基于WEB的虚拟实验技术在流体力学实验中的应用研究

摘要:实验在工程流体力学教学中有着非常重要的作用,但由于条件限制,传统的真实实验常存在一些弊端和局限性。随着远程教育的不断发展,真实实验的局限性更加突现,所以对虚拟实验系统的应用研究已经提上日程。虚拟实验可以弥补传统的真实实验的缺陷,也可以作为传统课堂的扩展和的补充,以及远程实验教学的必要手段。

Abstract: Experiment has a very important role in the teaching of engineering fluid mechanics, but because of the condition limitations, traditional real experiment often has some drawbacks and limitations. With the continuous development of distance education, the limitations of the real experiment is more emergent, so the applied research of virtual experiment system has been put on the agenda. Virtual experiments can make up for the shortcomings of traditional real experiment, and can also be used as the extension and supplement of traditional classroom, and the necessary means of remote experimental teaching.

关键词:WEB;虚拟实验;真实实验;工程流体力学

Key words: WEB;virtual experiment;real experiment;engineering fluid mechanics

中图分类号:O35;TP39 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)28-0110-01

0引言

流体力学是一门实践性较强的专业基础课,实验是其重要组成部分。实验不但可以使学生加深对理论知识的理解与掌握,更能有效地培养学生的观察能力、实际动手能力、创新能力和解决问题的能力。但在以往的真实实验教学过程中,学生普遍反映流体力学实验过程比较抽象,尤其是流体动力学部分更是难于理解。虚拟实验恰好可以解决这一难题。

1基于WEB的虚拟实验室

虚拟实验室可以向实验者提供通过软件实现的虚拟实验场景及虚拟的仪器设备。因此,学生可以不受时空限制,随时随地进行虚拟实验操作,突破了常规实验教学的局限性和被动性。可以说,基于WEB的虚拟实验室可以作为一个实验教学、技术交流的交互式平台,为师生提供了一种新颖的、分散式的解决问题的环境。基于WEB的虚拟实验室主要由以下模块构成(如图1)。

1.1 管理模块管理模块为学生提供相关实验项目介绍、虚拟实验帮助系统和实验管理系统。其中,帮助系统的功能包括实验软件操作方法及与本实验有关的拓展知识。管理系统设置了不同用户的权限、仪器设备管理、成绩管理等子模块。

1.2 虚拟实验平台虚拟实验平台由虚拟实验设备和数据采集处理软件共同组成。它为学生提供实验所需要的仿真实验装置、实验数据采集、处理及与显示、实验操作技能支持等内容。

1.3 实时交互模块实时交互模块主要包括答疑论坛和网络通信系统。它的主要功能是提供一个交互平台,使学生与学生之间、教师与教师之间、学生与教师之间进行经验交流,实时或迟后地解决实验过程中可能遇到的疑难问题。

1.4 虚拟实验生活区该模块包括实验信息的,课外知识拓展及与本实验有关的网络资源连接等。为学生提供尽可能多的资源。

2基于WEB的虚拟实验技术在流体力学实验教学中的意义

2.1 实现实验室的完全开放,满足学生的不同需求虚拟实验具有无限量复制特性,学生可以根据自己的需求,随时随地登录虚拟实验系统,观察实验现象、操作实验仪器。

2.2 自主式学习,提高学生的动手能力虚拟实验有利于学生进行自行探究和独立学习,学生可根据自己的兴趣自行选择实验内容、自行制定实验时间和进度,自己发现问题、解决问题,学生由被动的知识受体转变为知识的主动探究者和学习的主体。

2.3 允许出错,激发学生兴趣,培养学生的创新思维虚拟实验还具有绝对安全性,不会因操作失误而造成任何实验设备的损坏或人身的伤害事故,它允许学生出现各种错误,但每一错误操作后,系统均给出提示,每一步均可返回、修正,学生可以无顾虑地大胆尝试,可以获得在各种情况下的正确行动路径,却不必担心需要付出昂贵的代价。这样既激发了学习兴趣,也增强了创新能力。

2.4 扩充实验教学手段,提高教学效果应用虚拟实验技术可以将复杂的问题简单化。真实实验中许多实验现象稍纵即逝、不易观察,或者对环境和条件要求苛刻,稍有不慎就得不到预期实验结果。

2.5 借助群体智慧,优化实验教学环境虚拟实验软件是借助流体力学学科的研发力量,集中优秀教师、专业教师的群体智慧,利用先进的虚拟技术和多媒体技术将抽象的实验原理等形象地表现出来的。能够使学生在虚拟实验过程中随时获取逼真、动态的信息,从而形成一个信息化的网络实验教学环境。

2.6 结合网络资源,丰富教学内容以工程流体力学的基本原理、专业技术与工程应用相结合的特点为中心,结合网络资源,丰富教学内容,明确教学重点。借助校园网形成虚拟实验室后,结合网络资源,可以进行大量的设计性和综合性实验。

2.7 借助WEB,实现远程实验教学目前远程实验教学的发展却进展缓慢,手段仅限于图片、实验数据或者教学录像,这些手段不能满足学生的需要,达不到预期的学习效果,学生的参与感也非常差。虚拟实验室的创建解决了这一难题,使接受远程教学的学生能够自己动手操作实验,获得现场操作的临场感和直观的经验感受。

3正确处理真实实验与虚拟实验的关系

虚拟实验虽然存在上述优点,但也存在一些缺陷:①无法获得操作技能。无论虚拟实验设计得多么逼真,它只是通过对鼠标的点击、拖曳与虚拟物体进行交互,与真实情况有一定差别。体会不出误差。虚拟实验按照标准实验步骤和实验环境进行模拟,条件过于理想化,无法考虑全真实实验中出现的各种影响因素。以上所说的虚拟实验的弊端也正是真实实验的优点。在教学中,怎样发挥它们各自的特点,如何取长补短,是值得我们深入研究的。总之,我们要明确以下几点:一是真实实验有其不可替代性。学生具体操作技能的形成必须通过真实实验获得。二是虚实互补。将虚拟实验和真实实验有机地结合起来,充分发挥各自的优势。三是因材施教。教师应根据实验内容、性质、目的、学生已有的知识和能力水平以及两个实验的特点等因素来决定是采用真实实验还是采用虚拟实验。

参考文献:

[1]何昭青,刘琳.基于建构主义的网络虚拟实验室教学平台的设计与实现[J].计算技术与自动化,2008(3):107~110.

[2]瞿盟,邓居祁,殷科生.虚拟实验的特点与实现[J].现代远距离教育,2007(4):60-61.