楊 嵩,朱先勇,王 輝,王繼利
(吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春,130025)
在高校新工科建設(shè)背景下,學(xué)科交叉融合、工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)成為關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容[1]?;A(chǔ)科學(xué)是實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉和工程創(chuàng)新的基礎(chǔ)。流體力學(xué)是一門講授流體(氣體、液體、等離子體)流動現(xiàn)象、原理及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué),作為高等學(xué)校工科類教學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課,與許多專業(yè)課程有交叉,在學(xué)生知識體系的構(gòu)建中起承上啟下的連接作用[2]。流體力學(xué)教學(xué)包含理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深對理論知識的認(rèn)識和理解,實(shí)驗(yàn)教學(xué)兼顧知識的消化和啟發(fā)。傳統(tǒng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在側(cè)重儀器操作、數(shù)據(jù)記錄,教師講解實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容時間過長;學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)不能很好的理解其中所蘊(yùn)含的理論知識,對“為什么要這么做”理解不佳,對實(shí)驗(yàn)所涉及的工程應(yīng)用背景了解很少,最終出現(xiàn)學(xué)生只知道如何做實(shí)驗(yàn),不知道為何做實(shí)驗(yàn),這種只見樹木不見森林的怪現(xiàn)象的出現(xiàn)[3]。
如何克服傳統(tǒng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的弱點(diǎn),成為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個研究熱點(diǎn)。隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和普及,國內(nèi)高校對流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了改革創(chuàng)新,多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)相繼走進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂,新的教學(xué)手段與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,共同推進(jìn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展[4-5]。吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院于2015年啟動了虛擬仿真精品實(shí)驗(yàn)建設(shè),著眼于經(jīng)典基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵精煉、創(chuàng)新,促進(jìn)人才的培養(yǎng)。動量方程是流體力學(xué)三大基本方程之一,是牛頓動量守恒定律在流體力學(xué)中的具體體現(xiàn)形式,有著廣泛而深刻的理論和實(shí)踐意義。動量方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)面向吉林大學(xué)工學(xué)部機(jī)械工程、熱能與動力工程、土木工程等7個工科專業(yè),年平均實(shí)驗(yàn)人數(shù)1200余人。動量定律虛擬仿真實(shí)驗(yàn)APP作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,希望通過不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定,豐富傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,強(qiáng)化學(xué)生的工程認(rèn)知,促進(jìn)高校學(xué)生的創(chuàng)新精神,提高實(shí)踐能力。
動量方程作為牛頓動量守恒定律在流體力學(xué)中的表現(xiàn),表征了流體動量變化與沖擊作用力之間的關(guān)系;具體為控制體內(nèi)流體所受外力等于單位時間內(nèi)控制體沿外力方向上流入量與流出量的動量差,具體形式如公式(1):
式中:F為射流沖擊力;ρ為工作介質(zhì)密度;Q為流量;β1、β2為動量修正系數(shù);v1和v2分別為入流和出流速度[1]。
傳統(tǒng)的動量方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)通過操作動量方程實(shí)驗(yàn)儀完成,實(shí)驗(yàn)儀多采用射流沖擊平板或者半球模型,學(xué)生通過杠桿砝碼組平衡機(jī)構(gòu)或沖擊力傳感器等獲得射流沖擊力的大小,獲得動量修正系數(shù)β,進(jìn)而驗(yàn)證動量方程[6]。
動量方程驗(yàn)證儀以水為工作介質(zhì),學(xué)生通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度改變流入系統(tǒng)的流量,獲得不同流量條件下對應(yīng)的射流沖擊力的大小,帶入公式(1)求出相關(guān)參數(shù),驗(yàn)證動量方程。
從實(shí)驗(yàn)的分析可知,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教授過程中,學(xué)生僅對公式(1)中的參數(shù)Q進(jìn)行了調(diào)整,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)僅能理解流量Q與射流沖擊力F之間的相互影響關(guān)系。結(jié)合公式(1)可知,對沖擊力產(chǎn)生影響的還包含工作介質(zhì)密度ρ,流速v1和v2,這些參數(shù)與沖擊力F之間的相互作用關(guān)系并沒有通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出來,而這些參數(shù)的變化對學(xué)生理解動量方程的理論、拓展工程應(yīng)用思維都有很大影響。
動量方程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)APP設(shè)計(jì)的初衷是作為傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的不足,拓寬基礎(chǔ)知識展現(xiàn)管道。因此在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)APP的設(shè)計(jì)上也考慮將工作介質(zhì)密度ρ,流速v1的變化引入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中。
工作介質(zhì)的選擇上綜合考慮實(shí)驗(yàn)和工程拓展,選擇常見的三種材質(zhì),分別是水、汽油和柴油;流速v1的選擇依據(jù)小變化原則,避免參數(shù)變化跨度較大造成學(xué)生認(rèn)知的不連續(xù),以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ),進(jìn)行±2mm的區(qū)間擴(kuò)展。
信息展示和人機(jī)交互是學(xué)生獲取知識的重要部分。信息展示基于認(rèn)知準(zhǔn)則展開,兼具簡潔、易懂、高效等特點(diǎn);人機(jī)交互基于操作習(xí)慣展開,具備操作簡單、便捷等特點(diǎn)。綜合考慮相關(guān)需求及基本設(shè)計(jì)原則,擬選用文字、計(jì)算機(jī)動畫、視頻短片相結(jié)合的方式將抽象的概念、原理、流動過程等進(jìn)行形象的可視化表達(dá),輔助以工程實(shí)例,增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解,培養(yǎng)工程應(yīng)用意識。
開發(fā)工具是軟件功能實(shí)現(xiàn)的重要支撐,開發(fā)工具應(yīng)結(jié)合程序面向?qū)ο?、運(yùn)行平臺、功能實(shí)現(xiàn)等因素進(jìn)行綜合選擇。動量方程驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)APP擬運(yùn)行在吉林大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺上,其開發(fā)工具應(yīng)具備良好的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可行性及穩(wěn)定性。綜合比對常用的商用開發(fā)軟件,結(jié)合軟件的功能及運(yùn)行環(huán)境擬采用Unity3D與C語言聯(lián)合開發(fā)的方法實(shí)現(xiàn)。
三維圖像的展示、實(shí)時生成,人機(jī)交互功能及APP系統(tǒng)的發(fā)布由Unity3D軟件負(fù)責(zé),數(shù)據(jù)計(jì)算部分有C語言完成。unity3D是一款由Unity Tech?nologies公司開發(fā),是一款優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件,與建模軟件聯(lián)合使用能方便快捷的實(shí)現(xiàn)三維場景的搭建,具有代碼執(zhí)行效率高,多媒體支持豐富,接口豐富,發(fā)布平臺廣(Windows、IOS、WebGL、Android)、交互便捷等優(yōu)點(diǎn)。C語言是一種工程及科學(xué)計(jì)算中常用的通用型計(jì)算機(jī)語言,它提供給用戶一種功能強(qiáng)大、編譯簡單的開發(fā)計(jì)算工具。Unity3D+C語言的組合在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用有助于提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和可視化程度,改善學(xué)習(xí)者與仿真系統(tǒng)的交互方式,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果的提升。本動量方程驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)APP最終形成兩個版本,即單獨(dú)在Windows環(huán)境下運(yùn)行的exe文件及與HTML5技術(shù)聯(lián)合運(yùn)行在webGL環(huán)境下的應(yīng)用。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,應(yīng)具備較好的模擬和仿真?zhèn)鹘y(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的能力。具體就是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趯?shí)驗(yàn)架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)功能、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)保持連貫和一致。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)APP具備如下功能模塊:歡迎界面模塊、實(shí)驗(yàn)簡介模塊、實(shí)驗(yàn)過程介紹模塊、實(shí)驗(yàn)操作模塊。其在程序中布置順序依據(jù)學(xué)生認(rèn)知順序和實(shí)驗(yàn)的安排順序進(jìn)行排列。程序采用模塊化設(shè)計(jì),功能模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于,功能模塊對實(shí)驗(yàn)所涉及到的相關(guān)知識進(jìn)行了歸類、整合、打包處理。在功能模塊的指引下,保障學(xué)生知識學(xué)習(xí)的完整性、合理性和有序性。
各功能模塊的具體內(nèi)容及界面如下:
1.歡迎界面。實(shí)驗(yàn)歡迎界面主要向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱信息,界面在設(shè)計(jì)的時候除展示基本信息外,還對色彩及文字的選擇和搭配進(jìn)行了設(shè)計(jì),希望通過搭建舒適的人機(jī)交互界面增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,此界面還提供進(jìn)入后續(xù)操作的功能按鈕。
2.實(shí)驗(yàn)簡介模塊。實(shí)驗(yàn)簡介模塊主要向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)所涉及到的相關(guān)基礎(chǔ)知識,實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理等相關(guān)信息,通過此模塊學(xué)生可以了解和掌握實(shí)驗(yàn)所涉及的相關(guān)理論知識。
3.實(shí)驗(yàn)過程介紹模塊。實(shí)驗(yàn)過程介紹模塊包含了實(shí)驗(yàn)儀器介紹、實(shí)驗(yàn)過程操作介紹和工程拓展介紹等內(nèi)容。此部分采用動畫、嵌入式多媒體視頻等方法,對實(shí)驗(yàn)儀器的組成、各部分的功能、實(shí)驗(yàn)的具體操作過程及注意事項(xiàng)等信息進(jìn)行了講解,學(xué)生通過該模塊的學(xué)習(xí)可以全面、細(xì)致的了解實(shí)驗(yàn)儀器的組成、原理、實(shí)現(xiàn)過程、操作使用過程和注意事項(xiàng)等。
4.實(shí)驗(yàn)操作模塊。實(shí)驗(yàn)操作模塊是虛擬仿真驗(yàn)證APP的人機(jī)交互的核心部分。其包含物理變量選擇部分、實(shí)驗(yàn)臺展示部分、測試數(shù)據(jù)展示部分、虛擬操作手柄等。
在此模塊中,學(xué)生可通過物理變量選項(xiàng)卡選擇并修改物理量,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)不便于實(shí)現(xiàn)的操作。本APP提供了兩個物理量的修改,分別是工作介質(zhì)密度ρ,和噴嘴直徑(用以改變?nèi)肓魉俣葀1)。工作介質(zhì)提供了工程中常用的三種介質(zhì),分別是水、汽油和柴油;汽油和柴油在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中出于安全考慮一般不會使用,但作為動量方程工程應(yīng)用典范的燃油噴射過程在工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用,汽油和柴油兩種工作介質(zhì)的引入,補(bǔ)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足,強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)的工程帶入感。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了三種不同尺寸的噴嘴直徑,學(xué)生通過選擇不同的噴嘴直徑獲得不同的入流速度v1,通過對比獲得射流沖擊力大小與入流速度之間的對應(yīng)關(guān)系,在對比過程中,可以引導(dǎo)學(xué)生考慮噴嘴直徑極小情況下,射流沖擊沖擊力的變化趨勢,進(jìn)而將水射流切割、沖洗這一類特種加工手段與動量方程聯(lián)系起來,強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。
實(shí)驗(yàn)過程中,通過界面中的虛擬手閥調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的流量;界面中會分別展現(xiàn)射流沖擊力的理論值和測量值,理論值通過公式(1)計(jì)算獲得,測量值=理論值+誤差值,誤差值以物理實(shí)驗(yàn)臺的測量值為基礎(chǔ),通過構(gòu)建誤差函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)。為了更好的展現(xiàn)工作介質(zhì)的流動狀態(tài)和流動規(guī)律,本APP采用粒子系統(tǒng)(Particle System)建立工作介質(zhì)流動的動態(tài)物理模型。
動量方程驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真精品實(shí)驗(yàn)系列的一部分,與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)相協(xié)同,將在流體力學(xué)課程建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段多樣化、人才培養(yǎng)模式更新等方面發(fā)揮作用。在實(shí)驗(yàn)拓展方面,其依托開放實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、教學(xué)改革項(xiàng)目,共同促進(jìn)新工科背景條件下流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革及學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7-8]。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展將顯著提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,具體如下:
其一,虛擬實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)習(xí)興趣是教學(xué)順利開展和取得良好實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的前提。虛擬實(shí)驗(yàn)通過豐富且生動的教學(xué)手段,將冰冷、枯燥的理論知識生動化,以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。濃厚的學(xué)習(xí)興趣不僅僅能保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展,更能啟迪學(xué)生的思維,鍛煉理論知識綜合應(yīng)用能力,讓學(xué)生樂于學(xué)習(xí)、勇于探索。
其二,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)相互協(xié)作助力工程創(chuàng)新。工程創(chuàng)新是新工科建設(shè)的一個培養(yǎng)和建設(shè)目標(biāo)。扎實(shí)的理論知識和寬廣的工程應(yīng)用視野是實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新的必備基礎(chǔ)條件。新形勢對新業(yè)態(tài)和新技術(shù)提出了新的需求,學(xué)科交叉、融合是這一新要求的一個特點(diǎn)。傳統(tǒng)的工程學(xué)應(yīng)用和創(chuàng)新多集中在本領(lǐng)域或與之關(guān)聯(lián)的相近領(lǐng)域,而跨領(lǐng)域甚至是多領(lǐng)域的交叉融合創(chuàng)新比較少。虛擬實(shí)驗(yàn)通過多種手段展現(xiàn)所涉及理論知識的原理,結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)所建立起來的物理直覺,學(xué)生容易將物理直覺凝練升華與理論知識相聯(lián)想,進(jìn)而產(chǎn)生工程靈感,激發(fā)工程創(chuàng)新。新工科的創(chuàng)新更多要求學(xué)生集成創(chuàng)新能力,虛擬實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)的協(xié)同極大的拓展了學(xué)生的知識邊界和物理實(shí)驗(yàn)的邊界,兩者的融合教學(xué)在學(xué)生集成創(chuàng)新體系的構(gòu)建中將發(fā)揮積極的作用。
其三,虛擬實(shí)驗(yàn)與開放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。開放實(shí)驗(yàn)是一種不設(shè)立固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn),其目的在于發(fā)揮學(xué)生在問題發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的主體性,學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案提交指導(dǎo)教師審核通過后便可開展實(shí)驗(yàn)。開放實(shí)驗(yàn)是一種以激發(fā)和鍛煉學(xué)生工程創(chuàng)新能力為目標(biāo)的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)J?。學(xué)生可以根據(jù)自己對理論知識的理解,結(jié)合自己對相關(guān)工程問題的興趣,通過自行設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的方式完成知識→實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程,此方法類似于PBL(Project Based Learning)學(xué)習(xí)法。在問題發(fā)現(xiàn)過程中,可以鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)、凝練工程問題的能力;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程,可以鍛煉學(xué)生針對工程問題的簡化和建模能力,工程創(chuàng)新能力,知識綜合運(yùn)用能力,對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的了解和掌握能力,實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及對比能力,實(shí)驗(yàn)方案的可行性評估能力等多方面能力;實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程是知識到實(shí)踐過渡的關(guān)鍵步驟,是學(xué)生工程綜合能力的全面體現(xiàn)。在問題發(fā)現(xiàn)階段虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給予學(xué)生一定的啟發(fā);在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種數(shù)字方案驗(yàn)證方法,可輔助完成開放實(shí)驗(yàn)方案可行性評估及方案優(yōu)化設(shè)計(jì)工作;在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可用于實(shí)驗(yàn)流程的規(guī)劃驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)異常的排查等工作。動量方程虛擬仿真系統(tǒng)可用于射流沖擊類開放實(shí)驗(yàn)的輔助,如射流切削、燃油噴射等。
其四,虛擬實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)作為一種基于信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型教學(xué)手段,正在高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中扮演著重要的角色。吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院建立了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,動量方程驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托此教學(xué)平臺,利用豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和信息化教學(xué)手段,充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣,調(diào)動學(xué)生利用碎片時間學(xué)習(xí)的積極性,實(shí)現(xiàn)學(xué)生的按需學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)平臺的引入促進(jìn)了師生的互動交流,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升。
動量方程驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)APP作為傳統(tǒng)動量方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和拓展,是新工科教學(xué)改革背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和信息化建設(shè)的一次探索。虛擬仿真教學(xué)方式為學(xué)生提供了更加自由和豐富的教學(xué)資源,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入將在教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展、實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平提升、學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)等發(fā)面發(fā)揮積極的作用。本著“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、互補(bǔ)攻堅(jiān)”的基本建設(shè)原則,通過虛實(shí)結(jié)合,將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)推向一個新的高度[9]。通過與國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的聯(lián)合運(yùn)行,讓學(xué)生從多角度、多渠道參與實(shí)驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生知識理解和實(shí)踐能力的提升,培養(yǎng)學(xué)生成為知識、能力、素養(yǎng)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的工程技術(shù)人員。