基于虚拟仿真平台的能源动力类本、研一体化实验教学与管理实践

翟 明，姜宝成，宋彦萍，帅 永，温风波，曾令艳

（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

伴随节能减排国家战略的推进，能源动力类专业在国内高校中广泛开设（能源与动力工程专业开设数为216，飞行器动力工程专业开设数为11，核工程与核技术专业开设数为16），每年的毕业生数以万计。能源动力类实验室教学管理信息化、虚拟化将提升相关专业教学质量，从某种程度上讲对国民经济发展影响巨大。能源动力类实验在教学过程中以学生在教师指导下自主操作为主，这在培养学生仪器仪表使用能力、动手操作能力、工程实践能力等方面发挥了重要作用［1-4］，但是在实验教学过程中也逐步发现了实物实验教学中存在诸多问题，有些属于高污染，高危险，高成本的实物实验不宜为学生安排；有些物理现象及问题实验因素众多、机理复杂，实物实验不易找出相互之间的影响规律，比如：①经典的燃烧学实验以层流火焰实验为主，现代能源转换和动力装置的燃烧过程以湍流火焰为主，作用机理复杂，测量十分困难。实物实验只能开设稳态常规实验，湍流火焰特性与燃烧机理、大型电站锅炉炉内燃烧过程与机理、NOx 生成特性等相关问题的实验，影响因素众多复杂，实验工况不易稳定，变化快，难以调节。同时伴随高污染，高危险，高成本，且难以把握现象全貌，无法用实物实验为学生开设。②流体机械内部过流部件流动状态极其复杂，涉及三维流动问题；热力发动机、高超声速推进器设计涉及超高速、超高压问题；高速流动条件下膨胀波、激波、变截面管流和气流绕翼型流动等经典问题实验成本非常高；大型旋转设备内部三维流动问题、弯扭叶片对气流参数影响等也很难为本科生开出实验；同时，大型水轮发电机、热力发动机等设备也不适合开设实物装配实验。③传热学、流体力学等相关课程群常规条件下的实物实验内容已非常丰富，但是极端条件的一些多因素耦合作用下的热物理问题，还需要借助虚拟仿真实验来完成；模拟太空环境-真空环境太阳辐照复杂表面热辐射与导热的耦合问题，热辐射、对流、导热的耦合问题，微尺度条件下流动与换热问题，高温设备的3D温度场、速度场及热流场目前无法直接测量，实物实验不易开出。④核工程与核技术专业涉及反应堆物理及核技术应用方面的实验含有放射源，具有强放射性和高危险性；核反应堆系统具有高度复杂性和系统集成性，涉及多个关键过程的耦合，实物实验只能通过虚拟仿真实验复现包括堆内和堆外事故过程序列。

随着科学的发展，能源动力类学科专业知识的科学问题越来越难以用简单的科学实验来表现，计算机仿真与网络信息技术的发展为相关问题的表述提供了新的方法与手段［5-6］。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的应用给工业界带来了革命性的变化，如在汽车工业中，利用CFD 和其他计算机辅助工程（CAE）工具，使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的十几辆车；国外飞机厂商用CFD取代大量实物试验，如美国战斗机YF-23 采用CFD进行气动设计后，比前一代YF-17 减少了60%的风洞试验量。目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。通过实验室教学管理信息化、虚拟化，可以整合现有及长期积累的科研与教学成果、知识产权及软件资源，将学科科研资源转化为虚拟实验教学内容。以自主开发为主，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，完成能源动力类实验室教学管理信息化、虚拟化建设。针对能源动力类专业学生开设高危险性的涉及核放射性类实验、大型热设备内部热-流-固耦合作用虚拟仿真实验，高超速、高真空等极端条件下的热科学实验等，满足不同地区、不同高校、不同专业方向的培养目标，为培养具备创新能力和实践能力的高素质、复合型人才奠定基础，为学科发展提供基础服务条件［7-8］。

以我校“十三五”本科教育改革与发展规划纲要为契机，以本科生、研究生教学实验室一体化建设的发展规划为依据，着重探究了如何以能源动力相关课程群和应用型研究生培养基地为基础，建立基于虚拟仿真平台的能源动力类本、研一体化实验教学与管理系统。从本科生到研究生阶段，加速培养学生的自主性学习、探索性学习和研究性学习的能力，将从根本上改变实践教学依附于理论教学的传统观念，形成理论教学与实验教学统筹协调的理念和氛围。将先进的教育理念和教学指导思想贯彻到相关实验教学工作中，能够实现从本科到研究生的理论教学与实践教学一体化，进而构建实物实验与虚拟实验相结合，多层次、多模块和相互衔接的科学的实验教学体系。实践证明，在实验内容、实验方法、实验设备和实验技术等方面紧跟学科发展，不断提高和完善，对提高学生素质，促进学习能力、实践能力和创新能力有着至关重要的作用。

1 国内外实验教学管理信息化、虚拟化现状分析

关于实验管理、教学、科研信息化、虚拟化的相关理念，最早是由美国弗吉尼亚大学William Wolf 教授［9］于1989 年首先提出的。所谓虚拟实验室（Virtual Laboratory，VL）的概念，初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器，并能交流思想和进行远程科研合作。近年来又发展起来一项新技术—虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language），其目的是在计算机上创建一个三维视觉、听觉和触觉环境［10］。人机交互手段使参与者能够对虚拟环境进行实时操纵，并能从虚拟环境中得到反馈信息，也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。目前，网络平台实验教学系统在发达国家已十分普及。例如，美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验。美国约翰霍普金斯大学教育资源中心发起的基于Java技术的虚拟物理实验室，学生通过调节实验参数来观察各种实验现象和实验结果。德国的汉诺威大学建立了网络自动化工作平台，意大利帕瓦多大学建立了远程教育实验室，新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验等［11］。除此之外，国外一些专家、学者将自己的实验教学、科研成果在某些公共网络、视频平台（如YouTube 等）公开共享，供全球的学生、学者浏览、学习或讨论。我国网络实验教学系统的研究起步较晚，但是发展速度较快。根据从网上可查到的信息和各院校开放的对外服务看，国内部分大学已陆续建立了实验教学、预约系统。例如：清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机检测系统；复旦大学、上海交通大学、暨南大学等一批高校，也开发了虚拟仪器系统用于教学和科研［12-14］。

从目前国内外有关实验教学管理的应用和发展来看，实验教学管理信息化、虚拟化还处在起步阶段，还存在着很多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍，且实验教学管理信息化、虚拟化只是某方面的部分应用或只是一些最基本、最简单的初期应用。另外，信息化时代，学生很容易接触海量资源、信息，但是学生理解和掌握各种信息的深度及效率却并未因此而提高，相反，这些信息却在干扰和考验着学生对信息的筛选，因此，实验教学管理建设并不应将各种资源进行简单的堆砌，而应有系统地建立和筛选那些易于学生理解和掌握，能够启发学生思维，让学生能分层次和个性化发展的优秀资源。虽然实验教学管理信息化、虚拟化发展时间很短，目前的研究还存在很多不足，但是其作为实验室管理、教学的重要组成部分极具发展潜力。

2 平台建设

2.1 构建本、研一体化多层次实验教学体系

我院动力工程及工程热物理学科为研究生开设5门学科基础课（高等流体力学、高等工程热力学、高等传热学、高等燃烧学、高等空气动力学），相对应于能源动力类大类专业为本科生开设5 门专业基础课（工程流体力学、工程热力学、传热学、燃烧学、空气动力学），根据学科研究培养研究生需要及大类专业本科生培养需要，统一规划研究生、本科生一体化实验教学体系。规划建设中的研究生学科基础平台课系列实验包括5 门课程15 项实验，动力工程及工程热物理学科研究生开设16 学时实验，实验学时分配到动力工程及工程热物理5 门学科基础课程中，构建5 个本、研一体化课程教学模块。研究生层次实验借助学科科研实验平台中的先进测量仪器，对经典热科学规律进行测量。

围绕本、研一体化燃烧学课程群实验教学模块，建设大型电站锅炉炉内燃烧过程虚拟仿真实验；围绕本、研一体化空气动力学课程群，建设高超速流动及汽轮机、燃气轮机等转动设备内部流动控制虚拟仿真实验，实验项目具有网络化功能，学生借助计算机实现远程上网进行实验。

2.2 搭建本、研一体化开放式虚拟仿真实验室教学管理和共享平台

以实验课程管理、习题安排以及知识点测试为一体，学生、教师、教务人员可通过浏览器参与实验教学（见图1）。满足开设具有独立学分的虚拟实验课程；为教师提供网上布置安排预习、实验和报告等教学环节，系统提供智能指导、自动批改和一键式成绩分析汇总；为学生在网上提供选择开课、选择实验，进行实验相关的基础知识测试，在系统智能指导下进行验证性实验，利用系统提供的虚拟设备和器材完成自主设计实验以及填写实验报告的功能；供教师设计实验并补充、完善、共享实验库；支持“虚拟实验+实物实验”融合的教学模式并提供一体化的教学过程管理。学生在理论学习之后利用虚拟实验进行实验预习、操作训练，然后再进入实验室现场进行实验。管理人员、教师和学生通过学校教务系统认证后可直接进入本系统完成相应课程的实验教学任务；支持学生实验报告网上撰写、提交和教师实验报告辅助自动批改功能；支持学生网上自主选课和课内自主选择实验；为学校现有网上课程提供引入式虚拟实验台，供学生在网上自学过程中进行典型虚拟实验场景下的实验操作；为学校管理人员查看实验教学过程提供学生实验的安排情况、实验结果及实验报告的提交情况，教师指导和批改的情况，学生的问题和反馈意见；提供多媒体答疑室功能、实时交流、问题库搜索、在线留言、短信通知等。

图1 本、研一体化开放式虚拟仿真实验室教学管理和共享平台功能

2.3 推动现有科研软件向虚拟实验教学软件的转化

以弯扭叶片三维造型及流场分析虚拟实验、火电厂燃煤锅炉炉内流动及燃烧特性的虚拟实验为例。

弯扭叶片三维造型及流场分析及航空发动机和燃气轮机虚拟仿真实验（见图2），是让学生通过虚拟实验直观观察空气动力学经典现象，包括不同雷诺数条件下的圆柱扰流问题、变冲角下的翼型流动及升力特性研究、斜激波的产生和传播、不同压比条件下的拉伐尔喷管流动等，从而克服空气动力学基础理论相对抽象导致学生比较难理解的问题。从基础理论、设计研发、结构装配等多层面为学生开展热力发动机相关虚拟实验，以便使学生系统地认识热力发动机工作原理、结构及典型的设计和研发问题。

图2 弯扭叶片三维造型及流场分析及航空发动机和燃气轮机虚拟仿真实验平台架构

火电厂燃煤锅炉炉内流动及燃烧特性虚拟实验（见图3），是让学生利用Gambit、Icem 等建模软件对典型火电站锅炉进行建模，以掌握火电站锅炉整体结构、燃烧器结构受热面布置等基本知识；利用Fluent计算仿真软件进行典型火电站锅炉内燃烧特性的计算，学生掌握炉内的温度分布、煤粉颗粒的运行轨迹、烟气组分分布、结渣和高温腐蚀等实际情况；通过虚拟实验并全面体会锅炉整体结构、燃烧器喷口结构、燃烧器喷口位置、风率配比、煤粉细度等、受热面布置等因素对流动、燃烧及污染物排放特性的影响。

图3 燃烧器煤粉燃烧特性虚拟实验

3 提供的质量保障

3.1 在教学理念上保证实验教学中心的重要地位

坚持“厚基础、强实践、重能力、求创新”的办学传统与特色，强化德智体美全面发展，以德为先、立德树人的教育理念，以培育信念执着、品德优良、知识丰富、本领过硬，具有国际视野和领军才能的拔尖创新人才为己任，注重将苏联时期“重专业、强实践”与欧美“重创新、个性化”的教育模式相结合，坚持通识教育与专业教育相结合、目标管理与过程管理相结合、课内学习与课外实践相结合、课堂教育与网络教育相结合、校园教育与校企合作相结合、校内教育与国际教育相结合的原则，努力培养具有国际竞争力的一流高素质本科毕业生，打造具有国际影响力的教育品牌。

3.2 在顶层设计上保证实验教学中心的重要地位

全面推进素质教育，以培养学生的创新精神和实践能力为重点，为国家工业化、信息化、国防现代化建设培养和造就高素质复合型人才，为和谐社会建设提供人才支持和知识贡献。

3.3 在政策制定上保证实验教学中心的良性运行

开展更大范围、更深层次的教学改革探索与实践，创建面向21 世纪的现代化教学体系，使高质量和创新能力强成为铭牌。利用卓越工程师计划、专业综合改革试点项目进行探索改革。根据学校的有关要求，能源动力实验教学中心结合自身实际，制定了一系列个性化的实验教学规范要求和实验教学管理办法，为能源动力实验教学中心的制度化管理和规范化运行提供了保障。

4 取得的管理实践成效

开发了虚拟实验教学软件（弯扭叶片虚拟实验三维弯扭叶片成形系统、三维流场计算及分析平台、冷却叶片内部冷却结构建模、锅炉几何参数化造型、锅炉煤粉燃烧及污染物排放特性计算程序及计算网格自动生成平台），整合了硬件资源，采购了相关设备及软件，重新规划了虚拟仿真管理、虚拟化的实验，开设了直叶片流场分析、弯叶片三维生成及流场分析、扭叶片三维生成及流场分析、弯扭综合流型分析、旋流煤粉燃烧技术锅炉燃烧特性等系列化虚拟实验课程，培养了学生创新能力，拓展了学生参与科技创新的范围。

2016 年以来，实验教学中心教师承担各类教学改革项目8 项，包括省级示范性虚拟仿真实验教学项目1 项，省部级教育教学改革研究项目5 项，申报国家级虚拟仿真实验教学项目1 项。发表教学论文3 篇，获软件著作权8 项。

5 对未来发展的几点建议

（1）创建大空间VR虚拟仿真实验室。随着虚拟现实技术的发展，未来的虚拟仿真实验室将满足多人同时沉浸在虚拟空间中，每个人都有第一视角的真三维环境，可以随意跟虚拟仿真场景交互，实现大型仪器、器械操作，程序化的教学［15-16］。虚拟仿真实验室系统具备动作捕捉相机、数据交换机、服务器、工作站、无线路由器、VR头盔、同步播放LED屏、虚幻引擎、背包电脑等设施。因此，建议加大虚拟仿真实验室投入，不断完善设备和技术更新。

（2）采用分布式与研讨型教学相结合的虚拟仿真实验教学模式。采用先进的方式，提供全新的教学环境来设计教学活动已成为当前教育的趋势所在。分布式教学让每个学生均等、自主的学习，而研讨型教学让学生与教师深入互动，更容易领会和接受所学知识。因此，建议在分布式虚拟仿真实验系统的基础上建立研讨型多人交互的虚拟仿真实验室，即采用分布式与研讨型教学相结合的虚拟仿真实验教学模式。

（3）实现从实到虚再从虚到实的实验教学体验。国家对于虚拟仿真实验建设的基本原则是：“虚实结合，相互补充，能实不虚”。为了实现虚实的统一，建议借助3D扫描技术实现实物的虚拟化，即数字化，再通过计算机虚拟仿真进行结构优化、参数优化、性能仿真，最后利用3D 打印技术等，再将其实物化，完成产品设计、性能改良，让学生理论联系实际体验完整的虚实结合的实验过程。

6 结 语

我校作为国家“985”建设及“双一流”建设的重点大学，担负着面向国家与社会发展的重要需求，承担着培养“研究型、个性化、精英式”具有国际竞争力的高素质工程领军人才及科技创新拔尖人才的艰巨任务。面对新形势，研究探索了建立能源动力大类专业本、研一体化实验室运行管理机制，充分利用科研资源将其转化为创新教学内容，针对实物实验难以完成的内容，开发虚拟仿真实验教学项目，教学过程虚实结合、优势互补，提高了教学效果。

致谢 感谢哈尔滨工业大学能源动力实验教学中心刘彬、黄怡珉两位老师在虚拟仿真平台教学管理方面的帮助与支持！