空气动力学虚拟实验教学探究

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1、空气动力学虚拟实验教学探究［摘要］虚拟现实技术是近几年来高速发展的一项新技术。针对高校实验室投资不足，传统实验教学模式局限性等问题，分析了虚拟实验室的优势。构建了空气动力学虚拟实验室，探讨了虚拟实验教学的特点及空气动力学虚拟实验在教学中的应用实践。通过将虚拟现实技术运用到实验教学中，可以为学生提供形象、逼真的实验教学效果，充分发挥学生的主动性和创造性，有利于培养创新意识和解决实际问题的能力。［关键词］虚拟实验室空气动力学实验教学改革［中图分类号1G482实验教学是高等院校教学体系中的重要组成部分，对于培养学员的创新意识、动手操作能力、分析问题和解决问题等能力有着不可替代的

2、作用。尤其对于理工科专业学员来说，传统的实验教学方式已经远远不能满足培养具有高素质及创新能力的人才需求。随着计算机技术和虚拟仿真技术的不断发展，虚拟实验已经成为近几年国内外实验教学和远程教育研究的热点［1-2］o在这种背景下，虚拟实验教学系统及其相关应用问题应是当前大力探讨和发展的课题。随着现代信息技术的发展，虚拟实验教学作为传统实验教学的有效补充，已经成为实践教学的重要手段，它不仅可以在某些程度上替代传统的实验教学，而且可以克服传统实验教学的各种弊端，从而有效地解决传统实验教学的诸多问题[3-4]o为适应这种需要，我们于2011年建设完成了空气动力学虚拟实验室，通过虚拟

3、实验和网络教学，取得了良好的教学效果。一、传统实验教学模式的现状以前的空气动力学实验课教学大多采用课前预习，课中操作，课后报告的形式。课前，教员督促学员做好预习工作，熟悉相关实验流程和实验方法。学员在课前预习时，大多被动地通过实验指导书中图片和文字的描述，了解实验内容及相关的实验仪器，缺乏对真实实验仪器的感性认识。课堂操作中，教员讲解实验内容和注意事项，学员按照实验指导书步骤进行操作。但在实际教学中，由于个别元器件损坏、设备老化等原因，导致实验中会出现各种异常问题,为此学员就要花较多时间去排故，这往往打消了学员实验的积极性；再者，因实验室开放规模的限制，难度较大的实验只能

4、做为验证性实验，学员的创新能力和综合应用能力都难以得到提高。实验课结束后，学员通过撰写实验报告对相关数据进行整理、分析和处理。由于实验受开放时间、场地空间等条件限制，学员一般没有机会重新操作，因此对实验结果的分析只能停留在理论层次上。二、虚拟实验教学的特点虚拟实验是综合运用计算机网络、多媒体技术和虚拟现实等技术而产生和发展的一种实验模式[5-7]o虚拟实验区别于传统实验的教学方式和教学手段，是通过软件虚拟技术来达到真实实验的效果，具有以下特点：（一）降低实验教学成本，缓解实验经费不足目前各个高校普遍存在实验经费不足的问题，因此造成实验设备无法更新，损耗器材无法及时补充，严

5、重影响了实验教学的质量。空气动力学虚拟实验室是利用计算机模拟技术建造非常逼真的虚拟实验环境，不需要昂贵的实验设备即可完成相应的实验，不损坏仪器设备也不消耗器材。因此,可大大降低实验成本，缓解实验经费不足的矛盾。（二）提高实验效率，节省大量的时间传统空气动力学实验室中的实验受人员、场地和开放时间的限制，实验效果不是太理想，学员在实验室里要花费很多时间用于熟悉实验设备和实验流程，一旦在实验过程中出现元器件或设备损坏，将大大降低实验效率。如果先进行虚拟实验，则学员基本上可掌握实验设备的使用方法，通过熟悉实验过程再进入实验室做实验，可以起到事半功倍的作用；另外有些参数变化较缓慢的

6、实验如“雷诺实验”等，通过虚拟实验，可以加快参数变化过程，节约了时间提高了实验效率。（三）调动学员的学习兴趣，加深对实验内容的理解在空气动力学虚拟实验室进行实验是一种形式新颖的实验教学方式。虚拟实验系统制作得形象生动，可以调动学员的学习兴趣。通过虚拟实验系统呈现仪器设备的构造和原理，使学员对仪器设备形成直观的认识和感受。在虚拟实验进行的过程中，学员可以根据自身特点任意加快或放慢实验进程，通过改变不同的实验参数，加深对实验内容的理解和掌握。虚拟实验可以将学员想象力和创造力结合起来，充分调动学员的主观能动性。（四）开拓学员视野，培养学员创新能力传统实验室往往受各种条件限制无法

7、及时开设新型实验，而虚拟实验室则可以通过计算机模拟，比较方便地开发设计出相应的实验内容，通过开展综合性实验和创新型实验有助于开拓学员视野。空气动力学虚拟实验没有时间和空间的限制，只要在电脑上安装虚拟实验系统，学员可以随时开展模拟实验，有利于获得较丰富的感性认识，从而激发学员自主扩展实验内容，培养其创新思维。三、空气动力学虚拟实验室的建设（一）虚拟实验室的主要功能空气动力学虚拟实验室平台可划分为公共服务、实验教学管理、实验室管理、系统管理等四个子系统。1.公共服务子系统包括身份认证、实验室简介、信息发布、相关下载、网上答疑、在线