基于虛擬仿真平臺(tái)的能源動(dòng)力類本、研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理實(shí)踐

翟 明，姜寶成，宋彥萍，帥 永，溫風(fēng)波，曾令艷

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

伴隨節(jié)能減排國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，能源動(dòng)力類專業(yè)在國(guó)內(nèi)高校中廣泛開設(shè)（能源與動(dòng)力工程專業(yè)開設(shè)數(shù)為216，飛行器動(dòng)力工程專業(yè)開設(shè)數(shù)為11，核工程與核技術(shù)專業(yè)開設(shè)數(shù)為16），每年的畢業(yè)生數(shù)以萬計(jì)。能源動(dòng)力類實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理信息化、虛擬化將提升相關(guān)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，從某種程度上講對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響巨大。能源動(dòng)力類實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中以學(xué)生在教師指導(dǎo)下自主操作為主，這在培養(yǎng)學(xué)生儀器儀表使用能力、動(dòng)手操作能力、工程實(shí)踐能力等方面發(fā)揮了重要作用［1-4］，但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中也逐步發(fā)現(xiàn)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在諸多問題，有些屬于高污染，高危險(xiǎn)，高成本的實(shí)物實(shí)驗(yàn)不宜為學(xué)生安排；有些物理現(xiàn)象及問題實(shí)驗(yàn)因素眾多、機(jī)理復(fù)雜，實(shí)物實(shí)驗(yàn)不易找出相互之間的影響規(guī)律，比如：①經(jīng)典的燃燒學(xué)實(shí)驗(yàn)以層流火焰實(shí)驗(yàn)為主，現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)換和動(dòng)力裝置的燃燒過程以湍流火焰為主，作用機(jī)理復(fù)雜，測(cè)量十分困難。實(shí)物實(shí)驗(yàn)只能開設(shè)穩(wěn)態(tài)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，湍流火焰特性與燃燒機(jī)理、大型電站鍋爐爐內(nèi)燃燒過程與機(jī)理、NOx 生成特性等相關(guān)問題的實(shí)驗(yàn)，影響因素眾多復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)工況不易穩(wěn)定，變化快，難以調(diào)節(jié)。同時(shí)伴隨高污染，高危險(xiǎn)，高成本，且難以把握現(xiàn)象全貌，無法用實(shí)物實(shí)驗(yàn)為學(xué)生開設(shè)。②流體機(jī)械內(nèi)部過流部件流動(dòng)狀態(tài)極其復(fù)雜，涉及三維流動(dòng)問題；熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速推進(jìn)器設(shè)計(jì)涉及超高速、超高壓?jiǎn)栴}；高速流動(dòng)條件下膨脹波、激波、變截面管流和氣流繞翼型流動(dòng)等經(jīng)典問題實(shí)驗(yàn)成本非常高；大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備內(nèi)部三維流動(dòng)問題、彎扭葉片對(duì)氣流參數(shù)影響等也很難為本科生開出實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，大型水輪發(fā)電機(jī)、熱力發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備也不適合開設(shè)實(shí)物裝配實(shí)驗(yàn)。③傳熱學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)課程群常規(guī)條件下的實(shí)物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已非常豐富，但是極端條件的一些多因素耦合作用下的熱物理問題，還需要借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來完成；模擬太空環(huán)境-真空環(huán)境太陽輻照復(fù)雜表面熱輻射與導(dǎo)熱的耦合問題，熱輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱的耦合問題，微尺度條件下流動(dòng)與換熱問題，高溫設(shè)備的3D溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及熱流場(chǎng)目前無法直接測(cè)量，實(shí)物實(shí)驗(yàn)不易開出。④核工程與核技術(shù)專業(yè)涉及反應(yīng)堆物理及核技術(shù)應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)含有放射源，具有強(qiáng)放射性和高危險(xiǎn)性；核反應(yīng)堆系統(tǒng)具有高度復(fù)雜性和系統(tǒng)集成性，涉及多個(gè)關(guān)鍵過程的耦合，實(shí)物實(shí)驗(yàn)只能通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)包括堆內(nèi)和堆外事故過程序列。

隨著科學(xué)的發(fā)展，能源動(dòng)力類學(xué)科專業(yè)知識(shí)的科學(xué)問題越來越難以用簡(jiǎn)單的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來表現(xiàn)，計(jì)算機(jī)仿真與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展為相關(guān)問題的表述提供了新的方法與手段［5-6］。計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的應(yīng)用給工業(yè)界帶來了革命性的變化，如在汽車工業(yè)中，利用CFD 和其他計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工具，使原來新車研發(fā)需要上百輛樣車減少為目前的十幾輛車；國(guó)外飛機(jī)廠商用CFD取代大量實(shí)物試驗(yàn)，如美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)YF-23 采用CFD進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)后，比前一代YF-17 減少了60%的風(fēng)洞試驗(yàn)量。目前在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，利用CFD進(jìn)行的反復(fù)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化已成為標(biāo)準(zhǔn)的必經(jīng)步驟和手段。通過實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理信息化、虛擬化，可以整合現(xiàn)有及長(zhǎng)期積累的科研與教學(xué)成果、知識(shí)產(chǎn)權(quán)及軟件資源，將學(xué)科科研資源轉(zhuǎn)化為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。以自主開發(fā)為主，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，完成能源動(dòng)力類實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理信息化、虛擬化建設(shè)。針對(duì)能源動(dòng)力類專業(yè)學(xué)生開設(shè)高危險(xiǎn)性的涉及核放射性類實(shí)驗(yàn)、大型熱設(shè)備內(nèi)部熱-流-固耦合作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，高超速、高真空等極端條件下的熱科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，滿足不同地區(qū)、不同高校、不同專業(yè)方向的培養(yǎng)目標(biāo)，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才奠定基礎(chǔ)，為學(xué)科發(fā)展提供基礎(chǔ)服務(wù)條件［7-8］。

以我校“十三五”本科教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要為契機(jī)，以本科生、研究生教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一體化建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃為依據(jù)，著重探究了如何以能源動(dòng)力相關(guān)課程群和應(yīng)用型研究生培養(yǎng)基地為基礎(chǔ)，建立基于虛擬仿真平臺(tái)的能源動(dòng)力類本、研一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理系統(tǒng)。從本科生到研究生階段，加速培養(yǎng)學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)、探索性學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)的能力，將從根本上改變實(shí)踐教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)觀念，形成理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的理念和氛圍。將先進(jìn)的教育理念和教學(xué)指導(dǎo)思想貫徹到相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，能夠?qū)崿F(xiàn)從本科到研究生的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化，進(jìn)而構(gòu)建實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，多層次、多模塊和相互銜接的科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。實(shí)踐證明，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面緊跟學(xué)科發(fā)展，不斷提高和完善，對(duì)提高學(xué)生素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有著至關(guān)重要的作用。

1 國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化、虛擬化現(xiàn)狀分析

關(guān)于實(shí)驗(yàn)管理、教學(xué)、科研信息化、虛擬化的相關(guān)理念，最早是由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)William Wolf 教授［9］于1989 年首先提出的。所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory，VL）的概念，初衷是為了方便不同實(shí)驗(yàn)室中的科研人員共享彼此的數(shù)據(jù)、儀器，并能交流思想和進(jìn)行遠(yuǎn)程科研合作。近年來又發(fā)展起來一項(xiàng)新技術(shù)—虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（Virtual Reality Modeling Language），其目的是在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)三維視覺、聽覺和觸覺環(huán)境［10］。人機(jī)交互手段使參與者能夠?qū)μ摂M環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱，并能從虛擬環(huán)境中得到反饋信息，也能使系統(tǒng)了解參與者關(guān)鍵部位的位置、狀態(tài)、變形等各種系統(tǒng)需要知道的數(shù)據(jù)。目前，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家已十分普及。例如，美國(guó)俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站包含了天體物理、能量與環(huán)境、力學(xué)、熱學(xué)等方面的幾十種虛擬實(shí)驗(yàn)。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)教育資源中心發(fā)起的基于Java技術(shù)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)來觀察各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。德國(guó)的漢諾威大學(xué)建立了網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化工作平臺(tái)，意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程教育實(shí)驗(yàn)室，新加坡國(guó)立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn)等［11］。除此之外，國(guó)外一些專家、學(xué)者將自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研成果在某些公共網(wǎng)絡(luò)、視頻平臺(tái)（如YouTube 等）公開共享，供全球的學(xué)生、學(xué)者瀏覽、學(xué)習(xí)或討論。我國(guó)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究起步較晚，但是發(fā)展速度較快。根據(jù)從網(wǎng)上可查到的信息和各院校開放的對(duì)外服務(wù)看，國(guó)內(nèi)部分大學(xué)已陸續(xù)建立了實(shí)驗(yàn)教學(xué)、預(yù)約系統(tǒng)。例如：清華大學(xué)利用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)；復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)等一批高校，也開發(fā)了虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研［12-14］。

從目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的應(yīng)用和發(fā)展來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化、虛擬化還處在起步階段，還存在著很多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化、虛擬化只是某方面的部分應(yīng)用或只是一些最基本、最簡(jiǎn)單的初期應(yīng)用。另外，信息化時(shí)代，學(xué)生很容易接觸海量資源、信息，但是學(xué)生理解和掌握各種信息的深度及效率卻并未因此而提高，相反，這些信息卻在干擾和考驗(yàn)著學(xué)生對(duì)信息的篩選，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理建設(shè)并不應(yīng)將各種資源進(jìn)行簡(jiǎn)單的堆砌，而應(yīng)有系統(tǒng)地建立和篩選那些易于學(xué)生理解和掌握，能夠啟發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生能分層次和個(gè)性化發(fā)展的優(yōu)秀資源。雖然實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化、虛擬化發(fā)展時(shí)間很短，目前的研究還存在很多不足，但是其作為實(shí)驗(yàn)室管理、教學(xué)的重要組成部分極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 平臺(tái)建設(shè)

2.1 構(gòu)建本、研一體化多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

我院動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科為研究生開設(shè)5門學(xué)科基礎(chǔ)課（高等流體力學(xué)、高等工程熱力學(xué)、高等傳熱學(xué)、高等燃燒學(xué)、高等空氣動(dòng)力學(xué)），相對(duì)應(yīng)于能源動(dòng)力類大類專業(yè)為本科生開設(shè)5 門專業(yè)基礎(chǔ)課（工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)），根據(jù)學(xué)科研究培養(yǎng)研究生需要及大類專業(yè)本科生培養(yǎng)需要，統(tǒng)一規(guī)劃研究生、本科生一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。規(guī)劃建設(shè)中的研究生學(xué)科基礎(chǔ)平臺(tái)課系列實(shí)驗(yàn)包括5 門課程15 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科研究生開設(shè)16 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)分配到動(dòng)力工程及工程熱物理5 門學(xué)科基礎(chǔ)課程中，構(gòu)建5 個(gè)本、研一體化課程教學(xué)模塊。研究生層次實(shí)驗(yàn)借助學(xué)科科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的先進(jìn)測(cè)量?jī)x器，對(duì)經(jīng)典熱科學(xué)規(guī)律進(jìn)行測(cè)量。

圍繞本、研一體化燃燒學(xué)課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，建設(shè)大型電站鍋爐爐內(nèi)燃燒過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；圍繞本、研一體化空氣動(dòng)力學(xué)課程群，建設(shè)高超速流動(dòng)及汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有網(wǎng)絡(luò)化功能，學(xué)生借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 搭建本、研一體化開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理和共享平臺(tái)

以實(shí)驗(yàn)課程管理、習(xí)題安排以及知識(shí)點(diǎn)測(cè)試為一體，學(xué)生、教師、教務(wù)人員可通過瀏覽器參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)（見圖1）。滿足開設(shè)具有獨(dú)立學(xué)分的虛擬實(shí)驗(yàn)課程；為教師提供網(wǎng)上布置安排預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和報(bào)告等教學(xué)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)提供智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改和一鍵式成績(jī)分析匯總；為學(xué)生在網(wǎng)上提供選擇開課、選擇實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試，在系統(tǒng)智能指導(dǎo)下進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，利用系統(tǒng)提供的虛擬設(shè)備和器材完成自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的功能；供教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并補(bǔ)充、完善、共享實(shí)驗(yàn)庫；支持“虛擬實(shí)驗(yàn)+實(shí)物實(shí)驗(yàn)”融合的教學(xué)模式并提供一體化的教學(xué)過程管理。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)之后利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作訓(xùn)練，然后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。管理人員、教師和學(xué)生通過學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)認(rèn)證后可直接進(jìn)入本系統(tǒng)完成相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)；支持學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告網(wǎng)上撰寫、提交和教師實(shí)驗(yàn)報(bào)告輔助自動(dòng)批改功能；支持學(xué)生網(wǎng)上自主選課和課內(nèi)自主選擇實(shí)驗(yàn)；為學(xué)校現(xiàn)有網(wǎng)上課程提供引入式虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，供學(xué)生在網(wǎng)上自學(xué)過程中進(jìn)行典型虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)操作；為學(xué)校管理人員查看實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程提供學(xué)生實(shí)驗(yàn)的安排情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交情況，教師指導(dǎo)和批改的情況，學(xué)生的問題和反饋意見；提供多媒體答疑室功能、實(shí)時(shí)交流、問題庫搜索、在線留言、短信通知等。

圖1 本、研一體化開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理和共享平臺(tái)功能

2.3 推動(dòng)現(xiàn)有科研軟件向虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的轉(zhuǎn)化

以彎扭葉片三維造型及流場(chǎng)分析虛擬實(shí)驗(yàn)、火電廠燃煤鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)及燃燒特性的虛擬實(shí)驗(yàn)為例。

彎扭葉片三維造型及流場(chǎng)分析及航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（見圖2），是讓學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)直觀觀察空氣動(dòng)力學(xué)經(jīng)典現(xiàn)象，包括不同雷諾數(shù)條件下的圓柱擾流問題、變沖角下的翼型流動(dòng)及升力特性研究、斜激波的產(chǎn)生和傳播、不同壓比條件下的拉伐爾噴管流動(dòng)等，從而克服空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論相對(duì)抽象導(dǎo)致學(xué)生比較難理解的問題。從基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)研發(fā)、結(jié)構(gòu)裝配等多層面為學(xué)生開展熱力發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)，以便使學(xué)生系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)及典型的設(shè)計(jì)和研發(fā)問題。

圖2 彎扭葉片三維造型及流場(chǎng)分析及航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

火電廠燃煤鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)及燃燒特性虛擬實(shí)驗(yàn)（見圖3），是讓學(xué)生利用Gambit、Icem 等建模軟件對(duì)典型火電站鍋爐進(jìn)行建模，以掌握火電站鍋爐整體結(jié)構(gòu)、燃燒器結(jié)構(gòu)受熱面布置等基本知識(shí)；利用Fluent計(jì)算仿真軟件進(jìn)行典型火電站鍋爐內(nèi)燃燒特性的計(jì)算，學(xué)生掌握爐內(nèi)的溫度分布、煤粉顆粒的運(yùn)行軌跡、煙氣組分分布、結(jié)渣和高溫腐蝕等實(shí)際情況；通過虛擬實(shí)驗(yàn)并全面體會(huì)鍋爐整體結(jié)構(gòu)、燃燒器噴口結(jié)構(gòu)、燃燒器噴口位置、風(fēng)率配比、煤粉細(xì)度等、受熱面布置等因素對(duì)流動(dòng)、燃燒及污染物排放特性的影響。

圖3 燃燒器煤粉燃燒特性虛擬實(shí)驗(yàn)

3 提供的質(zhì)量保障

3.1 在教學(xué)理念上保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要地位

堅(jiān)持“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重能力、求創(chuàng)新”的辦學(xué)傳統(tǒng)與特色，強(qiáng)化德智體美全面發(fā)展，以德為先、立德樹人的教育理念，以培育信念執(zhí)著、品德優(yōu)良、知識(shí)豐富、本領(lǐng)過硬，具有國(guó)際視野和領(lǐng)軍才能的拔尖創(chuàng)新人才為己任，注重將蘇聯(lián)時(shí)期“重專業(yè)、強(qiáng)實(shí)踐”與歐美“重創(chuàng)新、個(gè)性化”的教育模式相結(jié)合，堅(jiān)持通識(shí)教育與專業(yè)教育相結(jié)合、目標(biāo)管理與過程管理相結(jié)合、課內(nèi)學(xué)習(xí)與課外實(shí)踐相結(jié)合、課堂教育與網(wǎng)絡(luò)教育相結(jié)合、校園教育與校企合作相結(jié)合、校內(nèi)教育與國(guó)際教育相結(jié)合的原則，努力培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的一流高素質(zhì)本科畢業(yè)生，打造具有國(guó)際影響力的教育品牌。

3.2 在頂層設(shè)計(jì)上保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要地位

全面推進(jìn)素質(zhì)教育，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)，為國(guó)家工業(yè)化、信息化、國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)和造就高素質(zhì)復(fù)合型人才，為和諧社會(huì)建設(shè)提供人才支持和知識(shí)貢獻(xiàn)。

3.3 在政策制定上保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的良性運(yùn)行

開展更大范圍、更深層次的教學(xué)改革探索與實(shí)踐，創(chuàng)建面向21 世紀(jì)的現(xiàn)代化教學(xué)體系，使高質(zhì)量和創(chuàng)新能力強(qiáng)成為銘牌。利用卓越工程師計(jì)劃、專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行探索改革。根據(jù)學(xué)校的有關(guān)要求，能源動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合自身實(shí)際，制定了一系列個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)范要求和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理辦法，為能源動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的制度化管理和規(guī)范化運(yùn)行提供了保障。

4 取得的管理實(shí)踐成效

開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件（彎扭葉片虛擬實(shí)驗(yàn)三維彎扭葉片成形系統(tǒng)、三維流場(chǎng)計(jì)算及分析平臺(tái)、冷卻葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)建模、鍋爐幾何參數(shù)化造型、鍋爐煤粉燃燒及污染物排放特性計(jì)算程序及計(jì)算網(wǎng)格自動(dòng)生成平臺(tái)），整合了硬件資源，采購(gòu)了相關(guān)設(shè)備及軟件，重新規(guī)劃了虛擬仿真管理、虛擬化的實(shí)驗(yàn)，開設(shè)了直葉片流場(chǎng)分析、彎葉片三維生成及流場(chǎng)分析、扭葉片三維生成及流場(chǎng)分析、彎扭綜合流型分析、旋流煤粉燃燒技術(shù)鍋爐燃燒特性等系列化虛擬實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力，拓展了學(xué)生參與科技創(chuàng)新的范圍。

2016 年以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教師承擔(dān)各類教學(xué)改革項(xiàng)目8 項(xiàng)，包括省級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目1 項(xiàng)，省部級(jí)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目5 項(xiàng)，申報(bào)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目1 項(xiàng)。發(fā)表教學(xué)論文3 篇，獲軟件著作權(quán)8 項(xiàng)。

5 對(duì)未來發(fā)展的幾點(diǎn)建議

（1）創(chuàng)建大空間VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，未來的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室將滿足多人同時(shí)沉浸在虛擬空間中，每個(gè)人都有第一視角的真三維環(huán)境，可以隨意跟虛擬仿真場(chǎng)景交互，實(shí)現(xiàn)大型儀器、器械操作，程序化的教學(xué)［15-16］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)具備動(dòng)作捕捉相機(jī)、數(shù)據(jù)交換機(jī)、服務(wù)器、工作站、無線路由器、VR頭盔、同步播放LED屏、虛幻引擎、背包電腦等設(shè)施。因此，建議加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室投入，不斷完善設(shè)備和技術(shù)更新。

（2）采用分布式與研討型教學(xué)相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。采用先進(jìn)的方式，提供全新的教學(xué)環(huán)境來設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)已成為當(dāng)前教育的趨勢(shì)所在。分布式教學(xué)讓每個(gè)學(xué)生均等、自主的學(xué)習(xí)，而研討型教學(xué)讓學(xué)生與教師深入互動(dòng)，更容易領(lǐng)會(huì)和接受所學(xué)知識(shí)。因此，建議在分布式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立研討型多人交互的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，即采用分布式與研討型教學(xué)相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

（3）實(shí)現(xiàn)從實(shí)到虛再?gòu)奶摰綄?shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)。國(guó)家對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的基本原則是：“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛”。為了實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的統(tǒng)一，建議借助3D掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物的虛擬化，即數(shù)字化，再通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、性能仿真，最后利用3D 打印技術(shù)等，再將其實(shí)物化，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能改良，讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際體驗(yàn)完整的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)過程。

6 結(jié) 語

我校作為國(guó)家“985”建設(shè)及“雙一流”建設(shè)的重點(diǎn)大學(xué)，擔(dān)負(fù)著面向國(guó)家與社會(huì)發(fā)展的重要需求，承擔(dān)著培養(yǎng)“研究型、個(gè)性化、精英式”具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)工程領(lǐng)軍人才及科技創(chuàng)新拔尖人才的艱巨任務(wù)。面對(duì)新形勢(shì)，研究探索了建立能源動(dòng)力大類專業(yè)本、研一體化實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理機(jī)制，充分利用科研資源將其轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)難以完成的內(nèi)容，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，教學(xué)過程虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了教學(xué)效果。

致謝 感謝哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心劉彬、黃怡珉兩位老師在虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)管理方面的幫助與支持！