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基于虛擬實驗的伯努利方程實驗設(shè)計
摘要：基于虛擬實驗的伯努利方程實驗是對傳統(tǒng)實驗進行再設(shè)計和創(chuàng)新。在實驗教學(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。伯努利方程虛擬實驗強化了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)，拓寬了實驗教學(xué)內(nèi)容，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，取得了良好的實驗教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：伯努利方程;虛擬實驗;創(chuàng)新
由于流體運動的復(fù)雜性，使得流體力學(xué)研究離不開科學(xué)實驗，伯努利方程實驗是高等院校航天工程、能源動力工程、水利工程、建筑工程、土木工程等專業(yè)必須學(xué)習(xí)的一個重要實驗之一。傳統(tǒng)的伯努利方程實驗，存在著一定的弊端：在教師講解后學(xué)生直接做實驗，對實驗操作、實驗過程的示范教學(xué)及描述缺乏認(rèn)識，實驗過程中出現(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、實驗興趣及創(chuàng)造性思維。而基于虛擬實驗的伯努利方程實驗，調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性，充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，實現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生交流互動，能夠充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)中心的虛擬實驗平臺，提高了實驗的效率，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.實驗原理
如圖1所示，在實驗管路中沿管內(nèi)水流方向取n個過流斷面。
可以列出進口斷面(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壓強符合靜壓強的分布規(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添加虛擬實驗環(huán)節(jié)
在傳統(tǒng)的伯努利方程實驗中引入新的實驗元素和活力，即在實驗過程中添加伯努利方程虛擬實驗環(huán)節(jié)。目前虛擬實驗在實驗教學(xué)中的應(yīng)用有很多[1-3]，也有一些伯努利方程實驗在仿真方面的研究[4]。由于虛擬實驗具有操作界面直觀、方便快捷、重復(fù)性強、不受時間或場所的限制，學(xué)生可以按個人需求，不受時間、地點約束，反復(fù)進行虛擬實驗，完成實驗學(xué)習(xí)過程，還可以設(shè)計出新穎的虛擬實驗項目。教師鼓勵學(xué)生參與虛擬實驗的操作和完善，通過網(wǎng)上練習(xí)虛擬實驗，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)生參與實驗的主觀能動性，有效拓展學(xué)生的想象空間。本實驗為綜合性實驗項目，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、對實驗操作的動手能力、對實驗項目的創(chuàng)新能力以及團隊的寫作能力，從而實現(xiàn)對學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)。采用虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合的方法，充分利用虛擬仿真實驗教學(xué)中心的虛擬實驗平臺，使學(xué)生從多角度，以多種方式參與實驗訓(xùn)練，充分鍛煉學(xué)生對實驗操作的動手能力。
2.2實驗流程圖，如圖2所示
(1)虛擬實驗。做實驗之前，學(xué)生可以先在力學(xué)實驗教學(xué)示范中心的網(wǎng)站上對伯努利方程實驗的虛擬實驗進行操作、預(yù)覽實驗過程、掌握實驗原理、鞏固理論知識，并且可以直觀地體會做實驗的操作過程、觀察動態(tài)的實驗現(xiàn)象等，更重要的是學(xué)生還可以隨時隨地驗證和探索學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題，對實際操作實驗進行預(yù)習(xí)。虛擬實驗的整個過程與真實的實驗相差無幾，通過適時觀察到實驗現(xiàn)象及測壓管液面高度的變化規(guī)律，方便模擬出真實實驗的過程。伯努利方程實驗的虛擬實驗為學(xué)生創(chuàng)造良好的仿真實驗條件，實現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生交流互動，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和主動性，調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性，為真實實驗操作打下堅實的基礎(chǔ)，提高了實驗的效率。
(2)真實實驗。學(xué)生進入實驗室進行動手操作的真實實驗，教師指導(dǎo)學(xué)生熟悉操作實驗裝置，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(jié)合工程實踐，采用已有的流體力學(xué)實驗教具，自主設(shè)計實驗項目，(比如利用流量計測試一下實驗室水管的流量、流速等);引導(dǎo)學(xué)生利用實驗解決實際問題的能力，進行實驗驗證并進行實驗設(shè)計和創(chuàng)新，以及完成綜合實驗報告的撰寫。
通過虛擬實驗和實際操作實驗兩個環(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實驗成績考核
伯努利方程實驗的成績考核由實驗項目設(shè)計、虛擬實驗操作、真實實驗操作和實驗報告四部分組成。實驗操作部分由指導(dǎo)教師現(xiàn)場打分，最終通過實驗報告：實驗方法的確定、實驗儀器的選擇、實驗步驟的制定、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結(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(包括實驗項目設(shè)計、實驗技能、團隊協(xié)作能力、操作動手能力和自主創(chuàng)新能力)。
3.實驗成果
置身于多媒體世界中，虛擬實驗使學(xué)生能看到、聽到、感覺到實驗對象、實驗過程、實驗結(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)生實驗的興趣和主觀能動性，提升學(xué)生進行實驗的積極性。由于虛擬實驗不受時間、場地的限制，學(xué)生可根據(jù)自己的需要安排學(xué)習(xí)時間，提高學(xué)習(xí)效率。而且虛擬與真實實驗兩者相結(jié)合，優(yōu)勢互補，切實保證了實驗教學(xué)的質(zhì)量。伯努利方程實驗是一個綜合性實驗，其系統(tǒng)的經(jīng)驗成果可以為其他流體力學(xué)實驗項目提供借鑒，引領(lǐng)實驗項目建設(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(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新，避免低水平的重復(fù)實驗;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(jié)束語
虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合豐富了流體力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，綜合利用了多種教學(xué)手段，提升了整個實驗教學(xué)水平。注重實驗過程設(shè)計，實驗方法科學(xué)、合理、新穎;實驗手段適當(dāng)、高效先進。能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生對實驗的興趣。此外，虛擬實驗促進了流體力學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的步伐，建立了流體力學(xué)虛擬實驗平臺和教學(xué)資料庫。
參考文獻：
[1]程立英，張志美，等.虛擬實驗在分級實驗教學(xué)中的應(yīng)用探究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011.
[2]朱敏.虛擬實驗與教學(xué)應(yīng)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驗設(shè)計與應(yīng)用[D].上海：上海師范大學(xué)，2010.
[4]李占松，蒙昊等.水力學(xué)伯努利方程實驗仿真研究[J].河南科學(xué)，2011.
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