仿真實驗教學(xué)探討

摘 要：針對現(xiàn)有實驗教學(xué)中存在的問題，探討了計算機仿真在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。以傳熱學(xué)實驗教學(xué)為例，介紹了我們開發(fā)的一套傳熱學(xué)實驗仿真軟件以及取得的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué) 仿真實驗 探討

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0040-02

1 實驗教學(xué)存在的問題

實驗教學(xué)是工科類專業(yè)素質(zhì)教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學(xué)知識、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究方法、實驗基本技能以及創(chuàng)新能力的重要途徑。加強實驗教學(xué)改革有助于提升整體教學(xué)水平。實驗室硬件水平是開展教學(xué)實驗的基本保障，但由于人力、物力、財力的限制，實驗室硬件通常不能滿足實際教學(xué)需求。比如，實驗室缺乏必要的專業(yè)實驗設(shè)備導(dǎo)致教學(xué)計劃中的一些教學(xué)實驗無法順利開展，或者部分教學(xué)設(shè)備陳舊老化、數(shù)量嚴重不足，無法為每個學(xué)生提供全程動手操作的機會，另外某些專業(yè)實驗設(shè)備價格昂貴甚至實驗過程存在一定的危險性也導(dǎo)致許多學(xué)校在開設(shè)實驗項目時常常有所保留。有些實驗受到場地和課時限制，在規(guī)定的時間內(nèi)無法完成實驗或?qū)嶒炐Ч焕硐耄@些都直接影響了實驗課的教學(xué)效果。上述問題除了通過合理的實驗室建設(shè)和設(shè)備購置來解決外，還可借助現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)開展仿真實驗教學(xué)來解決。

2 仿真實驗

仿真實驗是指在交互狀態(tài)下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，學(xué)生可以像在真實環(huán)境一樣完成各種實驗項目，所得的結(jié)果甚至優(yōu)于實際實驗結(jié)果。仿真實驗具有很多的優(yōu)點它營造了多樣化的教學(xué)環(huán)境，能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將仿真實驗與網(wǎng)絡(luò)鏈接后，學(xué)生可以利用校園網(wǎng)進行實驗課程的學(xué)習(xí)，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)時間和空間的限制；可以節(jié)省實驗經(jīng)費，實現(xiàn)多種實驗?zāi)康摹?/p>

一些高等院校和企業(yè)開發(fā)了適用于不同專業(yè)、實現(xiàn)不同功能的實驗仿真軟件，促進了仿真實驗在工科實驗教學(xué)中的應(yīng)用。如能實現(xiàn)離心泵測定、精餾、吸收等功能的化工原理仿真實驗、驗證電工基本定理的電工電子仿真實驗、大學(xué)物理仿真實驗、建筑工程仿真實訓(xùn)系統(tǒng)等。在熱能與動力工程專業(yè)中有西安交通大學(xué)[1]開發(fā)的制冷過程多媒體演示與模擬教學(xué)實驗，浙江大學(xué)[2]開發(fā)的基于web的小型冷庫教學(xué)系統(tǒng)，東南大學(xué)[3]開發(fā)的制冷空調(diào)綜合創(chuàng)新模擬實驗平臺，長沙理工大學(xué)[4]開發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、豎壁附近自然對流換熱和輻射角計算3個虛擬實驗的傳熱學(xué)虛擬實驗等。這些仿真實驗借助計算機仿真技術(shù)，通過聲音、動畫、彩色圖像等豐富的表現(xiàn)力為學(xué)生提供了內(nèi)容豐富、形象直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

3 傳熱學(xué)仿真實驗

傳熱學(xué)實驗教學(xué)是熱能與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)，與傳熱學(xué)理論課程互為補充，是課堂理論教學(xué)的繼續(xù)和深化，對于培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實際問題能力和研究開發(fā)能力具有重要的作用。在傳熱學(xué)教學(xué)中引入仿真實驗，是為了更好地完成大綱中規(guī)定而實際無條件實現(xiàn)的實驗項目和內(nèi)容。以我校熱能與動力工程專業(yè)為例，目前本專業(yè)傳熱學(xué)實驗內(nèi)容主要包括隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測量（10臺）、外掠管束對流傳熱系數(shù)測量（2臺）、換熱器性能測試（3臺）等。實驗內(nèi)容相對較少且實驗臺數(shù)量太少遠遠不能滿足實際需要，導(dǎo)致實驗過程中無法保證每個同學(xué)的實際動手操作。另外，因?qū)嶒炘O(shè)備使用過于頻繁導(dǎo)致其老化加快，實驗中就曾出現(xiàn)因設(shè)備部件故障而無法繼續(xù)實驗的情況，如換熱器性能實驗中因熱電偶出錯影響了實驗的順利進行。因此，在不能保證足夠?qū)嶒炘O(shè)備數(shù)量前提下，借助計算機仿真實驗來輔助傳熱學(xué)實驗教學(xué)不僅能擴展本專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容，還能幫助學(xué)生深入了解實驗原理，保證實驗的順利進行。

3.1 傳熱學(xué)仿真實驗介紹

根據(jù)傳熱學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，我們對現(xiàn)有的硬件實驗設(shè)備進行了綜合分析，確定了這些設(shè)備能夠開展的實驗內(nèi)容，把無法開展的實驗內(nèi)容用計算機仿真實驗來代替。為此，我們開發(fā)了一套傳熱學(xué)實驗仿真軟件，下面就此軟件進行介紹。

傳熱學(xué)實驗仿真軟件采用的開發(fā)工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實現(xiàn)用戶界面、菜單、操作按鈕和工具條的制作，能夠完成實驗過程需要的原理演示、實驗裝置構(gòu)成顯示、閥門開關(guān)與開度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、實驗幫助等功能，開發(fā)的軟件用戶容易上手，使用起來很方便。圖1為其中的水平圓管壁面自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式仿真實驗主界面。界面主要由標(biāo)題欄、狀態(tài)條、實驗設(shè)備、操作按鈕組成。點擊操作按鈕可以實現(xiàn)加熱器的電壓調(diào)節(jié)，可以查看并學(xué)習(xí)實驗指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容，還可以查看實驗過程中的換熱量和溫度參數(shù)的動態(tài)變化情況以及確定讀取實驗數(shù)據(jù)。

傳熱學(xué)實驗仿真軟件的功能是能實現(xiàn)圓球法測導(dǎo)熱系數(shù)實驗、二維導(dǎo)熱溫度場的數(shù)值計算、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場的數(shù)值計算、水平圓管壁面自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式實驗、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實驗等6項實驗內(nèi)容。與實驗室現(xiàn)有的硬件實驗教學(xué)設(shè)備形成互補后，基本上涵蓋了包括導(dǎo)熱、對流、輻射和換熱器在內(nèi)的所有傳熱學(xué)實驗內(nèi)容。

傳熱學(xué)實驗仿真軟件采用模塊化建模，開發(fā)過程中，將每部分實驗內(nèi)容作為一個單獨模塊。每個模塊中除了包括實驗臺系統(tǒng)動畫圖形外，還包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理方法和思考題等內(nèi)容。開發(fā)過程中采用了動態(tài)模擬技術(shù)，實驗過程中的實驗參數(shù)可以實現(xiàn)動態(tài)即時顯示，使模擬實驗更貼近于實際情形，學(xué)生可根據(jù)參數(shù)的動態(tài)變化隨時了解實驗進行情況并判斷數(shù)據(jù)讀取的時機。由于該仿真軟件詳細地介紹了每個實驗的原理、內(nèi)容、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，所以它也可作為傳熱學(xué)實驗的系統(tǒng)學(xué)習(xí)工具使用。

3.2 仿真實驗教學(xué)效果

通過使用該傳熱學(xué)實驗仿真軟件，取得了較好的實驗教學(xué)效果。首先，該傳熱學(xué)實驗仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)因缺少相關(guān)實驗室硬件而無法進行的實驗項目，完成了傳熱學(xué)實驗教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生使用后，加深了對數(shù)值計算、對流傳熱、輻射、換熱器性能等實驗涉及的理論和實驗測試內(nèi)容的理解，豐富了學(xué)生的傳熱學(xué)實驗實踐，實現(xiàn)了學(xué)生對傳熱學(xué)知識的全面學(xué)習(xí)和理解。

其次，由于實驗形式新穎，加上界面設(shè)計友好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較高，實驗后普遍反映對所進行的實驗尤其是原理和數(shù)據(jù)處理等相關(guān)內(nèi)容有了更全面和深刻的了解。另外，由于該仿真軟件具有完善的用戶幫助功能，且可以直接在Blackboard教學(xué)平臺上進行操作，學(xué)生實驗時不受實驗時間和空間限制，也可多次進行，使用起來相當(dāng)方便，效果較好。

為了取得更好的教學(xué)效果，未來將在該傳熱學(xué)實驗仿真軟件中進一步增加測試與評分模塊，實現(xiàn)用戶仿真實驗效果的即時測試與打分。還將在該實驗仿真軟件中增加更多的動態(tài)模擬內(nèi)容，使其更喜迎并方便用戶使用。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有實驗教學(xué)中存在的問題，本文探討了計算機仿真在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，分析了仿真實驗的優(yōu)點。對我們開發(fā)的一套傳熱學(xué)實驗仿真仿真軟件進行了介紹，并概括描述了仿真實驗的教學(xué)效果。

參考文獻

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[4] 姜昌偉，傅俊萍，趙李鐵.基于Matlab的傳熱學(xué)虛擬實驗開發(fā)[J].中國電力教育，2008：316-317.

①基金項目：煙臺大學(xué)教學(xué)改革與研究項目（編號：C080）；

煙臺大學(xué)教學(xué)改革與研究項目（編號：B029）。