楊 程 呂歲菊 王維紅

(北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院， 銀川 750021)

一、引言

《水力學(xué)》是水利、土木、給水排水、環(huán)境、機(jī)械、化工等諸多工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，具有較強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性。水力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有培養(yǎng)學(xué)生全面素質(zhì)的作用。教育部在《關(guān)于 2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》中明確指出，要深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作[2]。 因此，虛擬實(shí)驗(yàn)資源的建設(shè)是高等教育信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)必不可少的組成部分[3]。

本校水利水電工程專業(yè)將《水力學(xué)》課程及實(shí)驗(yàn)課設(shè)置在專業(yè)主干課中，用于夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的探索性思維。但是在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，目前該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在諸多問題：一是實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的儀器有2-4臺(tái)，個(gè)別實(shí)驗(yàn)儀器老化而不能正常使用；二是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器僅能完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，也不利于培養(yǎng)學(xué)生探索性思維；三是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)建有一個(gè)高精度變坡水槽，承擔(dān)著教師科研和本科生創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)任務(wù)，能夠用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間較少，而且本科生的課業(yè)負(fù)擔(dān)較重，沒有足夠的時(shí)間學(xué)習(xí)使用水槽，導(dǎo)致教學(xué)中仍以老師講解和操作為主。

數(shù)值模擬具有重復(fù)性好、條件易于控制、更加自由、靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]，已廣泛應(yīng)用于科研中，近年來也被引入到本科實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)中，輔助完成復(fù)雜或危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5-8]。 基于MIKE軟件，將虛擬實(shí)驗(yàn)引入到《水力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性和解決問題的能力，也使學(xué)生掌握一種數(shù)值模擬技術(shù)。

二、實(shí)施的思路

基于本院教學(xué)和學(xué)生的基本情況，采取逐步推進(jìn)的方法，將數(shù)值模擬技術(shù)引入到本科生的培養(yǎng)中。首先從大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目入手，以《水力學(xué)》課程中經(jīng)典問題作為大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，驗(yàn)證將基于數(shù)值模擬技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入本科生教學(xué)的可行性，并總結(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用數(shù)值模擬技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。然后，根據(jù)《水力學(xué)》課程內(nèi)容，選取合適的課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，基于前期探索出的經(jīng)驗(yàn)培訓(xùn)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握MIKE軟件，進(jìn)而開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)施步驟為：

(一)驗(yàn)證可行性

在大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目選題申報(bào)時(shí)學(xué)生正在學(xué)習(xí)《水力學(xué)》課程，因此，若學(xué)生能夠基于大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目學(xué)會(huì)相關(guān)數(shù)值模擬軟件的基本操作，如地形構(gòu)建、網(wǎng)格劃分、數(shù)值模擬和簡(jiǎn)單的后處理，則可將此經(jīng)驗(yàn)用在《水力學(xué)》課程的試驗(yàn)中。 因此，前期依托大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，探索在本科生中開展數(shù)值模擬教學(xué)的可行性并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

基于學(xué)生的認(rèn)知，選擇簡(jiǎn)單的問題作為大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的研究問題，如水槽中彎道水流的特征、丁壩(群)對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響、圓柱繞流和突擴(kuò)(突縮)等水利中常見的問題。

(二)變革教學(xué)理念

在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)數(shù)值模擬軟件的操作，完成大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并能夠基于水力學(xué)知識(shí)分析數(shù)值模擬的結(jié)果。這種有益的探索，既可擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，也可極大的改變老師的傳統(tǒng)教學(xué)觀念，從而帶動(dòng)更多的老師將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到本科生的培養(yǎng)中，豐富教學(xué)手段，不局限于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件。

(三)搭建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)及平臺(tái)

依托現(xiàn)有的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目成員，成立有水利工程專業(yè)背景的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，吸納水利水電工程專業(yè)各年級(jí)學(xué)生加入該團(tuán)隊(duì)?；趯?shí)驗(yàn)+數(shù)值模擬技術(shù)，團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師帶領(lǐng)學(xué)生申請(qǐng)并完成各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，以該團(tuán)隊(duì)學(xué)生為骨干，帶動(dòng)本專業(yè)其他學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)值模擬軟件的使用。從而在《水力學(xué)》《工程流體力學(xué)》和《綜合實(shí)驗(yàn)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

基于以上實(shí)施步驟，到目前為止，我院水利系已有多名老師參與其中，已成立了一個(gè)以數(shù)值模擬技術(shù)為基礎(chǔ)的校級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)——“新工科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)”，該團(tuán)隊(duì)規(guī)模保持在80-100人/年，以水利水電工程專業(yè)學(xué)生為主，涵蓋了水利水電工程專業(yè)四個(gè)年級(jí)的學(xué)生。 在團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)里的學(xué)生基本上掌握了MIKE軟件的基本操作，已完成了多項(xiàng)以明渠中水工建筑物對(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響為研究?jī)?nèi)容的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，為下一步在課程實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、案例分析

按照以上思路，在依托大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的探索過程中，筆者發(fā)現(xiàn)近幾年學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握數(shù)值模擬技術(shù)的速度有所提升，明顯加深了相關(guān)理論知識(shí)的理解，而且部分學(xué)生在項(xiàng)目的研究中能夠提出自己的想法。 主要原因：一是經(jīng)過幾年的摸索，指導(dǎo)老師積累了經(jīng)驗(yàn)，在選題和指導(dǎo)學(xué)生方面更精準(zhǔn)；二是學(xué)生間形成了傳承，特別是成立了校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)以來，高年級(jí)學(xué)生對(duì)低年級(jí)學(xué)生的傳幫帶效果明顯；三是學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更深的認(rèn)識(shí)，使其學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性有了一定的提升，特別是學(xué)生能夠舉一反三。下面是2021年學(xué)生完成的一個(gè)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，該項(xiàng)目是利用數(shù)值模擬手段，研究丁壩群中水流運(yùn)動(dòng)的特征。

(一)建立模型

該試驗(yàn)是利用數(shù)值模擬技術(shù)研究丁壩群對(duì)彎道水流運(yùn)動(dòng)的影響，在實(shí)施中使用了MIKE軟件。首先由老師帶領(lǐng)學(xué)生利用MATLAB軟件編程計(jì)算出模擬區(qū)域的邊界和內(nèi)部散點(diǎn)坐標(biāo)；然后學(xué)生將坐標(biāo)導(dǎo)入到MIKE軟件中，制作模擬區(qū)域的初始地形并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而開展多個(gè)工況的數(shù)值模擬計(jì)算工作；最后導(dǎo)出監(jiān)測(cè)斷面的模擬數(shù)據(jù)，利用MATLAB進(jìn)行畫圖分析數(shù)值模擬的結(jié)果。在這個(gè)過程中，不要求學(xué)生掌握利用MATLAB的程序編寫，但是MIKE軟件的操作和后處理，由學(xué)生獨(dú)立完成。

圖1 平面概況圖

圖2 彎道處網(wǎng)格圖

選擇文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜隍?yàn)證本項(xiàng)目的數(shù)學(xué)模型，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且粋€(gè)60°的彎道，水槽為矩形橫斷面，高0.4米，寬0.6 m；彎道的內(nèi)側(cè)壁面半徑為1.2 m，外側(cè)壁面半徑為1.8 m；上游入口直段長(zhǎng)2 m，彎道出口直段長(zhǎng)2 m。丁壩為非淹沒丁壩，長(zhǎng)L=0.15 m，高H=0.4 m，寬D=0.01 m，丁壩軸線與所在彎道曲線處的切線垂直，丁壩1和丁壩2間的距離是4 L，丁壩2和丁壩3間的距離是2 L。使用MATLAB軟件畫出水槽的平面布置圖如圖1所示，包括彎道、丁壩群和3個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面(line1、line2、line3)及其上的16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。然后利用MIKE軟件制作模擬區(qū)域地形，并采用三角網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，整個(gè)模擬區(qū)域共有5450個(gè)節(jié)點(diǎn)，10370個(gè)網(wǎng)格。其中彎道處網(wǎng)格如圖2所示。

初始條件：進(jìn)口流量為52 L/s，出口水深為0.25 m，全場(chǎng)初始水位0.25 m.邊界條件：壁面邊界按照無滑移處理，即流體與固體的接觸面上，法向和切向上流體的速度為0。調(diào)試數(shù)學(xué)模型中的曼寧系數(shù)和渦粘系數(shù)，最終使得水位和流速的模擬值與實(shí)測(cè)值較為一致，如圖3所示。

圖3 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

(二)流場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

3個(gè)丁壩的位置、挑角、寬度及流量和水位不變，改變丁壩的長(zhǎng)度設(shè)置幾個(gè)工況，詳見表1所示。利用上一節(jié)驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型開展數(shù)值模擬工作，各工況的流速等值線如圖4所示，流場(chǎng)如圖5所示，其中Li是第i (i=1,2,3)個(gè)丁壩的長(zhǎng)。

表1 各工況參數(shù)表

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(a) 工況1 (b) 工況2 (c) 工況3 (d) 工況4

通過圖4和圖5可清晰的展示丁壩的長(zhǎng)度的變化對(duì)彎道流場(chǎng)的影響.如：由于受到丁壩群的阻擋，丁壩群附近的流速明顯很小，說明丁壩(群)具有護(hù)岸的作用；減小丁壩1的長(zhǎng)度將降低丁壩群的挑流效果，且丁壩群對(duì)岸附近流場(chǎng)變化非常明顯；減小丁壩2的長(zhǎng)度，丁壩群內(nèi)原來的2個(gè)回流區(qū)連在一起，減小了丁壩群內(nèi)水流的流速；由于前面兩個(gè)丁壩的長(zhǎng)度不變，而且丁壩1和丁壩2的間距兩倍于丁壩2和丁壩3的間距。所以減小丁壩3的長(zhǎng)度時(shí)，丁壩1和丁壩2附近的流場(chǎng)無變化，丁壩2后方的流場(chǎng)也沒有明顯變化。

圖6是三個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面上各工況流速值模擬結(jié)果的對(duì)比，其中縱斷面位置見圖1(b)所示.由圖6可發(fā)現(xiàn)，工況2(減小丁壩1的長(zhǎng)度)的流速明顯與其他工況不同，這也說明改變第一個(gè)丁壩長(zhǎng)度，對(duì)彎道中流場(chǎng)的影響最明顯。

圖6 縱向監(jiān)測(cè)斷面各工況流速值模擬結(jié)果對(duì)比

通過以上案例有幾個(gè)方面的收獲：一是補(bǔ)充、完善了現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，在老師的指導(dǎo)下學(xué)生相對(duì)獨(dú)立的完成了相關(guān)數(shù)值模擬工作，并能夠利用所學(xué)專業(yè)知識(shí)完成簡(jiǎn)單的結(jié)果分析，驗(yàn)證了在本科生教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可行性；二是加強(qiáng)、加深了學(xué)生對(duì)專業(yè)相關(guān)理論知識(shí)的理解.由實(shí)踐帶動(dòng)理論、理論解釋實(shí)踐，讓理論的學(xué)習(xí)不再空洞，也使學(xué)生了解了如何解決實(shí)際工程問題；三是學(xué)生學(xué)習(xí)新的技術(shù)，即MATLAB和MIKE軟件的基本操作；四是學(xué)生可基于所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和數(shù)值模擬技術(shù)，發(fā)揮其自主性。從而開展更廣泛的數(shù)值模擬研究工作，也為學(xué)生進(jìn)一步深造奠定了一定的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

在水利水電工程專業(yè)的教學(xué)中普遍存在理論與實(shí)踐不均衡的現(xiàn)象，很多普通本科院校無法給學(xué)生提供足夠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件或工程實(shí)踐機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)理論知識(shí)掌握不扎實(shí)、理解不到位，使實(shí)踐教學(xué)效果大打折扣。而基于數(shù)值模擬技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則不受現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室條件的限制，且有省時(shí)、易于調(diào)整參數(shù)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，將數(shù)值模擬技術(shù)引入到《水力學(xué)》等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)教學(xué)效果和本科生的培養(yǎng)將有以下幾個(gè)方面的效果：

1.作為實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程的有益補(bǔ)充，基于數(shù)值模擬技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可豐富課程的內(nèi)容、拓展課程的空間，能夠可視化、立體化的表達(dá)相關(guān)專業(yè)課的理論知識(shí)，有助于學(xué)生加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)也有助于科研與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

2.通過學(xué)習(xí)數(shù)值模擬技術(shù)，使學(xué)生掌握了新的技能，激發(fā)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

3.通過觀察和分析數(shù)值模擬的結(jié)果，學(xué)生對(duì)水流運(yùn)動(dòng)和常見的水工建筑物有了更直觀、更深的認(rèn)識(shí)，有助于帶動(dòng)一部分學(xué)生主動(dòng)思考試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

數(shù)值模擬技術(shù)可以作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)逐漸成為實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的一個(gè)重要教學(xué)手段，能夠較好的完成拓展實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`課的教學(xué)內(nèi)容，能夠有力推進(jìn)水利水電工程專業(yè)本科培養(yǎng)的教學(xué)效果，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，以后的教學(xué)實(shí)踐中，還需要根據(jù)新的培養(yǎng)方案和教學(xué)模塊等方面進(jìn)一步探索和完善，以滿足新時(shí)期對(duì)水利水電工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)的需求。