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摘 要：虚拟设计与仿真基于现代化信息技术，不仅兼具开放性与高效性，极大拓展学习资源和空间，亦可對传统教学模式起到有效的支撑与延伸作用。结合叶轮机械类本科专业教学中的具体实践与应用，通过平台特点、功能模块内涵与外延、教学实施过程与步骤，分析了虚拟设计与仿真在提升课程质量、培养学生自主学习能力和创新思维、感知现代先进设计技术等方面的积极作用，旨在探索更为高效的“教与学”理论/实验教学新途径。
关键词：虚拟设计与仿真;叶轮机械;专业课程;教学质量
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）26-0118-03
Abstract： Virtual design & simulation is based on modern information technology. It not only has openness and high efficiency， but also greatly expands learning resources and space. It can also effectively support and extends the traditional teaching mode. Based on the specific practice and application of the undergraduate teaching of turbomachinery， by summarizing the characteristics of the platform， the connotation and extension of the function modules， and the process and steps of the teaching implementation， the advantage and positive role of virtual design & simulation are analyzed in this paper， including to improve the quality of the course， cultivate students' independent learning ability and innovative thinking， and perceive modern design techniques. The aim is to explore a more efficient new approach to theory/experimental teaching approach of "teaching and learning".
Keywords： virtual design & simulation; turbomachinery; specialized course; teaching quality
虚拟仿真技术亦称为模拟技术，是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界。虚拟仿真技术可广泛应用于人们生产生活的各个行业领域，教育领域亦不例外。文献[1-3]对虚拟仿真在教学的应用方式进行探讨，文献[4-6]将虚拟现实视为未来新型的教学与学习模式，文献[7-11]则运用具体的虚拟仿真技术，进行了相关实验教学项目设计与实践。事实上，教育部已于2017年启动了虚拟仿真实验教学项目计划，笔者相信，凭借其独特优势，虚拟仿真技术在教育教学的理论讲授、课程设计及实验等环节中均大有可为。
叶轮机械是以流体为工作介质、通过叶轮持续旋转以达到能量转换与流体传输的机械，叶轮机械类课程是能源动力专业的专业核心课程，研究对象通常包括蒸汽轮机、燃气轮机、压气机、泵与风机、水轮机、风力机等，其普遍特点是叶片与流道结构复杂，流体工况高温、高压，叶轮高速旋转或几何尺寸巨大。而恰恰是这些特点，导致了该类课程在专业教学过程中的瓶颈所在：设计计算环节，即便对于理解能力较好的学生，也很难对其整体结构有很好的把握和理解;性能实验与运行环节，由于工况条件苛刻或尺寸限制，导致无法获取全面真实的测试数据，甚至无法创造对应的实验环境。因此，为进一步提升教学质量和学生兴趣，需要寻求一种理论资源丰富、逻辑与形象思维结合、设计与实验实时再现、通识与个性并重的高效方式。笔者所在教学团队长期从事叶轮机械类专业的理论与实验教学，在保持一致性的基础上，根据叶轮机械种类进行了虚拟仿真与设计平台开发，更是将其视为提升教学质量的重要举措和解决教学瓶颈的理想途径，获得上海市虚拟仿真项目认定。
一、虚拟设计与仿真平台功能与特点
该虚拟设计与仿真平台可极大拓展学生的学习资源和空间，调动学习积极性与主动性。此外，平台可实现线上/线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，可强烈激发学生的学习兴趣，极大提高学生的实践能力和综合素质。具体体现为：
普适性与先进性：叶轮机械内部结构复杂，壳体及叶片均为非规则三维几何形状，教学实践表明，即使对于形象思维较好的同学，依然存在对其空间结构难以理解的难点。虚拟设计与仿真平台基于VR、数字设计、数值仿真的CAE技术，完整地实现对各部件和整体结构的全景展示，不仅较好地解决这一问题，而且可使学生较早地接触现代化设计方法。
安全性与经济性：叶轮机械不仅需要设计→实验→设计→实验的循环过程，且流动复杂，通常处于高温、高压、高速环境中，导致许多情况下无法开展真实环境实验，或测试设备无法满足要求，从而无法反映动态过程。虚拟设计与仿真平台可解决真实条件不具备或实际运行困难、涉及高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，节省人力、物力、财力及时间成本。 综合性与全面性：作为本科层次的人才培养，既要掌握产品设计方法也要重视设备的运行与性能。但由于课时限制，常规教学只能針对某一方面进行重点授课，无法做到系统全面的讲解，从而容易导致学生知识链中的薄弱环节。虚拟设计与仿真平台可兼顾原理→结构→设计→运行→结构→设计→运行的真实全过程，具备较高综合性与全面性，培养学生综合解决问题能力。
二、虚拟设计与仿真功能模块设计
结合理论课程内容，遵循循序渐进原则，将叶轮机械虚拟设计与仿真平台主要分为四个功能模块予以实现，分别为原理与应用模块、结构与造型模块、虚拟设计模块、虚拟实验模块。
（一）原理与应用模块
功能：采用视频及动画方式，讲解叶轮机械工作原理、分类及在不同行业中的应用，为后续结构、设计及实验奠定理论基础。如图1所示。
内涵：使学生进一步加深巩固叶轮机械工作原理、了解分类方式、熟悉不同场合的应用方式。
外延：帮助学生尽快适应叶轮机械工作流程，正确掌握系统、工艺及选型方法。
（二）结构与选型模块
功能：采用VR技术，实现叶轮机械全景三维造型，各零部件选择、组装与拆卸。
内涵：帮助学生了解叶轮机械整体和局部结构，叶轮、进出口部件、壳体等作用与组合方式，了解VR技术应用及基本操作。
外延：提高学生实践动手能力，有助于叶轮机械的选型、安装与维护;提高设计时空间想象和思维，有助于创新能力和思维的培养。
（三）虚拟设计模块
功能：采用人机交互模式，完成叶轮机械设计步骤和几何造型，可根据设计参数的变化实时响应，实现所见即所得。
内涵：帮助学生掌握叶轮机械的主要设计参数、几何结构参数、性能参数及物性参数;掌握叶轮机械设计步骤及性能优化基本原理和方法。
外延：提高学生综合知识运用及分析、解决问题能力;熟悉叶轮机械设计原理、计算模型、设计步骤、检验方法和优化与完善措施。
（四）虚拟实验模块
功能：采用虚拟现实场景，完成叶轮机械性能实验、管路系统联合运行动态测试实验，实现实验数据自动采集、性能曲线自动绘制、动态参数自动现实。
内涵：帮助学生掌握叶轮机械性能实验目的、要求和基本操作步骤、主要性能特点;了解叶轮机械与管路系统力平衡关系。
外延：提高学生对叶轮机械设计、改型和优化能力;可正确配置电机和管路系统，开展真实性能与运行实验，降低能耗等。
三、虚拟设计与仿真教学实施
虚拟设计与仿真教学实施系统构架采用基于网络的远程教学模式，充分利用现代信息技术，可实时培训，避免人力财力的大量消耗;在教师引导下，学生可在任何地方时时刻刻体验，不受时间和空间限制，实现网络智能化学习。
教学实施系统主要包括三个模块：
学习模块：学生与前述功能模块互动，每步操作均有文字和高亮提示，重点部分配备语音提示，亦可使用“帮助”本档，或换至“演示”视频观看正确的操作方式。
考核模块：学生完成学习模块后，进入考核模块;考核期间，每步操作原则上无提示（若学生请求提示，系统将根据每提示次数扣除相应分值）;考核完成后，系统自动给出正确项得分、错误项得分以及考核总分。
评价模块：学生完成考核模块后，进入评价模块;根据模板要求，撰写报告，包括原理、数据处理和结论，并对本次虚拟设计与仿真的学习体验提出意见和建议。
虚拟设计与仿真教学实施基于翻转课堂的引导式、开放式教学模式，教师提前布置预习任务，引导学生主动预习;学生在理论学习/预习后，方能获取虚拟设计与仿真平台学习资格;教师开放仿真学习资源后，依次完成各模块的学习，并可随时寻求系统、同学或教师的指导与帮助。总体学习过程如图1所示。
四、结束语
虚拟设计与仿真平台是信息技术与理论/实验教学深度融合的产物，其充分应用现代科技发展成果，具有时代感和吸引力。
通过该虚拟设计与仿真平台，学生在了解叶轮机械工作原理、特点和应用领域基础上，掌握叶轮机械设计计算、结构参数确定及物性参数对性能影响、性能与运行实验基本方法与步骤，有利于学生日后较快地适应和开展工作。
虚拟设计和仿真过程中的性能分析、计算方法和操作过程等，有助于培养学生的实践能力、独立工作和创新能力;同时，在一定程度上也使学生了解CAE工程设计和数字化设计思想，较早地感知现代先进设计技术。
虚拟设计和仿真系统采用现代信息化的多元体验模式，突破了实际过程中，叶轮机械需要通过理论计算、设计，再到实体加工，进而开展实验测试，人力、财力、物力及周期均无法在高校适时开展的限制，兼顾普适性与先进性、安全性与经济性、综合性与全面性，是对传统教学模式的有效拓展与延伸，也为实现高效的“教与学”本科专业课程教学提供有力支撑。
参考文献：
[1]谷艳华，苗广文，杨得军.混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践[J].实验技术与管理，2019（07）：188-191.
[2]石峰.虚拟仿真技术在高职院校教学中的优势和应用探讨[J].课程教育研究，2019（27）：232-233.
[3]况扬，汪欣.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J].中国成人教育，2016（10）：110-112.
[4]李春生，杨玲玲.基于虚拟教学环境的新型教学方法研究[J].华东师范大学学报（自然科学版），2015（S1）：99-103.
[5]刘勉，张际平.虚拟现实视域下的未来课堂教学模式研究[J].中国电化教育，2018（05）：30-37.
[6]李晓丽，李蕾，徐连荣，等.虚拟学习环境支持的课程教学设计及应用成效研究[J].中国电化教育，2014（02）：119-122.
[7]赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（04）：90-93.
[8]晁涛，杨明，马萍，等.系统建模与仿真实验教学与评价综合平台设计[J].实验技术与管理，2019，36（06）：136-139.
[9]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.
[10]刘畅，柯健.虚拟仿真实验平台下探究式学习的设计与实践[J].中国教育信息化，2019（10）：42-44.
[11]田昌，齐梦瑶.蒸汽轮机发电虚拟仿真实验项目设计[J].实验技术与管理，2019，36（01）：121-123+129.
关键词：虚拟设计与仿真;叶轮机械;专业课程;教学质量
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）26-0118-03
Abstract： Virtual design & simulation is based on modern information technology. It not only has openness and high efficiency， but also greatly expands learning resources and space. It can also effectively support and extends the traditional teaching mode. Based on the specific practice and application of the undergraduate teaching of turbomachinery， by summarizing the characteristics of the platform， the connotation and extension of the function modules， and the process and steps of the teaching implementation， the advantage and positive role of virtual design & simulation are analyzed in this paper， including to improve the quality of the course， cultivate students' independent learning ability and innovative thinking， and perceive modern design techniques. The aim is to explore a more efficient new approach to theory/experimental teaching approach of "teaching and learning".
Keywords： virtual design & simulation; turbomachinery; specialized course; teaching quality
虚拟仿真技术亦称为模拟技术，是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界。虚拟仿真技术可广泛应用于人们生产生活的各个行业领域，教育领域亦不例外。文献[1-3]对虚拟仿真在教学的应用方式进行探讨，文献[4-6]将虚拟现实视为未来新型的教学与学习模式，文献[7-11]则运用具体的虚拟仿真技术，进行了相关实验教学项目设计与实践。事实上，教育部已于2017年启动了虚拟仿真实验教学项目计划，笔者相信，凭借其独特优势，虚拟仿真技术在教育教学的理论讲授、课程设计及实验等环节中均大有可为。
叶轮机械是以流体为工作介质、通过叶轮持续旋转以达到能量转换与流体传输的机械，叶轮机械类课程是能源动力专业的专业核心课程，研究对象通常包括蒸汽轮机、燃气轮机、压气机、泵与风机、水轮机、风力机等，其普遍特点是叶片与流道结构复杂，流体工况高温、高压，叶轮高速旋转或几何尺寸巨大。而恰恰是这些特点，导致了该类课程在专业教学过程中的瓶颈所在：设计计算环节，即便对于理解能力较好的学生，也很难对其整体结构有很好的把握和理解;性能实验与运行环节，由于工况条件苛刻或尺寸限制，导致无法获取全面真实的测试数据，甚至无法创造对应的实验环境。因此，为进一步提升教学质量和学生兴趣，需要寻求一种理论资源丰富、逻辑与形象思维结合、设计与实验实时再现、通识与个性并重的高效方式。笔者所在教学团队长期从事叶轮机械类专业的理论与实验教学，在保持一致性的基础上，根据叶轮机械种类进行了虚拟仿真与设计平台开发，更是将其视为提升教学质量的重要举措和解决教学瓶颈的理想途径，获得上海市虚拟仿真项目认定。
一、虚拟设计与仿真平台功能与特点
该虚拟设计与仿真平台可极大拓展学生的学习资源和空间，调动学习积极性与主动性。此外，平台可实现线上/线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，可强烈激发学生的学习兴趣，极大提高学生的实践能力和综合素质。具体体现为：
普适性与先进性：叶轮机械内部结构复杂，壳体及叶片均为非规则三维几何形状，教学实践表明，即使对于形象思维较好的同学，依然存在对其空间结构难以理解的难点。虚拟设计与仿真平台基于VR、数字设计、数值仿真的CAE技术，完整地实现对各部件和整体结构的全景展示，不仅较好地解决这一问题，而且可使学生较早地接触现代化设计方法。
安全性与经济性：叶轮机械不仅需要设计→实验→设计→实验的循环过程，且流动复杂，通常处于高温、高压、高速环境中，导致许多情况下无法开展真实环境实验，或测试设备无法满足要求，从而无法反映动态过程。虚拟设计与仿真平台可解决真实条件不具备或实际运行困难、涉及高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，节省人力、物力、财力及时间成本。 综合性与全面性：作为本科层次的人才培养，既要掌握产品设计方法也要重视设备的运行与性能。但由于课时限制，常规教学只能針对某一方面进行重点授课，无法做到系统全面的讲解，从而容易导致学生知识链中的薄弱环节。虚拟设计与仿真平台可兼顾原理→结构→设计→运行→结构→设计→运行的真实全过程，具备较高综合性与全面性，培养学生综合解决问题能力。
二、虚拟设计与仿真功能模块设计
结合理论课程内容，遵循循序渐进原则，将叶轮机械虚拟设计与仿真平台主要分为四个功能模块予以实现，分别为原理与应用模块、结构与造型模块、虚拟设计模块、虚拟实验模块。
（一）原理与应用模块
功能：采用视频及动画方式，讲解叶轮机械工作原理、分类及在不同行业中的应用，为后续结构、设计及实验奠定理论基础。如图1所示。
内涵：使学生进一步加深巩固叶轮机械工作原理、了解分类方式、熟悉不同场合的应用方式。
外延：帮助学生尽快适应叶轮机械工作流程，正确掌握系统、工艺及选型方法。
（二）结构与选型模块
功能：采用VR技术，实现叶轮机械全景三维造型，各零部件选择、组装与拆卸。
内涵：帮助学生了解叶轮机械整体和局部结构，叶轮、进出口部件、壳体等作用与组合方式，了解VR技术应用及基本操作。
外延：提高学生实践动手能力，有助于叶轮机械的选型、安装与维护;提高设计时空间想象和思维，有助于创新能力和思维的培养。
（三）虚拟设计模块
功能：采用人机交互模式，完成叶轮机械设计步骤和几何造型，可根据设计参数的变化实时响应，实现所见即所得。
内涵：帮助学生掌握叶轮机械的主要设计参数、几何结构参数、性能参数及物性参数;掌握叶轮机械设计步骤及性能优化基本原理和方法。
外延：提高学生综合知识运用及分析、解决问题能力;熟悉叶轮机械设计原理、计算模型、设计步骤、检验方法和优化与完善措施。
（四）虚拟实验模块
功能：采用虚拟现实场景，完成叶轮机械性能实验、管路系统联合运行动态测试实验，实现实验数据自动采集、性能曲线自动绘制、动态参数自动现实。
内涵：帮助学生掌握叶轮机械性能实验目的、要求和基本操作步骤、主要性能特点;了解叶轮机械与管路系统力平衡关系。
外延：提高学生对叶轮机械设计、改型和优化能力;可正确配置电机和管路系统，开展真实性能与运行实验，降低能耗等。
三、虚拟设计与仿真教学实施
虚拟设计与仿真教学实施系统构架采用基于网络的远程教学模式，充分利用现代信息技术，可实时培训，避免人力财力的大量消耗;在教师引导下，学生可在任何地方时时刻刻体验，不受时间和空间限制，实现网络智能化学习。
教学实施系统主要包括三个模块：
学习模块：学生与前述功能模块互动，每步操作均有文字和高亮提示，重点部分配备语音提示，亦可使用“帮助”本档，或换至“演示”视频观看正确的操作方式。
考核模块：学生完成学习模块后，进入考核模块;考核期间，每步操作原则上无提示（若学生请求提示，系统将根据每提示次数扣除相应分值）;考核完成后，系统自动给出正确项得分、错误项得分以及考核总分。
评价模块：学生完成考核模块后，进入评价模块;根据模板要求，撰写报告，包括原理、数据处理和结论，并对本次虚拟设计与仿真的学习体验提出意见和建议。
虚拟设计与仿真教学实施基于翻转课堂的引导式、开放式教学模式，教师提前布置预习任务，引导学生主动预习;学生在理论学习/预习后，方能获取虚拟设计与仿真平台学习资格;教师开放仿真学习资源后，依次完成各模块的学习，并可随时寻求系统、同学或教师的指导与帮助。总体学习过程如图1所示。
四、结束语
虚拟设计与仿真平台是信息技术与理论/实验教学深度融合的产物，其充分应用现代科技发展成果，具有时代感和吸引力。
通过该虚拟设计与仿真平台，学生在了解叶轮机械工作原理、特点和应用领域基础上，掌握叶轮机械设计计算、结构参数确定及物性参数对性能影响、性能与运行实验基本方法与步骤，有利于学生日后较快地适应和开展工作。
虚拟设计和仿真过程中的性能分析、计算方法和操作过程等，有助于培养学生的实践能力、独立工作和创新能力;同时，在一定程度上也使学生了解CAE工程设计和数字化设计思想，较早地感知现代先进设计技术。
虚拟设计和仿真系统采用现代信息化的多元体验模式，突破了实际过程中，叶轮机械需要通过理论计算、设计，再到实体加工，进而开展实验测试，人力、财力、物力及周期均无法在高校适时开展的限制，兼顾普适性与先进性、安全性与经济性、综合性与全面性，是对传统教学模式的有效拓展与延伸，也为实现高效的“教与学”本科专业课程教学提供有力支撑。
参考文献：
[1]谷艳华，苗广文，杨得军.混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践[J].实验技术与管理，2019（07）：188-191.
[2]石峰.虚拟仿真技术在高职院校教学中的优势和应用探讨[J].课程教育研究，2019（27）：232-233.
[3]况扬，汪欣.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J].中国成人教育，2016（10）：110-112.
[4]李春生，杨玲玲.基于虚拟教学环境的新型教学方法研究[J].华东师范大学学报（自然科学版），2015（S1）：99-103.
[5]刘勉，张际平.虚拟现实视域下的未来课堂教学模式研究[J].中国电化教育，2018（05）：30-37.
[6]李晓丽，李蕾，徐连荣，等.虚拟学习环境支持的课程教学设计及应用成效研究[J].中国电化教育，2014（02）：119-122.
[7]赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（04）：90-93.
[8]晁涛，杨明，马萍，等.系统建模与仿真实验教学与评价综合平台设计[J].实验技术与管理，2019，36（06）：136-139.
[9]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.
[10]刘畅，柯健.虚拟仿真实验平台下探究式学习的设计与实践[J].中国教育信息化，2019（10）：42-44.
[11]田昌，齐梦瑶.蒸汽轮机发电虚拟仿真实验项目设计[J].实验技术与管理，2019，36（01）：121-123+129.