- 相關(guān)推薦
基于虛擬實(shí)驗的伯努利方程實(shí)驗設計
摘要：基于虛擬實(shí)驗的伯努利方程實(shí)驗是對傳統實(shí)驗進(jìn)行再設計和創(chuàng )新。在實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中采用多元化的教學(xué)手段，從多方面培養了學(xué)生的創(chuàng )新能力。伯努利方程虛擬實(shí)驗強化了網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺建設，拓寬了實(shí)驗教學(xué)內容，提高了實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量，取得了良好的實(shí)驗教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：伯努利方程;虛擬實(shí)驗;創(chuàng )新
由于流體運動(dòng)的復雜性，使得流體力學(xué)研究離不開(kāi)科學(xué)實(shí)驗，伯努利方程實(shí)驗是高等院校航天工程、能源動(dòng)力工程、水利工程、建筑工程、土木工程等專(zhuān)業(yè)必須學(xué)習的一個(gè)重要實(shí)驗之一。傳統的伯努利方程實(shí)驗，存在著(zhù)一定的弊端：在教師講解后學(xué)生直接做實(shí)驗，對實(shí)驗操作、實(shí)驗過(guò)程的示范教學(xué)及描述缺乏認識，實(shí)驗過(guò)程中出現的問(wèn)題得不到充分的探索和討論，無(wú)法體現學(xué)生的思考過(guò)程、實(shí)驗興趣及創(chuàng )造性思維。而基于虛擬實(shí)驗的伯努利方程實(shí)驗，調動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗的積極性，充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造性思維，實(shí)現了學(xué)生自主學(xué)習、師生交流互動(dòng)，能夠充分利用虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的虛擬實(shí)驗平臺，提高了實(shí)驗的效率，有利于培養具有創(chuàng )新精神和創(chuàng )新能力的高素質(zhì)人才。
1.實(shí)驗原理
如圖1所示，在實(shí)驗管路中沿管內水流方向取n個(gè)過(guò)流斷面。
可以列出進(jìn)口斷面(1)至另一斷面(i)的能量方程式
z1+p1r+a1v212g=zi+pir+aiv2i2g+hwi，(i=2，3，…，n)(1)
zi為位置水頭，表示單位質(zhì)量流體所具有的位能;pir稱(chēng)為壓強水頭，表示單位質(zhì)量流體所具有的壓強勢能;Hpi=zi+pir為測壓管水頭，是單位質(zhì)量流體所具有的總勢能;hwi代表由元斷面(1)到斷面(i)所消耗的能;取動(dòng)能系數a1=a2=a3=…=an=1，選好基準面，從已設置的各斷面的測壓管中讀出Hpi=zi+pir的值，測出通過(guò)管路的流量，即可計算出各斷面平均流速vi及速度水頭aiv2i2g，從而得到各斷面測壓管水頭值和總水頭值。
在同一過(guò)流斷面上：均勻流或漸變流斷面流體動(dòng)壓強符合靜壓強的分布規律，測壓管水頭值為常數。z+pρg=C(2)
在不同過(guò)流斷面上：測壓管水頭不同，z1+p1ρg≠zi+piρg(3)
故z+pρg≠C。
2.特色和創(chuàng )新
2.1添加虛擬實(shí)驗環(huán)節
在傳統的伯努利方程實(shí)驗中引入新的實(shí)驗元素和活力，即在實(shí)驗過(guò)程中添加伯努利方程虛擬實(shí)驗環(huán)節。目前虛擬實(shí)驗在實(shí)驗教學(xué)中的應用有很多[1-3]，也有一些伯努利方程實(shí)驗在仿真方面的研究[4]。由于虛擬實(shí)驗具有操作界面直觀(guān)、方便快捷、重復性強、不受時(shí)間或場(chǎng)所的限制，學(xué)生可以按個(gè)人需求，不受時(shí)間、地點(diǎn)約束，反復進(jìn)行虛擬實(shí)驗，完成實(shí)驗學(xué)習過(guò)程，還可以設計出新穎的虛擬實(shí)驗項目。教師鼓勵學(xué)生參與虛擬實(shí)驗的操作和完善，通過(guò)網(wǎng)上練習虛擬實(shí)驗，找出有待完善的地方，提出優(yōu)化方案，再指導學(xué)生逐步修改和完善，充分發(fā)揮學(xué)生參與實(shí)驗的主觀(guān)能動(dòng)性，有效拓展學(xué)生的想象空間。本實(shí)驗為綜合性實(shí)驗項目，通過(guò)對學(xué)生多方位的引導，可以培養學(xué)生對理論知識的應用能力、對實(shí)驗操作的動(dòng)手能力、對實(shí)驗項目的創(chuàng )新能力以及團隊的寫(xiě)作能力，從而實(shí)現對學(xué)生的綜合能力的培養。采用虛擬實(shí)驗和真實(shí)實(shí)驗相結合的方法，充分利用虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的虛擬實(shí)驗平臺，使學(xué)生從多角度，以多種方式參與實(shí)驗訓練，充分鍛煉學(xué)生對實(shí)驗操作的動(dòng)手能力。
2.2實(shí)驗流程圖，如圖2所示
(1)虛擬實(shí)驗。做實(shí)驗之前，學(xué)生可以先在力學(xué)實(shí)驗教學(xué)示范中心的網(wǎng)站上對伯努利方程實(shí)驗的虛擬實(shí)驗進(jìn)行操作、預覽實(shí)驗過(guò)程、掌握實(shí)驗原理、鞏固理論知識，并且可以直觀(guān)地體會(huì )做實(shí)驗的操作過(guò)程、觀(guān)察動(dòng)態(tài)的實(shí)驗現象等，更重要的是學(xué)生還可以隨時(shí)隨地驗證和探索學(xué)習過(guò)程中遇到的疑難問(wèn)題，對實(shí)際操作實(shí)驗進(jìn)行預習。虛擬實(shí)驗的整個(gè)過(guò)程與真實(shí)的實(shí)驗相差無(wú)幾，通過(guò)適時(shí)觀(guān)察到實(shí)驗現象及測壓管液面高度的變化規律，方便模擬出真實(shí)實(shí)驗的過(guò)程。伯努利方程實(shí)驗的虛擬實(shí)驗為學(xué)生創(chuàng )造良好的仿真實(shí)驗條件，實(shí)現了學(xué)生自主學(xué)習、師生交流互動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和主動(dòng)性，調動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗的積極性，為真實(shí)實(shí)驗操作打下堅實(shí)的基礎，提高了實(shí)驗的效率。
(2)真實(shí)實(shí)驗。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗室進(jìn)行動(dòng)手操作的真實(shí)實(shí)驗，教師指導學(xué)生熟悉操作實(shí)驗裝置，例如測量流速與流量的儀表(畢托管、文丘里流量計、電磁流量計等);啟發(fā)學(xué)生將所學(xué)理論知識結合工程實(shí)踐，采用已有的流體力學(xué)實(shí)驗教具，自主設計實(shí)驗項目，(比如利用流量計測試一下實(shí)驗室水管的流量、流速等);引導學(xué)生利用實(shí)驗解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)行實(shí)驗驗證并進(jìn)行實(shí)驗設計和創(chuàng )新，以及完成綜合實(shí)驗報告的撰寫(xiě)。
通過(guò)虛擬實(shí)驗和實(shí)際操作實(shí)驗兩個(gè)環(huán)節的操作訓練，有利于學(xué)生更加深刻地理解和掌握課本上的理論知識。
2.3實(shí)驗成績(jì)考核
伯努利方程實(shí)驗的成績(jì)考核由實(shí)驗項目設計、虛擬實(shí)驗操作、真實(shí)實(shí)驗操作和實(shí)驗報告四部分組成。實(shí)驗操作部分由指導教師現場(chǎng)打分，最終通過(guò)實(shí)驗報告：實(shí)驗方法的確定、實(shí)驗儀器的選擇、實(shí)驗步驟的制定、實(shí)驗數據的處理、實(shí)驗結果的對比分析及研究總結等，可以有效地反映出學(xué)生的綜合創(chuàng )新能力(包括實(shí)驗項目設計、實(shí)驗技能、團隊協(xié)作能力、操作動(dòng)手能力和自主創(chuàng )新能力)。
3.實(shí)驗成果
置身于多媒體世界中，虛擬實(shí)驗使學(xué)生能看到、聽(tīng)到、感覺(jué)到實(shí)驗對象、實(shí)驗過(guò)程、實(shí)驗結果，大大增加了仿真的形象性與直觀(guān)性，從而能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)驗的興趣和主觀(guān)能動(dòng)性，提升學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗的積極性。由于虛擬實(shí)驗不受時(shí)間、場(chǎng)地的限制，學(xué)生可根據自己的需要安排學(xué)習時(shí)間，提高學(xué)習效率。而且虛擬與真實(shí)實(shí)驗兩者相結合，優(yōu)勢互補，切實(shí)保證了實(shí)驗教學(xué)的質(zhì)量。伯努利方程實(shí)驗是一個(gè)綜合性實(shí)驗，其系統的經(jīng)驗成果可以為其他流體力學(xué)實(shí)驗項目提供借鑒，引領(lǐng)實(shí)驗項目建設方向、探索人才培養模式。一些典型教學(xué)案例的積累，豐富了實(shí)驗教學(xué)的積淀。成功的案例可以啟發(fā)下屆學(xué)生在此基礎上發(fā)展創(chuàng )新，避免低水平的重復實(shí)驗;失敗的案例可以供學(xué)生借鑒，盡可能避免失敗，少走彎路。
4.結束語(yǔ)
虛擬實(shí)驗與真實(shí)實(shí)驗相結合豐富了流體力學(xué)實(shí)驗教學(xué)內容，綜合利用了多種教學(xué)手段，提升了整個(gè)實(shí)驗教學(xué)水平。注重實(shí)驗過(guò)程設計，實(shí)驗方法科學(xué)、合理、新穎;實(shí)驗手段適當、高效先進(jìn)。能充分調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性與積極性，培養學(xué)生對實(shí)驗的興趣。此外，虛擬實(shí)驗促進(jìn)了流體力學(xué)實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )化教學(xué)的步伐，建立了流體力學(xué)虛擬實(shí)驗平臺和教學(xué)資料庫。
參考文獻：
[1]程立英，張志美，等.虛擬實(shí)驗在分級實(shí)驗教學(xué)中的應用探究[J].沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011.
[2]朱敏.虛擬實(shí)驗與教學(xué)應用研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2006.
[3]陳小紅.基于仿真軟件的虛擬實(shí)驗設計與應用[D].上海：上海師范大學(xué)，2010.
[4]李占松，蒙昊等.水力學(xué)伯努利方程實(shí)驗仿真研究[J].河南科學(xué)，2011.
【基于虛擬實(shí)驗的伯努利方程實(shí)驗設計】相關(guān)文章：
基于虛擬現實(shí)技術(shù)的物理實(shí)驗模擬09-06
基于UDP的網(wǎng)絡(luò )虛擬示波器設計09-19
基于虛擬經(jīng)營(yíng)的知識共享行為研究07-02
振動(dòng)測試的教學(xué)實(shí)驗設計分析08-19
基于網(wǎng)絡(luò )的遠程虛擬儀器系統的實(shí)現08-12
實(shí)驗設計的三要素和四原則08-22