空氣動力學(xué)試驗技術(shù)論文(2)
空氣動力學(xué)試驗技術(shù)論文
空氣動力學(xué)試驗技術(shù)論文篇二
空氣動力學(xué)虛擬實驗教學(xué)的研究
[摘要]虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近幾年來高速發(fā)展的一項新技術(shù)。針對高校實驗室投資不足，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式局限性等問題，分析了虛擬實驗室的優(yōu)勢。構(gòu)建了空氣動力學(xué)虛擬實驗室，探討了虛擬實驗教學(xué)的特點及空氣動力學(xué)虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用實踐。通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到實驗教學(xué)中，可以為學(xué)生提供形象、逼真的實驗教學(xué)效果，充分發(fā)揮學(xué)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(guān)鍵詞]虛擬實驗室 空氣動力學(xué) 實驗教學(xué) 改革
[中圖分類號]G482
實驗教學(xué)是高等院校教學(xué)體系中的重要組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)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(xué)員來說，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式已經(jīng)遠遠不能滿足培養(yǎng)具有高素質(zhì)及創(chuàng)新能力的人才需求。隨著計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實驗已經(jīng)成為近幾年國內(nèi)外實驗教學(xué)和遠程教育研究的熱點[1-2]。在這種背景下，虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用問題應(yīng)是當前大力探討和發(fā)展的課題。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗教學(xué)作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充，已經(jīng)成為實踐教學(xué)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(xué)，而且可以克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的各種弊端，從而有效地解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)的諸多問題[3-4]。為適應(yīng)這種需要，我們于2011年建設(shè)完成了空氣動力學(xué)虛擬實驗室，通過虛擬實驗和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。
一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的現(xiàn)狀
以前的空氣動力學(xué)實驗課教學(xué)大多采用課前預(yù)習(xí)，課中操作，課后報告的形式。
課前，教員督促學(xué)員做好預(yù)習(xí)工作，熟悉相關(guān)實驗流程和實驗方法。學(xué)員在課前預(yù)習(xí)時，大多被動地通過實驗指導(dǎo)書中圖片和文字的描述，了解實驗內(nèi)容及相關(guān)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(nèi)容和注意事項，學(xué)員按照實驗指導(dǎo)書步驟進行操作。但在實際教學(xué)中，由于個別元器件損壞、設(shè)備老化等原因，導(dǎo)致實驗中會出現(xiàn)各種異常問題，為此學(xué)員就要花較多時間去排故，這往往打消了學(xué)員實驗的積極性;再者，因?qū)嶒炇议_放規(guī)模的限制，難度較大的實驗只能做為驗證性實驗，學(xué)員的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力都難以得到提高。
實驗課結(jié)束后，學(xué)員通過撰寫實驗報告對相關(guān)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(xué)員一般沒有機會重新操作，因此對實驗結(jié)果的分析只能停留在理論層次上。
二、虛擬實驗教學(xué)的特點
虛擬實驗是綜合運用計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ絒5-7]。虛擬實驗區(qū)別于傳統(tǒng)實驗的教學(xué)方式和教學(xué)手段，是通過軟件虛擬技術(shù)來達到真實實驗的效果，具有以下特點：
(一)降低實驗教學(xué)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(shè)備無法更新，損耗器材無法及時補充，嚴重影響了實驗教學(xué)的質(zhì)量?？諝鈩恿W(xué)虛擬實驗室是利用計算機模擬技術(shù)建造非常逼真的虛擬實驗環(huán)境，不需要昂貴的實驗設(shè)備即可完成相應(yīng)的實驗，不損壞儀器設(shè)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(xué)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(xué)員在實驗室里要花費很多時間用于熟悉實驗設(shè)備和實驗流程，一旦在實驗過程中出現(xiàn)元器件或設(shè)備損壞，將大大降低實驗效率。如果先進行虛擬實驗，則學(xué)員基本上可掌握實驗設(shè)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(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，加深對實驗內(nèi)容的理解
在空氣動力學(xué)虛擬實驗室進行實驗是一種形式新穎的實驗教學(xué)方式。虛擬實驗系統(tǒng)制作得形象生動，可以調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。通過虛擬實驗系統(tǒng)呈現(xiàn)儀器設(shè)備的構(gòu)造和原理，使學(xué)員對儀器設(shè)備形成直觀的認識和感受。在虛擬實驗進行的過程中，學(xué)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(nèi)容的理解和掌握。虛擬實驗可以將學(xué)員想象力和創(chuàng)造力結(jié)合起來，充分調(diào)動學(xué)員的主觀能動性。
(四)開拓學(xué)員視野，培養(yǎng)學(xué)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(shè)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(shè)計出相應(yīng)的實驗內(nèi)容，通過開展綜合性實驗和創(chuàng)新型實驗有助于開拓學(xué)員視野?？諝鈩恿W(xué)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(xué)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(xué)員自主擴展實驗內(nèi)容，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。
三、空氣動力學(xué)虛擬實驗室的建設(shè)
(一)虛擬實驗室的主要功能
空氣動力學(xué)虛擬實驗室平臺可劃分為公共服務(wù)、實驗教學(xué)管理、實驗室管理、系統(tǒng)管理等四個子系統(tǒng)。
1.公共服務(wù)子系統(tǒng)
包括身份認證、實驗室簡介、信息發(fā)布、相關(guān)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(xué)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(quán)限。
2.實驗教學(xué)管理子系統(tǒng)
實驗教學(xué)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(xué)習(xí)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(yīng)權(quán)限。教員具有信息發(fā)布、實驗內(nèi)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(xué)員可以查看、下載實驗大綱、實驗預(yù)習(xí)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(dǎo)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(yīng)權(quán)限，負責網(wǎng)絡(luò)安全事務(wù)。 3.系統(tǒng)管理子系統(tǒng)
系統(tǒng)管理子系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用對象
空氣動力學(xué)虛擬實驗室主要面向我院本科專業(yè)《流體力學(xué)》、《空氣動力學(xué)》、《氣體動力學(xué)》、《飛行原理》等課程空氣動力學(xué)方面實驗教學(xué)任務(wù)。
(三)可開設(shè)的實驗項目
目前“空氣動力學(xué)”虛擬實驗室共開設(shè)12個實驗，可完全覆蓋我院各專業(yè)對空氣動力學(xué)相關(guān)課程的實驗需求。
開設(shè)的實驗項目
四、空氣動力學(xué)虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用實踐
空氣動力學(xué)虛擬實驗利用飛速發(fā)展的計算機模擬技術(shù)的優(yōu)勢，把多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗過程相結(jié)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(xué)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(xué)員網(wǎng)上自學(xué)的一個平臺，大大增強了空氣動力學(xué)的教學(xué)效果。
(一)利用虛擬實驗進行實踐教學(xué)，改革教學(xué)手段
在空氣動力學(xué)現(xiàn)實實驗中，由于學(xué)時、場地的限制以及儀器設(shè)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(xué)虛擬實驗室，可增加實驗項目及實驗內(nèi)容，將實驗過程制作成虛擬實驗供學(xué)員自學(xué)和實操，并可通過結(jié)合虛擬實驗合理地安排真實實驗內(nèi)容。虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合，可開闊學(xué)員的視野、拓展學(xué)員的思維想象空間，使學(xué)員實驗不再受實驗條件和儀器設(shè)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(shè)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(xué)員切實感受實驗的最終結(jié)果。
在虛擬實驗室中，教員的身份作用也發(fā)生了本質(zhì)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(yīng)是學(xué)員學(xué)習(xí)任務(wù)的輔導(dǎo)者和設(shè)計者。虛擬實驗中的教員應(yīng)主導(dǎo)主體教育， 先練后講或先學(xué)再教，堅持“學(xué)員自定步調(diào)、教員異步指導(dǎo)”，學(xué)員可以根據(jù)自身的進度自主學(xué)習(xí)，而不必再齊步走。通過創(chuàng)造寬松、自主的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，把學(xué)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(xué)方式，提高學(xué)員自主學(xué)習(xí)的能力
學(xué)員在實驗課前預(yù)習(xí)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(fù)，學(xué)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(shè)備的使用，及課后復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)內(nèi)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(xué)虛擬實驗豐富了實驗內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，利于學(xué)員進行自主探索和協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)員由被動的知識受體轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的主體[8]。例如，空氣動力學(xué)虛擬實驗室建有“實驗室簡介”、“實驗項目”、“實驗內(nèi)容”、“趣味知識”、“個人主頁”、“論壇”等板塊，學(xué)員可根據(jù)興趣自主選擇相應(yīng)功能，即可完成相應(yīng)的實驗，又拓展了知識面，如圖1所示。
圖1：空氣動力學(xué)虛擬實驗室
(三)利用虛擬實驗優(yōu)勢，開展交互式教學(xué)
空氣動力學(xué)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(yīng)實驗，進行參數(shù)設(shè)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(jié)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(luò)教學(xué)
隨著我院軍網(wǎng)、校園網(wǎng)功能的不斷完善，空氣動力學(xué)虛擬實驗室充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)員可以在任何有電腦，有網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(luò)進行虛擬實驗室仿真、驗證，為學(xué)員的創(chuàng)造性思維提供了保障。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗全天候在網(wǎng)上開放，使得實驗內(nèi)容更加靈活、設(shè)計更加多樣，自我發(fā)揮的余地也更大。這種新型實驗教學(xué)模式大大豐富了實驗教學(xué)資源，并使教學(xué)資源得到進一步優(yōu)化。
例如在空氣動力學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實施過程中，學(xué)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(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，教員將易于出現(xiàn)分歧、學(xué)員反映較多或興趣較濃的問題以公告的形式提出，讓學(xué)員在論壇中討論，各抒己見、暢所欲言、相互提高，營造學(xué)員對學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)課題的良好氛圍。在線實驗結(jié)束后，學(xué)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(nèi)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(luò)試題庫功能、學(xué)員自測、課程考核功能等。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實施，大大改進了教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高了教學(xué)質(zhì)量，取得了較好的教學(xué)效果。
五、虛擬實驗教學(xué)應(yīng)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(xué)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(xué)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(shè)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(fù)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(nèi)容并達到滿意的教學(xué)效果，我們就用真實實驗來完成實驗教學(xué)。而對于一些技術(shù)先進、復(fù)雜或要用元器件費用較高的“貴族儀器”才能完成的實驗內(nèi)容，可采用虛擬實驗來協(xié)助完成實驗教學(xué)。 (二)虛擬實驗室的開發(fā)應(yīng)切合實際，為教學(xué)服務(wù)
開設(shè)虛擬實驗室的目的是為實驗教學(xué)服務(wù)，所以虛擬實驗室的開發(fā)，應(yīng)該操作方便、形式簡潔，能形象生動地反應(yīng)整個實驗的過程即可，不一定需要多么復(fù)雜、專門的開發(fā)技術(shù)和開放工具。設(shè)計時為了保證對某一部分知識的完整性，除實驗內(nèi)容外還可通過對相關(guān)背景知識的介紹，實例應(yīng)用分析等擴展學(xué)員的知識面以加深對實驗的理解和掌握。
(三)結(jié)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(yīng)結(jié)合自身情況和自身特點，將實驗需求與專業(yè)相結(jié)合，不能原封不動地照抄照搬他人的模式，結(jié)合學(xué)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(nèi)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(xué)院 飛行器工程系 煙臺山東)
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