過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

【摘要】以“營造真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，制作準(zhǔn)確的仿真過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)”為原則，以WebCT網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)平臺(tái)為基礎(chǔ)，綜合采用MultiGen Creator/Vega 虛擬現(xiàn)實(shí)制作技術(shù)、Flash動(dòng)畫仿真制作技術(shù)和3D動(dòng)畫制作技術(shù)相結(jié)合的方法，完成過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。以“離心泵綜合性能測試”虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵字】網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室；過程流體機(jī)械；WebCT平臺(tái)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

【中圖分類號(hào)】G40–057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097（2008）13—0052—03

在高等教育教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有非常重要的地位，它是對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新素質(zhì)教育的一個(gè)重要手段。目前，各高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大都存在著實(shí)驗(yàn)形式、內(nèi)容、要求越來越高與實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材、場地、經(jīng)費(fèi)的保障相對(duì)滯后的矛盾，這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。“網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室”是指在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下建立的“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，即利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)和多媒體技術(shù)等在計(jì)算機(jī)上所營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)操作環(huán)境。“網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室”以其開放性、實(shí)用性、動(dòng)態(tài)特性、經(jīng)濟(jì)性和擴(kuò)展性等特點(diǎn)，已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展方向[1，2]。

《過程流體機(jī)械》是過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程，經(jīng)過多年的不斷建設(shè)，該課程于2006年被評(píng)為黑龍江省省級(jí)精品課程。在課程建設(shè)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)一直是課程建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。由于過程流體機(jī)械課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，成本高等諸多客觀原因，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高，部分主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍停留在演示教學(xué)的層次上，不利于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也制約了課程建設(shè)水平的提高。為此，課程組采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建“過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室”，突破時(shí)間與空間的限制，為學(xué)生提供更加靈活的實(shí)驗(yàn)手段，為探索新型的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供指導(dǎo)。

一 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室總體結(jié)構(gòu)及教學(xué)方案設(shè)計(jì)

1 過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)過程。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要功能是通過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。根據(jù)這一目的，過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是：以現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)為依托，綜合采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真設(shè)計(jì)技術(shù)和動(dòng)畫制作技術(shù)相結(jié)合的方法，建設(shè)集實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、學(xué)生管理、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)和虛擬實(shí)驗(yàn)考核等功能與一體的過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其功能框圖如圖1所示。其中，根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要內(nèi)容。根據(jù)過程流體機(jī)械課程實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和要求，將虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為三種類型，即：

（1） 虛擬設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)：包括建立“活塞壓縮機(jī)綜合性能測試及調(diào)節(jié)”、“離心壓縮機(jī)綜合性能測試及調(diào)節(jié)”和“離心泵綜合性能測試及調(diào)節(jié)”虛擬設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)；

（2） 虛擬仿真型實(shí)驗(yàn)：包括建立“活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝（2D型，L型）”、“水平剖分式離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝”、“離心泵結(jié)構(gòu)拆裝（單級(jí)和多級(jí)）”以及“其它類型流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)拆裝（如螺桿泵、齒輪泵等）”虛擬仿真型實(shí)驗(yàn)；

（3） 模擬演示型實(shí)驗(yàn)：包括建立“典型過程流體機(jī)械工作原理”和“典型過程流體機(jī)械特殊工況產(chǎn)生機(jī)理”等模擬演示型實(shí)驗(yàn)。

3 過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)正處于實(shí)踐探索階段，如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)、做、考、輔等教學(xué)環(huán)節(jié)，是過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方案設(shè)計(jì)考慮的主要內(nèi)容。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，結(jié)合遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方案，如圖2所示。

二 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)

隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的迅速提高，計(jì)算機(jī)及其附屬設(shè)備的價(jià)格也隨之降低；同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段也越來越豐富。因此，以虛擬現(xiàn)實(shí)為主要技術(shù)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研制與應(yīng)用在教育領(lǐng)域廣泛開展。經(jīng)過充分調(diào)研，項(xiàng)目組確定以校園網(wǎng)為硬件基礎(chǔ)，依托WebCT網(wǎng)絡(luò)課程開發(fā)平臺(tái)，綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及現(xiàn)代多媒體制技術(shù)，完成了過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作。過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中采用的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)平臺(tái)

根據(jù)過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的原則，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備系統(tǒng)的遠(yuǎn)程教學(xué)管理功能。WebCT（Web Course Tools）網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)平臺(tái)是一套功能完備、易用、高效的網(wǎng)上教學(xué)支撐系統(tǒng)。可提供系統(tǒng)的課程開發(fā)工具、全面的教學(xué)管理工具、強(qiáng)大的交流工具、完善的測驗(yàn)功能以及定期的統(tǒng)計(jì)功能等。[3]因此，過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室選擇WebCT網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)平臺(tái)為開發(fā)工具。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心內(nèi)容，也是技術(shù)上的主要難點(diǎn)。以“營造真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，制作準(zhǔn)確的仿真過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)”為原則，提出綜合采用虛擬現(xiàn)實(shí)制作技術(shù)、Flash動(dòng)畫仿真制作技術(shù)和三維動(dòng)畫制作技術(shù)相結(jié)合的方法，完成過程流體機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研制工作。

通過對(duì)比分析，確定選用MultiGen Creator/Vega 虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件，完成虛擬實(shí)驗(yàn)場景的制作和實(shí)時(shí)漫游工作。MultiGen是SGI圖形工作站上著名的實(shí)時(shí)三維仿真建模工具軟件，在擁有強(qiáng)大建模工具的同時(shí)，MultiGen的突出特點(diǎn)是擁有強(qiáng)大的兼容性，例如可以轉(zhuǎn)換VRML，3DS，AutoCAD，Photoshop，Wavefront的數(shù)據(jù)。這為制作過程帶來方便。Vega是MultiGen Paradigm公司應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的軟件環(huán)境，它將易用的工具和高級(jí)仿真功能巧妙地結(jié)合起來，可使用戶簡單迅速地創(chuàng)建、編輯、運(yùn)行復(fù)雜的仿真應(yīng)用。[4]

選用Flash MX 2004作為虛擬實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)軟件，該軟件是Macromedia公司的一個(gè)網(wǎng)頁交互動(dòng)畫制作工具，利用它所提供的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言ActionSeript2.0，可開發(fā)出交互性較強(qiáng)的過程流體機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，該軟件還具有強(qiáng)大的二維動(dòng)畫制作技術(shù)，與3D MX5.0三維制作軟件配合使用，可完成虛擬實(shí)驗(yàn)中所需的各種儀器、儀表和實(shí)驗(yàn)器材的制作。

三 離心泵綜合性能測試虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)例

綜合應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)和多媒體技術(shù)，完成過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作。下面以離心泵綜合性能測試虛擬實(shí)驗(yàn)為例，說明綜合應(yīng)用上述技術(shù)建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程。

離心泵綜合性能測試實(shí)驗(yàn)是過程流體機(jī)械課程的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所用實(shí)驗(yàn)裝置是大慶石油學(xué)院與北京化工大學(xué)聯(lián)合研制的離心泵綜合性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)在硬件和軟件方面涉及了變頻控制技術(shù)、溫度、液位、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、化工過程PID控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)等，是比較典型的集過程、設(shè)備及控制于一體的多學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)裝置。

由于客觀條件的限制，本專業(yè)僅有一套離心泵綜合性能測試實(shí)驗(yàn)裝置，無法滿足專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。因此，在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室中，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是重點(diǎn)研制的內(nèi)容之一。

離心泵綜合性能測試虛擬實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)裝置瀏覽、實(shí)驗(yàn)裝置部件庫、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作演示和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬仿真等四項(xiàng)內(nèi)容組成。其中實(shí)驗(yàn)裝置瀏覽部分利用MultiGen Creator/Vega 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件制作完成，通過鍵盤控制可模擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的瀏覽，給學(xué)生以一種身臨其境的視覺效果，其虛擬實(shí)驗(yàn)裝置場景如圖3所示；實(shí)驗(yàn)裝置部件庫則采用3D制作技術(shù)，完成各種實(shí)驗(yàn)裝置部件的制作，并可顯示其相關(guān)性能參數(shù)；采用Flash動(dòng)畫技術(shù)完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作演示，使學(xué)生對(duì)開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)習(xí)，以掌握虛擬實(shí)驗(yàn)裝置的正確使用；采用Flash動(dòng)畫仿真技術(shù)完成離心泵綜合性能測試實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自己動(dòng)手調(diào)用實(shí)驗(yàn)裝置部件庫中的相關(guān)部件組成實(shí)驗(yàn)裝置，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。離心泵綜合性能測試仿真實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

四 結(jié)束語

綜合采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)和多媒體技術(shù)，以校園網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，以“過程流體機(jī)械”省級(jí)精品課程為背景，構(gòu)建“過程流體機(jī)械網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室”。完成“典型過程流體機(jī)械虛擬結(jié)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)”、“典型過程流體機(jī)械綜合性能測試及調(diào)節(jié)虛擬設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)”、“典型過程流體機(jī)械工作原理及特殊工況模擬實(shí)驗(yàn)”等共6項(xiàng)過程流體機(jī)械課程主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)；建設(shè)“虛擬實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)管理及學(xué)生管理體系；實(shí)現(xiàn)“過程流體機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)”的資源共享。

參考文獻(xiàn)

[1] 李欣.《現(xiàn)代教育技術(shù)》虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008，18(2):115-120.

[2] 朱敏，張際平.虛擬實(shí)驗(yàn)室及其教學(xué)應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25(5):626-628.

[3] 王楠，耿亦兵，李密.基于WebCT的網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)的研究及改進(jìn)[J].2004，13(3):57-59.

[4] 王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005.