流體力學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)開發(fā)

劉雪嶺 王悅

摘 要：流體力學(xué)是一門工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性強(qiáng)、概念抽象的特征在常規(guī)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是學(xué)生普遍反映難懂、難學(xué)的課程之一。流體力學(xué)虛擬仿真資源庫平臺(tái)是對(duì)抽象復(fù)雜的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的驗(yàn)證和演示，有利于快速加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜的理論知識(shí)的理解。同時(shí)，虛擬仿真資源庫也是對(duì)當(dāng)前理論教學(xué)的補(bǔ)充、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展，它實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)與能力、理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，并培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；虛擬仿真教學(xué)；資源庫；平臺(tái)開發(fā)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）04-0076-02

Abstract： Fluid mechanics is a basic course for the engineering specialty， and its profound theories and abstract concepts can not to understood， one of the difficult subject in the conventional theory and experiment teaching. The virtual simulation teaching database platform on fluid mechanics course is the validation and demonstration about abstract complex knowledge of theory and experiment， conducive to rapid deepen students understanding of the complex theory knowledge. At the same time， the virtual simulation resource is addition to the current theory teaching and experiment teaching.

Keywords： fluid mechanics； virtual simulation teaching； database； platform development

引言

流體力學(xué)課程是熱能與動(dòng)力工程以及相近專業(yè)（土木工程、環(huán)境工程、安全工程等）的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。作為力學(xué)分支的學(xué)科，它具有抽象概念多、涉及面廣、公式較多、數(shù)學(xué)與物理知識(shí)面要求較高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。在大學(xué)教學(xué)工作中，特別是一些理論性很強(qiáng)、概念較為抽象的力學(xué)課程，適當(dāng)采用現(xiàn)代教學(xué)手段對(duì)其教學(xué)起到了很大幫助。當(dāng)前流體力學(xué)課程普遍教學(xué)現(xiàn)狀及其缺點(diǎn)。由于大學(xué)工科課程教學(xué)的最終目的是為了讓學(xué)生能學(xué)以致用，而這可說是當(dāng)前高等教育普遍存在的弱點(diǎn)。調(diào)研問卷[1]顯示，超過 50% 的高校認(rèn)為當(dāng)前虛擬仿真教學(xué)資源的主要來源是“市場(chǎng)購買”。從首批100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，各高校自行研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真教學(xué)資源相對(duì)較少，大量資源屬于市場(chǎng)購置的商業(yè)軟件，而其中多數(shù)都有使用授權(quán)數(shù)量的限制。雖然目前如清華大學(xué)、北京大學(xué)、西安交通大學(xué)等設(shè)計(jì)制作了相關(guān)教學(xué)課件、動(dòng)畫，但由于不同院校專業(yè)方向不同，側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。尤其是針對(duì)不同大學(xué)本科專業(yè)設(shè)置不同，需要有針對(duì)性的開發(fā)出符合其自身特點(diǎn)的可視化虛擬仿真教學(xué)資源。

一、虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)建立的關(guān)鍵是采用虛擬仿真現(xiàn)實(shí)、三維動(dòng)畫與演示、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)。根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求設(shè)計(jì)出用于輔助教學(xué)的虛擬場(chǎng)景、虛擬環(huán)境、虛擬儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)線路或回路、實(shí)驗(yàn)器件及構(gòu)件庫、演示和判別理論和實(shí)驗(yàn)過程及標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，運(yùn)用不同的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)，依托平臺(tái)以及學(xué)科屬性，并可針對(duì)不同專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)和拓展的教學(xué)資源庫平臺(tái)[2-4]。為保證教學(xué)效果，虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)設(shè)計(jì)原則應(yīng)遵循以下原則：

1.規(guī)范性。虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)首先需要緊緊圍繞本科專業(yè)教學(xué)大綱設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格服務(wù)于教學(xué)大綱內(nèi)容范疇。在此基礎(chǔ)上，充分考慮到各種工程實(shí)例，進(jìn)而拓展和加深知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。

2.先進(jìn)性。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用基于C/S編程系統(tǒng)架構(gòu)平臺(tái)，學(xué)生可使用客戶端登錄并學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫可記錄學(xué)生登錄、學(xué)習(xí)內(nèi)容、進(jìn)度等詳細(xì)信息；虛擬仿真資源庫以二維、三維建模，并形成動(dòng)態(tài)可視化、可控性仿真虛擬界面。開發(fā)集仿真教學(xué)管理、學(xué)生學(xué)習(xí)管理、學(xué)生學(xué)習(xí)考核等功能于一體的虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)。

3.擴(kuò)展性。針對(duì)不同專業(yè)流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)與差異性，虛擬仿真資源庫的模型庫自成體系，并單獨(dú)建立模塊，可在后繼升級(jí)開發(fā)中不斷補(bǔ)充新的模型。同時(shí)，教師在后臺(tái)管理模塊中根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，指定流體力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)虛擬仿真教學(xué)資源庫內(nèi)容，直接管理學(xué)生客戶端相應(yīng)的可視教學(xué)資源庫的范圍。

二、虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)框架

虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)基本支撐框架，是針對(duì)流體力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用多種軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，其中在理論教學(xué)內(nèi)容中，分別建立知識(shí)點(diǎn)模型庫、流體仿真動(dòng)畫演示庫及虛擬交互教學(xué)平臺(tái)；而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，分別建立數(shù)值模擬模型庫、數(shù)值模擬知識(shí)點(diǎn)算例庫、工程實(shí)例案例庫、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M演示庫及相應(yīng)的虛擬交互教學(xué)平臺(tái)。

三、虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，在內(nèi)容上緊緊圍繞著本科生流體力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，并適當(dāng)拓展工程實(shí)例。平臺(tái)設(shè)計(jì)在完成首期建設(shè)后，通過不同工科專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，在同行教師及學(xué)生的反饋與建議下，可隨時(shí)強(qiáng)化、補(bǔ)充和豐富虛擬仿真環(huán)節(jié)和資源庫模型庫等內(nèi)容。

四、虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)實(shí)例

（一）虛擬仿真理論教學(xué)實(shí)例

在理論教學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)的流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析中，由于涉及到流體微團(tuán)變形與旋轉(zhuǎn)，一般教材以圖2（c）為例進(jìn)行文字分析：在t和dt時(shí)刻微團(tuán)的A點(diǎn)不變，微團(tuán)由ABCD變成AB′C′D′的過程看作由純轉(zhuǎn)動(dòng)和純角變形兩部分的合成，即平面ABCD繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)了dθ角變成AB"C"D"后，又因角度變形了2dγ而最終變成AB′C′D′。由幾何關(guān)系得出：dα=dγ+dθ和dβ=dγ-dθ，兩式相加，得到dt內(nèi)微團(tuán)的角變形量dα+dβ=2dγ，從而推導(dǎo)得出微團(tuán)在平面上的角變形速度：

虛擬仿真教學(xué)資源庫平臺(tái)實(shí)例中流體微團(tuán)變形與旋轉(zhuǎn)過程，將文字分析轉(zhuǎn)化成虛擬仿真動(dòng)畫過程，分別演示純轉(zhuǎn)動(dòng)和純角變形兩部分動(dòng)畫。在最終變形結(jié)果完成后，提示dθ、dγ、dβ的幾何關(guān)系，將理論教學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)的流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析理論通過整個(gè)虛擬仿真動(dòng)畫過程，使學(xué)生快速理解和掌握流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)的理論推導(dǎo)。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

以虛擬仿真流體力學(xué)雷諾實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，虛擬實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)裝置瀏覽、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作演示和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬仿真等內(nèi)容組成。其中實(shí)驗(yàn)裝置瀏覽部分利用 3Ds Max 三維動(dòng)畫軟件制作完成，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)裝置以三維動(dòng)畫方式，詳細(xì)介紹裝置構(gòu)成及控制過程。在實(shí)驗(yàn)仿真過程階段，分別制作三組不同水位控制擋板H1、H2、H3，而形成的實(shí)驗(yàn)觀察管段的層流、過渡流、紊流三種流型動(dòng)畫。并通過人機(jī)交互式控制仿真裝置模擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的瀏覽和再現(xiàn)， 給學(xué)生以一種身臨其境的視覺效果。

五、結(jié)束語

《流體力學(xué)》虛擬仿真資源庫平臺(tái)（交互式教學(xué)平臺(tái)），是對(duì)抽象復(fù)雜的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的驗(yàn)證和演示，有利于快速加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜的理論知識(shí)的理解。同時(shí)，虛擬仿真資源庫也是對(duì)當(dāng)前理論教學(xué)的補(bǔ)充、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展，它實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)與能力、理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，并培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。無論是對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還是學(xué)生未來工程技術(shù)應(yīng)用的提升，均具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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