水面曲线虚拟实验的开发与应用

摘要：本文利用Flex等技术开发了水面曲线虚拟实验系统。在实验教学中采用虚实结合、相互补充的教学模式，多方位培养学生的实验操作、工程实践和创新能力。该虚拟实验促进了流体力学虚拟实验训练平台的建设，促进了国家级力学虚拟仿真中心的发展，提升了实验教学效果。

关键词：水面曲线；虚拟实验；开发与应用

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）03-0276-03

国家教高司函[2013]94号文明确提出要在全国构建国家级虚拟实验教学中心。虚拟仿真实验教学是高校实验教学改革的趋势和发展方向，与传统实验教学虚实结合、相互补充，将切实提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，是对实验实践教学的创新与提升。

明渠恒定非均匀流水面曲线实验是《流体力学》课程中“明渠无压恒定流”部分的重要内容之一。水面曲线实验在交通土建工程勘测设计中起着重要作用。学生通过实验察看顺坡渠道（缓坡、陡坡和临界坡）、平坡渠道和倒坡（逆坡）渠道的十二种水面曲线，察看雍水曲线、降水曲线及水跃和水跌现象，加深对明渠均匀流与非均匀流的水力学特性与水力现象的了解，且让学生去真实的渠道、河道观察不太切合实际，开发虚拟实验亦可以再现真实渠道的水面曲线及流态，可以节约大量时间、人力物力，具有重要的意义。

一、虚拟实验的开发

本实验充分利用Flex等软件开发水面曲线虚拟演示实验系统，丰富现有流体力学虚拟实验教学平台，拓展了实验教学的时间和空间，激发了学生的兴趣。

1.开发技术。FLEX为Adobe公司推出的图像处理框架，该框架属于高效、免费的开源框架，主要用于创建更好表现能力的基于WEB的应用系统。同时，FLEX还可以和Adobe Flash Player和Adobe AIR相结合，快速创建交互式、可视化应用界面，同时使WEB应用系统能够实现在不同浏览器、不同桌面系统和不同操作系统之間保持一致部署和一致使用。因FLEX仅通过Adobe Flash Player播放软件即可实现可视化浏览，而目前超过98%的浏览器都带有Adobe Flash Player播放插件，使得FLEX技术可以迅速普及使用。

2.水面曲线虚拟实验功能模块设计。学生通过虚拟实验可以直观地观察到明渠在不同坡道下的（顺坡渠道（分为缓坡、陡坡和临界坡）、平坡渠道和倒坡（逆坡））十二种水面曲线，可以加深学生对理论课的认识和理解。虚拟实验是依照真实实验的仪器、原理、步骤等规律而设计的，设置了学生登陆界面、虚拟实验训练平台、教学辅助系统、实验交互平台、训练记录等功能模块，较好地实现了人机交互的方式。如图1所示。

3.虚拟实验实现模块。水面曲线虚拟实验根据实际实验现象，设计分为5种坡度，水跌和水跃观察等模块直观地演示5种坡度情况下的水面曲线形状，如图2所示。

4.虚拟实验登录界面。本实验系统采用简单实用的通用界面，学生通过学号登录虚拟实验训练系统，就可以利用鼠标的点击或拖拽等操作进行在线虚拟实验练习。利用3dMax绘制三维立体实验装置和真实的实验装置相同。水面曲线虚拟实验图分别如图3a、图3b、图3c、图3d和图3e所示。

虚拟实验训练网址：http：//lx-lab.tongji.edu.cn/vlab/vlab.oms？omsv=list&cid=4

5.辅助教学模块。辅助教学模块主要设置了实验教学资料，包括实验讲义、教学视频等多媒体资料，经管理员或教师上传与流体力学虚拟实验教学平台。

二、水面曲线虚拟实验的应用成果

该实验项目面向全校土木工程、给排水工程、轨道交通工程等十几个专业的学生使用。虚拟实验的运行和使用大大减轻了实验仪器少、学时数少的问题，提高了学生的实验效率。

1.采用虚实结合的教学模式，培养学生的创新能力。在实验教学中采用虚实结合、相互补充的教学方法，使学生的知识、能力、素质协调发展，培养学生的实践和创新能力。通过“虚实结合”，可实现实验教学手段和教学模式的多元化。学生经过理论学习、虚拟实验和实际操作实验这三个环节的学习，可以更加深刻地理解和掌握课本上的理论知识，加深对实验现象和工程实际的理解，提升学生的实际实验操作技能，全面提高实验教学水平和人才培养质量。

2.理论与实际相结合，培养学生的工程师意识。流体力学既是一门专业基础课，也具有很强的实用性，所以流体力学实验教学应与工程实际紧密相结合，在进行水面曲线虚拟实验系统开发时，加入工程上的实际例子作为辅助教学视频放置于虚拟实验训练平台，学生先通过教学视频观察什么是水跃和水跌等现象，然后再在虚拟实验训练系统中做实验，学生就可以在实验室内看到工程实际中的现象，极大地提高了学生的学习效率，激发了学生的学习主动性和积极性，培养了学生的工程师意识。

3.促进流体力学虚拟实验训练平台的资源共享。依托我校土木工程等优势学科，逐步构建基础、综合、开放、共享、虚实结合的实验教学体系，实现中心实验室的信息共享，从而实现一个“无墙的实验室”。校内外的学习者可以多次进行虚拟实验训练。通过网上交流和学生反馈，也使教师能及时发现实验及教学中的问题，从而提升实际教学能力，提升实验教学效果。

三、结语

水面曲线虚拟实验的开发和应用，丰富了实验的教学模式，促进了网络实验教学的发展。学生可以利用虚拟网络平台，在任意时段、任意地方进行虚拟实验练习，同时还可以直观地观察到实验现象、模拟不同坡道的水面曲线等。实现经典实验教学和虚拟仿真实验教学有机的统一，可以持续推进实验教学信息化建设，实现优质实验教学资源共享，提升整体的实验教学水平。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[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，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[3]刘硕谦，田娜，刘仲华，陆英.新形势下高校实验室的建设与管理办法初探[J].教育教学论坛，2013，（13）：10-11.

[4]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[5]陈小虎.校企融合，构建应用型人才培养的一种全新模式[J].中国大学教育，2007，（4）：6-9.

[6]曾小彬.深化实验实践教学改革提升应用型人才培养质量[J].实验室研究与探索，2010，29（2）：3-5.

[7]吴树青.深化高等教育改革，增强创新能力，促进创新型人才培养[J].清华大学教育研究，2007，（5）：1-9.

[8]刘鹤年.流体力学[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2004：227-241.

[9]都颖.基于FLEX技术的教学资源共享平台开发与实现[D].成都：电子科技大学，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]趙红晓.雷诺虚拟演示实验的开发与应用[J].实验室科学，2016，（02）：87-89.

[12]张绍荣.论虚拟实验平台构建的必要性[J].教育教学论坛，2015，（31）：259-260.

[13]赵红晓.动量定律精品实验建设[J].实验室科学，2016，（04）：87-89，92.

[14]黄坤，冯奇.梁索耦合结构的非线性振动[J].同济大学学报（自然科学版），2011，（05）：666-674.endprint