一种闸孔出流综合实验仿真平台及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种闸孔出流综合实验仿真平台及其实现方法，属于虚拟仿真实验技术领域。

背景技术

随着网络技术的快速发展，虚拟网络技术日渐成熟，将该技术应用到高校教学中去突破力传统实验教学的局限性，在一定程度上培养学生理论与实践相结合的原则极大促进高校实验教学的深入思考和发展，因此虚拟仿真技术在高校教学收到极大的欢迎，虚拟仿真技术其具有投入低、不需要消耗材料、可以重复操作、实验形式内容表达形象、可靠性高、安全等特点，而且虚拟实验平台不受时间和场地的限制，虚拟实验平台的建立是采用虚拟现实、多媒体、三维动画化演示、数据库等技术构建非常逼真的虚拟场景和学习内容，提高学生学习的积极性，培养学生实践能力和创新能力。

传统的水力学实验让学生的实践能力和创新能力无法得到满足，无法满足目前对专业人才培养的目标和标准。

根据新形势下的现代教育要求和专业人才培养的建设目标和标准，结合国家级虚拟仿真实验教学中心建设的方向和精神，充分利用校园信息化资源，依托校园网和云数据中心的存储系统建设。实现高等教育信息化的发展，实现互联网控制的虚拟仿真实验高级形式，实现实验室教学的互联网化和信息化。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种闸孔出流综合实验仿真平台及其实现方法，通过计算机对传统实验操作进行模拟和仿真。

本发明的技术方案是：一种闸孔出流综合实验仿真平台，包括管理模块、虚拟实验室；其中管理模块包括用户管理模块、教务管理模块和实验管理模块；虚拟实验室包括实验设备模块、实验流程模块、实验课件模块、实验答疑模块和实验测试模块。

进一步地，所述用户管理模块：用于教师、学生注册、登入、找回密码和教务人员、实验管理人员的管理权限以及实验系统数据的统计和分析；

所述教务管理模块：用于教务人员安排实验课程、学生学习结果考核、学生学习成绩统计；

所述实验管理模块：用于实验管理人员对实验系统进行管理，包括实验设备参数的设定和修改相关权限；

所述实验设备模块：用于介绍该实验使用仪器组成，包括首部、进水闸门、量水堰、测针、水槽底板、平板闸门、玻璃水槽、活动闸门、泄水道；

所述实验流程模块：用于介绍实验目的、实验原理、实验步骤和得出实验结果和完成实验报告；

所述实验课件模块：用于增加虚拟实验课程容量、直观易懂，提高课程效率；

所述实验答疑模块：用于学生和教师之间的交流指导答疑解惑；

所述实验测试模块：用于测试学生实验的掌握情况。

进一步地，当学生与教师第一使用该仿真平台系统时，需要通过用户管理模块进行注册认证后其用户数据会保存在后台数据库中，一人一个账号保证用户的安全性，以后使用直接输入账号、密码就能正常使用，当用户忘记密码时，通过忘记密码模块填写相关认证相关资料重新设置新的密码登入即可。

进一步地，通过计算机编程，对实验课程进行安排，学生的学习结果进行考核，学生的学习成绩进行统计。

进一步地，用户进入仿真平台系统进行实验，仿真平台系统通过以及嵌入的计算机程序，将学生实验的整个过程记录下来，同时系统管理人员职责是对整个实验系统进行管理维护包括对教师、学生的相应权限和实验的相应的设备参数设置。

进一步地，用户能在仿真平台系统留言的板块进行留言，将自己在实验中发现的问题和不懂之处在留言板块留言，学生和教师能在留言板块进行解答，这样能够相互学习和交流达到教学相长，营造浓厚的学习氛围，促进用户共同进步。

进一步地，所述实验测试模块测试的内容源自于实验和专业课本，其测试题型包括填空题、判断题、选择题、问答题，学生通过在线作答，嵌套在系统内的计算机程序会自动批阅，自动给出学生作答的分数。

一种闸孔出流综合实验仿真平台的实现方法，包括以下步骤：

水流动态模型建立；

实验装置二、三维模型建立；

水流动态模型的动态播放；

所述实验装置用到的是水，采用了粒子系统Particle System来建立水流动态模型。

进一步地，所述实验装置完成介绍实验目的、实验原理、实验步骤和得出实验结果和完成实验报告的演示利用Pro/Engineer和EON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，为了达到3D效果通过画图软件将三维实验视图转化成各个角度的png图片格式后导入到flash平台中，在通过时间轴进行动画播放达到3D效果。

进一步地，利用HXML和Action Script语言来实现物体展示、场景表现以及人机交互功能，并通过服务器技术实现Flex与后台的通信，基于Flex的鼠标事件、Sprite动画技术创建实验模型相关的操作过程，记录数据；当鼠标点击实验界面时，会产生相应的鼠标事件，根据事件和点击对象来判断显示数据表格界面，然后在相应的表格填人测量数据，记录实验数据。

本发明的有益效果是：本发明通过计算机对传统实验操作进行模拟和仿真，该虚拟仿真实验系统在一定程度上降低实验教学成本，减少安全隐患，同时可以有效帮助学生获取知识掌握技能，激发学生学习兴趣。

附图说明

图1为一种闸孔出流综合实验仿真平台的整体框架图；

图2为虚拟仿真实验平台的选择模块；

图3为虚拟仿真实验的实验模块；

图4为一种闸孔出流综合实验仿真平台方法流程图。

具体实施方式

实施例1：如图1-4所示，一种闸孔出流综合实验仿真平台，包括管理模块、虚拟实验室；其中管理模块包括用户管理模块、教务管理模块和实验管理模块；虚拟实验室包括实验设备模块、实验流程模块、实验课件模块、实验答疑模块和实验测试模块。

进一步地，所述用户管理模块：用于教师、学生注册、登入、找回密码和教务人员、实验管理人员的管理权限以及实验系统数据的统计和分析；

所述教务管理模块：用于教务人员安排实验课程、学生学习结果考核、学生学习成绩统计；

所述实验管理模块：用于实验管理人员对实验系统进行管理，包括实验设备参数的设定和修改相关权限；

所述实验设备模块：用于介绍该实验使用仪器组成，包括首部、进水闸门、量水堰、测针、水槽底板、平板闸门、玻璃水槽、活动闸门、泄水道；

所述实验流程模块：用于介绍实验目的、实验原理、实验步骤和得出实验结果和完成实验报告；

所述实验课件模块：用于增加虚拟实验课程容量、直观易懂，提高课程效率；

所述实验答疑模块：用于学生和教师之间的交流指导答疑解惑；

所述实验测试模块：用于测试学生实验的掌握情况。

进一步地，当学生与教师第一使用该仿真平台系统时，需要通过用户管理模块进行注册认证后其用户数据会保存在后台数据库中，一人一个账号保证用户的安全性，以后使用直接输入账号、密码就能正常使用，当用户忘记密码时，通过忘记密码模块填写相关认证相关资料重新设置新的密码登入即可。

进一步地，通过计算机编程，对实验课程进行安排，学生的学习结果进行考核，学生的学习成绩进行统计。

进一步地，用户进入仿真平台系统进行实验，仿真平台系统通过以及嵌入的计算机程序，将学生实验的整个过程记录下来，同时系统管理人员职责是对整个实验系统进行管理维护包括对教师、学生的相应权限和实验的相应的设备参数设置。

进一步地，用户能在仿真平台系统留言的板块进行留言，将自己在实验中发现的问题和不懂之处在留言板块留言，学生和教师能在留言板块进行解答，这样能够相互学习和交流达到教学相长，营造浓厚的学习氛围，促进用户共同进步。

进一步地，所述实验测试模块测试的内容源自于实验和专业课本，其测试题型包括填空题、判断题、选择题、问答题，学生通过在线作答，嵌套在系统内的计算机程序会自动批阅，自动给出学生作答的分数。

一种闸孔出流综合实验仿真平台的实现方法，包括以下步骤：

水流动态模型建立；

实验装置二、三维模型建立；

水流动态模型的动态播放；

所述实验装置用到的是水，采用了粒子系统Particle System来建立水流动态模型。

进一步地，所述实验装置完成介绍实验目的、实验原理、实验步骤和得出实验结果和完成实验报告的演示利用Pro/Engineer和EON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，为了达到3D效果通过画图软件将三维实验视图转化成各个角度的png图片格式后导入到flash平台中，在通过时间轴进行动画播放达到3D效果。

进一步地，利用HXML和Action Script语言来实现物体展示、场景表现以及人机交互功能，并通过服务器技术实现Flex与后台的通信，基于Flex的鼠标事件、Sprite动画技术创建实验模型相关的操作过程，记录数据；当鼠标点击实验界面时，会产生相应的鼠标事件，根据事件和点击对象来判断显示数据表格界面，然后在相应的表格填人测量数据，记录实验数据。

一种闸孔出流综合实验仿真平台实验步骤如下：

步骤一：首先用户登录平台，进入如图2所示界面包括实验设备、实验课件、虚拟实验、实验报告、实验答疑、实验测试六大模块。

步骤二：用户进入虚拟实验前，通过鼠标右单击实验设备选项，进入了解该实验所用到的实验器材和实验装置构造的平面图。

步骤三：如图3所示，用户点击虚拟实验模块会有一个用户对设备名称的填写测试，填写正确才会顺利进入虚拟实验模块，否则得重新进入实验设备模块进行熟悉设备名称，设备构造。填写正确设备名称进入虚拟实验模块其中有实验目的、实验原理、实验步骤、实验参数、测量内容、数据记录与处理六个小模块组成。

进一步地，虚拟实验操作是以左单击鼠标左键打开阀门，鼠标右键关闭阀门进行实验。

进一步地，实验步骤主要通过播放录制的现场操作实验、文件介绍这样可以让学生对实验有着全方位的了解，知道如何进行实验操作。

进一步地，设定实验参数包括水槽宽度、温度、平面闸门高度等，打开进水闸门，放水进入水槽，设定平面闸门高度，使水槽发生水跃，记录要测量的数据。

进一步地，调节进水闸门开度调节流量五次，重复上述步骤，记录相应数据(测量跃前水深、跃后水深、跃长)。

进一步地，水跃最后一次实验，作为自由出流第一次实验调节,记录相应数据(测量闸孔开度，闸前水深)。

进一步地，设定实验参数包括调节尾部闸门开度，使之形成淹没出流状态，然后设定相应参数包括调节进水闸门，使淹没出流的闸前水深与自由出流保持一致，记录相应数据(淹没水流下的下游水深和堰上水头)。

进一步地，实验数据表格输入完成，用户可采用截图方式或文件传递方式，生成.jpg。供用户撰写实验报告。

进一步地，如图4所示，本发明所提供的一种闸孔出流综合实验仿真平台实验方法，其实现步骤包括如下所示：

A1:物理模型建立

A12：闸孔出流综合实验装置用到的是水，系统为了更加逼真的表现出来水流的流动状态，采用了粒子系统(Particle System)来建立水流的动态物理模型，在视觉上与现实非常逼真。

A2:实验仪器二、三维模型建立

A21:根据闸孔出流综合实验的条件和要求，利用SolidWorks建模功能，建立实验要素仪器，在SolidWorks中使用特征建模，通过拉伸、旋转、切除、打孔特征操作，以真实实验条件，尺寸建模，并据装配关系进行组装。再以.stl文件格式输出。

A22:真实实验场景获取虚拟实验场景数据，利用3dmax快速构建实验场景，对实验场景进行转为三角面，使场景更接近真实。再以.fbx格式输出。

A3：实验操作视频、动画演示和文字说明

A31:实验仪器通过画图软件将三维实验视图转成各个角度的PNG图片，然后再导人到Flash平台中，通过时间轴进行动画播放，以达到3D效果。同时把PNG图片与流态控制模型绘制成整体实验，并配以适当的操作按钮进行交互；利用Flex Sprite动画组件来实现实验中各个流体运动，最后生成SWF文件在Flash Player中显示并加以播放。演示利用Pro/Engineer和EON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，为了达到3D效果通过画图软件将三维实验视图转化成各个角度的png图片格式后导入到flash平台中，在通过时间轴进行动画播放这样可以达到3D效果。

A4：编程设计

A41：实验测试模块利用UGUI快速搭建包含测试题型包括填空题、判断题、选择题、问答题目，均选自专业课内容源自于实验和专业课本，嵌套在系统内的计算机程序会自动批阅，自动给出学生作答的分数。

A42：实验参数的设定是基于C/S编程系统进行需要的实验参数

A43:利用HXML和Action Script语言来实现物体展示、场景表现以及人机交互等功能，并通过服务器技术实现Flex与后台的通信。基于Flex的鼠标事件、Sprite动画技术创建实验模型相关的操作过程，记录数据。当鼠标点击实验界面时，会产生相应的鼠标事件，根据事件和点击对象来判断显示数据表格等界面，然后在相应的表格填人测量数据，记录实验数据。

反馈意见和改进与补充

用户通过系统留言版块提出该系统所存在的问题，然后反馈到后台后台通过技术修复完善系统存在的漏洞问题。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。