空氣動力學試驗技術論文(2)
空氣動力學試驗技術論文
空氣動力學試驗技術論文篇二
空氣動力學虛擬實驗教學的研究
[摘要]虛擬現(xiàn)實技術是近幾年來高速發(fā)展的一項新技術。針對高校實驗室投資不足，傳統(tǒng)實驗教學模式局限性等問題，分析了虛擬實驗室的優(yōu)勢。構建了空氣動力學虛擬實驗室，探討了虛擬實驗教學的特點及空氣動力學虛擬實驗在教學中的應用實踐。通過將虛擬現(xiàn)實技術運用到實驗教學中，可以為學生提供形象、逼真的實驗教學效果，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力。
[關鍵詞]虛擬實驗室 空氣動力學 實驗教學 改革
[中圖分類號]G482
實驗教學是高等院校教學體系中的重要組成部分，對于培養(yǎng)學員的創(chuàng)新意識、動手操作能力、分析問題和解決問題等能力有著不可替代的作用。尤其對于理工科專業(yè)學員來說，傳統(tǒng)的實驗教學方式已經(jīng)遠遠不能滿足培養(yǎng)具有高素質及創(chuàng)新能力的人才需求。隨著計算機技術和虛擬仿真技術的不斷發(fā)展，虛擬實驗已經(jīng)成為近幾年國內外實驗教學和遠程教育研究的熱點[1-2]。在這種背景下，虛擬實驗教學系統(tǒng)及其相關應用問題應是當前大力探討和發(fā)展的課題。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，虛擬實驗教學作為傳統(tǒng)實驗教學的有效補充，已經(jīng)成為實踐教學的重要手段，它不僅可以在某些程度上替代傳統(tǒng)的實驗教學，而且可以克服傳統(tǒng)實驗教學的各種弊端，從而有效地解決傳統(tǒng)實驗教學的諸多問題[3-4]。為適應這種需要，我們于2011年建設完成了空氣動力學虛擬實驗室，通過虛擬實驗和網(wǎng)絡教學，取得了良好的教學效果。
一、傳統(tǒng)實驗教學模式的現(xiàn)狀
以前的空氣動力學實驗課教學大多采用課前預習，課中操作，課后報告的形式。
課前，教員督促學員做好預習工作，熟悉相關實驗流程和實驗方法。學員在課前預習時，大多被動地通過實驗指導書中圖片和文字的描述，了解實驗內容及相關的實驗儀器，缺乏對真實實驗儀器的感性認識。
課堂操作中，教員講解實驗內容和注意事項，學員按照實驗指導書步驟進行操作。但在實際教學中，由于個別元器件損壞、設備老化等原因，導致實驗中會出現(xiàn)各種異常問題，為此學員就要花較多時間去排故，這往往打消了學員實驗的積極性;再者，因實驗室開放規(guī)模的限制，難度較大的實驗只能做為驗證性實驗，學員的創(chuàng)新能力和綜合應用能力都難以得到提高。
實驗課結束后，學員通過撰寫實驗報告對相關數(shù)據(jù)進行整理、分析和處理。由于實驗受開放時間、場地空間等條件限制，學員一般沒有機會重新操作，因此對實驗結果的分析只能停留在理論層次上。
二、虛擬實驗教學的特點
虛擬實驗是綜合運用計算機網(wǎng)絡、多媒體技術和虛擬現(xiàn)實等技術而產生和發(fā)展的一種實驗模式[5-7]。虛擬實驗區(qū)別于傳統(tǒng)實驗的教學方式和教學手段，是通過軟件虛擬技術來達到真實實驗的效果，具有以下特點：
(一)降低實驗教學成本，緩解實驗經(jīng)費不足
目前各個高校普遍存在實驗經(jīng)費不足的問題，因此造成實驗設備無法更新，損耗器材無法及時補充，嚴重影響了實驗教學的質量?？諝鈩恿W虛擬實驗室是利用計算機模擬技術建造非常逼真的虛擬實驗環(huán)境，不需要昂貴的實驗設備即可完成相應的實驗，不損壞儀器設備也不消耗器材。因此，可大大降低實驗成本，緩解實驗經(jīng)費不足的矛盾。
(二)提高實驗效率，節(jié)省大量的時間
傳統(tǒng)空氣動力學實驗室中的實驗受人員、場地和開放時間的限制，實驗效果不是太理想，學員在實驗室里要花費很多時間用于熟悉實驗設備和實驗流程，一旦在實驗過程中出現(xiàn)元器件或設備損壞，將大大降低實驗效率。如果先進行虛擬實驗，則學員基本上可掌握實驗設備的使用方法，通過熟悉實驗過程再進入實驗室做實驗，可以起到事半功倍的作用;另外有些參數(shù)變化較緩慢的實驗如“雷諾實驗”等，通過虛擬實驗，可以加快參數(shù)變化過程，節(jié)約了時間提高了實驗效率。
(三)調動學員的學習興趣，加深對實驗內容的理解
在空氣動力學虛擬實驗室進行實驗是一種形式新穎的實驗教學方式。虛擬實驗系統(tǒng)制作得形象生動，可以調動學員的學習興趣。通過虛擬實驗系統(tǒng)呈現(xiàn)儀器設備的構造和原理，使學員對儀器設備形成直觀的認識和感受。在虛擬實驗進行的過程中，學員可以根據(jù)自身特點任意加快或放慢實驗進程，通過改變不同的實驗參數(shù)，加深對實驗內容的理解和掌握。虛擬實驗可以將學員想象力和創(chuàng)造力結合起來，充分調動學員的主觀能動性。
(四)開拓學員視野，培養(yǎng)學員創(chuàng)新能力
傳統(tǒng)實驗室往往受各種條件限制無法及時開設新型實驗，而虛擬實驗室則可以通過計算機模擬，比較方便地開發(fā)設計出相應的實驗內容，通過開展綜合性實驗和創(chuàng)新型實驗有助于開拓學員視野?？諝鈩恿W虛擬實驗沒有時間和空間的限制，只要在電腦上安裝虛擬實驗系統(tǒng)，學員可以隨時開展模擬實驗，有利于獲得較豐富的感性認識，從而激發(fā)學員自主擴展實驗內容，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。
三、空氣動力學虛擬實驗室的建設
(一)虛擬實驗室的主要功能
空氣動力學虛擬實驗室平臺可劃分為公共服務、實驗教學管理、實驗室管理、系統(tǒng)管理等四個子系統(tǒng)。
1.公共服務子系統(tǒng)
包括身份認證、實驗室簡介、信息發(fā)布、相關下載、網(wǎng)上答疑、在線交流、系統(tǒng)幫助等功能模塊。其中，根據(jù)院校情況，將用戶身份按照教員、學員、系統(tǒng)管理員劃分為三類，不同的用戶具有不同的功能權限。
2.實驗教學管理子系統(tǒng)
實驗教學子系統(tǒng)是整個網(wǎng)上虛擬實驗室管理平臺的核心之一，用于創(chuàng)建、管理、學習網(wǎng)上的各種虛擬實驗。系統(tǒng)根據(jù)用戶登錄身份，自動授予相應權限。教員具有信息發(fā)布、實驗內容編輯、實驗項目管理、實驗報告評閱、在線答疑、在線交流功能;學員可以查看、下載實驗大綱、實驗預習資料，使用虛擬實驗軟件進行虛擬實驗，填寫實驗報告和實驗作業(yè)、查詢實驗成績或指導教員評閱意見、瀏覽常見問題庫、在線交流、在線提問等;系統(tǒng)管理員可審核注冊用戶信息，確認用戶身份并授予相應權限，負責網(wǎng)絡安全事務。 3.系統(tǒng)管理子系統(tǒng)
系統(tǒng)管理子系統(tǒng)應為系統(tǒng)管理員提供對整個平臺進行控制、管理的工具，保證平臺的安全和高效。
只有系統(tǒng)管理員可以進入系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，并可對整個虛擬實驗室平臺進行控制。系統(tǒng)管理子系統(tǒng)包括實驗室管理、用戶管理、系統(tǒng)配置管理三個功能模塊。
(二)應用對象
空氣動力學虛擬實驗室主要面向我院本科專業(yè)《流體力學》、《空氣動力學》、《氣體動力學》、《飛行原理》等課程空氣動力學方面實驗教學任務。
(三)可開設的實驗項目
目前“空氣動力學”虛擬實驗室共開設12個實驗，可完全覆蓋我院各專業(yè)對空氣動力學相關課程的實驗需求。
開設的實驗項目
四、空氣動力學虛擬實驗在教學中的應用實踐
空氣動力學虛擬實驗利用飛速發(fā)展的計算機模擬技術的優(yōu)勢，把多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術與實驗過程相結合，形成一個不受實驗場地、時間、環(huán)境等因素影響的經(jīng)濟、高效、逼真的虛擬實驗室，無論是學員還是教員，隨時可以進入虛擬實驗室進行儀器操作，開展各種實驗，也可以作為學員網(wǎng)上自學的一個平臺，大大增強了空氣動力學的教學效果。
(一)利用虛擬實驗進行實踐教學，改革教學手段
在空氣動力學現(xiàn)實實驗中，由于學時、場地的限制以及儀器設備的不足，實驗的開展有一定的局限性。通過建立空氣動力學虛擬實驗室，可增加實驗項目及實驗內容，將實驗過程制作成虛擬實驗供學員自學和實操，并可通過結合虛擬實驗合理地安排真實實驗內容。虛擬實驗與真實實驗相結合，可開闊學員的視野、拓展學員的思維想象空間，使學員實驗不再受實驗條件和儀器設備的限制。如飛行器表面渦分布實驗、激波和膨脹波演示實驗、全機氣動力系數(shù)測量實驗等因受實驗設備和實驗條件的限制，真實實驗很難實現(xiàn)，而通過虛擬實驗就能較容易的了解這些實驗的實驗過程、實驗原理和實驗現(xiàn)象，并給出實驗數(shù)據(jù)，使學員切實感受實驗的最終結果。
在虛擬實驗室中，教員的身份作用也發(fā)生了本質的變化。教員不在是傳統(tǒng)的知識傳授者和信息提供者而應是學員學習任務的輔導者和設計者。虛擬實驗中的教員應主導主體教育， 先練后講或先學再教，堅持“學員自定步調、教員異步指導”，學員可以根據(jù)自身的進度自主學習，而不必再齊步走。通過創(chuàng)造寬松、自主的實驗學習環(huán)境，把學員培養(yǎng)成能夠創(chuàng)造性地、能動地進行實踐活動的主體。
(二)改革教學方式，提高學員自主學習的能力
學員在實驗課前預習或教員講解時，如果對實驗原理理解不透，勢必會影響到實驗過程和實驗效果。而虛擬實驗課件可以無限量反復，學員可以根據(jù)自己的需求，隨時隨地選擇完成實驗。通過“身臨其境”地操作實驗儀器、觀察實驗現(xiàn)象，這對于充分理解實驗原理、掌握實驗過程和儀器設備的使用，及課后復習鞏固所學內容具有極大的好處，客觀上實現(xiàn)了實驗室時間和空間的延伸。空氣動力學虛擬實驗豐富了實驗內容，激發(fā)了學員的學習興趣，利于學員進行自主探索和協(xié)作學習，學員由被動的知識受體轉變?yōu)閷W習的主體[8]。例如，空氣動力學虛擬實驗室建有“實驗室簡介”、“實驗項目”、“實驗內容”、“趣味知識”、“個人主頁”、“論壇”等板塊，學員可根據(jù)興趣自主選擇相應功能，即可完成相應的實驗，又拓展了知識面，如圖1所示。
圖1：空氣動力學虛擬實驗室
(三)利用虛擬實驗優(yōu)勢，開展交互式教學
空氣動力學虛擬實驗室主要包括實驗室參觀、實驗裝置三維瀏覽(圖2)、實驗裝置介紹和虛擬實驗部分(圖3)。
進入實驗室后，可以通過鍵盤上的“↑”、“↓”、“←”、“→”箭頭對實驗室的實驗場所、實驗裝置進行漫步式瀏覽，實驗者可以自由穿梭于各種虛擬實驗裝置之中，當靠近實驗裝置時，在其上方有此實驗名稱的說明，便于實驗者對實驗裝置的掌握和了解。通過點擊實驗裝置上的控件，可以查看實驗裝置部件的功能、組成和基本參數(shù)介紹等。這種在虛擬場景中人機的交互性，使瀏覽者不僅可以在場景中隨意漫步以切身感受虛擬環(huán)境，同時還可以通過自己的行為影響虛擬環(huán)境。
進行虛擬實驗時，通過點擊“開始實驗”按鈕，便可進入相應實驗，進行參數(shù)設置后，便可按實驗要求和實驗步驟進行操作，同時記錄實驗數(shù)據(jù)，進行結果分析和實驗報告的撰寫。
(四)基于校園網(wǎng)資源，實施網(wǎng)絡教學
隨著我院軍網(wǎng)、校園網(wǎng)功能的不斷完善，空氣動力學虛擬實驗室充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡資源，學員可以在任何有電腦，有網(wǎng)絡的地方做實驗，也可以自由安排自己的實驗時間，在任何時候做自己想做的實驗。學員的任何一個突發(fā)的思考和想法，都可以及時通過網(wǎng)絡進行虛擬實驗室仿真、驗證，為學員的創(chuàng)造性思維提供了保障。網(wǎng)絡虛擬實驗全天候在網(wǎng)上開放，使得實驗內容更加靈活、設計更加多樣，自我發(fā)揮的余地也更大。這種新型實驗教學模式大大豐富了實驗教學資源，并使教學資源得到進一步優(yōu)化。
例如在空氣動力學網(wǎng)絡教學的實施過程中，學員可以遠程實驗，遇到問題可以在線提問，教員在線回答，也可以利用“論壇”功能，開展個別化學習和合作學習，教員將易于出現(xiàn)分歧、學員反映較多或興趣較濃的問題以公告的形式提出，讓學員在論壇中討論，各抒己見、暢所欲言、相互提高，營造學員對學習空氣動力學課題的良好氛圍。在線實驗結束后，學員通過“實驗報告上交”功能模塊實現(xiàn)在線提交。教員收到實驗報告后，可在線評閱，對實驗報告的內容進行分析、評價，并給出評語及成績。同時，該系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡試題庫功能、學員自測、課程考核功能等。通過網(wǎng)絡教學的實施，大大改進了教學方法和教學手段，提高了教學質量，取得了較好的教學效果。
五、虛擬實驗教學應注意的問題
(一)虛擬實驗只是實際實驗的補充，不能取代真實的實驗過程
雖然虛擬實驗在實驗教學中有不可替代的優(yōu)勢，但也有其明顯的不足。真實實驗可以直接培養(yǎng)學員解決實際問題的能力，這種優(yōu)勢正是虛擬實驗的不足。因此，在整個實驗設計中要注意如何虛實并存，優(yōu)化整合[9]。例如，一些簡單的實驗中所用到的儀器并不復雜，實驗過程簡單、操作容易，能夠用真實實驗較好地完成實驗內容并達到滿意的教學效果，我們就用真實實驗來完成實驗教學。而對于一些技術先進、復雜或要用元器件費用較高的“貴族儀器”才能完成的實驗內容，可采用虛擬實驗來協(xié)助完成實驗教學。 (二)虛擬實驗室的開發(fā)應切合實際，為教學服務
開設虛擬實驗室的目的是為實驗教學服務，所以虛擬實驗室的開發(fā)，應該操作方便、形式簡潔，能形象生動地反應整個實驗的過程即可，不一定需要多么復雜、專門的開發(fā)技術和開放工具。設計時為了保證對某一部分知識的完整性，除實驗內容外還可通過對相關背景知識的介紹，實例應用分析等擴展學員的知識面以加深對實驗的理解和掌握。
(三)結合實際情況，循序漸進
虛擬實驗在高校發(fā)展迅速，各個院校應結合自身情況和自身特點，將實驗需求與專業(yè)相結合，不能原封不動地照抄照搬他人的模式，結合學院現(xiàn)有的實際情況，循序漸進、逐步開展[10]。例如：可先在個別專業(yè)進行試點，從中摸索經(jīng)驗和規(guī)律、逐步完善，合理安排實驗內容、流程等，探索適合本校的最佳模式后再推廣。
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(作者單位：海軍航空工程學院 飛行器工程系 煙臺山東)
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