空气动力学试验技术论文(2)
空气动力学试验技术论文
空气动力学试验技术论文篇二
空气动力学虚拟实验教学的研究
[摘要]虚拟现实技术是近几年来高速发展的一项新技术。针对高校实验室投资不足，传统实验教学模式局限性等问题，分析了虚拟实验室的优势。构建了空气动力学虚拟实验室，探讨了虚拟实验教学的特点及空气动力学虚拟实验在教学中的应用实践。通过将虚拟现实技术运用到实验教学中，可以为学生提供形象、逼真的实验教学效果，充分发挥学生的主动性和创造性，有利于培养创新意识和解决实际问题的能力。
[关键词]虚拟实验室 空气动力学 实验教学 改革
[中图分类号]G482
实验教学是高等院校教学体系中的重要组成部分，对于培养学员的创新意识、动手操作能力、分析问题和解决问题等能力有着不可替代的作用。尤其对于理工科专业学员来说，传统的实验教学方式已经远远不能满足培养具有高素质及创新能力的人才需求。随着计算机技术和虚拟仿真技术的不断发展，虚拟实验已经成为近几年国内外实验教学和远程教育研究的热点[1-2]。在这种背景下，虚拟实验教学系统及其相关应用问题应是当前大力探讨和发展的课题。随着现代信息技术的发展，虚拟实验教学作为传统实验教学的有效补充，已经成为实践教学的重要手段，它不仅可以在某些程度上替代传统的实验教学，而且可以克服传统实验教学的各种弊端，从而有效地解决传统实验教学的诸多问题[3-4]。为适应这种需要，我们于2011年建设完成了空气动力学虚拟实验室，通过虚拟实验和网络教学，取得了良好的教学效果。
一、传统实验教学模式的现状
以前的空气动力学实验课教学大多采用课前预习，课中操作，课后报告的形式。
课前，教员督促学员做好预习工作，熟悉相关实验流程和实验方法。学员在课前预习时，大多被动地通过实验指导书中图片和文字的描述，了解实验内容及相关的实验仪器，缺乏对真实实验仪器的感性认识。
课堂操作中，教员讲解实验内容和注意事项，学员按照实验指导书步骤进行操作。但在实际教学中，由于个别元器件损坏、设备老化等原因，导致实验中会出现各种异常问题，为此学员就要花较多时间去排故，这往往打消了学员实验的积极性;再者，因实验室开放规模的限制，难度较大的实验只能做为验证性实验，学员的创新能力和综合应用能力都难以得到提高。
实验课结束后，学员通过撰写实验报告对相关数据进行整理、分析和处理。由于实验受开放时间、场地空间等条件限制，学员一般没有机会重新操作，因此对实验结果的分析只能停留在理论层次上。
二、虚拟实验教学的特点
虚拟实验是综合运用计算机网络、多媒体技术和虚拟现实等技术而产生和发展的一种实验模式[5-7]。虚拟实验区别于传统实验的教学方式和教学手段，是通过软件虚拟技术来达到真实实验的效果，具有以下特点：
(一)降低实验教学成本，缓解实验经费不足
目前各个高校普遍存在实验经费不足的问题，因此造成实验设备无法更新，损耗器材无法及时补充，严重影响了实验教学的质量。空气动力学虚拟实验室是利用计算机模拟技术建造非常逼真的虚拟实验环境，不需要昂贵的实验设备即可完成相应的实验，不损坏仪器设备也不消耗器材。因此，可大大降低实验成本，缓解实验经费不足的矛盾。
(二)提高实验效率，节省大量的时间
传统空气动力学实验室中的实验受人员、场地和开放时间的限制，实验效果不是太理想，学员在实验室里要花费很多时间用于熟悉实验设备和实验流程，一旦在实验过程中出现元器件或设备损坏，将大大降低实验效率。如果先进行虚拟实验，则学员基本上可掌握实验设备的使用方法，通过熟悉实验过程再进入实验室做实验，可以起到事半功倍的作用;另外有些参数变化较缓慢的实验如“雷诺实验”等，通过虚拟实验，可以加快参数变化过程，节约了时间提高了实验效率。
(三)调动学员的学习兴趣，加深对实验内容的理解
在空气动力学虚拟实验室进行实验是一种形式新颖的实验教学方式。虚拟实验系统制作得形象生动，可以调动学员的学习兴趣。通过虚拟实验系统呈现仪器设备的构造和原理，使学员对仪器设备形成直观的认识和感受。在虚拟实验进行的过程中，学员可以根据自身特点任意加快或放慢实验进程，通过改变不同的实验参数，加深对实验内容的理解和掌握。虚拟实验可以将学员想象力和创造力结合起来，充分调动学员的主观能动性。
(四)开拓学员视野，培养学员创新能力
传统实验室往往受各种条件限制无法及时开设新型实验，而虚拟实验室则可以通过计算机模拟，比较方便地开发设计出相应的实验内容，通过开展综合性实验和创新型实验有助于开拓学员视野。空气动力学虚拟实验没有时间和空间的限制，只要在电脑上安装虚拟实验系统，学员可以随时开展模拟实验，有利于获得较丰富的感性认识，从而激发学员自主扩展实验内容，培养其创新思维。
三、空气动力学虚拟实验室的建设
(一)虚拟实验室的主要功能
空气动力学虚拟实验室平台可划分为公共服务、实验教学管理、实验室管理、系统管理等四个子系统。
1.公共服务子系统
包括身份认证、实验室简介、信息发布、相关下载、网上答疑、在线交流、系统帮助等功能模块。其中，根据院校情况，将用户身份按照教员、学员、系统管理员划分为三类，不同的用户具有不同的功能权限。
2.实验教学管理子系统
实验教学子系统是整个网上虚拟实验室管理平台的核心之一，用于创建、管理、学习网上的各种虚拟实验。系统根据用户登录身份，自动授予相应权限。教员具有信息发布、实验内容编辑、实验项目管理、实验报告评阅、在线答疑、在线交流功能;学员可以查看、下载实验大纲、实验预习资料，使用虚拟实验软件进行虚拟实验，填写实验报告和实验作业、查询实验成绩或指导教员评阅意见、浏览常见问题库、在线交流、在线提问等;系统管理员可审核注册用户信息，确认用户身份并授予相应权限，负责网络安全事务。 3.系统管理子系统
系统管理子系统应为系统管理员提供对整个平台进行控制、管理的工具，保证平台的安全和高效。
只有系统管理员可以进入系统管理子系统，并可对整个虚拟实验室平台进行控制。系统管理子系统包括实验室管理、用户管理、系统配置管理三个功能模块。
(二)应用对象
空气动力学虚拟实验室主要面向我院本科专业《流体力学》、《空气动力学》、《气体动力学》、《飞行原理》等课程空气动力学方面实验教学任务。
(三)可开设的实验项目
目前“空气动力学”虚拟实验室共开设12个实验，可完全覆盖我院各专业对空气动力学相关课程的实验需求。
开设的实验项目
四、空气动力学虚拟实验在教学中的应用实践
空气动力学虚拟实验利用飞速发展的计算机模拟技术的优势，把多媒体技术、虚拟现实技术与实验过程相结合，形成一个不受实验场地、时间、环境等因素影响的经济、高效、逼真的虚拟实验室，无论是学员还是教员，随时可以进入虚拟实验室进行仪器操作，开展各种实验，也可以作为学员网上自学的一个平台，大大增强了空气动力学的教学效果。
(一)利用虚拟实验进行实践教学，改革教学手段
在空气动力学现实实验中，由于学时、场地的限制以及仪器设备的不足，实验的开展有一定的局限性。通过建立空气动力学虚拟实验室，可增加实验项目及实验内容，将实验过程制作成虚拟实验供学员自学和实操，并可通过结合虚拟实验合理地安排真实实验内容。虚拟实验与真实实验相结合，可开阔学员的视野、拓展学员的思维想象空间，使学员实验不再受实验条件和仪器设备的限制。如飞行器表面涡分布实验、激波和膨胀波演示实验、全机气动力系数测量实验等因受实验设备和实验条件的限制，真实实验很难实现，而通过虚拟实验就能较容易的了解这些实验的实验过程、实验原理和实验现象，并给出实验数据，使学员切实感受实验的最终结果。
在虚拟实验室中，教员的身份作用也发生了本质的变化。教员不在是传统的知识传授者和信息提供者而应是学员学习任务的辅导者和设计者。虚拟实验中的教员应主导主体教育， 先练后讲或先学再教，坚持“学员自定步调、教员异步指导”，学员可以根据自身的进度自主学习，而不必再齐步走。通过创造宽松、自主的实验学习环境，把学员培养成能够创造性地、能动地进行实践活动的主体。
(二)改革教学方式，提高学员自主学习的能力
学员在实验课前预习或教员讲解时，如果对实验原理理解不透，势必会影响到实验过程和实验效果。而虚拟实验课件可以无限量反复，学员可以根据自己的需求，随时随地选择完成实验。通过“身临其境”地操作实验仪器、观察实验现象，这对于充分理解实验原理、掌握实验过程和仪器设备的使用，及课后复习巩固所学内容具有极大的好处，客观上实现了实验室时间和空间的延伸。空气动力学虚拟实验丰富了实验内容，激发了学员的学习兴趣，利于学员进行自主探索和协作学习，学员由被动的知识受体转变为学习的主体[8]。例如，空气动力学虚拟实验室建有“实验室简介”、“实验项目”、“实验内容”、“趣味知识”、“个人主页”、“论坛”等板块，学员可根据兴趣自主选择相应功能，即可完成相应的实验，又拓展了知识面，如图1所示。
图1：空气动力学虚拟实验室
(三)利用虚拟实验优势，开展交互式教学
空气动力学虚拟实验室主要包括实验室参观、实验装置三维浏览(图2)、实验装置介绍和虚拟实验部分(图3)。
进入实验室后，可以通过键盘上的“↑”、“↓”、“←”、“→”箭头对实验室的实验场所、实验装置进行漫步式浏览，实验者可以自由穿梭于各种虚拟实验装置之中，当靠近实验装置时，在其上方有此实验名称的说明，便于实验者对实验装置的掌握和了解。通过点击实验装置上的控件，可以查看实验装置部件的功能、组成和基本参数介绍等。这种在虚拟场景中人机的交互性，使浏览者不仅可以在场景中随意漫步以切身感受虚拟环境，同时还可以通过自己的行为影响虚拟环境。
进行虚拟实验时，通过点击“开始实验”按钮，便可进入相应实验，进行参数设置后，便可按实验要求和实验步骤进行操作，同时记录实验数据，进行结果分析和实验报告的撰写。
(四)基于校园网资源，实施网络教学
随着我院军网、校园网功能的不断完善，空气动力学虚拟实验室充分利用现有网络资源，学员可以在任何有电脑，有网络的地方做实验，也可以自由安排自己的实验时间，在任何时候做自己想做的实验。学员的任何一个突发的思考和想法，都可以及时通过网络进行虚拟实验室仿真、验证，为学员的创造性思维提供了保障。网络虚拟实验全天候在网上开放，使得实验内容更加灵活、设计更加多样，自我发挥的余地也更大。这种新型实验教学模式大大丰富了实验教学资源，并使教学资源得到进一步优化。
例如在空气动力学网络教学的实施过程中，学员可以远程实验，遇到问题可以在线提问，教员在线回答，也可以利用“论坛”功能，开展个别化学习和合作学习，教员将易于出现分歧、学员反映较多或兴趣较浓的问题以公告的形式提出，让学员在论坛中讨论，各抒己见、畅所欲言、相互提高，营造学员对学习空气动力学课题的良好氛围。在线实验结束后，学员通过“实验报告上交”功能模块实现在线提交。教员收到实验报告后，可在线评阅，对实验报告的内容进行分析、评价，并给出评语及成绩。同时，该系统还包括网络试题库功能、学员自测、课程考核功能等。通过网络教学的实施，大大改进了教学方法和教学手段，提高了教学质量，取得了较好的教学效果。
五、虚拟实验教学应注意的问题
(一)虚拟实验只是实际实验的补充，不能取代真实的实验过程
虽然虚拟实验在实验教学中有不可替代的优势，但也有其明显的不足。真实实验可以直接培养学员解决实际问题的能力，这种优势正是虚拟实验的不足。因此，在整个实验设计中要注意如何虚实并存，优化整合[9]。例如，一些简单的实验中所用到的仪器并不复杂，实验过程简单、操作容易，能够用真实实验较好地完成实验内容并达到满意的教学效果，我们就用真实实验来完成实验教学。而对于一些技术先进、复杂或要用元器件费用较高的“贵族仪器”才能完成的实验内容，可采用虚拟实验来协助完成实验教学。 (二)虚拟实验室的开发应切合实际，为教学服务
开设虚拟实验室的目的是为实验教学服务，所以虚拟实验室的开发，应该操作方便、形式简洁，能形象生动地反应整个实验的过程即可，不一定需要多么复杂、专门的开发技术和开放工具。设计时为了保证对某一部分知识的完整性，除实验内容外还可通过对相关背景知识的介绍，实例应用分析等扩展学员的知识面以加深对实验的理解和掌握。
(三)结合实际情况，循序渐进
虚拟实验在高校发展迅速，各个院校应结合自身情况和自身特点，将实验需求与专业相结合，不能原封不动地照抄照搬他人的模式，结合学院现有的实际情况，循序渐进、逐步开展[10]。例如：可先在个别专业进行试点，从中摸索经验和规律、逐步完善，合理安排实验内容、流程等，探索适合本校的最佳模式后再推广。
[参考文献]
[1]王涌，李国丽，应艳杰，等.建设网络虚拟实验室，深化实验教学改革[J].实验技术与管理.2010，27(9)：85-88
[2]吕守林.以虚拟实验室建设为契机，推进实验教学改革[J].实验技术与管理.2009，26(11)：157-159
[3]姚方，李哲，杨振宇.基于虚拟现实技术的网络虚拟实验室构建研究[J].长春师范学院学报.2008，27(8)：46-48
[4]余金华.基于虚拟仪器技术的实验教学研究[J].安徽工业大学学报.2009，26(6)：123-124
[5]王青峰，侯铁翠.基于VRML的交互式动态虚拟实验环境的设计[J]. 实验室研究与探索.2008，27(5)：50-52
[6]李亚琳，陈小蓉.利用虚拟实验室进行实验教学的研究与实践[J].赣南医学院学报.2008，25(5)：727-728
[7]刘丽.“传感器与检测技术”虚拟实验教学研究和实践[J].中国电力教育.2010，13：118-119
[8]张臣文.基于虚拟仪器的网络教育实验教学模式探究[J].实验室研究与探索.2011，30(3)：260-263
[9]王基生，于平太.虚拟实验平台开发和应用的理性思考[J].现代教育技术.2010，20(2)：136-139
[10]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学.2010，13(5)：175-178
(作者单位：海军航空工程学院 飞行器工程系 烟台山东)
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