基于信息技術(shù)的精細(xì)化虛擬仿真實驗教學(xué)
——以《葉輪機(jī)械原理實驗》為例＊

李鈺潔 馬睿 楊帆 黃依淼 宋一鳴

1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院；2.空軍預(yù)警學(xué)院；3.北部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部訓(xùn)練處

信息技術(shù)的快速發(fā)展激發(fā)了教學(xué)形式的變革，為促進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)在技術(shù)與教學(xué)方面的深度融合，提高學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新能力，本文針對專業(yè)基礎(chǔ)類課程的實驗教學(xué)，基于精細(xì)化虛擬仿真技術(shù)，分別在實驗教學(xué)條件、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面進(jìn)行了改革實踐。在教學(xué)應(yīng)用方面，更新基于技術(shù)的教學(xué)法，設(shè)計精細(xì)化虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，建設(shè)實驗教學(xué)平臺，豐富精細(xì)化評價模型，促進(jìn)教與學(xué)的深度融合，對專業(yè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)進(jìn)行了探索與實踐，將精細(xì)化虛擬仿真實驗及實體實驗有機(jī)融合，推動了專業(yè)基礎(chǔ)類實驗課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

實驗教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力的重要載體，是幫助學(xué)生在客觀知識學(xué)習(xí)與實踐技能培養(yǎng)之間建立聯(lián)系的有效手段[1]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)以操作與演示為主，實驗創(chuàng)新性考慮較少。信息技術(shù)的快速發(fā)展激發(fā)了教學(xué)形式的變革，當(dāng)前以信息技術(shù)為本質(zhì)特征的虛擬仿真教學(xué)越來越受到重視[2,3]。虛擬仿真實驗教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)而構(gòu)建高仿真度的虛擬環(huán)境。利用虛擬仿真技術(shù)拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實驗教學(xué)的時間和空間，提升實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平，是教育信息化的一個重要方向[4-6]。但是虛擬仿真教學(xué)也有其存在的問題，在虛擬仿真教學(xué)過程中，對如何提高教學(xué)效果的探索較少，對于虛擬仿真實驗采用什么教學(xué)方法、如何虛實結(jié)合等問題缺乏深入研究。

“葉輪機(jī)械”作為工科院校傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生綜合運用工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)理論，對能量轉(zhuǎn)換與工作特性進(jìn)行深入分析[7]，在學(xué)習(xí)過程中，原理公式復(fù)雜，概念抽象，所配套的葉輪機(jī)械原理實驗課程對于葉輪機(jī)械內(nèi)部精細(xì)化的流場細(xì)節(jié)難以直觀展現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對典型機(jī)械的流場思維較難建立，僅通過有限的課堂講解，難以使學(xué)生將所學(xué)知識與實際問題準(zhǔn)確地聯(lián)系起來。

近些年，信息技術(shù)領(lǐng)域快速向微觀方向拓展，若能通過虛擬仿真手段將內(nèi)部流動細(xì)節(jié)通過精細(xì)化仿真再現(xiàn)，是非常有意義的[8,9]。為了促進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)在教學(xué)與技術(shù)方面的深度融合，本文以葉輪機(jī)械原理實驗為主要對象，從教學(xué)設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用兩個方面探索了教學(xué)與技術(shù)的融合，在技術(shù)應(yīng)用方面，基于智能三維重構(gòu)與數(shù)值仿真技術(shù)構(gòu)建了精細(xì)化虛擬仿真教學(xué)條件；在教學(xué)設(shè)計方面，對虛擬仿真實驗教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，建設(shè)精細(xì)化虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，更新基于技術(shù)的教學(xué)方法，促進(jìn)教與學(xué)的深度融合。

1 建設(shè)精細(xì)化虛擬仿真實驗教學(xué)條件

虛擬仿真實驗條件的精細(xì)化水平?jīng)Q定了虛擬仿真實驗的教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)行為主義學(xué)習(xí)理論，在實驗過程中通過在特定的重要環(huán)節(jié)設(shè)置相關(guān)問題可形成學(xué)習(xí)上的認(rèn)知矛盾，由認(rèn)知產(chǎn)生的矛盾從而激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)上的求知欲，以此形成良好的學(xué)習(xí)動機(jī)。

為提高精細(xì)化虛擬仿真實驗的教學(xué)質(zhì)量，通過在重要的實驗節(jié)點設(shè)置相應(yīng)的信息反饋，形成實驗全過程的信息交流，以提高學(xué)習(xí)的主動性，學(xué)生根據(jù)得到的實驗反饋信息進(jìn)行邏輯推理與判斷，以對實驗本質(zhì)進(jìn)一步認(rèn)知，獲取更深層次的實驗規(guī)律和原理機(jī)理。在精細(xì)化虛擬仿真實驗建設(shè)過程中，主要從實驗深度與實驗精度兩個方面提高虛擬仿真實驗教學(xué)條件建設(shè)的質(zhì)量。

現(xiàn)有的葉輪機(jī)械原理實驗課程實體實驗是基于超音速暫沖式風(fēng)洞實驗平臺開展的如圖1 所示，通過實驗平臺，對葉輪機(jī)械所涉及的空風(fēng)洞、壓氣機(jī)葉柵、渦輪葉柵等典型實驗對象的氣動性能進(jìn)行實驗測試，結(jié)合氣動熱力學(xué)、流體力學(xué)、空氣動力學(xué)等基礎(chǔ)理論，形成對原理機(jī)理的實驗對比驗證，以幫助學(xué)生更好的理解葉輪機(jī)械的做功機(jī)理與客觀規(guī)律。

圖1 風(fēng)洞實驗系統(tǒng)Fig.1 Wind tunnel experimental system

風(fēng)洞實驗系統(tǒng)涵蓋了葉輪機(jī)械氣動熱力性能的各項試驗內(nèi)容，可進(jìn)行微觀內(nèi)流場的測試和重構(gòu)實驗。但是，對于葉輪機(jī)械內(nèi)部的精細(xì)化流場細(xì)節(jié)，通過現(xiàn)有的實驗條件還無法得到，學(xué)生在實驗過程中看不到、摸不著，影響了學(xué)習(xí)熱情，不能很好的激發(fā)學(xué)生的求知欲。因此，在現(xiàn)有的風(fēng)洞綜合實驗平臺基礎(chǔ)上，為提高教學(xué)質(zhì)量，利用精細(xì)化虛擬仿真技術(shù)，配套建設(shè)了精細(xì)化三維智能重構(gòu)系統(tǒng)、增材制造平臺、虛擬數(shù)值仿真系統(tǒng)。

1.1 精細(xì)化三維智能重構(gòu)系統(tǒng)

精細(xì)化三維智能重構(gòu)系統(tǒng)的核心技術(shù)是非接觸式光學(xué)自動化三維測量技術(shù)，通過非接觸式光學(xué)測量，可高效實現(xiàn)對實驗對象重構(gòu)質(zhì)量控制。實驗系統(tǒng)集成光學(xué)三維測量技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，系統(tǒng)包括七軸運動控制系統(tǒng)（六軸協(xié)作機(jī)器人運動系統(tǒng)、一維自動轉(zhuǎn)臺）、移動工作臺、三維掃描測量頭、三維掃描軟件、檢測軟件等，如圖2 所示。測試系統(tǒng)能夠快速移動到需要測量的各個地方，按照每次實驗的要求，系統(tǒng)控制機(jī)器人根據(jù)不同實驗對象設(shè)置的特定路徑進(jìn)行運動，由三維測量頭自動獲取被測物的三維數(shù)據(jù)，可通過多種對齊方式與數(shù)模自動對齊并進(jìn)行偏差檢測，進(jìn)行三維偏差的檢測實現(xiàn)在線實時檢測。

圖2 精細(xì)化三維智能重構(gòu)系統(tǒng)Fig.2 Refined 3D intelligent reconstruction system

1.2 增材制造平臺

利用精細(xì)化三維智能重構(gòu)系統(tǒng)對現(xiàn)有的葉輪機(jī)械實驗葉型進(jìn)行三維重構(gòu)，形成數(shù)字化模型，如圖3 所示。

圖3 葉柵數(shù)字化模型Fig.3 Digital model of the leaf grid

作為精細(xì)化虛擬仿真的實驗對象，另外對數(shù)字化模型進(jìn)行切片化處理，基于逆向成型思維，通過增材制造平臺，形成三維實體實物模型作為實體實驗的對象。增材制造平臺采用的是熔融堆積固化成型技術(shù)，噴嘴直徑為0.6mm，打印精度為0.1mm，可形成質(zhì)量較高的實體模型，如圖4 所示。

圖4 增材制造平臺Fig.4 Additive manufacturing platform

1.3 虛擬數(shù)值仿真系統(tǒng)

通過風(fēng)洞實體實驗測試的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行校驗，以增強虛擬過程的多感知性；對數(shù)字模型進(jìn)行校驗與構(gòu)型優(yōu)化后，利用三維打印獲取新的實物模型，并再次進(jìn)行虛擬仿真，對實體實驗過程中看不到的內(nèi)部現(xiàn)象進(jìn)行虛擬化展示，如圖5 所示。利用精細(xì)化虛擬仿真提高學(xué)習(xí)效率，從而形成互為補充的綜合實驗閉環(huán)。為增加精細(xì)化效果，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度，每次所用時間可以等比例調(diào)整。對于實驗前設(shè)備的校準(zhǔn)與調(diào)試，工具的處理與分類，以及實驗后的整理等細(xì)節(jié)都作出相應(yīng)要求。通過創(chuàng)建精細(xì)化虛擬仿真實驗教學(xué)條件，提高了虛擬仿真實驗的教學(xué)質(zhì)量，有效節(jié)約了實驗室資源并豐富了實驗教學(xué)形式，促進(jìn)了教學(xué)資源的開放與共享。

圖5 虛擬數(shù)值仿真界面Fig.5 Virtual numerical simulation interface

2 創(chuàng)新精細(xì)化虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)過程中，在培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識的同時，更應(yīng)注重能力素質(zhì)的培養(yǎng)。葉輪機(jī)械知識點概念抽象，流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，看不見摸不著，針對這種教學(xué)特點，基于精細(xì)化虛擬仿真教學(xué)實驗條件，在工程思維與理念訓(xùn)練層面進(jìn)行實驗創(chuàng)新教學(xué)與實踐。開展虛擬教學(xué)實驗與真實實驗相輔助的教學(xué)模式，如圖6 所示，一方面將跨音速風(fēng)洞葉柵實驗，包括空風(fēng)洞實驗、壓氣機(jī)平面葉柵實驗、渦輪平面葉柵實驗等，通過氣動測試獲取氣動實驗參數(shù)；另一方面，在教師的指導(dǎo)下，建立跨音速風(fēng)洞實驗平臺的有限元數(shù)值計算模型，結(jié)合數(shù)值仿真計算的方法，分析多種進(jìn)氣條件、多種類型葉柵的風(fēng)洞測試流場細(xì)節(jié)，增加實驗形式的多樣性，獲取精細(xì)化流場細(xì)節(jié)。

圖6 精細(xì)化虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容Fig.6 Refined virtual simulation teaching content

在實驗過程中，先對學(xué)生分組，一方面充分利用超音速風(fēng)洞試驗平臺，分別進(jìn)行空風(fēng)洞亞音速與超音速的噴管性能的實驗，以及平面葉柵等實驗，通過實驗獲取通流部分流量、壓力的變化，以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，得到多種工況下風(fēng)洞實驗的葉柵氣動特性，通過對實驗數(shù)據(jù)分析，量化具體影響程度；另一方面引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計并進(jìn)行精細(xì)化虛擬仿真驗證，利用智能掃描系統(tǒng)，充分開發(fā)學(xué)生的設(shè)計潛力，對現(xiàn)有的壓氣機(jī)或渦輪葉型進(jìn)行三維重繪與逆向構(gòu)型，通過三維快速成型，構(gòu)造三維實驗葉型，對不同的葉型進(jìn)行虛擬氣動測試。通過有限元數(shù)值仿真模擬計算得到葉柵內(nèi)部流場流動細(xì)節(jié)，制作壓氣機(jī)或渦輪的流動細(xì)節(jié)，將抽象的概念原理與葉輪機(jī)械內(nèi)復(fù)雜的流動過程形象地表達(dá)出來，在鍛煉學(xué)生計算分析能力的同時，使學(xué)生對概念原理和實驗流程的理解更清晰透徹。通過這種虛實結(jié)合的方式，降低在真實實驗操作中帶來的風(fēng)險，對虛擬仿真實驗進(jìn)行精細(xì)化處理，促進(jìn)了知識的轉(zhuǎn)化與拓展，同時也彌補了實驗設(shè)備容量與學(xué)生人數(shù)不匹配的問題。

通過將理論學(xué)習(xí)與虛擬仿真實驗相結(jié)合，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中融入精細(xì)化虛擬仿真模塊，將實體實驗中無法看到的現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生，增加學(xué)生對理論知識的理解，增加理論學(xué)習(xí)的立體感，提高學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生根據(jù)精細(xì)化虛擬仿真實驗的特點以及實驗平臺優(yōu)勢，反復(fù)進(jìn)行虛擬實驗并交流心得，教師同步進(jìn)行指導(dǎo)，然后通過實體實驗，高效完成實驗流程。最后基于實體實驗過程中的疑問和思考，再通過精細(xì)化虛擬仿真，在師生間展開討論，從而形成“理論—虛擬仿真+實體實驗—討論—理論”的閉環(huán)循環(huán)學(xué)習(xí)模式。

3 豐富教學(xué)效果評價模式，促進(jìn)教與學(xué)的深度融合

原先的實驗課程評價主要由學(xué)生撰寫的實驗報告質(zhì)量決定，這種評價方式無法全面考核學(xué)生對實驗的掌握程度，對于專業(yè)基礎(chǔ)類實驗課程，對照相應(yīng)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)著重考核學(xué)生研究探索能力，應(yīng)用能力和實際操作能力，因此，基于精細(xì)化虛擬仿真技術(shù)，建立新的精準(zhǔn)化實驗評價模型，在課前、課中、課后等三個環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程的綜合評價。課前，教師通過實驗平臺預(yù)先布置實驗教學(xué)設(shè)計，提供實驗理論知識，學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，在充分思考的基礎(chǔ)上，與教師進(jìn)行討論，了解工程背景，掌握實驗步驟、注意事項等，通過教師的預(yù)習(xí)測驗，獲得實驗資格；課中，依托精細(xì)化虛擬仿真實驗平臺，使理論學(xué)習(xí)、虛仿實驗、實體實驗相互補充；課后，學(xué)生通過復(fù)習(xí)實驗，鞏固已學(xué)知識，提交實驗報告，教師應(yīng)對學(xué)生的預(yù)習(xí)測驗情況、實驗過程、討論與思考情況、實驗報告質(zhì)量等多方面進(jìn)行綜合考核，建立精準(zhǔn)化評價模型，豐富教學(xué)效果評價模式，突出強化學(xué)生的主體地位，強調(diào)對實驗過程的評價，并通過這種方式，引導(dǎo)教師不斷更新實驗教學(xué)理念，改革教學(xué)內(nèi)容和方式，強化對學(xué)生學(xué)習(xí)的深度指導(dǎo)，加強師生交流，使教師真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。

4 總結(jié)

實驗教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力的重要載體，是促進(jìn)學(xué)生知識學(xué)習(xí)與綜合素養(yǎng)養(yǎng)成的有效手段，本文針對專業(yè)基礎(chǔ)類課程的實驗教學(xué)，基于精細(xì)化虛擬仿真技術(shù)，從教學(xué)設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用兩個方面探索了教學(xué)與技術(shù)的融合。對專業(yè)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)進(jìn)行了探索與實踐，基于智能三維重構(gòu)與數(shù)值仿真技術(shù)構(gòu)建了精細(xì)化虛擬仿真教學(xué)條件，對虛擬仿真實驗教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，將精細(xì)化虛擬仿真實驗及實體實驗有機(jī)融合，建設(shè)精細(xì)化虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，促進(jìn)教與學(xué)的深度融合,推動了專業(yè)基礎(chǔ)類實驗課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

引用

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