基于虛擬實驗的伯努利方程實驗設計

楊艷紅 熊強強

摘要：基于虛擬實驗的伯努利方程實驗是對傳統(tǒng)實驗進行再設計和創(chuàng)新。在實驗教學過程中采用多元化的教學手段，從多方面培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。伯努利方程虛擬實驗強化了網(wǎng)絡教學平臺建設，拓寬了實驗教學內(nèi)容，提高了實驗教學的質(zhì)量，取得了良好的實驗教學效果。

關鍵詞：伯努利方程；虛擬實驗；創(chuàng)新

由于流體運動的復雜性，使得流體力學研究離不開科學實驗，伯努利方程實驗是高等院校航天工程、能源動力工程、水利工程、建筑工程、土木工程等專業(yè)必須學習的一個重要實驗之一。傳統(tǒng)的伯努利方程實驗，存在著一定的弊端：在教師講解后學生直接做實驗，對實驗操作、實驗過程的示范教學及描述缺乏認識，實驗過程中出現(xiàn)的問題得不到充分的探索和討論，無法體現(xiàn)學生的思考過程、實驗興趣及創(chuàng)造性思維。而基于虛擬實驗的伯努利方程實驗，調(diào)動了學生參與實驗的積極性，充分啟發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，實現(xiàn)了學生自主學習、師生交流互動，能夠充分利用虛擬仿真實驗教學中心的虛擬實驗平臺，提高了實驗的效率，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。

1.實驗原理

如圖1所示，在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過流斷面。

可以列出進口斷面（1）至另一斷面（i）的能量方程式

z1+p1r+a1v212g=zi+pir+aiv2i2g+hwi，（i=2，3，…，n）（1）

zi為位置水頭，表示單位質(zhì)量流體所具有的位能；pir稱為壓強水頭，表示單位質(zhì)量流體所具有的壓強勢能；Hpi=zi+pir為測壓管水頭，是單位質(zhì)量流體所具有的總勢能；hwi代表由元斷面（1）到斷面（i）所消耗的能；取動能系數(shù)a1=a2=a3=…=an=1，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出Hpi=zi+pir的值，測出通過管路的流量，即可計算出各斷面平均流速vi及速度水頭aiv2i2g，從而得到各斷面測壓管水頭值和總水頭值。

在同一過流斷面上：均勻流或漸變流斷面流體動壓強符合靜壓強的分布規(guī)律，測壓管水頭值為常數(shù)。z+pρg=C（2）

在不同過流斷面上：測壓管水頭不同，z1+p1ρg≠zi+piρg（3）

故z+pρg≠C。

2.特色和創(chuàng)新

2.1添加虛擬實驗環(huán)節(jié)

在傳統(tǒng)的伯努利方程實驗中引入新的實驗元素和活力，即在實驗過程中添加伯努利方程虛擬實驗環(huán)節(jié)。目前虛擬實驗在實驗教學中的應用有很多[1-3]，也有一些伯努利方程實驗在仿真方面的研究[4]。由于虛擬實驗具有操作界面直觀、方便快捷、重復性強、不受時間或場所的限制，學生可以按個人需求，不受時間、地點約束，反復進行虛擬實驗，完成實驗學習過程，還可以設計出新穎的虛擬實驗項目。教師鼓勵學生參與虛擬實驗的操作和完善，通過網(wǎng)上練習虛擬實驗，找出有待完善的地方，提出優(yōu)化方案，再指導學生逐步修改和完善，充分發(fā)揮學生參與實驗的主觀能動性，有效拓展學生的想象空間。本實驗為綜合性實驗項目，通過對學生多方位的引導，可以培養(yǎng)學生對理論知識的應用能力、對實驗操作的動手能力、對實驗項目的創(chuàng)新能力以及團隊的寫作能力，從而實現(xiàn)對學生的綜合能力的培養(yǎng)。采用虛擬實驗和真實實驗相結合的方法，充分利用虛擬仿真實驗教學中心的虛擬實驗平臺，使學生從多角度，以多種方式參與實驗訓練，充分鍛煉學生對實驗操作的動手能力。

2.2實驗流程圖，如圖2所示

（1）虛擬實驗。做實驗之前，學生可以先在力學實驗教學示范中心的網(wǎng)站上對伯努利方程實驗的虛擬實驗進行操作、預覽實驗過程、掌握實驗原理、鞏固理論知識，并且可以直觀地體會做實驗的操作過程、觀察動態(tài)的實驗現(xiàn)象等，更重要的是學生還可以隨時隨地驗證和探索學習過程中遇到的疑難問題，對實際操作實驗進行預習。虛擬實驗的整個過程與真實的實驗相差無幾，通過適時觀察到實驗現(xiàn)象及測壓管液面高度的變化規(guī)律，方便模擬出真實實驗的過程。伯努利方程實驗的虛擬實驗為學生創(chuàng)造良好的仿真實驗條件，實現(xiàn)了學生自主學習、師生交流互動，激發(fā)了學生的求知欲和主動性，調(diào)動了學生參與實驗的積極性，為真實實驗操作打下堅實的基礎，提高了實驗的效率。

（2）真實實驗。學生進入實驗室進行動手操作的真實實驗，教師指導學生熟悉操作實驗裝置，例如測量流速與流量的儀表（畢托管、文丘里流量計、電磁流量計等）；啟發(fā)學生將所學理論知識結合工程實踐，采用已有的流體力學實驗教具，自主設計實驗項目，（比如利用流量計測試一下實驗室水管的流量、流速等）；引導學生利用實驗解決實際問題的能力，進行實驗驗證并進行實驗設計和創(chuàng)新，以及完成綜合實驗報告的撰寫。

通過虛擬實驗和實際操作實驗兩個環(huán)節(jié)的操作訓練，有利于學生更加深刻地理解和掌握課本上的理論知識。

2.3實驗成績考核

伯努利方程實驗的成績考核由實驗項目設計、虛擬實驗操作、真實實驗操作和實驗報告四部分組成。實驗操作部分由指導教師現(xiàn)場打分，最終通過實驗報告：實驗方法的確定、實驗儀器的選擇、實驗步驟的制定、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結果的對比分析及研究總結等，可以有效地反映出學生的綜合創(chuàng)新能力（包括實驗項目設計、實驗技能、團隊協(xié)作能力、操作動手能力和自主創(chuàng)新能力）。

3.實驗成果

置身于多媒體世界中，虛擬實驗使學生能看到、聽到、感覺到實驗對象、實驗過程、實驗結果，大大增加了仿真的形象性與直觀性，從而能夠激發(fā)學生實驗的興趣和主觀能動性，提升學生進行實驗的積極性。由于虛擬實驗不受時間、場地的限制，學生可根據(jù)自己的需要安排學習時間，提高學習效率。而且虛擬與真實實驗兩者相結合，優(yōu)勢互補，切實保證了實驗教學的質(zhì)量。伯努利方程實驗是一個綜合性實驗，其系統(tǒng)的經(jīng)驗成果可以為其他流體力學實驗項目提供借鑒，引領實驗項目建設方向、探索人才培養(yǎng)模式。一些典型教學案例的積累，豐富了實驗教學的積淀。成功的案例可以啟發(fā)下屆學生在此基礎上發(fā)展創(chuàng)新，避免低水平的重復實驗；失敗的案例可以供學生借鑒，盡可能避免失敗，少走彎路。

4.結束語

虛擬實驗與真實實驗相結合豐富了流體力學實驗教學內(nèi)容，綜合利用了多種教學手段，提升了整個實驗教學水平。注重實驗過程設計，實驗方法科學、合理、新穎；實驗手段適當、高效先進。能充分調(diào)動學生學習的主動性與積極性，培養(yǎng)學生對實驗的興趣。此外，虛擬實驗促進了流體力學實驗網(wǎng)絡化教學的步伐，建立了流體力學虛擬實驗平臺和教學資料庫。（作者單位：南昌理工學院）

參考文獻：

[1]程立英，張志美，等.虛擬實驗在分級實驗教學中的應用探究[J].沈陽師范大學學報：自然科學版，2011.

[2]朱敏.虛擬實驗與教學應用研究[D].上海：華東師范大學，2006.

[3]陳小紅.基于仿真軟件的虛擬實驗設計與應用[D].上海：上海師范大學，2010.

[4]李占松，蒙昊等.水力學伯努利方程實驗仿真研究[J].河南科學，2011.