仿真实验教学探讨

摘 要：针对现有实验教学中存在的问题，探讨了计算机仿真在实验教学中的应用。以传热学实验教学为例，介绍了我们开发的一套传热学实验仿真软件以及取得的教学效果。

关键词：传热学 仿真实验 探讨

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（b）-0040-02

1 实验教学存在的问题

实验教学是工科类专业素质教育的重要组成部分，是巩固课堂所学知识、培养学生的科学研究方法、实验基本技能以及创新能力的重要途径。加强实验教学改革有助于提升整体教学水平。实验室硬件水平是开展教学实验的基本保障，但由于人力、物力、财力的限制，实验室硬件通常不能满足实际教学需求。比如，实验室缺乏必要的专业实验设备导致教学计划中的一些教学实验无法顺利开展，或者部分教学设备陈旧老化、数量严重不足，无法为每个学生提供全程动手操作的机会，另外某些专业实验设备价格昂贵甚至实验过程存在一定的危险性也导致许多学校在开设实验项目时常常有所保留。有些实验受到场地和课时限制，在规定的时间内无法完成实验或实验效果不理想，这些都直接影响了实验课的教学效果。上述问题除了通过合理的实验室建设和设备购置来解决外，还可借助现代计算机仿真技术开展仿真实验教学来解决。

2 仿真实验

仿真实验是指在交互状态下，借助编程软件、多媒体、仿真等技术在计算机上营造可辅助、部分替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，学生可以像在真实环境一样完成各种实验项目，所得的结果甚至优于实际实验结果。仿真实验具有很多的优点它营造了多样化的教学环境，能大大提高学生的学习兴趣；将仿真实验与网络链接后，学生可以利用校园网进行实验课程的学习，打破了传统实验教学时间和空间的限制；可以节省实验经费，实现多种实验目的。

一些高等院校和企业开发了适用于不同专业、实现不同功能的实验仿真软件，促进了仿真实验在工科实验教学中的应用。如能实现离心泵测定、精馏、吸收等功能的化工原理仿真实验、验证电工基本定理的电工电子仿真实验、大学物理仿真实验、建筑工程仿真实训系统等。在热能与动力工程专业中有西安交通大学[1]开发的制冷过程多媒体演示与模拟教学实验，浙江大学[2]开发的基于web的小型冷库教学系统，东南大学[3]开发的制冷空调综合创新模拟实验平台，长沙理工大学[4]开发的能够实现二维稳态导热、竖壁附近自然对流换热和辐射角计算3个虚拟实验的传热学虚拟实验等。这些仿真实验借助计算机仿真技术，通过声音、动画、彩色图像等丰富的表现力为学生提供了内容丰富、形象直观的学习环境，充分调动了学生的学习积极性，取得了较好的教学效果。

3 传热学仿真实验

传热学实验教学是热能与动力工程专业的专业基础课实验教学，与传热学理论课程互为补充，是课堂理论教学的继续和深化，对于培养学生的解决工程实际问题能力和研究开发能力具有重要的作用。在传热学教学中引入仿真实验，是为了更好地完成大纲中规定而实际无条件实现的实验项目和内容。以我校热能与动力工程专业为例，目前本专业传热学实验内容主要包括隔热材料导热系数测量（10台）、外掠管束对流传热系数测量（2台）、换热器性能测试（3台）等。实验内容相对较少且实验台数量太少远远不能满足实际需要，导致实验过程中无法保证每个同学的实际动手操作。另外，因实验设备使用过于频繁导致其老化加快，实验中就曾出现因设备部件故障而无法继续实验的情况，如换热器性能实验中因热电偶出错影响了实验的顺利进行。因此，在不能保证足够实验设备数量前提下，借助计算机仿真实验来辅助传热学实验教学不仅能扩展本专业实验教学内容，还能帮助学生深入了解实验原理，保证实验的顺利进行。

3.1 传热学仿真实验介绍

根据传热学实验教学内容和目标，我们对现有的硬件实验设备进行了综合分析，确定了这些设备能够开展的实验内容，把无法开展的实验内容用计算机仿真实验来代替。为此，我们开发了一套传热学实验仿真软件，下面就此软件进行介绍。

传热学实验仿真软件采用的开发工具为Visual Basic 6.0软件，该软件可以很方便地实现用户界面、菜单、操作按钮和工具条的制作，能够完成实验过程需要的原理演示、实验装置构成显示、阀门开关与开度调节、数据读取、数据处理、实验帮助等功能，开发的软件用户容易上手，使用起来很方便。图1为其中的水平圆管壁面自然对流传热关联式仿真实验主界面。界面主要由标题栏、状态条、实验设备、操作按钮组成。点击操作按钮可以实现加热器的电压调节，可以查看并学习实验指导书的相关内容，还可以查看实验过程中的换热量和温度参数的动态变化情况以及确定读取实验数据。

传热学实验仿真软件的功能是能实现圆球法测导热系数实验、二维导热温度场的数值计算、非稳态导热温度场的数值计算、水平圆管壁面自然对流传热关联式实验、中温辐射物体黑度测试和换热器性能测试实验等6项实验内容。与实验室现有的硬件实验教学设备形成互补后，基本上涵盖了包括导热、对流、辐射和换热器在内的所有传热学实验内容。

传热学实验仿真软件采用模块化建模，开发过程中，将每部分实验内容作为一个单独模块。每个模块中除了包括实验台系统动画图形外，还包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理方法和思考题等内容。开发过程中采用了动态模拟技术，实验过程中的实验参数可以实现动态即时显示，使模拟实验更贴近于实际情形，学生可根据参数的动态变化随时了解实验进行情况并判断数据读取的时机。由于该仿真软件详细地介绍了每个实验的原理、内容、操作步骤、数据处理等内容，所以它也可作为传热学实验的系统学习工具使用。

3.2 仿真实验教学效果

通过使用该传热学实验仿真软件，取得了较好的实验教学效果。首先，该传热学实验仿真软件能够实现因缺少相关实验室硬件而无法进行的实验项目，完成了传热学实验教学大纲规定的教学内容。学生使用后，加深了对数值计算、对流传热、辐射、换热器性能等实验涉及的理论和实验测试内容的理解，丰富了学生的传热学实验实践，实现了学生对传热学知识的全面学习和理解。

其次，由于实验形式新颖，加上界面设计友好，学生学习兴趣较高，实验后普遍反映对所进行的实验尤其是原理和数据处理等相关内容有了更全面和深刻的了解。另外，由于该仿真软件具有完善的用户帮助功能，且可以直接在Blackboard教学平台上进行操作，学生实验时不受实验时间和空间限制，也可多次进行，使用起来相当方便，效果较好。

为了取得更好的教学效果，未来将在该传热学实验仿真软件中进一步增加测试与评分模块，实现用户仿真实验效果的即时测试与打分。还将在该实验仿真软件中增加更多的动态模拟内容，使其更喜迎并方便用户使用。

4 结论

针对现有实验教学中存在的问题，本文探讨了计算机仿真在实验教学中的应用，分析了仿真实验的优点。对我们开发的一套传热学实验仿真仿真软件进行了介绍，并概括描述了仿真实验的教学效果。

参考文献

[1] 晏刚，吴业正，厉彦忠，等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[C].2004年制冷会议论文集，2004：135-137.

[2] 张华，刘楚芸，王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[C].2004年制冷会议论文集，2004：142-144.

[3] 张小松，蔡亮，李舒宏，等.建立多功能开放实验台，培养学生创新科研能力[C].2004年制冷会议论文集，2004：148-153.

[4] 姜昌伟，傅俊萍，赵李铁.基于Matlab的传热学虚拟实验开发[J].中国电力教育，2008：316-317.

①基金项目：烟台大学教学改革与研究项目（编号：C080）；

烟台大学教学改革与研究项目（编号：B029）。