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基于虛擬實(shí)驗(yàn)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
摘要：基于虛擬實(shí)驗(yàn)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用多元化的教學(xué)手段，從多方面培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。伯努利方程虛擬實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：伯努利方程;虛擬實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新
由于流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，使得流體力學(xué)研究離不開科學(xué)實(shí)驗(yàn)，伯努利方程實(shí)驗(yàn)是高等院校航天工程、能源動(dòng)力工程、水利工程、建筑工程、土木工程等專業(yè)必須學(xué)習(xí)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)之一。傳統(tǒng)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)，存在著一定的弊端：在教師講解后學(xué)生直接做實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)過程的示范教學(xué)及描述缺乏認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題得不到充分的探索和討論，無法體現(xiàn)學(xué)生的思考過程、實(shí)驗(yàn)興趣及創(chuàng)造性思維。而基于虛擬實(shí)驗(yàn)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生交流互動(dòng)，能夠充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高了實(shí)驗(yàn)的效率，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。
1.實(shí)驗(yàn)原理
如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)管路中沿管內(nèi)水流方向取n個(gè)過流斷面。
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稱為壓強(qiáng)水頭，表示單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)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(shù)a1=a2=a3=…=an=1，選好基準(zhǔn)面，從已設(shè)置的各斷面的測壓管中讀出Hpi=zi+pir的值，測出通過管路的流量，即可計(jì)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。
在同一過流斷面上：均勻流或漸變流斷面流體動(dòng)壓強(qiáng)符合靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律，測壓管水頭值為常數(shù)。z+pρg=C(2)
在不同過流斷面上：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(yàn)環(huán)節(jié)
在傳統(tǒng)的伯努利方程實(shí)驗(yàn)中引入新的實(shí)驗(yàn)元素和活力，即在實(shí)驗(yàn)過程中添加伯努利方程虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。目前虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有很多[1-3]，也有一些伯努利方程實(shí)驗(yàn)在仿真方面的研究[4]。由于虛擬實(shí)驗(yàn)具有操作界面直觀、方便快捷、重復(fù)性強(qiáng)、不受時(shí)間或場所的限制，學(xué)生可以按個(gè)人需求，不受時(shí)間、地點(diǎn)約束，反復(fù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程，還可以設(shè)計(jì)出新穎的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教師鼓勵(lì)學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)的操作和完善，通過網(wǎng)上練習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)，找出有待完善的地方，提出優(yōu)化方案，再指導(dǎo)學(xué)生逐步修改和完善，充分發(fā)揮學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性，有效拓展學(xué)生的想象空間。本實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過對學(xué)生多方位的引導(dǎo)，可以培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力、對實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)手能力、對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)的寫作能力，從而實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)。采用虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生從多角度，以多種方式參與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，充分鍛煉學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)手能力。
2.2實(shí)驗(yàn)流程圖，如圖2所示
(1)虛擬實(shí)驗(yàn)。做實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生可以先在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的網(wǎng)站上對伯努利方程實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作、預(yù)覽實(shí)驗(yàn)過程、掌握實(shí)驗(yàn)原理、鞏固理論知識，并且可以直觀地體會(huì)做實(shí)驗(yàn)的操作過程、觀察動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，更重要的是學(xué)生還可以隨時(shí)隨地驗(yàn)證和探索學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題，對實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)。虛擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)相差無幾，通過適時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及測壓管液面高度的變化規(guī)律，方便模擬出真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程。伯努利方程實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生創(chuàng)造良好的仿真實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生交流互動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和主動(dòng)性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了實(shí)驗(yàn)的效率。
(2)真實(shí)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)手操作的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，教師指導(dǎo)學(xué)生熟悉操作實(shí)驗(yàn)裝置，例如測量流速與流量的儀表(畢托管、文丘里流量計(jì)、電磁流量計(jì)等);啟發(fā)學(xué)生將所學(xué)理論知識結(jié)合工程實(shí)踐，采用已有的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教具，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，(比如利用流量計(jì)測試一下實(shí)驗(yàn)室水管的流量、流速等);引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，以及完成綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。
通過虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)的操作訓(xùn)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(yàn)成績考核
伯努利方程實(shí)驗(yàn)的成績考核由實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告四部分組成。實(shí)驗(yàn)操作部分由指導(dǎo)教師現(xiàn)場打分，最終通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)方法的確定、實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟的制定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析及研究總結(jié)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(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、操作動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新能力)。
3.實(shí)驗(yàn)成果
置身于多媒體世界中，虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能看到、聽到、感覺到實(shí)驗(yàn)對象、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大增加了仿真的形象性與直觀性，從而能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣和主觀能動(dòng)性，提升學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性。由于虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、場地的限制，學(xué)生可根據(jù)自己的需要安排學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。而且虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)兩者相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，切實(shí)保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。伯努利方程實(shí)驗(yàn)是一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，其系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)成果可以為其他流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供借鑒，引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)方向、探索人才培養(yǎng)模式。一些典型教學(xué)案例的積累，豐富了實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新，避免低水平的重復(fù)實(shí)驗(yàn);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(jié)束語
虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合豐富了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，綜合利用了多種教學(xué)手段，提升了整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。注重實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)、合理、新穎;實(shí)驗(yàn)手段適當(dāng)、高效先進(jìn)。能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的步伐，建立了流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和教學(xué)資料庫。
參考文獻(xiàn)：
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