水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用

摘要：本文利用Flex等技術(shù)開發(fā)了水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的教學(xué)模式，多方位培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。該虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)的建設(shè)，促進(jìn)了國(guó)家級(jí)力學(xué)虛擬仿真中心的發(fā)展，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：水面曲線；虛擬實(shí)驗(yàn)；開發(fā)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）03-0276-03

國(guó)家教高司函[2013]94號(hào)文明確提出要在全國(guó)構(gòu)建國(guó)家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢(shì)和發(fā)展方向，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，將切實(shí)提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，是對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新與提升。

明渠恒定非均勻流水面曲線實(shí)驗(yàn)是《流體力學(xué)》課程中“明渠無壓恒定流”部分的重要內(nèi)容之一。水面曲線實(shí)驗(yàn)在交通土建工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中起著重要作用。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)察看順坡渠道（緩坡、陡坡和臨界坡）、平坡渠道和倒坡（逆坡）渠道的十二種水面曲線，察看雍水曲線、降水曲線及水躍和水跌現(xiàn)象，加深對(duì)明渠均勻流與非均勻流的水力學(xué)特性與水力現(xiàn)象的了解，且讓學(xué)生去真實(shí)的渠道、河道觀察不太切合實(shí)際，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)亦可以再現(xiàn)真實(shí)渠道的水面曲線及流態(tài)，可以節(jié)約大量時(shí)間、人力物力，具有重要的意義。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

本實(shí)驗(yàn)充分利用Flex等軟件開發(fā)水面曲線虛擬演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，豐富現(xiàn)有流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，激發(fā)了學(xué)生的興趣。

1.開發(fā)技術(shù)。FLEX為Adobe公司推出的圖像處理框架，該框架屬于高效、免費(fèi)的開源框架，主要用于創(chuàng)建更好表現(xiàn)能力的基于WEB的應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，F(xiàn)LEX還可以和Adobe Flash Player和Adobe AIR相結(jié)合，快速創(chuàng)建交互式、可視化應(yīng)用界面，同時(shí)使WEB應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在不同瀏覽器、不同桌面系統(tǒng)和不同操作系統(tǒng)之間保持一致部署和一致使用。因FLEX僅通過Adobe Flash Player播放軟件即可實(shí)現(xiàn)可視化瀏覽，而目前超過98%的瀏覽器都帶有Adobe Flash Player播放插件，使得FLEX技術(shù)可以迅速普及使用。

2.水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)功能模塊設(shè)計(jì)。學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以直觀地觀察到明渠在不同坡道下的（順坡渠道（分為緩坡、陡坡和臨界坡）、平坡渠道和倒坡（逆坡））十二種水面曲線，可以加深學(xué)生對(duì)理論課的認(rèn)識(shí)和理解。虛擬實(shí)驗(yàn)是依照真實(shí)實(shí)驗(yàn)的儀器、原理、步驟等規(guī)律而設(shè)計(jì)的，設(shè)置了學(xué)生登陸界面、虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)、教學(xué)輔助系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)交互平臺(tái)、訓(xùn)練記錄等功能模塊，較好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的方式。如圖1所示。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)模塊。水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)分為5種坡度，水跌和水躍觀察等模塊直觀地演示5種坡度情況下的水面曲線形狀，如圖2所示。

4.虛擬實(shí)驗(yàn)登錄界面。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單實(shí)用的通用界面，學(xué)生通過學(xué)號(hào)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練系統(tǒng)，就可以利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊或拖拽等操作進(jìn)行在線虛擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)。利用3dMax繪制三維立體實(shí)驗(yàn)裝置和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置相同。水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)圖分別如圖3a、圖3b、圖3c、圖3d和圖3e所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練網(wǎng)址：http：//lx-lab.#edu.cn/vlab/vlab.oms？omsv=list&cid=4

5.輔助教學(xué)模塊。輔助教學(xué)模塊主要設(shè)置了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，包括實(shí)驗(yàn)講義、教學(xué)視頻等多媒體資料，經(jīng)管理員或教師上傳與流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

二、水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用成果

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向全校土木工程、給排水工程、軌道交通工程等十幾個(gè)專業(yè)的學(xué)生使用。虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行和使用大大減輕了實(shí)驗(yàn)儀器少、學(xué)時(shí)數(shù)少的問題，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率。

1.采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的教學(xué)方法，使學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。通過“虛實(shí)結(jié)合”，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和教學(xué)模式的多元化。學(xué)生經(jīng)過理論學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)這三個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，可以更加深刻地理解和掌握課本上的理論知識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和工程實(shí)際的理解，提升學(xué)生的實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作技能，全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程師意識(shí)。流體力學(xué)既是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也具有很強(qiáng)的實(shí)用性，所以流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與工程實(shí)際緊密相結(jié)合，在進(jìn)行水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，加入工程上的實(shí)際例子作為輔助教學(xué)視頻放置于虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)，學(xué)生先通過教學(xué)視頻觀察什么是水躍和水跌等現(xiàn)象，然后再在虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練系統(tǒng)中做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)看到工程實(shí)際中的現(xiàn)象，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的工程師意識(shí)。

3.促進(jìn)流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)的資源共享。依托我校土木工程等優(yōu)勢(shì)學(xué)科，逐步構(gòu)建基礎(chǔ)、綜合、開放、共享、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)中心實(shí)驗(yàn)室的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)“無墻的實(shí)驗(yàn)室”。校內(nèi)外的學(xué)習(xí)者可以多次進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。通過網(wǎng)上交流和學(xué)生反饋，也使教師能及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)中的問題，從而提升實(shí)際教學(xué)能力，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

三、結(jié)語(yǔ)

水面曲線虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和應(yīng)用，豐富了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。學(xué)生可以利用虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在任意時(shí)段、任意地方進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)，同時(shí)還可以直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、模擬不同坡道的水面曲線等。實(shí)現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)的統(tǒng)一，可以持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，提升整體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部高等教育司.關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].[2013-08-13].endprint

http：//www.moe.gov.n/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/

t20130821_156121.html.

[2]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[3]劉碩謙，田娜，劉仲華，陸英.新形勢(shì)下高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理辦法初探[J].教育教學(xué)論壇，2013，（13）：10-11.

[4]王衛(wèi)國(guó).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[5]陳小虎.校企融合，構(gòu)建應(yīng)用型人才培養(yǎng)的一種全新模式[J].中國(guó)大學(xué)教育，2007，（4）：6-9.

[6]曾小彬.深化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（2）：3-5.

[7]吳樹青.深化高等教育改革，增強(qiáng)創(chuàng)新能力，促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].清華大學(xué)教育研究，2007，（5）：1-9.

[8]劉鶴年.流體力學(xué)[M].第二版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：227-241.

[9]都穎.基于FLEX技術(shù)的教學(xué)資源共享平臺(tái)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[10]BERQIA Amine，DIOP Alassane，HARMS Jiirgen.A virtual laboratory for practical exercises [EB/OL].2005-03-08.

http：//www cui.Unige.ch/tios/staff/Alassane.Diop/publications/ICEE2 002Manchester.Pdf.

[11]趙紅曉.雷諾虛擬演示實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，（02）：87-89.

[12]張紹榮.論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的必要性[J].教育教學(xué)論壇，2015，（31）：259-260.

[13]趙紅曉.動(dòng)量定律精品實(shí)驗(yàn)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，（04）：87-89，92.

[14]黃坤，馮奇.梁索耦合結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（05）：666-674.endprint