流體力學管道損失裝置虛擬實驗平臺教學改革研究*

李超凡 劉穎杰 才曜愷 曹澤翰 羅彬峰

1 遼寧科技大學材料與冶金學院 遼寧鞍山 114000 2 遼寧科技大學計算機與軟件工程學院 遼寧鞍山 114000

0 引言

工程流體力學作為高校內許多工程類專業必修的一門專業基礎課，研究流體的宏觀運動規律，實驗教學是該課程教學過程中重要的一環，通過觀察實驗過程、測試整理實驗數據等印證課本知識，提升學生實驗動手能力，將知識立體化、真實化[1]。其中，管道損失實驗是工程流體力學課程中必不可少的一門專業實驗；管道阻力損失的測定為綜合性實驗，實驗裝置由H16管道壓力損失實驗系統與數字液壓工作臺共同構成，可以通過實驗測量的手段計算管道的摩擦阻力系數和閥門彎頭等局部管件的阻力系數等，整理實驗結果，將得到的布拉修斯摩擦因子與理論值進行對比。但是由于實驗室設備數量和場地的限制，以及實驗時間等現實性因素影響，導致僅依靠現場實驗教學無法滿足實際的要求，也無法滿足學生自主創新實驗的需求。

虛擬實驗平臺作為新興的實驗教學手段之一，其技術與互聯網發展緊密結合。將實驗設備電子化，將實驗教學遠程化，不僅有效地解決了實驗資源和場地受限的問題，而且能夠與現場實驗相結合，豐富完善了實驗預習環節，提高了現場實驗的效率和效果，實現了實驗手段的多樣性，優化了學生和教師的教學資源[2]。

1 流體力學管道損失實驗虛擬實驗平臺建立的必要性

1.1 主要實驗內容及任務

流體力學管道損失實驗基于不可壓縮的實際流體在管道中作等溫流動時遵守能量守恒定律——伯努利方程，在a、b兩斷面間流體的伯努利方程為：

其中hz為總阻力損失[m]。

兩斷面位置高度相等時，

H16管道壓力損失實驗系統與TecQuipment的數字液壓工作臺是流體力學實驗教學中的常用裝置，學生通過數字液壓工作臺進行流量測量，等待水流穩定時測讀分次深色和淺色管線各個組件測壓管（表）液位差或讀數，再調整閘門閥開度，測量每個新工況下相應參數。

1.2 虛擬實驗平臺的優勢

在實驗設備裝置正常運行、工況理想的條件下，實驗可以滿足教學需求。但是實際實驗中存在一定的不確定性，對實驗數據測量計算造成影響，虛擬實驗平臺的優勢可以一定程度彌補實際實驗所造成的影響[3-4]。

1.2.1 考慮不可控的客觀因素，實驗結果更具參考性

在實驗過程中，許多客觀因素會影響實驗結果，進而導致實驗所得數據與計算理想結果相差頗多。

1）水溫不定，導致水的運動黏性不同，無法達到恒溫下實驗的條件，進而導致實驗數據出現偏差。

2）使用過程中水流不斷沖刷，導致管道內表面各處的粗糙程度不定，水流速度會受到影響。

3）由于設備老化，管道連接處存在空隙，空氣進入形成氣泡氣柱，同時，會有水從空隙處滴落。

虛擬實驗平臺在搭建中考慮到這些不可控的客觀因素，使實驗結果更具有參考性。

1.2.2 滿足學生的學習需求

1）受設備數量限制，實驗室只能容納至多五名學生于規定時間和地點進行實驗，但是虛擬實驗平臺并不受地域和人數框架約束，可以隨時隨地進行實驗。在特殊時期，虛擬實驗平臺可以實現在線教學和遠程實驗。

2）在日常的實驗教學中，虛擬實驗可作為必要的實驗預習環節，使學生更形象地了解實驗過程和本質，很大程度避免了學生在實驗過程中出現面對設備手足無措的情況，同時，減少教師實驗講解時間占比，將更多的課堂時間交還給學生，讓學生都可以自主動手操作，提高實驗教學質量。

3）虛擬實驗可多次重復性進行，便于學生課后復習消化。虛擬實驗平臺相較于實際實驗設備更加節約，能源消耗相對較小，學生可以多次實驗以驗證數據的正確性。

4）平臺可操作性強，學生可以自主創新實驗。H16管道壓力損失實驗系統有兩個獨立循環，構成循環的管道可拆卸，配備多直徑管道以便實驗數據對比。在日常的實驗教學中，由于學生能力受限，無法獨自完成組裝，甚至可能會對設備造成不可逆的傷害。虛擬實驗平臺能夠規避此類風險，讓學生自主定義水流、管道、溫度等實驗成分，最大限度激發學生自主探究創新能力。

1.2.3 豐富教師教育資源

1）在日常教學中，實驗教師僅負責實驗教學，而實驗在教學占比較低，實驗教師在學生管理方面存在一定的障礙，虛擬實驗平臺可以幫助實驗教師對班級進行管理。

2）虛擬實驗平臺支持教師隨時查看后臺數據，學生在線完成數據處理、思考題和實驗報告，教師可以查看學生完成度，及時導出實驗成績，操作簡單，可以進行規范化成績管理，避免出現抄襲現象，有助于教師對于學生知識掌握的確認。

3）虛擬實驗平臺可以運用到授課中，使學生對理論知識有更形象生動的理解，而不是囿于課本、紙上談兵，教師授課資源也會更加豐富[5]。

基于以上原因，搭建流體力學管道損失裝置虛擬實驗平臺十分必要。

2 流體力學管道損失裝置虛擬實驗建設

2.1 實驗板塊設計

本項目研究的虛擬實驗包括的功能如圖1所示，主要分為5大板塊，各部分主要實現的功能如下。

圖1 虛擬實驗平臺板塊設計

2.1.1 用戶板塊

1）管理員。管理員擁有最高權限，可以在后臺對教師和學生的所有權限進行刪改，確保整個平臺的正常運營。

2）教師端。教師端先注冊組建班級，同時生成班級邀請碼，以便學生進入所屬班級，教師可以通過平臺對學生進行管理，添加/刪減班級成員，上傳預習作業、實驗相關信息等資料，實時查看學生實驗狀態，并在問答區做出專屬指導，隨時查閱學生實驗報告，針對報告存在問題進行指正。

3）學生端。學生通過教師下發的邀請碼，注冊登錄進入班級，再選擇設備頁面確認實驗類型，跟隨教師的要求進行學習。學生可以通過平臺觀看實驗學習視頻、閱讀相關資料、根據預習內容在虛擬設備上進行實驗、在問答區實時與教師進行交流、獲取專屬的實驗報告。

2.1.2 虛擬實驗板塊

1）實驗學習平臺。在學生操作設備前，設置關于實驗的學習視頻、相關資料等任務點，涵蓋與實驗有關的所有理論知識體系和實驗操作要求，幫助學生更好地對實驗進行了解，以免出現操作失誤導致實驗數據出現問題的情況，該板塊可由教師隨時上傳、更改、修正。

2）實驗設備。設備包含閥門類（閘門閥和球形閥）、管道類（各半徑尺寸直管、彎管、突擴和突縮管件、測壓管）、儀表類（測壓表、計時器），將實際設備還原到虛擬實驗平臺上，同時相較于實際設備，增添更多選擇，如水溫調節、各種尺寸管道等。

3）實驗報告。學生完成實驗后，系統會根據預習任務點、實驗完成度、課后測試題進行匯總生成專屬每個學生的報告，報告內容包括閥門阻力系數記錄與計算表格、直管段測量與計算表格、兩種不同類型閥門開度與阻力系數之間的變化關系曲線圖、學生實驗過程中向老師詢問的問題及解答、學生實驗中的失誤點、測試問題及答案等。報告內容學生不可更改，只能由教師進行修正。

2.1.3 用戶交流板塊

用戶交流板塊設置分為公共問答區和私密提問區，公共問答區中，班級內部成員都可發言，向教師詢問實驗相關問題，同時，為了學生更有針對性地對自己的實驗內容進行詢問，教師實時根據學生實驗狀況進行指導，特設私密提問區以供教師和學生單獨交流，可以防止過多學生在公共區域進行發言導致信息不斷累加被覆蓋。

平臺會設置一些有關實驗的基本問題作為自動回答，教師可以隨時更改、增添這類基本問題的設定和解答，節約教師時間。

2.1.4 試題庫板塊

該板塊錄入本實驗相關試題與理論知識，作為檢驗學生學習成果的一大環節，其中設置隨機選擇題、判斷題和簡答題，還會對實驗相關的理論知識進行挖空提問，平臺會為學生的答題狀況進行打分，教師也可實時查看學生答題狀況。平臺打分時會額外參考學生針對該題目的思考時間，如果時間超過10分鐘，扣10%的分數，每5分鐘累加扣分數，并且會在報告測試板塊特殊標注，以供學生復習思考。答題結束后，平臺會根據錯題進行分析，引導學生針對錯題反思相對應的理論知識或實驗要求。

2.1.5 自主學習板塊

自主學習板塊是為學有余力的學生開設，在實驗報告獲得教師批準通過后，學生即可解鎖該板塊，學生可改變更多設置，多次多方式驗證課堂教學所得，同時，學生可以發散思維，培養鍛煉自主創新能力。

2.2 虛擬實驗操作過程

教師通過邀請碼導入本班學生，并布置預習作業。

1）學生進入頁面后，根據頁面引導，通過觀看視頻、閱讀說明書簡單了解實驗過程。

2）預習完成后，學生即可通過操縱虛擬實驗裝置來驗證預習成果。教師可以登錄教師端來查看學生學習進度，學生可隨時向教師提出問題。

3）學生完成虛擬實驗后，進入測試環節，根據實驗內容進行提問，測試環節為打分制，分值過低則需要重新觀看視頻學習。

4）測試通過后，平臺自動生成實驗報告，學生可以下載打印，等到線下實驗時可以與實驗數據進行對比。教師可隨時查看學生具體實驗報告內容，并可以在教學時更有針對性地進行教導。

3 虛擬實驗平臺的試運行及在實驗教學中的應用效果

本虛擬實驗平臺于2022年4月投入使用，面向對象主要為能源與動力工程系的學生，目前已使用超過300次，出具報告273張，根據教師與學生反饋，及時對平臺進行修整。

在該虛擬實驗平臺的適用期間，激發了學生對實驗的積極性，豐富了現場實驗前的預習手段，在線上網課期間，也很好地發揮了線上虛擬實驗的作用。

4 結束語

互聯網快速發展，虛擬實驗平臺應運而生。虛擬實驗平臺將課堂交還給學生，切實解決實驗教學出現的種種問題，提升學生實驗學習質量，不僅能夠教會學生實驗操作，還能夠提高學生自主創新實驗的能力。管道損失裝置虛擬實驗平臺將工程流體力學與計算機結合起來，通過不斷的技術革新和問題修補來逐漸增強平臺的實用性，大多流體力學實驗對于條件要求都較為苛刻，日常實驗室無法滿足流體力學的實驗條件，在之后的研發中，更多流體力學虛擬實驗將被開發產出，以更好地服務教師和學生。