流體力學課程虛擬仿真教學資源庫平臺開發

劉雪嶺 王悅

摘 要：流體力學是一門工科專業基礎課程，其理論性強、概念抽象的特征在常規的理論與實驗教學中，是學生普遍反映難懂、難學的課程之一。流體力學虛擬仿真資源庫平臺是對抽象復雜的理論和實驗知識的驗證和演示，有利于快速加深學生對復雜的理論知識的理解。同時，虛擬仿真資源庫也是對當前理論教學的補充、實驗教學的拓展，它實現對學生知識與能力、理論和實踐的有機結合，并培養學生的嚴謹求實的科學態度。

關鍵詞：流體力學；虛擬仿真教學；資源庫；平臺開發

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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

流體力學課程是熱能與動力工程以及相近專業（土木工程、環境工程、安全工程等）的一門重要專業基礎課。作為力學分支的學科，它具有抽象概念多、涉及面廣、公式較多、數學與物理知識面要求較高、應用范圍廣等特點。在大學教學工作中，特別是一些理論性很強、概念較為抽象的力學課程，適當采用現代教學手段對其教學起到了很大幫助。當前流體力學課程普遍教學現狀及其缺點。由于大學工科課程教學的最終目的是為了讓學生能學以致用，而這可說是當前高等教育普遍存在的弱點。調研問卷[1]顯示，超過 50% 的高校認為當前虛擬仿真教學資源的主要來源是“市場購買”。從首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的資源統計數據來看，各高校自行研發，具有自主知識產權的虛擬仿真教學資源相對較少，大量資源屬于市場購置的商業軟件，而其中多數都有使用授權數量的限制。雖然目前如清華大學、北京大學、西安交通大學等設計制作了相關教學課件、動畫，但由于不同院校專業方向不同，側重點也不盡相同。尤其是針對不同大學本科專業設置不同，需要有針對性的開發出符合其自身特點的可視化虛擬仿真教學資源。

一、虛擬仿真教學資源庫平臺設計原則

虛擬仿真教學資源庫平臺建立的關鍵是采用虛擬仿真現實、三維動畫與演示、人機交互、數據庫等技術。根據理論與實驗教學的需求設計出用于輔助教學的虛擬場景、虛擬環境、虛擬儀器設備、實驗線路或回路、實驗器件及構件庫、演示和判別理論和實驗過程及標準等內容，運用不同的軟件設計應用技術，依托平臺以及學科屬性，并可針對不同專業進行設計和拓展的教學資源庫平臺[2-4]。為保證教學效果，虛擬仿真教學資源庫平臺設計原則應遵循以下原則：

1.規范性。虛擬仿真教學資源庫平臺首先需要緊緊圍繞本科專業教學大綱設計，并嚴格服務于教學大綱內容范疇。在此基礎上，充分考慮到各種工程實例，進而拓展和加深知識點的應用。

2.先進性。系統的設計采用基于C/S編程系統架構平臺，學生可使用客戶端登錄并學習相關內容，服務器端數據庫可記錄學生登錄、學習內容、進度等詳細信息；虛擬仿真資源庫以二維、三維建模，并形成動態可視化、可控性仿真虛擬界面。開發集仿真教學管理、學生學習管理、學生學習考核等功能于一體的虛擬仿真教學資源庫平臺。

3.擴展性。針對不同專業流體力學教學內容的側重點與差異性，虛擬仿真資源庫的模型庫自成體系，并單獨建立模塊，可在后繼升級開發中不斷補充新的模型。同時，教師在后臺管理模塊中根據實際教學內容，指定流體力學教學內容的相關虛擬仿真教學資源庫內容，直接管理學生客戶端相應的可視教學資源庫的范圍。

二、虛擬仿真教學資源庫平臺框架

虛擬仿真教學資源庫平臺基本支撐框架，是針對流體力學理論與實驗教學內容，運用多種軟件設計平臺，其中在理論教學內容中，分別建立知識點模型庫、流體仿真動畫演示庫及虛擬交互教學平臺；而在實驗教學內容中，分別建立數值模擬模型庫、數值模擬知識點算例庫、工程實例案例庫、流體力學實驗模擬演示庫及相應的虛擬交互教學平臺。

三、虛擬仿真教學資源庫平臺設計

虛擬仿真教學資源庫平臺設計方案如圖1所示，在內容上緊緊圍繞著本科生流體力學理論與實驗教學大綱，并適當拓展工程實例。平臺設計在完成首期建設后，通過不同工科專業學生的實踐教學，在同行教師及學生的反饋與建議下，可隨時強化、補充和豐富虛擬仿真環節和資源庫模型庫等內容。

四、虛擬仿真教學資源庫平臺實例

（一）虛擬仿真理論教學實例

在理論教學流體運動學的流體微團運動分析中，由于涉及到流體微團變形與旋轉，一般教材以圖2（c）為例進行文字分析：在t和dt時刻微團的A點不變，微團由ABCD變成AB′C′D′的過程看作由純轉動和純角變形兩部分的合成，即平面ABCD繞A點轉動了dθ角變成AB"C"D"后，又因角度變形了2dγ而最終變成AB′C′D′。由幾何關系得出：dα=dγ+dθ和dβ=dγ-dθ，兩式相加，得到dt內微團的角變形量dα+dβ=2dγ，從而推導得出微團在平面上的角變形速度：

虛擬仿真教學資源庫平臺實例中流體微團變形與旋轉過程，將文字分析轉化成虛擬仿真動畫過程，分別演示純轉動和純角變形兩部分動畫。在最終變形結果完成后，提示dθ、dγ、dβ的幾何關系，將理論教學流體運動學的流體微團運動分析理論通過整個虛擬仿真動畫過程，使學生快速理解和掌握流體微團運動的理論推導。

（二）虛擬仿真實驗教學實例

以虛擬仿真流體力學雷諾實驗教學為例，虛擬實驗由實驗裝置瀏覽、實驗項目操作演示和實驗項目虛擬仿真等內容組成。其中實驗裝置瀏覽部分利用 3Ds Max 三維動畫軟件制作完成，虛擬仿真實驗裝置以三維動畫方式，詳細介紹裝置構成及控制過程。在實驗仿真過程階段，分別制作三組不同水位控制擋板H1、H2、H3，而形成的實驗觀察管段的層流、過渡流、紊流三種流型動畫。并通過人機交互式控制仿真裝置模擬進行實驗的瀏覽和再現， 給學生以一種身臨其境的視覺效果。

五、結束語

《流體力學》虛擬仿真資源庫平臺（交互式教學平臺），是對抽象復雜的理論和實驗知識的驗證和演示，有利于快速加深學生對復雜的理論知識的理解。同時，虛擬仿真資源庫也是對當前理論教學的補充、實驗教學的拓展，它實現對學生知識與能力、理論和實踐的有機結合，并培養學生的嚴謹求實的科學態度。無論是對提高教學質量和教學效果，激發學生的學習積極性，還是學生未來工程技術應用的提升，均具有現實意義。

參考文獻

[1]胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J]. 實驗室研究與探索，2015，34（2）：140-144.

[2]王行仁.建模與仿真技術的發展和應用[J].機械制造與自動化，2010， 39（1）：1-6，45.

[3]于海明，謝秋菊，杜雪亭，等. 基于網絡的《流體力學》虛擬仿真實驗室的設計[J].牡丹江師范學院學報，2009，67（2）：23-24.

[4]謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入 CFD 教學的探討[J].力學與實踐，2013，35（3）：91-93.