薛海

摘要：水力学是面向水利类本科学生开设的一门重要专业基础课。由于流动现象的复杂性，仅通过理论教学很难使学生深刻认识流体运动的力学本质，必须通过实验来加深理解。而实验课则常常面临仪器成本高、授课任务重等诸多困难。通过对实验各环节的深入分析，基于ActionScript3.0系统研发构建了具有强交互性的仿真虚拟实验平台，不仅在实验教学中取得了良好的教学效果，也为其他力学教学实验课件的研发提供了基本思路。

关键词：水力学实验;虚拟;仿真

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0261-03

一、当前水力学实验课程存在的问题

水力学是介乎于基础力学和工程技术之间的一门专业基础学科，它主要研究以水为代表的液体的流动规律以及如何运用这些规律于生产实践[1]。该课程的基础性使其成为几乎所有水利相关专业的必修专业基础课。相比于刚体力学而言，水力学涉及的是更为复杂的流动现象，流体运动过程中的能量及动量转换、力学参量变化等都无法完全用理论分析的方法解析地表达出来。因此实验水力学作为水力学的重要研究手段被广泛地应用在学术研究和工程实践中。然而，相应的水力学实验教学却存在着诸多困难和瓶颈，严重制约了教学工作的开展。

首先，水力学实验教学工作量巨大。以笔者所在学校为例，水力学教研室有4～5位教师承担水力学（包括水力学专题）的理论课讲授，而专职从事水力学实验教学的只有3位教师，其面对的授课班级却多达几十个班次，教学工作量巨大。如此大的工作量必然会影响到授课质量并大大增加了小范围指导学生实验操作的难度。其次，从授课课时角度看，在水力学课程的80个学时中，理论学时占68个，实验学时则仅占12个，而每个班都要分批次讲授并实际操作8个核心实验。在教学实验室空间和仪器有限的情况下，课程的安排非常困难并且可能出现排课时间跨度过长的情况，从而导致实验课与相应理论课程在时间上的脱节，降低了实验教学的效用。此外，对于函授或者自考等非全日制学生而言，由于平时要忙于单位工作，多数时间并不在学校学习，虽然理论课可通过集中时间进行讲授，但实验课则基本上通过自己熟悉实验手册等方式完成，没有机会进行实际实验操作，学习效果有限。

近年来，随着计算机技术的发展，已有不少教育工作者尝试将实验课虚拟化[2-5]，但主要还是集中在计算机教学以及基础物理实验方面。力学，特别是流体相关力学的虚拟实验平台并不多见。

为了解决上述困难和瓶颈，在总结实验教学方法和技术细节的基础上，基于ActionScript3.0语言研发出一套交互能力强、仿真程度高的水力学虚拟实验软件包，配合对应的现场实验照片、视频及关键步骤的语音讲解等外围媒体手段，在一定程度上可以替代实际实验操作，较为成功地解决了上述瓶颈。

二、水力学虚拟仿真实验系统的基本构架

笔者所研发的水力学虚拟实验系统包括了“雷诺实验”、“沿程水头损失实验”等多个实验子模块，但每个模块总体上都遵循了类似的构建框架，如图1所示。

三、系统构建中若干关键问题的解决

1.三类部件的合理抽象。虚拟实验场景中存在大量实验部件，若不加以合理分类并进行有针对性的研发，不仅会显著增加开发工作量，更可能使得内部逻辑和代码混乱，影响虚拟实验效果。本研究根据不同实验部件的特点将其分为“静止部件”、“固定动画部件”和“实时动画部件”三类。“静止部件”是虚拟场景中不随操作变化的“背景部件”（如实验台架、管道等），这类部件仅通过美工设计绘制即可完成。“固定动画部件”则是指部件可能随着使用者的操作有所变化（如流量控制器等），但其动画主要是示意性的。因此此类部件除了绘制若干关键帧状态外，只需编写操控参数用于有限的动画切换即可。“实时动画部件”则是本系统的核心部件（如水流、示踪剂粒子等），需要随操作者给定的实验参数和当前实验操作进行实时动画以反映当前实验状态。这类部件的实现是利用ActionScript3.0所提供的“面向对象”机制，将部件定义为类（Class）并构造与实验操作有关的属性和方法（Method）。程序运行时随着场景的调入将该“类”实例化为“实验对象”，而“实验对象”又通过所具有的“方法”对使用者的操作做出响应，从而完成定义和实验操作的统一。图2列出了虚拟系统中上述三类部件的范例。

2.虚拟场景与真实场景的对比。通过对虚拟实验场景中各实验部件的美工和仿真设计，虽然可以使学生获得接近真实实验的操作感受，但为了使教学效果更加完善，本研究中还加入了与虚拟设备及操作相对应的真实实验场景的对比展示，尽可能地缩小了虚拟仿真与真实情形的差距。功能上表现为：当实验操作者选择某部件后，程序获取该虚拟部件并给出该部件多角度的真实照片。图3即为“雷诺实验”中虚拟恒压实验水箱与真实水箱实物的对比场景。

3.实验动画的仿真度和实时性。水力学虚拟实验最重要的功能是在计算机上尽可能地真实再现实验场景中的流动现象，这包括两个方面：一是在现象上应让操作者感受到“象”，即与真实现象相比具有较高的仿真度。二是必须具有较高的操作相关性，即随着实验操作者的操作而实时改变流动状态，呈现不同的实验现象。研究中通过对“实时动画部件类”在各情形下的状态参数及其与场景中该部件的帧动画进行绑定，实现了当实验者给出不同操作时，状态参数的改变直接触发实验部件的动画实施转换。例如，对于雷诺实验，当操作者通过“虚拟流量控制阀”给出更大流量时，程序实时计算层流和紊流状态之间的无量纲判别参数雷诺数（Re）的值，根据不同的Re值，实时地显示层流（流层颜色线为直线且清晰）、过渡流动（颜色线发生弯曲）及紊流（颜色线消失，进入全断面染色阶段，用点状粒子表示）的过程，如图4所示。

4.实验的工程应用扩展。水力学既是一门专业基础课，同时也具有很强的实用性，因此水力学实验的教学应该最终与实际工程应用联系起来，使学生了解每个实验所对应的工程背景和所能解决的实际工程问题。在进行系统研发时，有针对性地进行了工程应用实例的选材，并且对于同一个实验，尽可能地从不同角度选择2～3个工程实例进行讲解。例如在“伯努利能量方程”虚拟实验中，在工程实例环节通过图片和文字等形式给出了火车站站台设置“黄色安全线”以防列车高速通过时所形成的低压区可能造成的安全隐患，以及飞机机翼翼型与所产生的升力之间的关系，两个与日常生活密切相关的工程应用实例。通过学生试用反馈，对这一工程应用延伸教学模块的满意度在97%以上。

5.虚拟实验软件系统的多种途径发布。软件系统研发完成后要提供给学生使用，传统的方法是将其打包制作成安装程序，随后在客户计算机上安装使用。本研究除了提供这种传统软件发布方式外，为了方便函授等非在校生的实验学习需求，将软件系统内嵌至网页，在外层编写了登录认证代码，并通过视窗系统的IIS（Internet Information Server）平台构建了因特网服务器，面向学生提供软件的WEB访问版本，使学生可以随时随地通过互联网络在网页上进行虚拟实验的操作，进一步提高了虚拟实验系统的使用效率和灵活性。

四、结语

实验教学是力学类课程教学的重要组成部分，但也存在授课任务重、实验室资源紧张及对非在校生难以开展工作等困难和瓶颈，并在一定程度上制约了实验课教学的实施。本研究以水力学实验课程为突破口，通过研发高仿真虚拟实验系统，有效缓解了上述矛盾，同时也初步取得了良好的教学实践效果。在此基础上进行更加系统的深度研发，将对力学类授课体系的进一步完善起到更大的推动作用。

参考文献：

[1]董曾南.水力学[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]赵颜.《微机硬件虚拟实验室》网络课程的开发[J].中国电化教育，2007，（9）：59-61.

[3]朱敏，朱焱.虚拟实验与物理课程教学[M].南京：东南大学出版社，2008.

[4]张建.大学物理虚拟仿真实验室的研究与开发[D].吉林：吉林大学，2007.

[5]李兴春，李兴高.电机与拖动虚拟实验平台搭建及实验项目建模的实现[J].实验室科学，2011，（14）：156-159.