交互式水力学虚拟仿真实验软件的构建-软件技术

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1、交互式水力学虚拟仿真实验软件的构建-软件技术交互式水力学虚拟仿真实验软件的构建薛海（华北水利水电大学水利学院，河南郑州450045）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

2、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

3、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，

4、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

5、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

6、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

7、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

8、”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