué)內(nèi)容融合嵌入于智能化、自動化、多樣化、可定制化的虛擬實驗平臺中。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)報道），與傳統(tǒng)的教科書相比，該實驗系統(tǒng)不僅提供了專業(yè)知識的學(xué)習，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。

實驗教學(xué)目標（實驗后應(yīng)該達到的知識、能力水平）

本研究旨在利用虛擬仿真技術(shù)與真實的實驗室操作實驗相結(jié)合，通過《健康人居空氣質(zhì)量環(huán)境的虛擬仿真實驗》，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、提高實驗設(shè)計和數(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。同時培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和責任感，為綠色中國和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出自己的貢獻。此外，本實驗還將鼓勵學(xué)生跨學(xué)科習，將環(huán)境科學(xué)、化學(xué)、物理、建筑學(xué)等多個學(xué)科進行有機融合，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

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

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、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)境人體暴露風險的評估和分析、空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)和優(yōu)化、室內(nèi)設(shè)備的維護和管理等能力。

5)提高實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析能力

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

（1）實驗原理(限1000字以內(nèi))

《健康人居空氣質(zhì)量環(huán)境的虛擬仿真實驗》的實驗原理基于多種技術(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：共7個

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，而且排放強度也不相同。學(xué)生學(xué)習掌握不同功能、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，并進行控制策略的測試。

3)利用傳感器監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境

實驗室內(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行處理。通過對傳感器數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，可以及時掌握室內(nèi)環(huán)境的變化情況，同時也可以更加精準地模擬室內(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)進行實時檢測和預(yù)警。同時，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)和通風系統(tǒng)的工作狀態(tài)，優(yōu)化室內(nèi)空氣品質(zhì)。這種實時檢測和智能優(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)進行監(jiān)測，獲取實時的室內(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)進行監(jiān)測，獲取實時的人體參數(shù)數(shù)據(jù)，同時采用先進的算法和模型對這些數(shù)據(jù)進行分析和預(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，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(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)，提高模擬的準確性和可信度。CFD技術(shù)是計算流體動力學(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理，同時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)，同時在線系統(tǒng)可將學(xué)生操作結(jié)果或者算法上載到實驗室的設(shè)備控制（例如，啟動空氣凈化儀器、啟動廚房油煙機等）

7)元宇宙交互

在實驗中，學(xué)生可以通過元宇宙交互方式，進入虛擬世界中，沉浸式學(xué)習探索不同的室內(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，學(xué)生還可以在通過實驗平臺進行現(xiàn)實世界中實驗室實時監(jiān)控學(xué)習，并且可以調(diào)整實驗室中的一些儀器設(shè)備，改變實驗結(jié)果。元宇宙技術(shù)則可以將整個建筑及其室內(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)習體驗。

通過上述技術(shù)的融合，可以對室內(nèi)環(huán)境進行全面的仿真和分析，得到更加準確的室內(nèi)空氣品質(zhì)評估結(jié)果。同時，實驗中的人工智能算法可以通過學(xué)習和優(yōu)化，提高預(yù)測精度和評估準確性，為建筑的設(shè)計、施工和運營提供科學(xué)的依據(jù)。此外，實驗過程中的傳感器技術(shù)可以實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實時監(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（對系統(tǒng)或?qū)ο蟮姆抡婺Ｐ腕w現(xiàn)的客觀結(jié)構(gòu)、功能及其運動規(guī)律的實驗場景進行如實描述，限500字以內(nèi)）

1)室內(nèi)環(huán)境模型

該模型需要真實反映出室內(nèi)空氣質(zhì)量的客觀結(jié)構(gòu)和功能，包括房間布局、窗戶、通風設(shè)備等。同時，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)量進行監(jiān)測和評估。例如：廚房烹飪環(huán)境、教室學(xué)習環(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、新風系統(tǒng)、紫外線等，以便于實現(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算流體CFD模擬軟件，計算得到室內(nèi)不同時空位置的污染物濃度，并用實驗數(shù)據(jù)進行驗證。進而通過健康損傷數(shù)據(jù)庫計算出不同暴露水平下的健康風險。

6)元宇宙技術(shù)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建一個虛擬的三維空間，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行實驗，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系統(tǒng)的集成平臺，將這些客觀結(jié)構(gòu)、功能及其運動規(guī)律有機地結(jié)合起來，為學(xué)生提供一個全面、真實的實驗環(huán)境。

1)實驗前準備

學(xué)生將會根據(jù)系統(tǒng)自帶的實驗手冊獲得實驗的相關(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度、危害、和防護措施、以及室內(nèi)氣流組織形式和污染物擴散路徑、室內(nèi)通風及污染物控制策略、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)實驗步驟

a. 學(xué)生進入虛擬仿真實驗平臺，根據(jù)實驗任務(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（打印機等污染源）、小學(xué)教室（畫畫染料、兒童奔跑地面揚塵、開窗引起室外空氣污染物等污染源）、醫(yī)院病房（細菌、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)生點擊生成場景，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置實驗手冊設(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)風速0.1m/s，窗戶關(guān)閉，室外溫度10oC，室外相對濕度40%，室外風速 1m/s，空調(diào)系統(tǒng)運行半回風模式，不同的室內(nèi)空氣污染物初始濃度0，打印機2臺，品牌佳能納米級顆粒物排放濃度6.0× 105個/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)置在實驗手冊中。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)生對建筑模型進行分析，根據(jù)該場景類型， 點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《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB50736-2012》、《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB50019-2015》、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準GB 50189-2015》選擇合理的送風、排風、和氣流組織形式，并在操作平臺上進校設(shè)置，包括送風口和排風口的風速溫度、回風百分比、全新風運行時間及效率，風口的安裝位置，凈化系統(tǒng)的安裝位置與開啟時長。

e. 學(xué)生設(shè)置本實驗中的人員種類及數(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。在關(guān)注點、氣流經(jīng)過關(guān)鍵點、凈化關(guān)鍵點等多點設(shè)置傳感器設(shè)備。

g. 學(xué)生啟動場景，污染源在一定時間內(nèi)向空間排放污染物，送排風系統(tǒng)按照設(shè)置自動運行，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)量標準》等標準，決定是否改變傳感器布置、調(diào)整送風、排風、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)生記錄保存全部實驗數(shù)據(jù)并分析結(jié)果,完成試驗后，撰寫實驗報告，完成復(fù)述整個實驗過程，包括：場景、污染物排放強度、室內(nèi)通風方式、人員選擇、傳感器布置、空氣品質(zhì)控制策略等；并通過實驗平臺上的數(shù)據(jù)分析工具，評估室內(nèi)的空氣品質(zhì)的時空變化規(guī)律、人體健康暴露水平、及通風凈化效果；在此基礎(chǔ)上，學(xué)生深入思考，提出改進建議、或者設(shè)計更科學(xué)地未來方案，從而鞏固和擴展所學(xué)知識。

（1）學(xué)生交互性操作步驟，共10 步

步驟

序號

步驟目標要求

步驟合理用時

目標達成度賦分模型

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

的實驗引導(dǎo)視頻

30分鐘

操作準確

度和任務(wù)

完成度

5

操作成績

實驗報告

預(yù)習成績

教師評價報告

2

清楚描述不同特殊

環(huán)境的空氣質(zhì)量指

標和污染源類型與

特征

5

操作準確

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，并做出正確選

擇布置

5

操作準確

度和任務(wù)

完成度

5

4

根據(jù)場景特點和人

物特點，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

操作準確

度和任務(wù)

完成度

10

5

掌握如何合理設(shè)置

通風空調(diào)系統(tǒng)，選

10

操作準確

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)，進行預(yù)警信

息處理

10

操作準確

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

場和污染物擴散

20

操作準確

度和任務(wù)

完成度

10

8

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

通風凈化方案的效

果。

25

操作準確

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)的改進方案

和建議

15

操作準確

度和任務(wù)

完成度

10

10

實驗報告完成度良

好，并可進行討論

和分享

15

操作準確

度和任務(wù)

完成度

10

（2）交互性步驟詳細說明

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

該步驟的主要目標是使學(xué)生在進入虛擬仿真實驗系統(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驗系統(tǒng)的整體布局和各個功能模塊的位

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)閉實驗場景，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)量指標和污染源類型與特征

該步驟的主要目標是使學(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，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，并做出正確選擇布置

該步驟的主要目標是讓學(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)場景特點和人物特點，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)量進行實時監(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)進行實時監(jiān)測。5)掌握如何合理設(shè)置通風空調(diào)系統(tǒng)，選擇合適的凈化模式

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

果，以及如何操作通風凈化系統(tǒng)。例如，用戶可以調(diào)整通風口的大小和位置，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)，進行預(yù)警信息處理

該步驟的主要目標是讓學(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散

該步驟的主要目標是讓學(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、時間、頻率等多個因素，從而計算出暴露劑量。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散的基本物理原理建立數(shù)學(xué)模型。在實驗中，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，控制實際實驗室的系統(tǒng)，以及如何在虛擬平臺，如何模擬不同污染物排放強度以及不同通風凈化方案的效果。

學(xué)生在虛擬平臺上控制實際實驗室的系統(tǒng)，以實現(xiàn)對不同污染物排放強度和不同通風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驗室環(huán)境進行實時監(jiān)測，并了解如何調(diào)整實驗室的通風凈化系統(tǒng)，以控制室內(nèi)污染物的擴散和分布。戲外，學(xué)生還將學(xué)會如何使用虛擬平臺模擬實驗室不能實現(xiàn)的、不同污染物排放強度和不同通風凈化方案的效果，并通過模擬結(jié)果進行分析和比較，以評估不同方案的優(yōu)缺點。通過這些實驗，學(xué)生可以深入了解室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風凈化系統(tǒng)的工作原理，并掌握如何在實際實驗室和虛擬平臺上進行有效的

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)的改進方案和建議

根據(jù)實驗結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行評估和分析，包括空氣質(zhì)量指標的變化趨勢、污染源的特點及其對空氣質(zhì)量的影響等。根據(jù)評估結(jié)果，提出相應(yīng)的改進方案和建議，如增加通風次數(shù)、加強凈化設(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)實驗報告完成度良好，并可進行討論和分享

根據(jù)實驗過程和結(jié)果，撰寫實驗報告，包括實驗的目的、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驗經(jīng)驗和感受，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，提高對室內(nèi)空氣質(zhì)量的認識和理解。

1)在添加不同數(shù)量和類型的人物角色的情況下，當人數(shù)過多時，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，超出國家標準，這時需要采取合適的通風方式來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，例如：開窗、提高換氣次數(shù)等。

2)在設(shè)置不同活動強度的人物角色的情況下，健身房高強度運動的人可能會產(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，需要及時開啟通風凈化設(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)束后一段時間內(nèi)開啟強力通風設(shè)備來保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

4)在操作通風凈化系統(tǒng)時，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；若選用負離子，要考慮是否產(chǎn)生臭氧。因此需要在通風時進行合理調(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)測準確性將對整個實驗結(jié)果產(chǎn)生重要影響。如果“暴露-響應(yīng)”的關(guān)聯(lián)機制選擇正確，那么預(yù)警系統(tǒng)就能夠準確地預(yù)測到空氣污染事件，然后采取適當?shù)拇胧?，便可及時避免空氣污染對人體健康造成的影響。

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