流体力学管道损失装置虚拟实验平台教学改革研究*

李超凡 刘颖杰 才曜恺 曹泽翰 罗彬峰

1 辽宁科技大学材料与冶金学院 辽宁鞍山 114000 2 辽宁科技大学计算机与软件工程学院 辽宁鞍山 114000

0 引言

工程流体力学作为高校内许多工程类专业必修的一门专业基础课，研究流体的宏观运动规律，实验教学是该课程教学过程中重要的一环，通过观察实验过程、测试整理实验数据等印证课本知识，提升学生实验动手能力，将知识立体化、真实化[1]。其中，管道损失实验是工程流体力学课程中必不可少的一门专业实验；管道阻力损失的测定为综合性实验，实验装置由H16管道压力损失实验系统与数字液压工作台共同构成，可以通过实验测量的手段计算管道的摩擦阻力系数和阀门弯头等局部管件的阻力系数等，整理实验结果，将得到的布拉修斯摩擦因子与理论值进行对比。但是由于实验室设备数量和场地的限制，以及实验时间等现实性因素影响，导致仅依靠现场实验教学无法满足实际的要求，也无法满足学生自主创新实验的需求。

虚拟实验平台作为新兴的实验教学手段之一，其技术与互联网发展紧密结合。将实验设备电子化，将实验教学远程化，不仅有效地解决了实验资源和场地受限的问题，而且能够与现场实验相结合，丰富完善了实验预习环节，提高了现场实验的效率和效果，实现了实验手段的多样性，优化了学生和教师的教学资源[2]。

1 流体力学管道损失实验虚拟实验平台建立的必要性

1.1 主要实验内容及任务

流体力学管道损失实验基于不可压缩的实际流体在管道中作等温流动时遵守能量守恒定律——伯努利方程，在a、b两断面间流体的伯努利方程为：

其中hz为总阻力损失[m]。

两断面位置高度相等时，

H16管道压力损失实验系统与TecQuipment的数字液压工作台是流体力学实验教学中的常用装置，学生通过数字液压工作台进行流量测量，等待水流稳定时测读分次深色和浅色管线各个组件测压管（表）液位差或读数，再调整闸门阀开度，测量每个新工况下相应参数。

1.2 虚拟实验平台的优势

在实验设备装置正常运行、工况理想的条件下，实验可以满足教学需求。但是实际实验中存在一定的不确定性，对实验数据测量计算造成影响，虚拟实验平台的优势可以一定程度弥补实际实验所造成的影响[3-4]。

1.2.1 考虑不可控的客观因素，实验结果更具参考性

在实验过程中，许多客观因素会影响实验结果，进而导致实验所得数据与计算理想结果相差颇多。

1）水温不定，导致水的运动黏性不同，无法达到恒温下实验的条件，进而导致实验数据出现偏差。

2）使用过程中水流不断冲刷，导致管道内表面各处的粗糙程度不定，水流速度会受到影响。

3）由于设备老化，管道连接处存在空隙，空气进入形成气泡气柱，同时，会有水从空隙处滴落。

虚拟实验平台在搭建中考虑到这些不可控的客观因素，使实验结果更具有参考性。

1.2.2 满足学生的学习需求

1）受设备数量限制，实验室只能容纳至多五名学生于规定时间和地点进行实验，但是虚拟实验平台并不受地域和人数框架约束，可以随时随地进行实验。在特殊时期，虚拟实验平台可以实现在线教学和远程实验。

2）在日常的实验教学中，虚拟实验可作为必要的实验预习环节，使学生更形象地了解实验过程和本质，很大程度避免了学生在实验过程中出现面对设备手足无措的情况，同时，减少教师实验讲解时间占比，将更多的课堂时间交还给学生，让学生都可以自主动手操作，提高实验教学质量。

3）虚拟实验可多次重复性进行，便于学生课后复习消化。虚拟实验平台相较于实际实验设备更加节约，能源消耗相对较小，学生可以多次实验以验证数据的正确性。

4）平台可操作性强，学生可以自主创新实验。H16管道压力损失实验系统有两个独立循环，构成循环的管道可拆卸，配备多直径管道以便实验数据对比。在日常的实验教学中，由于学生能力受限，无法独自完成组装，甚至可能会对设备造成不可逆的伤害。虚拟实验平台能够规避此类风险，让学生自主定义水流、管道、温度等实验成分，最大限度激发学生自主探究创新能力。

1.2.3 丰富教师教育资源

1）在日常教学中，实验教师仅负责实验教学，而实验在教学占比较低，实验教师在学生管理方面存在一定的障碍，虚拟实验平台可以帮助实验教师对班级进行管理。

2）虚拟实验平台支持教师随时查看后台数据，学生在线完成数据处理、思考题和实验报告，教师可以查看学生完成度，及时导出实验成绩，操作简单，可以进行规范化成绩管理，避免出现抄袭现象，有助于教师对于学生知识掌握的确认。

3）虚拟实验平台可以运用到授课中，使学生对理论知识有更形象生动的理解，而不是囿于课本、纸上谈兵，教师授课资源也会更加丰富[5]。

基于以上原因，搭建流体力学管道损失装置虚拟实验平台十分必要。

2 流体力学管道损失装置虚拟实验建设

2.1 实验板块设计

本项目研究的虚拟实验包括的功能如图1所示，主要分为5大板块，各部分主要实现的功能如下。

图1 虚拟实验平台板块设计

2.1.1 用户板块

1）管理员。管理员拥有最高权限，可以在后台对教师和学生的所有权限进行删改，确保整个平台的正常运营。

2）教师端。教师端先注册组建班级，同时生成班级邀请码，以便学生进入所属班级，教师可以通过平台对学生进行管理，添加/删减班级成员，上传预习作业、实验相关信息等资料，实时查看学生实验状态，并在问答区做出专属指导，随时查阅学生实验报告，针对报告存在问题进行指正。

3）学生端。学生通过教师下发的邀请码，注册登录进入班级，再选择设备页面确认实验类型，跟随教师的要求进行学习。学生可以通过平台观看实验学习视频、阅读相关资料、根据预习内容在虚拟设备上进行实验、在问答区实时与教师进行交流、获取专属的实验报告。

2.1.2 虚拟实验板块

1）实验学习平台。在学生操作设备前，设置关于实验的学习视频、相关资料等任务点，涵盖与实验有关的所有理论知识体系和实验操作要求，帮助学生更好地对实验进行了解，以免出现操作失误导致实验数据出现问题的情况，该板块可由教师随时上传、更改、修正。

2）实验设备。设备包含阀门类（闸门阀和球形阀）、管道类（各半径尺寸直管、弯管、突扩和突缩管件、测压管）、仪表类（测压表、计时器），将实际设备还原到虚拟实验平台上，同时相较于实际设备，增添更多选择，如水温调节、各种尺寸管道等。

3）实验报告。学生完成实验后，系统会根据预习任务点、实验完成度、课后测试题进行汇总生成专属每个学生的报告，报告内容包括阀门阻力系数记录与计算表格、直管段测量与计算表格、两种不同类型阀门开度与阻力系数之间的变化关系曲线图、学生实验过程中向老师询问的问题及解答、学生实验中的失误点、测试问题及答案等。报告内容学生不可更改，只能由教师进行修正。

2.1.3 用户交流板块

用户交流板块设置分为公共问答区和私密提问区，公共问答区中，班级内部成员都可发言，向教师询问实验相关问题，同时，为了学生更有针对性地对自己的实验内容进行询问，教师实时根据学生实验状况进行指导，特设私密提问区以供教师和学生单独交流，可以防止过多学生在公共区域进行发言导致信息不断累加被覆盖。

平台会设置一些有关实验的基本问题作为自动回答，教师可以随时更改、增添这类基本问题的设定和解答，节约教师时间。

2.1.4 试题库板块

该板块录入本实验相关试题与理论知识，作为检验学生学习成果的一大环节，其中设置随机选择题、判断题和简答题，还会对实验相关的理论知识进行挖空提问，平台会为学生的答题状况进行打分，教师也可实时查看学生答题状况。平台打分时会额外参考学生针对该题目的思考时间，如果时间超过10分钟，扣10%的分数，每5分钟累加扣分数，并且会在报告测试板块特殊标注，以供学生复习思考。答题结束后，平台会根据错题进行分析，引导学生针对错题反思相对应的理论知识或实验要求。

2.1.5 自主学习板块

自主学习板块是为学有余力的学生开设，在实验报告获得教师批准通过后，学生即可解锁该板块，学生可改变更多设置，多次多方式验证课堂教学所得，同时，学生可以发散思维，培养锻炼自主创新能力。

2.2 虚拟实验操作过程

教师通过邀请码导入本班学生，并布置预习作业。

1）学生进入页面后，根据页面引导，通过观看视频、阅读说明书简单了解实验过程。

2）预习完成后，学生即可通过操纵虚拟实验装置来验证预习成果。教师可以登录教师端来查看学生学习进度，学生可随时向教师提出问题。

3）学生完成虚拟实验后，进入测试环节，根据实验内容进行提问，测试环节为打分制，分值过低则需要重新观看视频学习。

4）测试通过后，平台自动生成实验报告，学生可以下载打印，等到线下实验时可以与实验数据进行对比。教师可随时查看学生具体实验报告内容，并可以在教学时更有针对性地进行教导。

3 虚拟实验平台的试运行及在实验教学中的应用效果

本虚拟实验平台于2022年4月投入使用，面向对象主要为能源与动力工程系的学生，目前已使用超过300次，出具报告273张，根据教师与学生反馈，及时对平台进行修整。

在该虚拟实验平台的适用期间，激发了学生对实验的积极性，丰富了现场实验前的预习手段，在线上网课期间，也很好地发挥了线上虚拟实验的作用。

4 结束语

互联网快速发展，虚拟实验平台应运而生。虚拟实验平台将课堂交还给学生，切实解决实验教学出现的种种问题，提升学生实验学习质量，不仅能够教会学生实验操作，还能够提高学生自主创新实验的能力。管道损失装置虚拟实验平台将工程流体力学与计算机结合起来，通过不断的技术革新和问题修补来逐渐增强平台的实用性，大多流体力学实验对于条件要求都较为苛刻，日常实验室无法满足流体力学的实验条件，在之后的研发中，更多流体力学虚拟实验将被开发产出，以更好地服务教师和学生。