流体力学仿真实验教学平台的建设与实践

一、项目背景与目的

2018年，教育部上线“实验空间”国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台，为全国高校提供虚拟仿真课程开放共享服务。该平台涵盖了农业工程、物理学、电气类等61个专业类别，拥有3000余门实验课程。通过该平台，用户可以创建课程、获取接口权限，并利用先进的教学技术进行虚拟仿真实验教学‌，直接服务于高等院校和社会学习者。

2019年10月，教育部发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），要求全面开展一流本科课程建设，并建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程（简称一流本科课程“双万计划”），其中包括1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。

随着科技的飞速发展，仿真实验作为传统实验教学的补充和延伸，在高等教育中发挥着越来越重要的作用。流体力学是高等院校工科很多专业的基础课之一，实验是其重要组成部分。流体力学实验教学可以使学生学到流体力学的基础知识、基础技能和基本方法，对学生巩固基础理论、强化基本操作技能、培养思维能力都十分重要，是流体力学教学的重要环节。

本文结合多年课程教学实践，建设流体力学仿真实验教学平台，以提升学生对流体力学现象的理解，增强其实验操作技能，并为其后续的专业学习和科研工作打下坚实的基础。

二、流体力学实验教学存在的问题

1、实验学时少，实验项目少

流体力学课程实验教学大纲规定6个（少学时是4个）学时的实验，总共不过7、8个实验项目，远远不能满足教学内容。

2、很多流动现象用实验设备观察不到

日常生活中最常见的流体——水、空气，看不见、摸不着，无法直接看到流动现象。现有的设备也无法做出卡门涡街、二维有旋流动、势流等流动现象，所以学生很难理解流动机理，更别说把学到的知识用到实践中。

3、实验均为演示性、验证性实验

目前的实验教学内容主要由演示性、验证性实验等项目组成，以传统的验证性实验为主，学生按照实验步骤机械地进行实验，被动地完成实验项目，且验证性实验的实验内容多滞后于新知识、新技术的发展，学生对专业知识的理解只能停留在课本上，缺乏较强的动手能力和理论与实践结合的能力。

4、实验室在时间、空间上不开放

目前，流体力学实验室是封闭的，学生只能按照老师的安排，在规定好的时间到固定的实验室使用规定的实验设备。这样的教学模式极大地限制了学生发挥创新思维的空间，不利于培养学生的思维能力、动手能力、创新精神和综合素质。

三、仿真实验平台的建设内容

依据流体力学课程教学大纲，围绕二维有旋流动、势流等几个重要而无法在实验室进行实验的流动现象，基于计算软件，建设学生自主式、开放式、研究式为主的流体力学仿真实验平台，学生可以不受空间、时间、设备的限制，无限次进行实验，也为进一步实现实验室的开放打下基础。

本仿真实验平台系统通过云支持服务解决仿真实验遇到的问题，实现快速、有效的师生互动。另外，系统自动记录、统计学生进行仿真实验次数、实验完成情况，并将该环节的成绩计入实验总成绩，从而促进学生实践操作，强化实验知识内容。具体内容见图1。

流体力学仿真实验教学平台设计过程中，注重实验内容的多样性、开放性、共享性、创新性。学生可以通过流动参数的设置，得到不同的实验数据，观察到不同的流体状态；仿真平台为开源式，方便后期增加新的实验教学项目；学生可根据所学知识，自主设计小实验，提高学生的创新设计能力。

四、仿真实验平台的搭建及示例

建设虚拟仿真平台，需要确定合适的架构体系。目前主流的架构体系是浏览器/服务器模式。该架构对硬件要求低，只需要接入互联网就能访问，受众面很广，目前多数虚拟仿真实验教学课程共享平台均采用这种模式。

以偶极子流实验为例，介绍流体力学仿真实验的操作过程。偶极子流是平面势流理论的内容，是源流和汇流叠加的流动。由于是理想流体的流动，实际中没有这种流动，学生学习过程中很难理解这种流动现象。

偶极子流中根据等势线方程（1）和流线方程（2）可画出等势线和流线。

方程中为横坐标，为纵坐标，为常数，为偶极子矩。其中，，为点源和点汇的强度，为源点和汇点之间的距离。是点源或者点汇的径向速度，是半径。显然，等势线和流线的变化与点源和点汇的强度、源点和汇点之间的距离、半径等因素有关。

事先将教师、学生的信息批量添加到登录数据库表中，学生以姓名和学号登录仿真实验平台。具体仿真实验操作步骤如下。

1）登录后显示初始界面，选取对应所做实验名称，本示例点击“偶极子流”，如图2所示。进入偶极子流实验界面，如图3所示。

2）点击“绘制偶极子流”图标，进入初始值的计算结果页面，如图4所示。

3）改变不同对话框中黑色字体数字，观察曲线随参数的变化，了解各参数对曲线的影响以及变化趋势，从而了解偶极子流动。

4）如图5，点击“填写学习思考”，回答问题，引导同学们观察各参数变化，等势线、流线的变化随之的变化。

六、结束语

流体力学仿真实验教学过程中，为避免学生随意应付，特别加入了后端记录功能，记录学生的登录信息和操作步骤，作为学生实际实验的准入依据。今后将进一步对该仿真实验平台进行教学效果评价。

参考资料：

[1] 王军，董成斌. 工程流体力学课程虚拟仿真实验[J]，实验科学与技术，2023，12（Vol.21 No.6）：85-88

[2] 刘程琳，宗原，束忠明等. 基于CFD的流体力学实验教学探索与实践[J]，化工高等教育，2023，6：100-105

[3]  王冲，邓辉，易文彬. “流体力学”课程实验教学改革研究与实践[J]，黑龙江教育（理论与实践），2023（7）：65-68

基金项目：

1、山东省本科教学改革研究重点项目，新能源科学与工程专业复合型人才培养模式研究与实践220604903212736；

2、山东省本科教学改革研究面上项目，流体力学智慧仿真实验教学平台建设与实践，M2021225；

3、山东大学教育教学综合改革重点项目，能源动力类新工科专业交叉复合型人才培养模式研究，2023Z15。