動量方程驗證虛擬仿真實驗教學APP的設計

楊 嵩，朱先勇，王 輝，王繼利

（吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春，130025）

在高校新工科建設背景下，學科交叉融合、工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)成為關(guān)注的重點內(nèi)容[1]?；A科學是實現(xiàn)學科交叉和工程創(chuàng)新的基礎。流體力學是一門講授流體（氣體、液體、等離子體）流動現(xiàn)象、原理及相關(guān)力學行為的科學，作為高等學校工科類教學的專業(yè)基礎必修課，與許多專業(yè)課程有交叉，在學生知識體系的構(gòu)建中起承上啟下的連接作用[2]。流體力學教學包含理論教學和實驗教學兩部分，學生通過實驗教學加深對理論知識的認識和理解，實驗教學兼顧知識的消化和啟發(fā)。傳統(tǒng)的流體力學實驗教學存在側(cè)重儀器操作、數(shù)據(jù)記錄，教師講解實驗操作內(nèi)容時間過長；學生通過實驗不能很好的理解其中所蘊含的理論知識，對“為什么要這么做”理解不佳，對實驗所涉及的工程應用背景了解很少，最終出現(xiàn)學生只知道如何做實驗，不知道為何做實驗，這種只見樹木不見森林的怪現(xiàn)象的出現(xiàn)[3]。

如何克服傳統(tǒng)流體力學實驗教學中的弱點，成為流體力學實驗教學改革的一個研究熱點。隨著信息網(wǎng)絡技術(shù)及計算機技術(shù)的進步和普及，國內(nèi)高校對流體力學的實驗課程進行了改革創(chuàng)新，多媒體教學、網(wǎng)絡教學、虛擬實驗教學相繼走進實驗教學課堂，新的教學手段與傳統(tǒng)物理實驗教學相結(jié)合，共同推進流體力學實驗教學的發(fā)展[4-5]。吉林大學機械科學與工程學院于2015年啟動了虛擬仿真精品實驗建設，著眼于經(jīng)典基礎實驗的內(nèi)涵精煉、創(chuàng)新，促進人才的培養(yǎng)。動量方程是流體力學三大基本方程之一，是牛頓動量守恒定律在流體力學中的具體體現(xiàn)形式，有著廣泛而深刻的理論和實踐意義。動量方程驗證實驗面向吉林大學工學部機械工程、熱能與動力工程、土木工程等7個工科專業(yè)，年平均實驗人數(shù)1200余人。動量定律虛擬仿真實驗APP作為傳統(tǒng)實驗的補充，希望通過不同實驗參數(shù)的設定，豐富傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，強化學生的工程認知，促進高校學生的創(chuàng)新精神，提高實踐能力。

一、動量方程驗證實驗簡介

（一）動量方程理論

動量方程作為牛頓動量守恒定律在流體力學中的表現(xiàn)，表征了流體動量變化與沖擊作用力之間的關(guān)系；具體為控制體內(nèi)流體所受外力等于單位時間內(nèi)控制體沿外力方向上流入量與流出量的動量差，具體形式如公式（1）：

式中：F為射流沖擊力；ρ為工作介質(zhì)密度；Q為流量；β1、β2為動量修正系數(shù)；v1和v2分別為入流和出流速度[1]。

（二）實驗儀器及操作流程

傳統(tǒng)的動量方程驗證實驗通過操作動量方程實驗儀完成，實驗儀多采用射流沖擊平板或者半球模型，學生通過杠桿砝碼組平衡機構(gòu)或沖擊力傳感器等獲得射流沖擊力的大小，獲得動量修正系數(shù)β，進而驗證動量方程[6]。

動量方程驗證儀以水為工作介質(zhì)，學生通過調(diào)節(jié)進水閥門的開度改變流入系統(tǒng)的流量，獲得不同流量條件下對應的射流沖擊力的大小，帶入公式（1）求出相關(guān)參數(shù)，驗證動量方程。

（三）實驗存在的問題

從實驗的分析可知，在傳統(tǒng)實驗的教授過程中，學生僅對公式（1）中的參數(shù)Q進行了調(diào)整，學生通過實驗僅能理解流量Q與射流沖擊力F之間的相互影響關(guān)系。結(jié)合公式（1）可知，對沖擊力產(chǎn)生影響的還包含工作介質(zhì)密度ρ，流速v1和v2，這些參數(shù)與沖擊力F之間的相互作用關(guān)系并沒有通過傳統(tǒng)實驗展現(xiàn)出來，而這些參數(shù)的變化對學生理解動量方程的理論、拓展工程應用思維都有很大影響。

二、動量方程驗證虛擬仿真實驗APP

（一）設計目的及準則

動量方程虛擬仿真實驗APP設計的初衷是作為傳統(tǒng)物理實驗的補充，彌補傳統(tǒng)物理實驗的不足，拓寬基礎知識展現(xiàn)管道。因此在虛擬仿真實驗APP的設計上也考慮將工作介質(zhì)密度ρ，流速v1的變化引入到虛擬仿真實驗中。

工作介質(zhì)的選擇上綜合考慮實驗和工程拓展，選擇常見的三種材質(zhì)，分別是水、汽油和柴油；流速v1的選擇依據(jù)小變化原則，避免參數(shù)變化跨度較大造成學生認知的不連續(xù)，以現(xiàn)有實驗設備為基礎，進行±2mm的區(qū)間擴展。

信息展示和人機交互是學生獲取知識的重要部分。信息展示基于認知準則展開，兼具簡潔、易懂、高效等特點；人機交互基于操作習慣展開，具備操作簡單、便捷等特點。綜合考慮相關(guān)需求及基本設計原則，擬選用文字、計算機動畫、視頻短片相結(jié)合的方式將抽象的概念、原理、流動過程等進行形象的可視化表達，輔助以工程實例，增強學生對理論知識的理解，培養(yǎng)工程應用意識。

（二）開發(fā)工具的選擇及介紹

開發(fā)工具是軟件功能實現(xiàn)的重要支撐，開發(fā)工具應結(jié)合程序面向?qū)ο蟆⑦\行平臺、功能實現(xiàn)等因素進行綜合選擇。動量方程驗證虛擬仿真實驗教學APP擬運行在吉林大學虛擬仿真實驗教學網(wǎng)絡平臺上，其開發(fā)工具應具備良好的網(wǎng)絡運行可行性及穩(wěn)定性。綜合比對常用的商用開發(fā)軟件，結(jié)合軟件的功能及運行環(huán)境擬采用Unity3D與C語言聯(lián)合開發(fā)的方法實現(xiàn)。

三維圖像的展示、實時生成，人機交互功能及APP系統(tǒng)的發(fā)布由Unity3D軟件負責，數(shù)據(jù)計算部分有C語言完成。unity3D是一款由Unity Tech?nologies公司開發(fā)，是一款優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實軟件，與建模軟件聯(lián)合使用能方便快捷的實現(xiàn)三維場景的搭建，具有代碼執(zhí)行效率高，多媒體支持豐富，接口豐富，發(fā)布平臺廣（Windows、IOS、WebGL、Android）、交互便捷等優(yōu)點。C語言是一種工程及科學計算中常用的通用型計算機語言，它提供給用戶一種功能強大、編譯簡單的開發(fā)計算工具。Unity3D+C語言的組合在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中的應用有助于提升虛擬仿真實驗的真實性和可視化程度，改善學習者與仿真系統(tǒng)的交互方式，最終實現(xiàn)實驗效果的提升。本動量方程驗證虛擬仿真實驗APP最終形成兩個版本，即單獨在Windows環(huán)境下運行的exe文件及與HTML5技術(shù)聯(lián)合運行在webGL環(huán)境下的應用。

（三）虛擬仿真APP結(jié)構(gòu)及實驗功能模塊

虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)物理實驗的補充，應具備較好的模擬和仿真?zhèn)鹘y(tǒng)物理實驗的能力。具體就是虛擬仿真實驗能夠在實驗架構(gòu)、實驗功能、實驗內(nèi)容上與傳統(tǒng)物理實驗保持連貫和一致。虛擬仿真實驗APP具備如下功能模塊：歡迎界面模塊、實驗簡介模塊、實驗過程介紹模塊、實驗操作模塊。其在程序中布置順序依據(jù)學生認知順序和實驗的安排順序進行排列。程序采用模塊化設計，功能模塊設計的優(yōu)點在于，功能模塊對實驗所涉及到的相關(guān)知識進行了歸類、整合、打包處理。在功能模塊的指引下，保障學生知識學習的完整性、合理性和有序性。

各功能模塊的具體內(nèi)容及界面如下：

1.歡迎界面。實驗歡迎界面主要向?qū)W生展示實驗項目名稱信息，界面在設計的時候除展示基本信息外，還對色彩及文字的選擇和搭配進行了設計，希望通過搭建舒適的人機交互界面增強學生學習的興趣，此界面還提供進入后續(xù)操作的功能按鈕。

2.實驗簡介模塊。實驗簡介模塊主要向?qū)W生展示實驗所涉及到的相關(guān)基礎知識，實驗目的、實驗原理等相關(guān)信息，通過此模塊學生可以了解和掌握實驗所涉及的相關(guān)理論知識。

3.實驗過程介紹模塊。實驗過程介紹模塊包含了實驗儀器介紹、實驗過程操作介紹和工程拓展介紹等內(nèi)容。此部分采用動畫、嵌入式多媒體視頻等方法，對實驗儀器的組成、各部分的功能、實驗的具體操作過程及注意事項等信息進行了講解，學生通過該模塊的學習可以全面、細致的了解實驗儀器的組成、原理、實現(xiàn)過程、操作使用過程和注意事項等。

4.實驗操作模塊。實驗操作模塊是虛擬仿真驗證APP的人機交互的核心部分。其包含物理變量選擇部分、實驗臺展示部分、測試數(shù)據(jù)展示部分、虛擬操作手柄等。

在此模塊中，學生可通過物理變量選項卡選擇并修改物理量，實現(xiàn)傳統(tǒng)物理實驗不便于實現(xiàn)的操作。本APP提供了兩個物理量的修改，分別是工作介質(zhì)密度ρ，和噴嘴直徑（用以改變?nèi)肓魉俣葀1）。工作介質(zhì)提供了工程中常用的三種介質(zhì)，分別是水、汽油和柴油；汽油和柴油在傳統(tǒng)實驗中出于安全考慮一般不會使用，但作為動量方程工程應用典范的燃油噴射過程在工程實踐中有著廣泛的應用，汽油和柴油兩種工作介質(zhì)的引入，補充了傳統(tǒng)實驗的不足，強化了實驗的工程帶入感。虛擬仿真實驗中設置了三種不同尺寸的噴嘴直徑，學生通過選擇不同的噴嘴直徑獲得不同的入流速度v1，通過對比獲得射流沖擊力大小與入流速度之間的對應關(guān)系，在對比過程中，可以引導學生考慮噴嘴直徑極小情況下，射流沖擊沖擊力的變化趨勢，進而將水射流切割、沖洗這一類特種加工手段與動量方程聯(lián)系起來，強化學生理論聯(lián)系實踐的能力。

實驗過程中，通過界面中的虛擬手閥調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的流量；界面中會分別展現(xiàn)射流沖擊力的理論值和測量值，理論值通過公式（1）計算獲得，測量值=理論值+誤差值，誤差值以物理實驗臺的測量值為基礎，通過構(gòu)建誤差函數(shù)的形式實現(xiàn)。為了更好的展現(xiàn)工作介質(zhì)的流動狀態(tài)和流動規(guī)律，本APP采用粒子系統(tǒng)（Particle System）建立工作介質(zhì)流動的動態(tài)物理模型。

三、動量方程虛擬實驗教學應用展望

動量方程驗證虛擬仿真實驗作為虛擬仿真精品實驗系列的一部分，與傳統(tǒng)物理實驗相協(xié)同，將在流體力學課程建設、實驗教學手段多樣化、人才培養(yǎng)模式更新等方面發(fā)揮作用。在實驗拓展方面，其依托開放實驗、綜合實驗、教學改革項目，共同促進新工科背景條件下流體力學實驗教學改革及學生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7-8]。

虛擬仿真實驗教學的開展將顯著提升實驗教學效果，具體如下：

其一，虛擬實驗與物理實驗的結(jié)合，激發(fā)學生的學習興趣。學習興趣是教學順利開展和取得良好實驗教學效果的前提。虛擬實驗通過豐富且生動的教學手段，將冰冷、枯燥的理論知識生動化，以此激發(fā)學生的學習興趣。濃厚的學習興趣不僅僅能保障實驗教學的順利開展，更能啟迪學生的思維，鍛煉理論知識綜合應用能力，讓學生樂于學習、勇于探索。

其二，虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)物理實驗相互協(xié)作助力工程創(chuàng)新。工程創(chuàng)新是新工科建設的一個培養(yǎng)和建設目標。扎實的理論知識和寬廣的工程應用視野是實現(xiàn)工程創(chuàng)新的必備基礎條件。新形勢對新業(yè)態(tài)和新技術(shù)提出了新的需求，學科交叉、融合是這一新要求的一個特點。傳統(tǒng)的工程學應用和創(chuàng)新多集中在本領(lǐng)域或與之關(guān)聯(lián)的相近領(lǐng)域，而跨領(lǐng)域甚至是多領(lǐng)域的交叉融合創(chuàng)新比較少。虛擬實驗通過多種手段展現(xiàn)所涉及理論知識的原理，結(jié)合物理實驗所建立起來的物理直覺，學生容易將物理直覺凝練升華與理論知識相聯(lián)想，進而產(chǎn)生工程靈感，激發(fā)工程創(chuàng)新。新工科的創(chuàng)新更多要求學生集成創(chuàng)新能力，虛擬實驗和物理實驗的協(xié)同極大的拓展了學生的知識邊界和物理實驗的邊界，兩者的融合教學在學生集成創(chuàng)新體系的構(gòu)建中將發(fā)揮積極的作用。

其三，虛擬實驗與開放實驗相結(jié)合。開放實驗是一種不設立固定實驗項目的實驗，其目的在于發(fā)揮學生在問題發(fā)現(xiàn)、實驗設計、實驗運行的主體性，學生自行設計實驗方案提交指導教師審核通過后便可開展實驗。開放實驗是一種以激發(fā)和鍛煉學生工程創(chuàng)新能力為目標的新型實驗模式。學生可以根據(jù)自己對理論知識的理解，結(jié)合自己對相關(guān)工程問題的興趣，通過自行設計和運行實驗的方式完成知識→實驗的實現(xiàn)過程，此方法類似于PBL（Project Based Learning）學習法。在問題發(fā)現(xiàn)過程中，可以鍛煉學生發(fā)現(xiàn)、凝練工程問題的能力；實驗設計過程，可以鍛煉學生針對工程問題的簡化和建模能力，工程創(chuàng)新能力，知識綜合運用能力，對實驗設備的了解和掌握能力，實驗方案的設計及對比能力，實驗方案的可行性評估能力等多方面能力；實驗運行過程是知識到實踐過渡的關(guān)鍵步驟，是學生工程綜合能力的全面體現(xiàn)。在問題發(fā)現(xiàn)階段虛擬仿真實驗給予學生一定的啟發(fā)；在實驗設計階段，虛擬仿真實驗作為一種數(shù)字方案驗證方法，可輔助完成開放實驗方案可行性評估及方案優(yōu)化設計工作；在實驗運行階段，虛擬仿真實驗可用于實驗流程的規(guī)劃驗證，實驗異常的排查等工作。動量方程虛擬仿真系統(tǒng)可用于射流沖擊類開放實驗的輔助，如射流切削、燃油噴射等。

其四，虛擬實驗與網(wǎng)絡教學相結(jié)合。網(wǎng)絡教學作為一種基于信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型教學手段，正在高等教育實驗教學中扮演著重要的角色。吉林大學機械科學與工程學院建立了國家級虛擬仿真實驗教學平臺，動量方程驗證虛擬仿真實驗依托此教學平臺，利用豐富的網(wǎng)絡教學資源和信息化教學手段，充分激發(fā)學生自主學習的興趣，調(diào)動學生利用碎片時間學習的積極性，實現(xiàn)學生的按需學習。網(wǎng)絡平臺的引入促進了師生的互動交流，提高了實驗教學效率，促進了實驗教學效果的提升。

四、結(jié)束語

動量方程驗證虛擬仿真實驗APP作為傳統(tǒng)動量方程驗證實驗的補充和拓展，是新工科教學改革背景下實驗教學改革和信息化建設的一次探索。虛擬仿真教學方式為學生提供了更加自由和豐富的教學資源，虛擬仿真實驗的引入將在教學內(nèi)容擴展、實驗教學水平提升、學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)等發(fā)面發(fā)揮積極的作用。本著“虛實結(jié)合、能實不虛、互補攻堅”的基本建設原則，通過虛實結(jié)合，將傳統(tǒng)實驗推向一個新的高度[9]。通過與國家級虛擬仿真實驗教學平臺的聯(lián)合運行，讓學生從多角度、多渠道參與實驗，促進學生知識理解和實踐能力的提升，培養(yǎng)學生成為知識、能力、素養(yǎng)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的工程技術(shù)人員。