熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的作用與意義
——以浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院能源與環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例

胡長興，李 威，高夫燕，鄭 皎，徐美娟，李建新

（浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

【實(shí)驗(yàn)平臺】

熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的作用與意義
——以浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院能源與環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例

胡長興，李 威，高夫燕，鄭 皎，徐美娟，李建新

（浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，利用模塊化的功能硬件和應(yīng)用軟件來完成信號采集、數(shù)據(jù)測試分析、結(jié)果表達(dá)處理等眾多功能。將其應(yīng)用到熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，通過建立“熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室”，代替或補(bǔ)充部分熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠極大地滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，達(dá)到人人可操作的層面，解決實(shí)踐教學(xué)發(fā)展要求同實(shí)際實(shí)踐場地之間的矛盾，充分滿足每個學(xué)生進(jìn)行熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的要求，解決理論課程與實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間安排不協(xié)調(diào)問題等問題。

虛擬儀器；熱工基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎(chǔ)。美國國家儀器公司于20世紀(jì)80年代中期提出了基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器概念，把虛擬測試技術(shù)帶入了新的發(fā)展時(shí)期，虛擬儀器代表了儀器發(fā)展的一種新方向。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，利用模塊化的功能硬件和應(yīng)用軟件來完成信號采集、數(shù)據(jù)測試分析、結(jié)果表達(dá)處理等眾多功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與PC機(jī)結(jié)合起來融為一體全新的儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵，軟件即是儀器。虛擬儀器的概念打破了傳統(tǒng)的儀器由廠家定義、用戶無法改變的局面，這樣用戶就可以根據(jù)自己的需求很靈活地定義、設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，以滿足各自的應(yīng)用要求。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：①成本低。虛擬儀器的價(jià)格低廉，是傳統(tǒng)儀器的20%左右。虛擬儀器的結(jié)構(gòu)是基于軟件體系的，不像傳統(tǒng)儀器的硬件那樣存在元器件老化及溫度變化影響的問題，從而延長設(shè)備的使用壽命，也可以節(jié)省大筆的維護(hù)費(fèi)用。②靈活性大。傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)自身封閉、功能固定、可擴(kuò)展性差，功能和模塊由生產(chǎn)廠家定義，而虛擬儀器可由用戶自行定義功能模塊，大大擴(kuò)展了其靈活性。而且任何計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升皆可及時(shí)提高虛擬儀器的功能。③數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大。虛擬儀器可方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、存儲和打印，這是傳統(tǒng)儀器無法做到的。④測量精確。傳統(tǒng)儀器受系統(tǒng)誤差的影響，不同儀器之間個體差異較大，而虛擬儀器在PC機(jī)上運(yùn)行，測量誤差很小。通過將虛擬儀器技術(shù)植入通用計(jì)算機(jī)平臺上，使得使用者在操作這臺計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺傳統(tǒng)測試儀器一樣。由于虛擬儀器技術(shù)采用可視化界面，數(shù)據(jù)采集過程全部由計(jì)算機(jī)控制，達(dá)到數(shù)顯繪圖同步，隨時(shí)存貯、打印、調(diào)用、處理數(shù)據(jù)，調(diào)試過程簡單、易掌握，直觀性好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，重復(fù)利用率高等特點(diǎn)。若將虛擬技術(shù)借助學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺，形成網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生無論身處學(xué)?；蛐Ｍ馊魏蔚胤?，通過指定賬戶登錄，均可方便地隨時(shí)進(jìn)行相關(guān)的真實(shí)的“虛擬實(shí)驗(yàn)”實(shí)踐活動。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)對實(shí)踐教學(xué)的作用

目前不少高校正在積極開展實(shí)踐教學(xué)的研究與探索。如何在以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的本科院校開展有效的實(shí)踐教學(xué)是每個專業(yè)需要認(rèn)真研究的課題。當(dāng)前在工科實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的開展過程中逐漸暴露出一些問題，如：①隨著實(shí)踐教學(xué)的開展，校內(nèi)可利用的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐場地不能滿足不斷增長的實(shí)踐教學(xué)的需求，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的拓展與改進(jìn)受到限制。②受實(shí)驗(yàn)時(shí)間及設(shè)備數(shù)量等條件的限制，不能滿足每個學(xué)生進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往沒有很好地起到促進(jìn)消化、強(qiáng)化和應(yīng)用理論知識的作用。③理論課程與實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間安排不協(xié)調(diào)問題，甚至出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課先于理論課程的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地將理論知識與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來。探索研究將基于虛擬儀器技術(shù)的“虛擬實(shí)驗(yàn)”搬入能源與環(huán)境專業(yè)課程教學(xué)的環(huán)節(jié)，在理論教學(xué)過程中導(dǎo)入“虛擬實(shí)驗(yàn)”的實(shí)踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)理論知識與實(shí)際應(yīng)用之間關(guān)系，同時(shí)是對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的有效補(bǔ)充和引導(dǎo)，這對提高工科學(xué)生的實(shí)踐能力，具有積極現(xiàn)實(shí)的意義。

三、熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)改革內(nèi)容、目標(biāo)和擬解決關(guān)鍵問題

改革內(nèi)容：主要以熱工類課程包括工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主要改革對象，研究將其中涉及的實(shí)驗(yàn)包括噴管實(shí)驗(yàn)、氣體橫掠單管試驗(yàn)、圓球穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱試驗(yàn)等進(jìn)行“虛擬實(shí)驗(yàn)”開發(fā)。在單個熱工虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將原先必須在實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)，建立以計(jì)算機(jī)為載體的熱工虛擬實(shí)驗(yàn)室；建立網(wǎng)上熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師可以在教學(xué)過程中利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課題中的實(shí)驗(yàn)示范，增強(qiáng)教學(xué)印象和效果；學(xué)生可隨時(shí)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。改革目標(biāo)：建立以計(jì)算機(jī)為載體的熱工虛擬實(shí)驗(yàn)室；探索研究將基于虛擬儀器技術(shù)的“虛擬實(shí)驗(yàn)”搬入能源與環(huán)境專業(yè)課程教學(xué)的環(huán)節(jié)，在理論教學(xué)過程中導(dǎo)入“虛擬實(shí)驗(yàn)”的實(shí)踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)理論知識與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系，及時(shí)加深學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，提高工科學(xué)生的實(shí)踐能力。擬解決的關(guān)鍵問題：基于熱工實(shí)驗(yàn)的特性，尋找合適的“虛擬實(shí)驗(yàn)”開發(fā)軟、硬件，擬打算利用圖形化編程軟件LabVIEW，開發(fā)相關(guān)的熱工實(shí)驗(yàn)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，擬解決①校內(nèi)可利用的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐場地不能滿足不斷增長實(shí)踐教學(xué)的需求，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的拓展與改進(jìn)受到限制；②受實(shí)驗(yàn)時(shí)間及設(shè)備數(shù)量等條件的限制，不能充分滿足每個學(xué)生進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)實(shí)踐；③理論課程與實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間安排不協(xié)調(diào)問題等問題。

四、具體實(shí)施方案、方法

將“虛擬實(shí)驗(yàn)”搬入專業(yè)教學(xué)的教研項(xiàng)目，總體上分三大步實(shí)施：第一步，完成適用于熱工實(shí)驗(yàn)虛擬開發(fā)的軟硬件設(shè)備的研究與選擇；完成單個典型熱工虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)（本項(xiàng)目研究部分）；第二步，完成選定熱工實(shí)驗(yàn)的虛擬開發(fā)，并逐步應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和理論課程教學(xué)環(huán)節(jié)；第三步，完成網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)與建立，部分或逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱工實(shí)驗(yàn)。選擇美國儀器公司基于C語言開發(fā)的圖形化編程平臺LabVIEW為開發(fā)軟件，以圓球穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱試驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)為對象，進(jìn)行熱工實(shí)驗(yàn)虛擬開發(fā)的軟硬件設(shè)備的研究，建立單個典型熱工虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)的基本程序和范例，具體實(shí)施方法與過程如下：①以實(shí)際圓球穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立傳熱數(shù)學(xué)模型。為了使虛擬實(shí)驗(yàn)更接近于實(shí)際設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)在實(shí)際設(shè)備上獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱基本理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并通過origin等擬合軟件對實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，得到測定材料導(dǎo)熱系數(shù)隨材料平均溫度變化的數(shù)學(xué)模型；得到在某一初始溫度和加熱功率下，材料熱面和冷面溫度隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型。②建立虛擬實(shí)驗(yàn)操作界面。利用LabVIEW自定義控件的功能，制作自定義閥門控件，使虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芨庇^、更形象地模擬實(shí)際設(shè)備的操作過程，使LabVIEW的操作界面更接近于實(shí)驗(yàn)設(shè)備。③開發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和報(bào)告生成功能。在LabVIEW中加載LabVIEW報(bào)告生成工具包，將虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和圖表導(dǎo)出到自定義格式的文檔中，并將文檔制作成可對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行分析的模式，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

五、成果和與創(chuàng)新之處

“熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室”的建立，可以大大提高能源與環(huán)節(jié)系統(tǒng)工程專業(yè)學(xué)生的熱工實(shí)驗(yàn)效果，解決實(shí)踐教學(xué)發(fā)展要求同實(shí)際實(shí)踐場地之間的矛盾，充分滿足每個學(xué)生進(jìn)行熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的要求，解決理論課程與實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間安排不協(xié)調(diào)等問題。在虛擬實(shí)驗(yàn)室建成初期，主要受益的是能源與環(huán)節(jié)系統(tǒng)工程專業(yè)學(xué)生；將“熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室”網(wǎng)絡(luò)化，將其變成全校性公選實(shí)驗(yàn)課；同時(shí)教師在授課的同時(shí)，為了增強(qiáng)教學(xué)效果，也可隨時(shí)通過學(xué)校多媒體教學(xué)系統(tǒng)，登陸進(jìn)行實(shí)際操作，展示給課堂的學(xué)生。虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，利用模塊化的功能硬件和應(yīng)用軟件來完成信號采集、數(shù)據(jù)測試分析、結(jié)果表達(dá)處理等眾多功能。把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與PC機(jī)結(jié)合起來融為一體形成全新的儀器系統(tǒng)。將其應(yīng)用到熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，通過建立“熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室”，代替或補(bǔ)充部分熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠極大地滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。解決實(shí)踐教學(xué)發(fā)展要求同實(shí)際實(shí)踐場地之間的矛盾，充分滿足每個學(xué)生進(jìn)行熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的要求，解決理論課程與實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間安排不協(xié)調(diào)等問題。

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A

1674-9324（2014）14-0267-02