虛擬設計與仿真教學平臺實踐與探索

葉舟　武衛東　李春　楊帆　張萬福

摘? 要：虛擬設計與仿真基于現代化信息技術，不僅兼具開放性與高效性，極大拓展學習資源和空間，亦可對傳統教學模式起到有效的支撐與延伸作用。結合葉輪機械類本科專業教學中的具體實踐與應用，通過平臺特點、功能模塊內涵與外延、教學實施過程與步驟，分析了虛擬設計與仿真在提升課程質量、培養學生自主學習能力和創新思維、感知現代先進設計技術等方面的積極作用，旨在探索更為高效的“教與學”理論/實驗教學新途徑。

關鍵詞：虛擬設計與仿真;葉輪機械;專業課程;教學質量

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0118-03

Abstract： Virtual design & simulation is based on modern information technology. It not only has openness and high efficiency， but also greatly expands learning resources and space. It can also effectively support and extends the traditional teaching mode. Based on the specific practice and application of the undergraduate teaching of turbomachinery， by summarizing the characteristics of the platform， the connotation and extension of the function modules， and the process and steps of the teaching implementation， the advantage and positive role of virtual design & simulation are analyzed in this paper， including to improve the quality of the course， cultivate students' independent learning ability and innovative thinking， and perceive modern design techniques. The aim is to explore a more efficient new approach to theory/experimental teaching approach of "teaching and learning".

Keywords： virtual design & simulation; turbomachinery; specialized course; teaching quality

虛擬仿真技術亦稱為模擬技術，是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界。虛擬仿真技術可廣泛應用于人們生產生活的各個行業領域，教育領域亦不例外。文獻[1-3]對虛擬仿真在教學的應用方式進行探討，文獻[4-6]將虛擬現實視為未來新型的教學與學習模式，文獻[7-11]則運用具體的虛擬仿真技術，進行了相關實驗教學項目設計與實踐。事實上，教育部已于2017年啟動了虛擬仿真實驗教學項目計劃，筆者相信，憑借其獨特優勢，虛擬仿真技術在教育教學的理論講授、課程設計及實驗等環節中均大有可為。

葉輪機械是以流體為工作介質、通過葉輪持續旋轉以達到能量轉換與流體傳輸的機械，葉輪機械類課程是能源動力專業的專業核心課程，研究對象通常包括蒸汽輪機、燃氣輪機、壓氣機、泵與風機、水輪機、風力機等，其普遍特點是葉片與流道結構復雜，流體工況高溫、高壓，葉輪高速旋轉或幾何尺寸巨大。而恰恰是這些特點，導致了該類課程在專業教學過程中的瓶頸所在：設計計算環節，即便對于理解能力較好的學生，也很難對其整體結構有很好的把握和理解;性能實驗與運行環節，由于工況條件苛刻或尺寸限制，導致無法獲取全面真實的測試數據，甚至無法創造對應的實驗環境。因此，為進一步提升教學質量和學生興趣，需要尋求一種理論資源豐富、邏輯與形象思維結合、設計與實驗實時再現、通識與個性并重的高效方式。筆者所在教學團隊長期從事葉輪機械類專業的理論與實驗教學，在保持一致性的基礎上，根據葉輪機械種類進行了虛擬仿真與設計平臺開發，更是將其視為提升教學質量的重要舉措和解決教學瓶頸的理想途徑，獲得上海市虛擬仿真項目認定。

一、虛擬設計與仿真平臺功能與特點

該虛擬設計與仿真平臺可極大拓展學生的學習資源和空間，調動學習積極性與主動性。此外，平臺可實現線上/線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化教學新模式，將基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合，可強烈激發學生的學習興趣，極大提高學生的實踐能力和綜合素質。具體體現為：

普適性與先進性：葉輪機械內部結構復雜，殼體及葉片均為非規則三維幾何形狀，教學實踐表明，即使對于形象思維較好的同學，依然存在對其空間結構難以理解的難點。虛擬設計與仿真平臺基于VR、數字設計、數值仿真的CAE技術，完整地實現對各部件和整體結構的全景展示，不僅較好地解決這一問題，而且可使學生較早地接觸現代化設計方法。

安全性與經濟性：葉輪機械不僅需要設計→實驗→設計→實驗的循環過程，且流動復雜，通常處于高溫、高壓、高速環境中，導致許多情況下無法開展真實環境實驗，或測試設備無法滿足要求，從而無法反映動態過程。虛擬設計與仿真平臺可解決真實條件不具備或實際運行困難、涉及高危或極端環境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題，節省人力、物力、財力及時間成本。

綜合性與全面性：作為本科層次的人才培養，既要掌握產品設計方法也要重視設備的運行與性能。但由于課時限制，常規教學只能針對某一方面進行重點授課，無法做到系統全面的講解，從而容易導致學生知識鏈中的薄弱環節。虛擬設計與仿真平臺可兼顧原理→結構→設計→運行→結構→設計→運行的真實全過程，具備較高綜合性與全面性，培養學生綜合解決問題能力。

二、虛擬設計與仿真功能模塊設計

結合理論課程內容，遵循循序漸進原則，將葉輪機械虛擬設計與仿真平臺主要分為四個功能模塊予以實現，分別為原理與應用模塊、結構與造型模塊、虛擬設計模塊、虛擬實驗模塊。

（一）原理與應用模塊

功能：采用視頻及動畫方式，講解葉輪機械工作原理、分類及在不同行業中的應用，為后續結構、設計及實驗奠定理論基礎。如圖1所示。

內涵：使學生進一步加深鞏固葉輪機械工作原理、了解分類方式、熟悉不同場合的應用方式。

外延：幫助學生盡快適應葉輪機械工作流程，正確掌握系統、工藝及選型方法。

（二）結構與選型模塊

功能：采用VR技術，實現葉輪機械全景三維造型，各零部件選擇、組裝與拆卸。

內涵：幫助學生了解葉輪機械整體和局部結構，葉輪、進出口部件、殼體等作用與組合方式，了解VR技術應用及基本操作。

外延：提高學生實踐動手能力，有助于葉輪機械的選型、安裝與維護;提高設計時空間想象和思維，有助于創新能力和思維的培養。

（三）虛擬設計模塊

功能：采用人機交互模式，完成葉輪機械設計步驟和幾何造型，可根據設計參數的變化實時響應，實現所見即所得。

內涵：幫助學生掌握葉輪機械的主要設計參數、幾何結構參數、性能參數及物性參數;掌握葉輪機械設計步驟及性能優化基本原理和方法。

外延：提高學生綜合知識運用及分析、解決問題能力;熟悉葉輪機械設計原理、計算模型、設計步驟、檢驗方法和優化與完善措施。

（四）虛擬實驗模塊

功能：采用虛擬現實場景，完成葉輪機械性能實驗、管路系統聯合運行動態測試實驗，實現實驗數據自動采集、性能曲線自動繪制、動態參數自動現實。

內涵：幫助學生掌握葉輪機械性能實驗目的、要求和基本操作步驟、主要性能特點;了解葉輪機械與管路系統力平衡關系。

外延：提高學生對葉輪機械設計、改型和優化能力;可正確配置電機和管路系統，開展真實性能與運行實驗，降低能耗等。

三、虛擬設計與仿真教學實施

虛擬設計與仿真教學實施系統構架采用基于網絡的遠程教學模式，充分利用現代信息技術，可實時培訓，避免人力財力的大量消耗;在教師引導下，學生可在任何地方時時刻刻體驗，不受時間和空間限制，實現網絡智能化學習。

教學實施系統主要包括三個模塊：

學習模塊：學生與前述功能模塊互動，每步操作均有文字和高亮提示，重點部分配備語音提示，亦可使用“幫助”本檔，或換至“演示”視頻觀看正確的操作方式。

考核模塊：學生完成學習模塊后，進入考核模塊;考核期間，每步操作原則上無提示（若學生請求提示，系統將根據每提示次數扣除相應分值）;考核完成后，系統自動給出正確項得分、錯誤項得分以及考核總分。

評價模塊：學生完成考核模塊后，進入評價模塊;根據模板要求，撰寫報告，包括原理、數據處理和結論，并對本次虛擬設計與仿真的學習體驗提出意見和建議。

虛擬設計與仿真教學實施基于翻轉課堂的引導式、開放式教學模式，教師提前布置預習任務，引導學生主動預習;學生在理論學習/預習后，方能獲取虛擬設計與仿真平臺學習資格;教師開放仿真學習資源后，依次完成各模塊的學習，并可隨時尋求系統、同學或教師的指導與幫助。總體學習過程如圖1所示。

四、結束語

虛擬設計與仿真平臺是信息技術與理論/實驗教學深度融合的產物，其充分應用現代科技發展成果，具有時代感和吸引力。

通過該虛擬設計與仿真平臺，學生在了解葉輪機械工作原理、特點和應用領域基礎上，掌握葉輪機械設計計算、結構參數確定及物性參數對性能影響、性能與運行實驗基本方法與步驟，有利于學生日后較快地適應和開展工作。

虛擬設計和仿真過程中的性能分析、計算方法和操作過程等，有助于培養學生的實踐能力、獨立工作和創新能力;同時，在一定程度上也使學生了解CAE工程設計和數字化設計思想，較早地感知現代先進設計技術。

虛擬設計和仿真系統采用現代信息化的多元體驗模式，突破了實際過程中，葉輪機械需要通過理論計算、設計，再到實體加工，進而開展實驗測試，人力、財力、物力及周期均無法在高校適時開展的限制，兼顧普適性與先進性、安全性與經濟性、綜合性與全面性，是對傳統教學模式的有效拓展與延伸，也為實現高效的“教與學”本科專業課程教學提供有力支撐。

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