基于信息技術的精細化虛擬仿真實驗教學
——以《葉輪機械原理實驗》為例＊

李鈺潔 馬睿 楊帆 黃依淼 宋一鳴

1.海軍工程大學動力工程學院；2.空軍預警學院；3.北部戰區海軍參謀部訓練處

信息技術的快速發展激發了教學形式的變革，為促進虛擬仿真實驗教學在技術與教學方面的深度融合，提高學生的綜合能力與創新能力，本文針對專業基礎類課程的實驗教學，基于精細化虛擬仿真技術，分別在實驗教學條件、教學內容、教學模式等方面進行了改革實踐。在教學應用方面，更新基于技術的教學法，設計精細化虛擬仿真實驗環節，建設實驗教學平臺，豐富精細化評價模型，促進教與學的深度融合，對專業領域的人才培養進行了探索與實踐，將精細化虛擬仿真實驗及實體實驗有機融合，推動了專業基礎類實驗課程教學質量的提高。

實驗教學是培養創新精神和實踐能力的重要載體，是幫助學生在客觀知識學習與實踐技能培養之間建立聯系的有效手段[1]。傳統實驗教學以操作與演示為主，實驗創新性考慮較少。信息技術的快速發展激發了教學形式的變革，當前以信息技術為本質特征的虛擬仿真教學越來越受到重視[2,3]。虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、人機交互、數據庫等技術而構建高仿真度的虛擬環境。利用虛擬仿真技術拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升實驗教學的質量和水平，是教育信息化的一個重要方向[4-6]。但是虛擬仿真教學也有其存在的問題，在虛擬仿真教學過程中，對如何提高教學效果的探索較少，對于虛擬仿真實驗采用什么教學方法、如何虛實結合等問題缺乏深入研究。

“葉輪機械”作為工科院校傳統專業基礎課，要求學生綜合運用工程熱力學、流體力學、機械設計等專業基礎理論，對能量轉換與工作特性進行深入分析[7]，在學習過程中，原理公式復雜，概念抽象，所配套的葉輪機械原理實驗課程對于葉輪機械內部精細化的流場細節難以直觀展現，學生在學習過程中對典型機械的流場思維較難建立，僅通過有限的課堂講解，難以使學生將所學知識與實際問題準確地聯系起來。

近些年，信息技術領域快速向微觀方向拓展，若能通過虛擬仿真手段將內部流動細節通過精細化仿真再現，是非常有意義的[8,9]。為了促進虛擬仿真實驗教學在教學與技術方面的深度融合，本文以葉輪機械原理實驗為主要對象，從教學設計與技術應用兩個方面探索了教學與技術的融合，在技術應用方面，基于智能三維重構與數值仿真技術構建了精細化虛擬仿真教學條件；在教學設計方面，對虛擬仿真實驗教學的教學內容進行設計，建設精細化虛擬仿真實驗環節，更新基于技術的教學方法，促進教與學的深度融合。

1 建設精細化虛擬仿真實驗教學條件

虛擬仿真實驗條件的精細化水平決定了虛擬仿真實驗的教學質量。根據行為主義學習理論，在實驗過程中通過在特定的重要環節設置相關問題可形成學習上的認知矛盾，由認知產生的矛盾從而激發學生在學習上的求知欲，以此形成良好的學習動機。

為提高精細化虛擬仿真實驗的教學質量，通過在重要的實驗節點設置相應的信息反饋，形成實驗全過程的信息交流，以提高學習的主動性，學生根據得到的實驗反饋信息進行邏輯推理與判斷，以對實驗本質進一步認知，獲取更深層次的實驗規律和原理機理。在精細化虛擬仿真實驗建設過程中，主要從實驗深度與實驗精度兩個方面提高虛擬仿真實驗教學條件建設的質量。

現有的葉輪機械原理實驗課程實體實驗是基于超音速暫沖式風洞實驗平臺開展的如圖1 所示，通過實驗平臺，對葉輪機械所涉及的空風洞、壓氣機葉柵、渦輪葉柵等典型實驗對象的氣動性能進行實驗測試，結合氣動熱力學、流體力學、空氣動力學等基礎理論，形成對原理機理的實驗對比驗證，以幫助學生更好的理解葉輪機械的做功機理與客觀規律。

圖1 風洞實驗系統Fig.1 Wind tunnel experimental system

風洞實驗系統涵蓋了葉輪機械氣動熱力性能的各項試驗內容，可進行微觀內流場的測試和重構實驗。但是，對于葉輪機械內部的精細化流場細節，通過現有的實驗條件還無法得到，學生在實驗過程中看不到、摸不著，影響了學習熱情，不能很好的激發學生的求知欲。因此，在現有的風洞綜合實驗平臺基礎上，為提高教學質量，利用精細化虛擬仿真技術，配套建設了精細化三維智能重構系統、增材制造平臺、虛擬數值仿真系統。

1.1 精細化三維智能重構系統

精細化三維智能重構系統的核心技術是非接觸式光學自動化三維測量技術，通過非接觸式光學測量，可高效實現對實驗對象重構質量控制。實驗系統集成光學三維測量技術和機器人技術，系統包括七軸運動控制系統（六軸協作機器人運動系統、一維自動轉臺）、移動工作臺、三維掃描測量頭、三維掃描軟件、檢測軟件等，如圖2 所示。測試系統能夠快速移動到需要測量的各個地方，按照每次實驗的要求，系統控制機器人根據不同實驗對象設置的特定路徑進行運動，由三維測量頭自動獲取被測物的三維數據，可通過多種對齊方式與數模自動對齊并進行偏差檢測，進行三維偏差的檢測實現在線實時檢測。

圖2 精細化三維智能重構系統Fig.2 Refined 3D intelligent reconstruction system

1.2 增材制造平臺

利用精細化三維智能重構系統對現有的葉輪機械實驗葉型進行三維重構，形成數字化模型，如圖3 所示。

圖3 葉柵數字化模型Fig.3 Digital model of the leaf grid

作為精細化虛擬仿真的實驗對象，另外對數字化模型進行切片化處理，基于逆向成型思維，通過增材制造平臺，形成三維實體實物模型作為實體實驗的對象。增材制造平臺采用的是熔融堆積固化成型技術，噴嘴直徑為0.6mm，打印精度為0.1mm，可形成質量較高的實體模型，如圖4 所示。

圖4 增材制造平臺Fig.4 Additive manufacturing platform

1.3 虛擬數值仿真系統

通過風洞實體實驗測試的實驗數據與數值仿真結果進行校驗，以增強虛擬過程的多感知性；對數字模型進行校驗與構型優化后，利用三維打印獲取新的實物模型，并再次進行虛擬仿真，對實體實驗過程中看不到的內部現象進行虛擬化展示，如圖5 所示。利用精細化虛擬仿真提高學習效率，從而形成互為補充的綜合實驗閉環。為增加精細化效果，培養學生嚴謹的實驗態度，每次所用時間可以等比例調整。對于實驗前設備的校準與調試，工具的處理與分類，以及實驗后的整理等細節都作出相應要求。通過創建精細化虛擬仿真實驗教學條件，提高了虛擬仿真實驗的教學質量，有效節約了實驗室資源并豐富了實驗教學形式，促進了教學資源的開放與共享。

圖5 虛擬數值仿真界面Fig.5 Virtual numerical simulation interface

2 創新精細化虛擬仿真教學內容

教學過程中，在培養學生掌握基礎知識的同時，更應注重能力素質的培養。葉輪機械知識點概念抽象，流場結構復雜，看不見摸不著，針對這種教學特點，基于精細化虛擬仿真教學實驗條件，在工程思維與理念訓練層面進行實驗創新教學與實踐。開展虛擬教學實驗與真實實驗相輔助的教學模式，如圖6 所示，一方面將跨音速風洞葉柵實驗，包括空風洞實驗、壓氣機平面葉柵實驗、渦輪平面葉柵實驗等，通過氣動測試獲取氣動實驗參數；另一方面，在教師的指導下，建立跨音速風洞實驗平臺的有限元數值計算模型，結合數值仿真計算的方法，分析多種進氣條件、多種類型葉柵的風洞測試流場細節，增加實驗形式的多樣性，獲取精細化流場細節。

圖6 精細化虛擬仿真教學內容Fig.6 Refined virtual simulation teaching content

在實驗過程中，先對學生分組，一方面充分利用超音速風洞試驗平臺，分別進行空風洞亞音速與超音速的噴管性能的實驗，以及平面葉柵等實驗，通過實驗獲取通流部分流量、壓力的變化，以實驗數據為依據，得到多種工況下風洞實驗的葉柵氣動特性，通過對實驗數據分析，量化具體影響程度；另一方面引導學生自行設計并進行精細化虛擬仿真驗證，利用智能掃描系統，充分開發學生的設計潛力，對現有的壓氣機或渦輪葉型進行三維重繪與逆向構型，通過三維快速成型，構造三維實驗葉型，對不同的葉型進行虛擬氣動測試。通過有限元數值仿真模擬計算得到葉柵內部流場流動細節，制作壓氣機或渦輪的流動細節，將抽象的概念原理與葉輪機械內復雜的流動過程形象地表達出來，在鍛煉學生計算分析能力的同時，使學生對概念原理和實驗流程的理解更清晰透徹。通過這種虛實結合的方式，降低在真實實驗操作中帶來的風險，對虛擬仿真實驗進行精細化處理，促進了知識的轉化與拓展，同時也彌補了實驗設備容量與學生人數不匹配的問題。

通過將理論學習與虛擬仿真實驗相結合，在傳統實驗教學中融入精細化虛擬仿真模塊，將實體實驗中無法看到的現象呈現給學生，增加學生對理論知識的理解，增加理論學習的立體感，提高學習效率，使學生根據精細化虛擬仿真實驗的特點以及實驗平臺優勢，反復進行虛擬實驗并交流心得，教師同步進行指導，然后通過實體實驗，高效完成實驗流程。最后基于實體實驗過程中的疑問和思考，再通過精細化虛擬仿真，在師生間展開討論，從而形成“理論—虛擬仿真+實體實驗—討論—理論”的閉環循環學習模式。

3 豐富教學效果評價模式，促進教與學的深度融合

原先的實驗課程評價主要由學生撰寫的實驗報告質量決定，這種評價方式無法全面考核學生對實驗的掌握程度，對于專業基礎類實驗課程，對照相應教學質量國家標準，應著重考核學生研究探索能力，應用能力和實際操作能力，因此，基于精細化虛擬仿真技術，建立新的精準化實驗評價模型，在課前、課中、課后等三個環節進行全過程的綜合評價。課前，教師通過實驗平臺預先布置實驗教學設計，提供實驗理論知識，學生進行預習，在充分思考的基礎上，與教師進行討論，了解工程背景，掌握實驗步驟、注意事項等，通過教師的預習測驗，獲得實驗資格；課中，依托精細化虛擬仿真實驗平臺，使理論學習、虛仿實驗、實體實驗相互補充；課后，學生通過復習實驗，鞏固已學知識，提交實驗報告，教師應對學生的預習測驗情況、實驗過程、討論與思考情況、實驗報告質量等多方面進行綜合考核，建立精準化評價模型，豐富教學效果評價模式，突出強化學生的主體地位，強調對實驗過程的評價，并通過這種方式，引導教師不斷更新實驗教學理念，改革教學內容和方式，強化對學生學習的深度指導，加強師生交流，使教師真正成為學生學習的引導者。

4 總結

實驗教學是培養創新精神和實踐能力的重要載體，是促進學生知識學習與綜合素養養成的有效手段，本文針對專業基礎類課程的實驗教學，基于精細化虛擬仿真技術，從教學設計與技術應用兩個方面探索了教學與技術的融合。對專業領域的人才培養進行了探索與實踐，基于智能三維重構與數值仿真技術構建了精細化虛擬仿真教學條件，對虛擬仿真實驗教學的教學內容進行設計，將精細化虛擬仿真實驗及實體實驗有機融合，建設精細化虛擬仿真實驗環節，促進教與學的深度融合,推動了專業基礎類實驗課程教學質量的提高。

引用

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[6] 李剛,秦昆,萬幼川.面向新工科的遙感實驗教學改革[J].高等工程教育研究,2019(3):40-45.

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