基于信息技术的精细化虚拟仿真实验教学——以《叶轮机械原理实验》为例＊

李钰洁 马睿 杨帆 黄依淼 宋一鸣

1.海军工程大学动力工程学院；2.空军预警学院；3.北部战区海军参谋部训练处

信息技术的快速发展激发了教学形式的变革，为促进虚拟仿真实验教学在技术与教学方面的深度融合，提高学生的综合能力与创新能力，本文针对专业基础类课程的实验教学，基于精细化虚拟仿真技术，分别在实验教学条件、教学内容、教学模式等方面进行了改革实践。在教学应用方面，更新基于技术的教学法，设计精细化虚拟仿真实验环节，建设实验教学平台，丰富精细化评价模型，促进教与学的深度融合，对专业领域的人才培养进行了探索与实践，将精细化虚拟仿真实验及实体实验有机融合，推动了专业基础类实验课程教学质量的提高。

实验教学是培养创新精神和实践能力的重要载体，是帮助学生在客观知识学习与实践技能培养之间建立联系的有效手段[1]。传统实验教学以操作与演示为主，实验创新性考虑较少。信息技术的快速发展激发了教学形式的变革，当前以信息技术为本质特征的虚拟仿真教学越来越受到重视[2,3]。虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、人机交互、数据库等技术而构建高仿真度的虚拟环境。利用虚拟仿真技术拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，提升实验教学的质量和水平，是教育信息化的一个重要方向[4-6]。但是虚拟仿真教学也有其存在的问题，在虚拟仿真教学过程中，对如何提高教学效果的探索较少，对于虚拟仿真实验采用什么教学方法、如何虚实结合等问题缺乏深入研究。

“叶轮机械”作为工科院校传统专业基础课，要求学生综合运用工程热力学、流体力学、机械设计等专业基础理论，对能量转换与工作特性进行深入分析[7]，在学习过程中，原理公式复杂，概念抽象，所配套的叶轮机械原理实验课程对于叶轮机械内部精细化的流场细节难以直观展现，学生在学习过程中对典型机械的流场思维较难建立，仅通过有限的课堂讲解，难以使学生将所学知识与实际问题准确地联系起来。

近些年，信息技术领域快速向微观方向拓展，若能通过虚拟仿真手段将内部流动细节通过精细化仿真再现，是非常有意义的[8,9]。为了促进虚拟仿真实验教学在教学与技术方面的深度融合，本文以叶轮机械原理实验为主要对象，从教学设计与技术应用两个方面探索了教学与技术的融合，在技术应用方面，基于智能三维重构与数值仿真技术构建了精细化虚拟仿真教学条件；在教学设计方面，对虚拟仿真实验教学的教学内容进行设计，建设精细化虚拟仿真实验环节，更新基于技术的教学方法，促进教与学的深度融合。

1 建设精细化虚拟仿真实验教学条件

虚拟仿真实验条件的精细化水平决定了虚拟仿真实验的教学质量。根据行为主义学习理论，在实验过程中通过在特定的重要环节设置相关问题可形成学习上的认知矛盾，由认知产生的矛盾从而激发学生在学习上的求知欲，以此形成良好的学习动机。

为提高精细化虚拟仿真实验的教学质量，通过在重要的实验节点设置相应的信息反馈，形成实验全过程的信息交流，以提高学习的主动性，学生根据得到的实验反馈信息进行逻辑推理与判断，以对实验本质进一步认知，获取更深层次的实验规律和原理机理。在精细化虚拟仿真实验建设过程中，主要从实验深度与实验精度两个方面提高虚拟仿真实验教学条件建设的质量。

现有的叶轮机械原理实验课程实体实验是基于超音速暂冲式风洞实验平台开展的如图1 所示，通过实验平台，对叶轮机械所涉及的空风洞、压气机叶栅、涡轮叶栅等典型实验对象的气动性能进行实验测试，结合气动热力学、流体力学、空气动力学等基础理论，形成对原理机理的实验对比验证，以帮助学生更好的理解叶轮机械的做功机理与客观规律。

图1 风洞实验系统Fig.1 Wind tunnel experimental system

风洞实验系统涵盖了叶轮机械气动热力性能的各项试验内容，可进行微观内流场的测试和重构实验。但是，对于叶轮机械内部的精细化流场细节，通过现有的实验条件还无法得到，学生在实验过程中看不到、摸不着，影响了学习热情，不能很好的激发学生的求知欲。因此，在现有的风洞综合实验平台基础上，为提高教学质量，利用精细化虚拟仿真技术，配套建设了精细化三维智能重构系统、增材制造平台、虚拟数值仿真系统。

1.1 精细化三维智能重构系统

精细化三维智能重构系统的核心技术是非接触式光学自动化三维测量技术，通过非接触式光学测量，可高效实现对实验对象重构质量控制。实验系统集成光学三维测量技术和机器人技术，系统包括七轴运动控制系统（六轴协作机器人运动系统、一维自动转台）、移动工作台、三维扫描测量头、三维扫描软件、检测软件等，如图2 所示。测试系统能够快速移动到需要测量的各个地方，按照每次实验的要求，系统控制机器人根据不同实验对象设置的特定路径进行运动，由三维测量头自动获取被测物的三维数据，可通过多种对齐方式与数模自动对齐并进行偏差检测，进行三维偏差的检测实现在线实时检测。

图2 精细化三维智能重构系统Fig.2 Refined 3D intelligent reconstruction system

1.2 增材制造平台

利用精细化三维智能重构系统对现有的叶轮机械实验叶型进行三维重构，形成数字化模型，如图3 所示。

图3 叶栅数字化模型Fig.3 Digital model of the leaf grid

作为精细化虚拟仿真的实验对象，另外对数字化模型进行切片化处理，基于逆向成型思维，通过增材制造平台，形成三维实体实物模型作为实体实验的对象。增材制造平台采用的是熔融堆积固化成型技术，喷嘴直径为0.6mm，打印精度为0.1mm，可形成质量较高的实体模型，如图4 所示。

图4 增材制造平台Fig.4 Additive manufacturing platform

1.3 虚拟数值仿真系统

通过风洞实体实验测试的实验数据与数值仿真结果进行校验，以增强虚拟过程的多感知性；对数字模型进行校验与构型优化后，利用三维打印获取新的实物模型，并再次进行虚拟仿真，对实体实验过程中看不到的内部现象进行虚拟化展示，如图5 所示。利用精细化虚拟仿真提高学习效率，从而形成互为补充的综合实验闭环。为增加精细化效果，培养学生严谨的实验态度，每次所用时间可以等比例调整。对于实验前设备的校准与调试，工具的处理与分类，以及实验后的整理等细节都作出相应要求。通过创建精细化虚拟仿真实验教学条件，提高了虚拟仿真实验的教学质量，有效节约了实验室资源并丰富了实验教学形式，促进了教学资源的开放与共享。

图5 虚拟数值仿真界面Fig.5 Virtual numerical simulation interface

2 创新精细化虚拟仿真教学内容

教学过程中，在培养学生掌握基础知识的同时，更应注重能力素质的培养。叶轮机械知识点概念抽象，流场结构复杂，看不见摸不着，针对这种教学特点，基于精细化虚拟仿真教学实验条件，在工程思维与理念训练层面进行实验创新教学与实践。开展虚拟教学实验与真实实验相辅助的教学模式，如图6 所示，一方面将跨音速风洞叶栅实验，包括空风洞实验、压气机平面叶栅实验、涡轮平面叶栅实验等，通过气动测试获取气动实验参数；另一方面，在教师的指导下，建立跨音速风洞实验平台的有限元数值计算模型，结合数值仿真计算的方法，分析多种进气条件、多种类型叶栅的风洞测试流场细节，增加实验形式的多样性，获取精细化流场细节。

图6 精细化虚拟仿真教学内容Fig.6 Refined virtual simulation teaching content

在实验过程中，先对学生分组，一方面充分利用超音速风洞试验平台，分别进行空风洞亚音速与超音速的喷管性能的实验，以及平面叶栅等实验，通过实验获取通流部分流量、压力的变化，以实验数据为依据，得到多种工况下风洞实验的叶栅气动特性，通过对实验数据分析，量化具体影响程度；另一方面引导学生自行设计并进行精细化虚拟仿真验证，利用智能扫描系统，充分开发学生的设计潜力，对现有的压气机或涡轮叶型进行三维重绘与逆向构型，通过三维快速成型，构造三维实验叶型，对不同的叶型进行虚拟气动测试。通过有限元数值仿真模拟计算得到叶栅内部流场流动细节，制作压气机或涡轮的流动细节，将抽象的概念原理与叶轮机械内复杂的流动过程形象地表达出来，在锻炼学生计算分析能力的同时，使学生对概念原理和实验流程的理解更清晰透彻。通过这种虚实结合的方式，降低在真实实验操作中带来的风险，对虚拟仿真实验进行精细化处理，促进了知识的转化与拓展，同时也弥补了实验设备容量与学生人数不匹配的问题。

通过将理论学习与虚拟仿真实验相结合，在传统实验教学中融入精细化虚拟仿真模块，将实体实验中无法看到的现象呈现给学生，增加学生对理论知识的理解，增加理论学习的立体感，提高学习效率，使学生根据精细化虚拟仿真实验的特点以及实验平台优势，反复进行虚拟实验并交流心得，教师同步进行指导，然后通过实体实验，高效完成实验流程。最后基于实体实验过程中的疑问和思考，再通过精细化虚拟仿真，在师生间展开讨论，从而形成“理论—虚拟仿真+实体实验—讨论—理论”的闭环循环学习模式。

3 丰富教学效果评价模式，促进教与学的深度融合

原先的实验课程评价主要由学生撰写的实验报告质量决定，这种评价方式无法全面考核学生对实验的掌握程度，对于专业基础类实验课程，对照相应教学质量国家标准，应着重考核学生研究探索能力，应用能力和实际操作能力，因此，基于精细化虚拟仿真技术，建立新的精准化实验评价模型，在课前、课中、课后等三个环节进行全过程的综合评价。课前，教师通过实验平台预先布置实验教学设计，提供实验理论知识，学生进行预习，在充分思考的基础上，与教师进行讨论，了解工程背景，掌握实验步骤、注意事项等，通过教师的预习测验，获得实验资格；课中，依托精细化虚拟仿真实验平台，使理论学习、虚仿实验、实体实验相互补充；课后，学生通过复习实验，巩固已学知识，提交实验报告，教师应对学生的预习测验情况、实验过程、讨论与思考情况、实验报告质量等多方面进行综合考核，建立精准化评价模型，丰富教学效果评价模式，突出强化学生的主体地位，强调对实验过程的评价，并通过这种方式，引导教师不断更新实验教学理念，改革教学内容和方式，强化对学生学习的深度指导，加强师生交流，使教师真正成为学生学习的引导者。

4 总结

实验教学是培养创新精神和实践能力的重要载体，是促进学生知识学习与综合素养养成的有效手段，本文针对专业基础类课程的实验教学，基于精细化虚拟仿真技术，从教学设计与技术应用两个方面探索了教学与技术的融合。对专业领域的人才培养进行了探索与实践，基于智能三维重构与数值仿真技术构建了精细化虚拟仿真教学条件，对虚拟仿真实验教学的教学内容进行设计，将精细化虚拟仿真实验及实体实验有机融合，建设精细化虚拟仿真实验环节，促进教与学的深度融合,推动了专业基础类实验课程教学质量的提高。

引用

[1] 张宁,赵毅强,兰馗博.“新工科”背景下关于虚拟仿真实验的几点思考和建议[J].实验技术与管理,2020,37(3):184-187.

[2] 王玲玲,富立,王秋生.虚拟仿真实验教学管理系统设计与应用[J].实验技术与管理,2021,38(9):241-246.

[3] 蔡燕飞,张旦旦,巩凯.影响工科本科实验教学质量微观因素试析[J].教育教学论坛,2020,2(7):75-76.

[4] 吴岩.新工科:高等工程教育的未来——对高等教育未来的战略思考[J].高等工程教育研究,2018(6):1-3.

[5] 朱方,黄勇,戴竹青.高校创新性实验教学改革实践与探索[J].教育教学论坛,2020,2(7):124-125.

[6] 李刚,秦昆,万幼川.面向新工科的遥感实验教学改革[J].高等工程教育研究,2019(3):40-45.

[7] 李钰洁,马睿,刘永葆.基于差异化理念的叶轮机械课程考试改革研究[J].大学教育,2021(5):56-60.

[8] 李家俊.以新工科教育引领高等教育“质量革命”[J].高等工程教育研究,2020(2):6-11.

[9] 周永明,楼程富.注重学科交叉,培养复合创新人才[J].中国大学教学,2010(8):16-17.