【摘要】以“营造真实的实验场景，制作准确的仿真过程，培养学生的创新意识”为原则，以WebCT网络课程建设平台为基础，综合采用MultiGen Creator/Vega 虚拟现实制作技术、Flash动画仿真制作技术和3D动画制作技术相结合的方法，完成过程流体机械网络虚拟实验室的设计与实现工作。以“离心泵综合性能测试”虚拟实验项目为例，介绍了虚拟实验室的具体实现方法。
【关键字】网络虚拟实验室；过程流体机械；WebCT平台；虚拟现实技术
【中图分类号】G40�057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2008）13―0052―03
在高等教育教学过程中，实验教学占有非常重要的地位，它是对学生进行创新素质教育的一个重要手段。目前，各高校的实验教学，大都存在着实验形式、内容、要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾，这在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。“网络虚拟实验室”是指在互联网环境下建立的“虚拟实验室”，即利用网络技术、数学建模技术和多媒体技术等在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。“网络虚拟实验室”以其开放性、实用性、动态特性、经济性和扩展性等特点，已成为高校实验教学改革的发展方向[1,2]。
《过程流体机械》是过程装备与控制工程专业的核心课程，经过多年的不断建设，该课程于2006年被评为黑龙江省省级精品课程。在课程建设过程中，实验教学环节一直是课程建设的重点内容。由于过程流体机械课程实验设备复杂，成本高等诸多客观原因，限制了实验教学水平的提高，部分主要实验项目仍停留在演示教学的层次上，不利于学生实践创新能力的培养，也制约了课程建设水平的提高。为此，课程组采用现代网络及计算机虚拟仿真技术，构建“过程流体机械网络虚拟实验室”，突破时间与空间的限制，为学生提供更加灵活的实验手段，为探索新型的现代实验教学模式提供指导。
一 网络虚拟实验室总体结构及教学方案设计
1 过程流体机械网络虚拟实验室设计指导思想
实验教学作为高校人才培养的重要环节之一，是一个相对独立的教学过程。网络虚拟实验室的主要功能是通过现代计算机相关技术，实现远程实验教学任务。根据这一目的，过程流体机械网络虚拟实验室的设计指导思想是：以现代网络教学平台为依托，综合采用虚拟现实技术、仿真设计技术和动画制作技术相结合的方法，建设集实验教学管理、学生管理、虚拟实验教学、虚拟实验辅导和虚拟实验考核等功能与一体的过程流体机械网络虚拟实验教学系统，实现远程虚拟实验教学。
2 过程流体机械网络虚拟实验室总体结构设计
根据过程流体机械网络虚拟实验室设计的指导思想，进行网络虚拟实验室的总体结构设计，其功能框图如图1所示。其中，根据虚拟实验项目是网络虚拟实验室建设的主要内容。根据过程流体机械课程实验的特点和要求，将虚拟实验项目分为三种类型，即：
（1） 虚拟设计型实验：包括建立“活塞压缩机综合性能测试及调节”、“离心压缩机综合性能测试及调节”和“离心泵综合性能测试及调节”虚拟设计型实验；
（2） 虚拟仿真型实验：包括建立“活塞式压缩机结构拆装（2D型，L型）”、“水平剖分式离心压缩机结构拆装”、“离心泵结构拆装（单级和多级）”以及“其它类型流体机械的结构拆装（如螺杆泵、齿轮泵等）”虚拟仿真型实验；
（3） 模拟演示型实验：包括建立“典型过程流体机械工作原理”和“典型过程流体机械特殊工况产生机理”等模拟演示型实验。
3 过程流体机械网络虚拟实验室教学方案设计
远程虚拟实验教学正处于实践探索阶段，如何实现网络虚拟实验的学、做、考、辅等教学环节，是过程流体机械网络虚拟实验室教学方案设计考虑的主要内容。根据实验教学过程，结合远程教学实践经验，设计了过程流体机械网络虚拟实验室教学方案，如图2所示。
二 网络虚拟实验室的开发
随着计算机硬件性能的迅速提高，计算机及其附属设备的价格也随之降低；同时，虚拟现实技术的实现手段也越来越丰富。因此，以虚拟现实为主要技术基础的网络虚拟实验室的研制与应用在教育领域广泛开展。经过充分调研，项目组确定以校园网为硬件基础，依托WebCT网络课程开发平台，综合利用虚拟现实技术、计算机仿真技术及现代多媒体制技术，完成了过程流体机械网络虚拟实验室的建设工作。过程流体机械网络虚拟实验室建设中采用的关键技术如下：
1 网络虚拟实验室的系统平台
根据过程流体机械网络虚拟实验室建设的原则，网络虚拟实验室应具备系统的远程教学管理功能。WebCT（Web Course Tools）网络课程建设平台是一套功能完备、易用、高效的网上教学支撑系统。可提供系统的课程开发工具、全面的教学管理工具、强大的交流工具、完善的测验功能以及定期的统计功能等。[3]因此，过程流体机械网络虚拟实验室选择WebCT网络课程建设平台为开发工具。
2 虚拟实验项目的设计及实现
虚拟实验项目的设计是网络虚拟实验室的核心内容，也是技术上的主要难点。以“营造真实的实验场景，制作准确的仿真过程，培养学生的创新意识”为原则，提出综合采用虚拟现实制作技术、Flash动画仿真制作技术和三维动画制作技术相结合的方法，完成过程流体机械虚拟实验项目的研制工作。
通过对比分析，确定选用MultiGen Creator/Vega 虚拟现实制作软件，完成虚拟实验场景的制作和实时漫游工作。MultiGen是SGI图形工作站上著名的实时三维仿真建模工具软件，在拥有强大建模工具的同时，MultiGen的突出特点是拥有强大的兼容性，例如可以转换VRML，3DS，AutoCAD，Photoshop，Wavefront的数据。这为制作过程带来方便。Vega是MultiGen Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的软件环境,它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来,可使用户简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。[4]
选用Flash MX 2004作为虚拟实验仿真设计软件，该软件是Macromedia公司的一个网页交互动画制作工具，利用它所提供的面向对象程序设计语言ActionSeript2.0，可开发出交互性较强的过程流体机械虚拟仿真实验。同时，该软件还具有强大的二维动画制作技术，与3D MX5.0三维制作软件配合使用，可完成虚拟实验中所需的各种仪器、仪表和实验器材的制作。
三 离心泵综合性能测试虚拟实验实例
综合应用现代网络技术、虚拟现实技术、计算机仿真设计技术和多媒体技术，完成过程流体机械网络虚拟实验室的建设工作。下面以离心泵综合性能测试虚拟实验为例，说明综合应用上述技术建设虚拟实验项目的过程。
离心泵综合性能测试实验是过程流体机械课程的一个重要实验。目前实验教学中所用实验装置是大庆石油学院与北京化工大学联合研制的离心泵综合性能测试实验台。该实验台在硬件和软件方面涉及了变频控制技术、温度、液位、转速及转矩的测试技术、计算机数据采集技术、化工过程PID控制技术以及计算机通讯技术等，是比较典型的集过程、设备及控制于一体的多学科交叉实验装置。
由于客观条件的限制，本专业仅有一套离心泵综合性能测试实验装置，无法满足专业实验教学的需要。因此，在网络虚拟实验室中，该实验项目是重点研制的内容之一。
离心泵综合性能测试虚拟实验由实验装置浏览、实验装置部件库、实验项目操作演示和实验项目虚拟仿真等四项内容组成。其中实验装置浏览部分利用MultiGen Creator/Vega 虚拟现实软件制作完成，通过键盘控制可模拟进行实验装置的浏览，给学生以一种身临其境的视觉效果，其虚拟实验装置场景如图3所示；实验装置部件库则采用3D制作技术，完成各种实验装置部件的制作，并可显示其相关性能参数；采用Flash动画技术完成预定实验项目的操作演示，使学生对开放性实验项目进行预习，以掌握虚拟实验装置的正确使用；采用Flash动画仿真技术完成离心泵综合性能测试实验的教学工作，学生可根据实验内容，自己动手调用实验装置部件库中的相关部件组成实验装置，完成相应的实验内容。离心泵综合性能测试仿真实验装置如图4所示。
四 结束语
综合采用现代网络技术、虚拟仿真技术、数学建模技术和多媒体技术，以校园网络为平台，以“过程流体机械”省级精品课程为背景，构建“过程流体机械网络虚拟实验室”。完成“典型过程流体机械虚拟结构拆装实验”、“典型过程流体机械综合性能测试及调节虚拟设计型实验”、“典型过程流体机械工作原理及特殊工况模拟实验”等共6项过程流体机械课程主要实验项目的建设；建设“虚拟实验室”实验管理及学生管理体系；实现“过程流体机械虚拟实验”的资源共享。
参考文献
[1] 李欣.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与开发[J].现代教育技术,2008,18(2):115-120.
[2] 朱敏,张际平.虚拟实验室及其教学应用[J].实验室研究与探索,2006,25(5):626-628.
[3] 王楠,耿亦兵,李密.基于WebCT的网上教学平台的研究及改进[J].2004,13(3):57-59.
[4] 王乘,周均清,李利军.Creator可视化仿真建模技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2005.