熱工基礎虛擬實驗在專業實驗中的作用與意義
——以浙江大學寧波理工學院能源與環境工程專業實驗教學改革為例

胡長興，李 威，高夫燕，鄭 皎，徐美娟，李建新

（浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波 315100）

【實驗平臺】

熱工基礎虛擬實驗在專業實驗中的作用與意義
——以浙江大學寧波理工學院能源與環境工程專業實驗教學改革為例

胡長興，李 威，高夫燕，鄭 皎，徐美娟，李建新

（浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波 315100）

虛擬儀器是以計算機為基礎，利用模塊化的功能硬件和應用軟件來完成信號采集、數據測試分析、結果表達處理等眾多功能。將其應用到熱工基礎實驗中，通過建立“熱工基礎虛擬實驗室”，代替或補充部分熱工實驗教學，能夠極大地滿足學生的實驗需求，達到人人可操作的層面，解決實踐教學發展要求同實際實踐場地之間的矛盾，充分滿足每個學生進行熱工基礎實驗的要求，解決理論課程與實驗課程時間安排不協調問題等問題。

虛擬儀器；熱工基礎；實驗教學

一、虛擬儀器和虛擬實驗國內應用現狀

隨著計算機科學和微電子技術的發展與普及，數字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎。美國國家儀器公司于20世紀80年代中期提出了基于計算機技術的虛擬儀器概念，把虛擬測試技術帶入了新的發展時期，虛擬儀器代表了儀器發展的一種新方向。虛擬儀器是以計算機為基礎，利用模塊化的功能硬件和應用軟件來完成信號采集、數據測試分析、結果表達處理等眾多功能，把傳統儀器的專業化功能軟件化，使之與PC機結合起來融為一體全新的儀器系統。在虛擬儀器系統中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個系統中的關鍵，軟件即是儀器。虛擬儀器的概念打破了傳統的儀器由廠家定義、用戶無法改變的局面，這樣用戶就可以根據自己的需求很靈活地定義、設計儀器系統，以滿足各自的應用要求。與傳統實驗設備相比，虛擬儀器的優點表現在以下幾個方面：①成本低。虛擬儀器的價格低廉，是傳統儀器的20%左右。虛擬儀器的結構是基于軟件體系的，不像傳統儀器的硬件那樣存在元器件老化及溫度變化影響的問題，從而延長設備的使用壽命，也可以節省大筆的維護費用。②靈活性大。傳統儀器系統自身封閉、功能固定、可擴展性差，功能和模塊由生產廠家定義，而虛擬儀器可由用戶自行定義功能模塊，大大擴展了其靈活性。而且任何計算機技術的提升皆可及時提高虛擬儀器的功能。③數據處理功能強大。虛擬儀器可方便地對數據進行編輯、存儲和打印，這是傳統儀器無法做到的。④測量精確。傳統儀器受系統誤差的影響，不同儀器之間個體差異較大，而虛擬儀器在PC機上運行，測量誤差很小。通過將虛擬儀器技術植入通用計算機平臺上，使得使用者在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺傳統測試儀器一樣。由于虛擬儀器技術采用可視化界面，數據采集過程全部由計算機控制，達到數顯繪圖同步，隨時存貯、打印、調用、處理數據，調試過程簡單、易掌握，直觀性好、數據準確性高，重復利用率高等特點。若將虛擬技術借助學校網絡平臺，形成網上實驗室，學生無論身處學校或校外任何地方，通過指定賬戶登錄，均可方便地隨時進行相關的真實的“虛擬實驗”實踐活動。

二、虛擬實驗對實踐教學的作用

目前不少高校正在積極開展實踐教學的研究與探索。如何在以應用型人才培養為目標的本科院校開展有效的實踐教學是每個專業需要認真研究的課題。當前在工科實驗實踐教學的開展過程中逐漸暴露出一些問題，如：①隨著實踐教學的開展，校內可利用的實驗及實踐場地不能滿足不斷增長的實踐教學的需求，傳統實驗的拓展與改進受到限制。②受實驗時間及設備數量等條件的限制，不能滿足每個學生進行充分實驗實踐等等，實驗教學往往沒有很好地起到促進消化、強化和應用理論知識的作用。③理論課程與實驗課程時間安排不協調問題，甚至出現實驗課先于理論課程的現象，導致學生不能很好地將理論知識與實驗實踐有機結合起來。探索研究將基于虛擬儀器技術的“虛擬實驗”搬入能源與環境專業課程教學的環節，在理論教學過程中導入“虛擬實驗”的實踐環節，增強理論知識與實際應用之間關系，同時是對實驗教學環節的有效補充和引導，這對提高工科學生的實踐能力，具有積極現實的意義。

三、熱工基礎虛擬實驗改革內容、目標和擬解決關鍵問題

改革內容：主要以熱工類課程包括工程熱力學、流體力學、傳熱學等的實驗教學為主要改革對象，研究將其中涉及的實驗包括噴管實驗、氣體橫掠單管試驗、圓球穩態導熱試驗等進行“虛擬實驗”開發。在單個熱工虛擬實驗的基礎上，將原先必須在實驗室完成的實驗，建立以計算機為載體的熱工虛擬實驗室；建立網上熱工基礎虛擬實驗室，教師可以在教學過程中利用虛擬實驗室進行課題中的實驗示范，增強教學印象和效果；學生可隨時登錄虛擬實驗室，完成相應的實驗操作，提交實驗報告。改革目標：建立以計算機為載體的熱工虛擬實驗室；探索研究將基于虛擬儀器技術的“虛擬實驗”搬入能源與環境專業課程教學的環節，在理論教學過程中導入“虛擬實驗”的實踐環節，增強理論知識與實際應用之間的聯系，及時加深學生對理論知識的理解和應用，提高工科學生的實踐能力。擬解決的關鍵問題：基于熱工實驗的特性，尋找合適的“虛擬實驗”開發軟、硬件，擬打算利用圖形化編程軟件LabVIEW，開發相關的熱工實驗，建立虛擬實驗室，擬解決①校內可利用的實驗及實踐場地不能滿足不斷增長實踐教學的需求，傳統實驗的拓展與改進受到限制；②受實驗時間及設備數量等條件的限制，不能充分滿足每個學生進行充分實驗實踐；③理論課程與實驗課程時間安排不協調問題等問題。

四、具體實施方案、方法

將“虛擬實驗”搬入專業教學的教研項目，總體上分三大步實施：第一步，完成適用于熱工實驗虛擬開發的軟硬件設備的研究與選擇；完成單個典型熱工虛擬實驗的開發（本項目研究部分）；第二步，完成選定熱工實驗的虛擬開發，并逐步應用到實驗教學環節和理論課程教學環節；第三步，完成網上虛擬實驗室的研發與建立，部分或逐步代替傳統的熱工實驗。選擇美國儀器公司基于C語言開發的圖形化編程平臺LabVIEW為開發軟件，以圓球穩態導熱試驗的虛擬實驗開發為對象，進行熱工實驗虛擬開發的軟硬件設備的研究，建立單個典型熱工虛擬實驗的開發的基本程序和范例，具體實施方法與過程如下：①以實際圓球穩態導熱試驗為基礎，建立傳熱數學模型。為了使虛擬實驗更接近于實際設備的實驗結果，根據在實際設備上獲得的實驗數據，以穩態導熱基本理論為基礎，結合實驗數據進行修正，并通過origin等擬合軟件對實驗曲線進行擬合，得到測定材料導熱系數隨材料平均溫度變化的數學模型；得到在某一初始溫度和加熱功率下，材料熱面和冷面溫度隨時間變化的數學模型。②建立虛擬實驗操作界面。利用LabVIEW自定義控件的功能，制作自定義閥門控件，使虛擬實驗能更直觀、更形象地模擬實際設備的操作過程，使LabVIEW的操作界面更接近于實驗設備。③開發實驗數據分析和報告生成功能。在LabVIEW中加載LabVIEW報告生成工具包，將虛擬實驗的數據和圖表導出到自定義格式的文檔中，并將文檔制作成可對實驗數據和圖表進行分析的模式，并完成實驗報告。

五、成果和與創新之處

“熱工基礎虛擬實驗室”的建立，可以大大提高能源與環節系統工程專業學生的熱工實驗效果，解決實踐教學發展要求同實際實踐場地之間的矛盾，充分滿足每個學生進行熱工基礎實驗的要求，解決理論課程與實驗課程時間安排不協調等問題。在虛擬實驗室建成初期，主要受益的是能源與環節系統工程專業學生；將“熱工基礎虛擬實驗室”網絡化，將其變成全校性公選實驗課；同時教師在授課的同時，為了增強教學效果，也可隨時通過學校多媒體教學系統，登陸進行實際操作，展示給課堂的學生。虛擬儀器是以計算機為基礎，利用模塊化的功能硬件和應用軟件來完成信號采集、數據測試分析、結果表達處理等眾多功能。把傳統儀器的專業化功能軟件化，使之與PC機結合起來融為一體形成全新的儀器系統。將其應用到熱工基礎實驗中，通過建立“熱工基礎虛擬實驗室”，代替或補充部分熱工實驗教學，能夠極大地滿足學生的實驗需求。解決實踐教學發展要求同實際實踐場地之間的矛盾，充分滿足每個學生進行熱工基礎實驗的要求，解決理論課程與實驗課程時間安排不協調等問題。

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1674-9324（2014）14-0267-02