仿真實驗教學探討

摘 要：針對現有實驗教學中存在的問題，探討了計算機仿真在實驗教學中的應用。以傳熱學實驗教學為例，介紹了我們開發的一套傳熱學實驗仿真軟件以及取得的教學效果。

關鍵詞：傳熱學 仿真實驗 探討

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

1 實驗教學存在的問題

實驗教學是工科類專業素質教育的重要組成部分，是鞏固課堂所學知識、培養學生的科學研究方法、實驗基本技能以及創新能力的重要途徑。加強實驗教學改革有助于提升整體教學水平。實驗室硬件水平是開展教學實驗的基本保障，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需求。比如，實驗室缺乏必要的專業實驗設備導致教學計劃中的一些教學實驗無法順利開展，或者部分教學設備陳舊老化、數量嚴重不足，無法為每個學生提供全程動手操作的機會，另外某些專業實驗設備價格昂貴甚至實驗過程存在一定的危險性也導致許多學校在開設實驗項目時常常有所保留。有些實驗受到場地和課時限制，在規定的時間內無法完成實驗或實驗效果不理想，這些都直接影響了實驗課的教學效果。上述問題除了通過合理的實驗室建設和設備購置來解決外，還可借助現代計算機仿真技術開展仿真實驗教學來解決。

2 仿真實驗

仿真實驗是指在交互狀態下，借助編程軟件、多媒體、仿真等技術在計算機上營造可輔助、部分替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，學生可以像在真實環境一樣完成各種實驗項目，所得的結果甚至優于實際實驗結果。仿真實驗具有很多的優點它營造了多樣化的教學環境，能大大提高學生的學習興趣；將仿真實驗與網絡鏈接后，學生可以利用校園網進行實驗課程的學習，打破了傳統實驗教學時間和空間的限制；可以節省實驗經費，實現多種實驗目的。

一些高等院校和企業開發了適用于不同專業、實現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中的應用。如能實現離心泵測定、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、大學物理仿真實驗、建筑工程仿真實訓系統等。在熱能與動力工程專業中有西安交通大學[1]開發的制冷過程多媒體演示與模擬教學實驗，浙江大學[2]開發的基于web的小型冷庫教學系統，東南大學[3]開發的制冷空調綜合創新模擬實驗平臺，長沙理工大學[4]開發的能夠實現二維穩態導熱、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虛擬實驗等。這些仿真實驗借助計算機仿真技術，通過聲音、動畫、彩色圖像等豐富的表現力為學生提供了內容豐富、形象直觀的學習環境，充分調動了學生的學習積極性，取得了較好的教學效果。

3 傳熱學仿真實驗

傳熱學實驗教學是熱能與動力工程專業的專業基礎課實驗教學，與傳熱學理論課程互為補充，是課堂理論教學的繼續和深化，對于培養學生的解決工程實際問題能力和研究開發能力具有重要的作用。在傳熱學教學中引入仿真實驗，是為了更好地完成大綱中規定而實際無條件實現的實驗項目和內容。以我校熱能與動力工程專業為例，目前本專業傳熱學實驗內容主要包括隔熱材料導熱系數測量（10臺）、外掠管束對流傳熱系數測量（2臺）、換熱器性能測試（3臺）等。實驗內容相對較少且實驗臺數量太少遠遠不能滿足實際需要，導致實驗過程中無法保證每個同學的實際動手操作。另外，因實驗設備使用過于頻繁導致其老化加快，實驗中就曾出現因設備部件故障而無法繼續實驗的情況，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，在不能保證足夠實驗設備數量前提下，借助計算機仿真實驗來輔助傳熱學實驗教學不僅能擴展本專業實驗教學內容，還能幫助學生深入了解實驗原理，保證實驗的順利進行。

3.1 傳熱學仿真實驗介紹

根據傳熱學實驗教學內容和目標，我們對現有的硬件實驗設備進行了綜合分析，確定了這些設備能夠開展的實驗內容，把無法開展的實驗內容用計算機仿真實驗來代替。為此，我們開發了一套傳熱學實驗仿真軟件，下面就此軟件進行介紹。

傳熱學實驗仿真軟件采用的開發工具為Visual Basic 6.0軟件，該軟件可以很方便地實現用戶界面、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、實驗裝置構成顯示、閥門開關與開度調節、數據讀取、數據處理、實驗幫助等功能，開發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聯式仿真實驗主界面。界面主要由標題欄、狀態條、實驗設備、操作按鈕組成。點擊操作按鈕可以實現加熱器的電壓調節，可以查看并學習實驗指導書的相關內容，還可以查看實驗過程中的換熱量和溫度參數的動態變化情況以及確定讀取實驗數據。

傳熱學實驗仿真軟件的功能是能實現圓球法測導熱系數實驗、二維導熱溫度場的數值計算、非穩態導熱溫度場的數值計算、水平圓管壁面自然對流傳熱關聯式實驗、中溫輻射物體黑度測試和換熱器性能測試實驗等6項實驗內容。與實驗室現有的硬件實驗教學設備形成互補后，基本上涵蓋了包括導熱、對流、輻射和換熱器在內的所有傳熱學實驗內容。

傳熱學實驗仿真軟件采用模塊化建模，開發過程中，將每部分實驗內容作為一個單獨模塊。每個模塊中除了包括實驗臺系統動畫圖形外，還包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據處理方法和思考題等內容。開發過程中采用了動態模擬技術，實驗過程中的實驗參數可以實現動態即時顯示，使模擬實驗更貼近于實際情形，學生可根據參數的動態變化隨時了解實驗進行情況并判斷數據讀取的時機。由于該仿真軟件詳細地介紹了每個實驗的原理、內容、操作步驟、數據處理等內容，所以它也可作為傳熱學實驗的系統學習工具使用。

3.2 仿真實驗教學效果

通過使用該傳熱學實驗仿真軟件，取得了較好的實驗教學效果。首先，該傳熱學實驗仿真軟件能夠實現因缺少相關實驗室硬件而無法進行的實驗項目，完成了傳熱學實驗教學大綱規定的教學內容。學生使用后，加深了對數值計算、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容的理解，豐富了學生的傳熱學實驗實踐，實現了學生對傳熱學知識的全面學習和理解。

其次，由于實驗形式新穎，加上界面設計友好，學生學習興趣較高，實驗后普遍反映對所進行的實驗尤其是原理和數據處理等相關內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教學平臺上進行操作，學生實驗時不受實驗時間和空間限制，也可多次進行，使用起來相當方便，效果較好。

為了取得更好的教學效果，未來將在該傳熱學實驗仿真軟件中進一步增加測試與評分模塊，實現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模擬內容，使其更喜迎并方便用戶使用。

4 結論

針對現有實驗教學中存在的問題，本文探討了計算機仿真在實驗教學中的應用，分析了仿真實驗的優點。對我們開發的一套傳熱學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效果。

參考文獻

[1] 晏剛，吳業正，厲彥忠，等.發揮實驗室優勢，完善實踐教學改革[C].2004年制冷會議論文集，2004：135-137.

[2] 張華，劉楚蕓，王勤.基于web的小型冷庫教學系統的設計與開發[C].2004年制冷會議論文集，2004：142-144.

[3] 張小松，蔡亮，李舒宏，等.建立多功能開放實驗臺，培養學生創新科研能力[C].2004年制冷會議論文集，2004：148-153.

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

①基金項目：煙臺大學教學改革與研究項目（編號：C080）；

煙臺大學教學改革與研究項目（編號：B029）。