流体力学课程虚拟仿真教学资源库平台开发

刘雪岭 王悦

摘 要：流体力学是一门工科专业基础课程，其理论性强、概念抽象的特征在常规的理论与实验教学中，是学生普遍反映难懂、难学的课程之一。流体力学虚拟仿真资源库平台是对抽象复杂的理论和实验知识的验证和演示，有利于快速加深学生对复杂的理论知识的理解。同时，虚拟仿真资源库也是对当前理论教学的补充、实验教学的拓展，它实现对学生知识与能力、理论和实践的有机结合，并培养学生的严谨求实的科学态度。

关键词：流体力学；虚拟仿真教学；资源库；平台开发

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

流体力学课程是热能与动力工程以及相近专业（土木工程、环境工程、安全工程等）的一门重要专业基础课。作为力学分支的学科，它具有抽象概念多、涉及面广、公式较多、数学与物理知识面要求较高、应用范围广等特点。在大学教学工作中，特别是一些理论性很强、概念较为抽象的力学课程，适当采用现代教学手段对其教学起到了很大帮助。当前流体力学课程普遍教学现状及其缺点。由于大学工科课程教学的最终目的是为了让学生能学以致用，而这可说是当前高等教育普遍存在的弱点。调研问卷[1]显示，超过 50% 的高校认为当前虚拟仿真教学资源的主要来源是“市场购买”。从首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心的资源统计数据来看，各高校自行研发，具有自主知识产权的虚拟仿真教学资源相对较少，大量资源属于市场购置的商业软件，而其中多数都有使用授权数量的限制。虽然目前如清华大学、北京大学、西安交通大学等设计制作了相关教学课件、动画，但由于不同院校专业方向不同，侧重点也不尽相同。尤其是针对不同大学本科专业设置不同，需要有针对性的开发出符合其自身特点的可视化虛拟仿真教学资源。

一、虚拟仿真教学资源库平台设计原则

虚拟仿真教学资源库平台建立的关键是采用虚拟仿真现实、三维动画与演示、人机交互、数据库等技术。根据理论与实验教学的需求设计出用于辅助教学的虚拟场景、虚拟环境、虚拟仪器设备、实验线路或回路、实验器件及构件库、演示和判别理论和实验过程及标准等内容，运用不同的软件设计应用技术，依托平台以及学科属性，并可针对不同专业进行设计和拓展的教学资源库平台[2-4]。为保证教学效果，虚拟仿真教学资源库平台设计原则应遵循以下原则：

1.规范性。虚拟仿真教学资源库平台首先需要紧紧围绕本科专业教学大纲设计，并严格服务于教学大纲内容范畴。在此基础上，充分考虑到各种工程实例，进而拓展和加深知识点的应用。

2.先进性。系统的设计采用基于C/S编程系统架构平台，学生可使用客户端登录并学习相关内容，服务器端数据库可记录学生登录、学习内容、进度等详细信息；虚拟仿真资源库以二维、三维建模，并形成动态可视化、可控性仿真虚拟界面。开发集仿真教学管理、学生学习管理、学生学习考核等功能于一体的虚拟仿真教学资源库平台。

3.扩展性。针对不同专业流体力学教学内容的侧重点与差异性，虚拟仿真资源库的模型库自成体系，并单独建立模块，可在后继升级开发中不断补充新的模型。同时，教师在后台管理模块中根据实际教学内容，指定流体力学教学内容的相关虚拟仿真教学资源库内容，直接管理学生客户端相应的可视教学资源库的范围。

二、虚拟仿真教学资源库平台框架

虚拟仿真教学资源库平台基本支撑框架，是针对流体力学理论与实验教学内容，运用多种软件设计平台，其中在理论教学内容中，分别建立知识点模型库、流体仿真动画演示库及虚拟交互教学平台；而在实验教学内容中，分别建立数值模拟模型库、数值模拟知识点算例库、工程实例案例库、流体力学实验模拟演示库及相应的虚拟交互教学平台。

三、虚拟仿真教学资源库平台设计

虚拟仿真教学资源库平台设计方案如图1所示，在内容上紧紧围绕着本科生流体力学理论与实验教学大纲，并适当拓展工程实例。平台设计在完成首期建设后，通过不同工科专业学生的实践教学，在同行教师及学生的反馈与建议下，可随时强化、补充和丰富虚拟仿真环节和资源库模型库等内容。

四、虚拟仿真教学资源库平台实例

（一）虚拟仿真理论教学实例

在理论教学流体运动学的流体微团运动分析中，由于涉及到流体微团变形与旋转，一般教材以图2（c）为例进行文字分析：在t和dt时刻微团的A点不变，微团由ABCD变成AB′C′D′的过程看作由纯转动和纯角变形两部分的合成，即平面ABCD绕A点转动了dθ角变成AB"C"D"后，又因角度变形了2dγ而最终变成AB′C′D′。由几何关系得出：dα=dγ+dθ和dβ=dγ-dθ，两式相加，得到dt内微团的角变形量dα+dβ=2dγ，从而推导得出微团在平面上的角变形速度：

虚拟仿真教学资源库平台实例中流体微团变形与旋转过程，将文字分析转化成虚拟仿真动画过程，分别演示纯转动和纯角变形两部分动画。在最终变形结果完成后，提示dθ、dγ、dβ的几何关系，将理论教学流体运动学的流体微团运动分析理论通过整个虚拟仿真动画过程，使学生快速理解和掌握流体微团运动的理论推导。

（二）虚拟仿真实验教学实例

以虚拟仿真流体力学雷诺实验教学为例，虚拟实验由实验装置浏览、实验项目操作演示和实验项目虚拟仿真等内容组成。其中实验装置浏览部分利用 3Ds Max 三维动画软件制作完成，虚拟仿真实验装置以三維动画方式，详细介绍装置构成及控制过程。在实验仿真过程阶段，分别制作三组不同水位控制挡板H1、H2、H3，而形成的实验观察管段的层流、过渡流、紊流三种流型动画。并通过人机交互式控制仿真装置模拟进行实验的浏览和再现， 给学生以一种身临其境的视觉效果。

五、结束语

《流体力学》虚拟仿真资源库平台（交互式教学平台），是对抽象复杂的理论和实验知识的验证和演示，有利于快速加深学生对复杂的理论知识的理解。同时，虚拟仿真资源库也是对当前理论教学的补充、实验教学的拓展，它实现对学生知识与能力、理论和实践的有机结合，并培养学生的严谨求实的科学态度。无论是对提高教学质量和教学效果，激发学生的学习积极性，还是学生未来工程技术应用的提升，均具有现实意义。

参考文献

[1]胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J]. 实验室研究与探索，2015，34（2）：140-144.

[2]王行仁.建模与仿真技术的发展和应用[J].机械制造与自动化，2010， 39（1）：1-6，45.

[3]于海明，谢秋菊，杜雪亭，等. 基于网络的《流体力学》虚拟仿真实验室的设计[J].牡丹江师范学院学报，2009，67（2）：23-24.

[4]谢翠丽，倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入 CFD 教学的探讨[J].力学与实践，2013，35（3）：91-93.