交互式水力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的構(gòu)建

薛海

摘要：水力學(xué)是面向水利類本科學(xué)生開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。由于流動現(xiàn)象的復(fù)雜性，僅通過理論教學(xué)很難使學(xué)生深刻認(rèn)識流體運(yùn)動的力學(xué)本質(zhì)，必須通過實(shí)驗(yàn)來加深理解。而實(shí)驗(yàn)課則常常面臨儀器成本高、授課任務(wù)重等諸多困難。通過對實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的深入分析，基于ActionScript3.0系統(tǒng)研發(fā)構(gòu)建了具有強(qiáng)交互性的仿真虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，不僅在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果，也為其他力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課件的研發(fā)提供了基本思路。

關(guān)鍵詞：水力學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬;仿真

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0261-03

一、當(dāng)前水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

水力學(xué)是介乎于基礎(chǔ)力學(xué)和工程技術(shù)之間的一門專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，它主要研究以水為代表的液體的流動規(guī)律以及如何運(yùn)用這些規(guī)律于生產(chǎn)實(shí)踐[1]。該課程的基礎(chǔ)性使其成為幾乎所有水利相關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。相比于剛體力學(xué)而言，水力學(xué)涉及的是更為復(fù)雜的流動現(xiàn)象，流體運(yùn)動過程中的能量及動量轉(zhuǎn)換、力學(xué)參量變化等都無法完全用理論分析的方法解析地表達(dá)出來。因此實(shí)驗(yàn)水力學(xué)作為水力學(xué)的重要研究手段被廣泛地應(yīng)用在學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐中。然而，相應(yīng)的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻存在著諸多困難和瓶頸，嚴(yán)重制約了教學(xué)工作的開展。

首先，水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量巨大。以筆者所在學(xué)校為例，水力學(xué)教研室有4～5位教師承擔(dān)水力學(xué)（包括水力學(xué)專題）的理論課講授，而專職從事水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的只有3位教師，其面對的授課班級卻多達(dá)幾十個班次，教學(xué)工作量巨大。如此大的工作量必然會影響到授課質(zhì)量并大大增加了小范圍指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的難度。其次，從授課課時角度看，在水力學(xué)課程的80個學(xué)時中，理論學(xué)時占68個，實(shí)驗(yàn)學(xué)時則僅占12個，而每個班都要分批次講授并實(shí)際操作8個核心實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間和儀器有限的情況下，課程的安排非常困難并且可能出現(xiàn)排課時間跨度過長的情況，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課與相應(yīng)理論課程在時間上的脫節(jié)，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效用。此外，對于函授或者自考等非全日制學(xué)生而言，由于平時要忙于單位工作，多數(shù)時間并不在學(xué)校學(xué)習(xí)，雖然理論課可通過集中時間進(jìn)行講授，但實(shí)驗(yàn)課則基本上通過自己熟悉實(shí)驗(yàn)手冊等方式完成，沒有機(jī)會進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)習(xí)效果有限。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已有不少教育工作者嘗試將實(shí)驗(yàn)課虛擬化[2-5]，但主要還是集中在計(jì)算機(jī)教學(xué)以及基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)方面。力學(xué)，特別是流體相關(guān)力學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺并不多見。

為了解決上述困難和瓶頸，在總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和技術(shù)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，基于ActionScript3.0語言研發(fā)出一套交互能力強(qiáng)、仿真程度高的水力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件包，配合對應(yīng)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)照片、視頻及關(guān)鍵步驟的語音講解等外圍媒體手段，在一定程度上可以替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，較為成功地解決了上述瓶頸。

二、水力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)架

筆者所研發(fā)的水力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括了“雷諾實(shí)驗(yàn)”、“沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)”等多個實(shí)驗(yàn)子模塊，但每個模塊總體上都遵循了類似的構(gòu)建框架，如圖1所示。

三、系統(tǒng)構(gòu)建中若干關(guān)鍵問題的解決

1.三類部件的合理抽象。虛擬實(shí)驗(yàn)場景中存在大量實(shí)驗(yàn)部件，若不加以合理分類并進(jìn)行有針對性的研發(fā)，不僅會顯著增加開發(fā)工作量，更可能使得內(nèi)部邏輯和代碼混亂，影響虛擬實(shí)驗(yàn)效果。本研究根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)部件的特點(diǎn)將其分為“靜止部件”、“固定動畫部件”和“實(shí)時動畫部件”三類。“靜止部件”是虛擬場景中不隨操作變化的“背景部件”（如實(shí)驗(yàn)臺架、管道等），這類部件僅通過美工設(shè)計(jì)繪制即可完成。“固定動畫部件”則是指部件可能隨著使用者的操作有所變化（如流量控制器等），但其動畫主要是示意性的。因此此類部件除了繪制若干關(guān)鍵幀狀態(tài)外，只需編寫操控參數(shù)用于有限的動畫切換即可。“實(shí)時動畫部件”則是本系統(tǒng)的核心部件（如水流、示蹤劑粒子等），需要隨操作者給定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和當(dāng)前實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行實(shí)時動畫以反映當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。這類部件的實(shí)現(xiàn)是利用ActionScript3.0所提供的“面向?qū)ο蟆睓C(jī)制，將部件定義為類（Class）并構(gòu)造與實(shí)驗(yàn)操作有關(guān)的屬性和方法（Method）。程序運(yùn)行時隨著場景的調(diào)入將該“類”實(shí)例化為“實(shí)驗(yàn)對象”，而“實(shí)驗(yàn)對象”又通過所具有的“方法”對使用者的操作做出響應(yīng)，從而完成定義和實(shí)驗(yàn)操作的統(tǒng)一。圖2列出了虛擬系統(tǒng)中上述三類部件的范例。

2.虛擬場景與真實(shí)場景的對比。通過對虛擬實(shí)驗(yàn)場景中各實(shí)驗(yàn)部件的美工和仿真設(shè)計(jì)，雖然可以使學(xué)生獲得接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作感受，但為了使教學(xué)效果更加完善，本研究中還加入了與虛擬設(shè)備及操作相對應(yīng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景的對比展示，盡可能地縮小了虛擬仿真與真實(shí)情形的差距。功能上表現(xiàn)為：當(dāng)實(shí)驗(yàn)操作者選擇某部件后，程序獲取該虛擬部件并給出該部件多角度的真實(shí)照片。圖3即為“雷諾實(shí)驗(yàn)”中虛擬恒壓實(shí)驗(yàn)水箱與真實(shí)水箱實(shí)物的對比場景。

3.實(shí)驗(yàn)動畫的仿真度和實(shí)時性。水力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)最重要的功能是在計(jì)算機(jī)上盡可能地真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場景中的流動現(xiàn)象，這包括兩個方面：一是在現(xiàn)象上應(yīng)讓操作者感受到“象”，即與真實(shí)現(xiàn)象相比具有較高的仿真度。二是必須具有較高的操作相關(guān)性，即隨著實(shí)驗(yàn)操作者的操作而實(shí)時改變流動狀態(tài)，呈現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。研究中通過對“實(shí)時動畫部件類”在各情形下的狀態(tài)參數(shù)及其與場景中該部件的幀動畫進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)實(shí)驗(yàn)者給出不同操作時，狀態(tài)參數(shù)的改變直接觸發(fā)實(shí)驗(yàn)部件的動畫實(shí)施轉(zhuǎn)換。例如，對于雷諾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)操作者通過“虛擬流量控制閥”給出更大流量時，程序?qū)崟r計(jì)算層流和紊流狀態(tài)之間的無量綱判別參數(shù)雷諾數(shù)（Re）的值，根據(jù)不同的Re值，實(shí)時地顯示層流（流層顏色線為直線且清晰）、過渡流動（顏色線發(fā)生彎曲）及紊流（顏色線消失，進(jìn)入全斷面染色階段，用點(diǎn)狀粒子表示）的過程，如圖4所示。

4.實(shí)驗(yàn)的工程應(yīng)用擴(kuò)展。水力學(xué)既是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，同時也具有很強(qiáng)的實(shí)用性，因此水力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)該最終與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系起來，使學(xué)生了解每個實(shí)驗(yàn)所對應(yīng)的工程背景和所能解決的實(shí)際工程問題。在進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)時，有針對性地進(jìn)行了工程應(yīng)用實(shí)例的選材，并且對于同一個實(shí)驗(yàn)，盡可能地從不同角度選擇2～3個工程實(shí)例進(jìn)行講解。例如在“伯努利能量方程”虛擬實(shí)驗(yàn)中，在工程實(shí)例環(huán)節(jié)通過圖片和文字等形式給出了火車站站臺設(shè)置“黃色安全線”以防列車高速通過時所形成的低壓區(qū)可能造成的安全隱患，以及飛機(jī)機(jī)翼翼型與所產(chǎn)生的升力之間的關(guān)系，兩個與日常生活密切相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例。通過學(xué)生試用反饋，對這一工程應(yīng)用延伸教學(xué)模塊的滿意度在97%以上。

5.虛擬實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)的多種途徑發(fā)布。軟件系統(tǒng)研發(fā)完成后要提供給學(xué)生使用，傳統(tǒng)的方法是將其打包制作成安裝程序，隨后在客戶計(jì)算機(jī)上安裝使用。本研究除了提供這種傳統(tǒng)軟件發(fā)布方式外，為了方便函授等非在校生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)需求，將軟件系統(tǒng)內(nèi)嵌至網(wǎng)頁，在外層編寫了登錄認(rèn)證代碼，并通過視窗系統(tǒng)的IIS（Internet Information Server）平臺構(gòu)建了因特網(wǎng)服務(wù)器，面向?qū)W生提供軟件的WEB訪問版本，使學(xué)生可以隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)頁上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的操作，進(jìn)一步提高了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用效率和靈活性。

四、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是力學(xué)類課程教學(xué)的重要組成部分，但也存在授課任務(wù)重、實(shí)驗(yàn)室資源緊張及對非在校生難以開展工作等困難和瓶頸，并在一定程度上制約了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的實(shí)施。本研究以水力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程為突破口，通過研發(fā)高仿真虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有效緩解了上述矛盾，同時也初步取得了良好的教學(xué)實(shí)踐效果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更加系統(tǒng)的深度研發(fā)，將對力學(xué)類授課體系的進(jìn)一步完善起到更大的推動作用。

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