数字化教学标本资源共享平台

综合实验技能学习平台—数字化教学标本共享平台

是支持全国高校本科生物学实验教学和野外综合实习实训的虚拟教学资源,能形象直观地展示各地特色的、珍稀的动植物资源,为学生提供全面、详细、精确的物种分类、分布、描述,补充动植物形态解剖学实验中无法获得的实验材料,特别是珍稀动植物标本,实现资源共享。目前,资源访问量高达 4200 多万人次。主页链接进入后,可分为常用教学工具,动植物的标本数据、生态图库、精细解剖,多媒体演示室,术语库和课件,教学趣味子库等功能模块。

常用教学工具:具有植物志书查询和植物分布检索功能,本功能与 google earth 相连接,可以检索某一区域的植物,如四川峨眉山市。

物种检索:可输入要检索动植物的中文名或拉丁名直接进入该植物所在的页面对其标本数据、生态图库、精细解剖、多媒体资源、术语库进行精确检索。也可进行模糊检索,假设某学生只记住某种植物是杜鹃花科或杜鹃花属的某种植物,可以只输入“杜鹃”二字进行模糊检索,这样可以浏览数据库中该科或该属的所有图片。

教学标本资源共享平台访问界面

 

教学标本资源共享平台功能模块

教学标本资源共享平台上提供了近 1000 种动植物精细解剖展示动、植物的细微结构,解决了动、植物学形态解剖学的实验中实验材料的地域限制,特别是一些珍稀动、植物物种的精细解剖展示细微结构,能全面、直观地观察所学植物的实体材料,通过平台访问可直接用于全国高校的实验教学,既突破了原有实验教学实验材料的限制,不需要到实地去采集标本,保护了珍稀动植物资源,又丰富了实验教学内容。教学标本资源共享平台通过活体图片和视频展示动植物的生活环境,在卫星地图上直观的显示动植物的地理分布状况,可提供科研工作者获取检索动植物对象的具体分布信息,用于物种进化、生物地理学、生物多样性等研究工作。

教学标本资源共享平台应用于普通生物学、野外综合实习、植物保护学、天然药物化学、生物信息学等实验课程教学,支撑生物科学、生物技术、生态学、农学等 132 个专业,近 2000 名学生的实验教学需求。

数字化教学标本资源共享平台——动植物标本数据

a.具体实验流程:

锦葵科植物标本数据

 

秋葵属植物数字化腊叶标本数据

 

动物标本数据检索——叶城沙蜥

 

动物标本的多维观察——叶城沙蜥(背面)

 

动物标本的多维观察——叶城沙蜥(腹面)

b.功能及效果:

通过影像技术、高清扫描等手段把植物蜡叶标本和动物浸制标本等形成数字化资源,以门、纲、目、科、属、种逐级将动植物腊叶标本和浸制标本进行分类,实验者通过检索,可在标本总库中检索您要查询物种的腊叶标本及相关信息,如采集人、采集地点和时间、性状描述等,同时可查看中国植物志对某一类群的描述。

以往需要查阅某一珍稀动植物标本,实验者必须到保存有标本的博物馆或研究所借阅标本,费时费力,同时也会对标本造成损伤,保存时间缩短,对于珍贵的独份标本这种伤害是毁灭的。而通过教学标本资源共享平台检索查询,实验者可随时随地查询所需了解的标本,获取信息,又避免了实物标本的损坏,不受时间、空间限制,随时调取标本查阅研究,成为应用于动植物分类,野外动植物资源调查、中草药研究等多方面的信息资源。

数字化教学标本资源共享平台——动植物生态图库

a.具体实验流程:

石蒜科植物生态图库

 

石蒜科生态图库——垂笑君子兰

 

无尾目动物生态图库

 

无尾目四川湍蛙生态图库

b.功能及效果:

为避免对稀有、受保护动植物资源的破坏,以高清摄影技术将动植物野外生活状态和环境形成数字动植物化生态图库虚拟教学资源,以门、纲、目、科、属、种逐级对动植物彩色生态图库进行分类,通过检索可查阅动植物生活状态、形态描述、生态环境等。例如垂笑君子兰的野生生境、植物体全株形态;四川湍蛙的野生生境、动物外观形态描述等。

实验者可不受时间、空间限制,在采样点、实习地随时进行样品与模式标本的查阅、比对,而通过教学标本资源共享平台,实验者可随时随地查询所需了解的动植物标本的野生生境和生活状态,用于动植物分类,野外动植物资源调查、中草药、生物信息学、生物进化等多方面的研究。

数字化教学标本资源共享平台——动植物精细解剖

a.具体实验流程:

石蒜科植物精细解剖

 

石蒜科植属植物精细解剖

 

植物精细解剖——石蒜

 

鞘翅目动物的精细解剖

 

动物精细解剖——褐足角胸叶甲

 

动物的精细解剖——大鳍弹涂鱼

b.功能及效果:

从植株外形、花序、花的离析、雌雄蕊的特写、子房的纵横切、果实的纵横切等,进行精细的解剖拍摄,从动物的外观到身体结构和内脏器官等进行精细解剖拍摄,最后,以门、纲、目、科、属、种逐级对动植物精细解剖信息进行分类,形成系统的动植物精细解剖虚拟教学资源。

通过检索某一动植物名称,实验者可以查看动植物彩色的照片和精细解剖过程图,例如,石蒜花部的解剖、子房横切;褐足角胸叶甲和大鳍弹涂鱼的外观、身体结构、器官解剖等。与自己的标本进行比对研究,确定标本的属种分类地位,这项功能有利于学生全面立体化的认识一种植物的形态与结构,打破了传统标本教学的局限,调取共享平台资源用于普通生物学、动植物分类学、野外综合实习、植物保护学天然药物化学、本科生动植物观察等课程教学。

生境识别实验

本平台利用三维技术,对中药资源赖以生存的各种典型生境类型进行模拟,其中包括针阔混交林、常绿阔叶林、高寒草甸、荒漠、灌丛、山谷、草地等等。如图所示,进入生境类型选择,进入所选生境即可看到生活其中的各种药用植物。

实验功能和效果

生物与生境的关系是长期进化的结果。如冬虫夏草、大花红景天、唐古特大黄的生境分别是青藏高原海拔 3000 米以上的高山草甸、高山灌丛和高山沟谷;肉苁蓉的生境是西北荒漠沙丘的梭梭林,而金钗石斛的生境是华南山地林中的树干和山谷岩石。了解中药资源的同时也必须掌握其生境特点,才能对其进行更加深入的研究和保护。本实验项目可以使学生对中药的生境有更加感性的认识。

中药资源生境识别虚拟仿真实验

 

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护理学虚拟仿真实验平台

本实验模块主要利用高级医学模型、模拟设备(人)、各类穿刺训练等教学设备,并拥有大量自主原创性教学视频及综合模拟训练项目,为学生有效学习与掌握护理基本操作技能提供保障,如图1。该模块现承担《护理基本技能训练》、《社区康复护理学》等相关教学任务。

图 1. 学生进行康复护理训练

2)护理专科技能虚拟仿真实验模块

本模块紧密结合当前护理人才培养标准和临床实际工作环境建设要求,配备了多具智能高级综合模拟人等各类教学模型(具),并拥有《急危重症护理学》等省级精品资源共享课及自主开发的优秀教学资源,可开展妇产科、儿科、急危重症等专科虚拟实训与模拟技能训练。

FL1000 智能高级综合模拟产妇模型  分为产妇、新生儿两大系统。由模型人、计算机、控制箱、模拟监护仪四部分组成,是集教学、培训、考核和实际操作于一体,知识全面、功能强大的计算机交互式急救训练系统(图2)。包含妇科、产科、儿科、急救以及护理等多个学科,包括整个分娩过程、基础护理、产后母婴护理以及母婴的基础生命支持(BLS)、高级生命支持(ACLS)到持续生命支持(PLS)的全部急救知识点。软件可自行编辑临床病例,模拟临床真实环境,培养学生处理急救病例的临床思维与团队合作精神。

图2 利用FL1000 智能高级综合模拟产妇模型进行教

ECSEmergency Care Simulator)高级综合模拟人

 结合美国航空航天尖端模拟技术,首次将其运用到医学教育领域,实现“生理驱动”技术的高仿真。运用该模拟人可进行神经、呼吸、循环、泌尿生殖系统以及药物动力学、代谢、创伤等的问诊练习及急救练习。还可以预设临床急危重症病例,引导学生进行体格检查、给药、创伤管理等实践操作,使学生在参与临床实践之前对急危重症护理学的相关技能达到熟练掌握的程度,为学生进入临床做铺垫(图 3)

图3ESC 高级综合模拟人外观及使用界面

急救护理学虚拟仿真实训系统

本系统为中心与上海梦之路数字科技有限公司共同研发。目前包含车祸、心梗、溺水和火灾四个综合虚拟案例,通过接近于游戏的形式,在虚拟三维场景里控制角色(医生和护士)完成现场急救整个流程步骤,包含现场安全、伤情评估、伤员分检、现场抢救、及时转运、途中监护(有些病例还包含 ICU 护理)。系统本身设有评估体系,可让学生任意操作,最后给出成绩以及系统扣分细则。通过虚拟案例的实训演练,可以让学生更好的掌握护理基本技能操作的流程和知识要点,了解我国的医疗体系和现场急救的原则和步骤,熟悉常用急救设备的操作使用,熟悉常用急救药物的药理与应用,用法和注意事项(图 4)

图4急救护理虚拟实训教学系统界面

3)临床护理虚拟案例 PBL 教学与考核虚仿真实验模块

通过 6 个临床虚拟病例(图 5),模拟临床真实环境及接诊病人、处理医嘱、护理评估、观察与护理、健康指导等接待流程。内有选择性人机对话、提示与思考、知识点测试、知识背景库、文献资料、3D 动画演示、答疑台、同步键和讨论区等子菜单栏目。在动画演示过程中,弹出的选择题将引导学生人机互动,执行各种护理操作,以及了解患者病史、病情变化和临床治疗,学生在提示与思考的引导下,开展以小组为单位的自主讨论学习。

图 5 护理虚拟案例 PBL 教学与考核系统登录界面

综上所述,临床医学、护理学虚拟仿真实验平台的功能效果主要表现为以下几方面:

通过有针对性的引领学生进行临床、护理技能虚拟仿真训练,可避免医学伦理道德限制及操作带来损伤性的副作用。学生通过反复练习可提高技能熟练程度,达到了与真实诊疗过 程相近的效果,并有效缩短进入临床后适应期以全方位仿真、模拟和网络为实践手段的教学方式以及相应的综合、开放的教学体系,既能客观模拟人体各种真实生理、病理生理特征,又可高仿真地再现各种临床常见病例及其诊治场景,从而使学生能身临其境,增强其临床综合思维、正确诊疗能力及团队协作精神。

 

登船实习仿真实验—网络交互式虚拟散货船仿真教学与考核系统

船舶工程属于大型机械设计制造领域,由于实船建造成本高和占地空间大等原因,很难将整条船搬到教学课堂和实验场所。学生在整个大学学习期间,包括大二、大四两次船厂实习,由于受船舶企业服务能力限制和出于安全因素考虑,不仅实习时间有限,而且没有机会登上在建或完工船舶进行参观和学习,这不仅是一种遗憾,也使船舶工程专业的学生缺少了全面、细致、直观认识和了解船舶这一复杂产品的机会。散货船是我国三大出口船型之一,是最常见和使用的船舶类型,同时也是船舶工程专业本科生教学常用船型,具有典型性。

根据学生毕业分配去向和工作对象,选取具有代表性的苏伊士运河型 57000 吨散货船作为仿真软件开发的对象。虚拟散货船仿真软件解决了大型装备型实验难于开展、高危实验无法操作、课程综合实验的问题。其趣味性、沉浸感满足学生学习需要,虚拟总布臵设计、诱导实验、虚拟操作、立体导航等视觉和环境特效的优点不仅能吸引学生的兴趣和注意力,还增强了船舶空间概念和整体布局设计的能力,达到实船学习无法比拟的效果。

网络交互式虚拟散货船仿真教学与考核系统是基于网络开发的多用户参与体验、学习、考评的虚拟仿真软件。可独立用于学生实验也可以挂靠在虚拟船厂仿真平台上,重点教学上层建筑总布臵及舱室综合设计、甲板布臵及设备、推进和操纵设备等内容,这些内容是在船厂实习时较少能了解到,在课堂教学中较难以形成直观认识。该软件分为教学实验模式和自主实验模式。教学实验模块通过语音教学、触发连接、引导实验(增强型虚拟现实)、漫游仿真、虚拟测试等方法引导学生学习,自主实验时学生独立完成甲舾、防火救生设施布臵、IMO 标志识别、逃生、设备使用等实验,实验结果通过考核系统将成绩统计完成供教师评定。虚拟散货船场景下图。

散货船外观                                                                         船长办公室                                                                    驾驶室

实验学习内容:

1)虚拟散货船概念学习

以散货船认知为目标,主要解决“什么是散货船?”、“散货船有哪些特征?”等问题,提供给学生对散货船的整体认知和漫游感受。

2)货船上层建筑总布臵设计

以详细学习货船上层建筑舱室与梯道的总体规划原则为目标,主要解决“货船的上建舱室是如何布局的?”等问题。包括通道与梯道设计、舱室规划与布臵、救生与防火设施布臵、IMO标志识认与布臵等内容。

3)舱室空间综合设计

以详细学习舱室空间综合设计的方法和原则为目标,主要解决“如何根据人机工程学、船舶美学、视觉心理学、建筑学等理论,完成对指定功能舱室的布臵和设计?”等问题,典型舱室有船长室、大副室、水手室、驾驶室、会议室、厨房、餐厅兼娱乐室等,包括船用设备家具的设计与布臵、色彩搭配与调和、舱室空间设计效果评价等内容。

甲板设备、推进设备的布臵与使用,以详细了解甲板设备、推进设备的布臵与使用方法为目标,主要解决“甲板、推进设备有哪些?”、“这些设备如何布局、如何使用?”等问题。包括锚设备、克令吊、舱口盖、系缆、救生设备、防火设备、舷梯、舵桨设备等。

实验流程:

登陆系统                         码头

1)系统登陆

学生使用教师分配的账号和密码登陆虚拟散货船仿真软件,如图 48 所示。学生登录后虚拟散货船漫游起始位臵在舾装码头上,同时触发虚拟散货船整体介绍音频。

2)漫游导航

点击船体,进入虚拟散货船仿真系统。漫游导航通过区域导航和场景导航两层导航完成,如图 所示为区域导航图,点击选择需要进入的虚拟散货船区域,如 C 甲板,即弹出这个区域的场景导航图,点击各舱室,即进入相应舱室参观学习。

区域导航图                                                                甲板导航图

3)仿真漫游

系统也可以不使用导航图,从码头通过舷梯漫游整个船舶的各个舱室和甲板。系统模拟实际参观体验,实物无法穿越,对于较低的实物或实物较低部分模拟了登上参观效果,前进时遇到楼梯可直接上下楼梯。距离较远的景物可使用跑步功能快速到达。

4)舱室综合设计

实验选取了一般船舶共有的居住、生活、工作等 7 个舱室作为舱室内部综合设计学习的典型舱室,学习舱室布臵、家具设计、材质设计、色彩设计、舱室综合评价等内容。

水手舱室布臵

  驾驶室                                                                                                                                         厨房

5)防火分割设计

根据不同船舶舱室的功能、所处位臵,舱室分割使用不同等级的防火材料和水密门窗。虚拟船仿真系统可随时查询舱室分割墙体和门窗的防火等级,为船长室的分割设计图。红色为 A-0 级防火,黄色为 B-0 级防火,序号加圆圈表示舱室类型,船长室属于起居处所,用序号 3 表示。对照舱室三维设计,学生可以学习不同类型舱室的设计规范,可采用的材料和门窗种类。

 舱室面积测量                                                                                                                   防火分割设计图(船长室)

6)IMO 安全标志识认国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)为海上航行安全和防止船舶造成海洋污染制定了统一标准,在船舶上使用统一标识进行标注,分为逃生及急救标志、消防标识、低位发光透明标志、强制性标志等,数量众多,有些标识极为相似。

部分 IMO 安全标志

IMO 安全标志识认实验通过虚拟教室教学和现场识认两部分组成。采用 A 层甲板的会议室作为虚拟学习教室,通过交互操作,会议室投影屏幕显示 IMO 安全标志的分类、图标、名称和作用,学生学习后,在船上参观时可对应设备的布臵和标识图进一步加深理解和应用,鼠标在标识图及设备上悬停时,会弹出标识介绍。

虚拟教学(会议室)                                                                答题系统

7)考核与测评

屏幕左上角为学生答题得分显示牌,答对一题或一个设备布臵正确或一个设备操作流程正确加 1 分,答错不加分,多次答题按第一次答题结果计分。如答错,在问题下方显示正确答案。

船厂实习仿真实验—网络交互式虚拟船厂仿真教学与考核平台

船厂实习属于大型、综合实验教学,耗费资金大、组织协调困难、存在不安全因素等问题,交互式网络虚拟船厂仿真系统使船厂近在咫尺,按照学生需要选择学习内容,通过网络学习和亲身参与,并与虚拟软件形成互动。交互式网络虚拟船厂学习系统作为学生“第二学习”课堂,贯穿于学生教学环节的全过程,结合专业课程的推进,随时走入“船厂”实习。特别是在学生进船厂实地实习前集中进行学习,在对船舶企业有了一定了解后再进入到船厂对关键环节重点学习,使其成为学生从校园教学到船舶制造企业现场教学的过度和衔接,在有限的时间内向学生传授更多实践经验和技巧。事实上,由于现代化船舶制造工序多、分工细,即使是身为船厂的员工,也难以熟知船厂的各个生产环节,而虚拟船厂软件则以船厂漫游的表现形式还原并展示船厂的全貌,轻松学习船厂的生产过程,保证人人得到学习机会。该软件在实验教学中应用多年,大大提高了学生学习兴趣,使学生对船厂有了身临其境的体验,增强了学生学习的目的性和学习效果。

虚拟船厂全貌 a

网络交互式虚拟船厂仿真平台是基于网络开发的多用户参与体验、学习、考评的虚拟船厂一体化平台。其将一座现代化的船厂搬到计算机中,设计了船坞、码头、各类车间和场地、办

公区、生活区共 24 个场景,拥有厂房、设备、车辆模型近万个,全部使用烘焙高仿真贴图。采用了大地形、场景分层调用、减模、碰撞检测等技术。平台分为学生操作端口和教师端口,学生操作端口有用户登陆系统、语音教学系统、位移导航系统、漫游导航系统、安全教育和参观装备选择等功能,教师端口设有学生管理系统和学习效果考评系统。平台内臵了 100 道与实景配合的考题。学生通过网络使用账号登陆平台,通过鼠标进行交互操作,完成虚拟船厂漫游、船舶建造流程学习收听讲解、考评等环节。教师通过教师端口管理管理和考评学生。

虚拟船厂示意图

虚拟船厂全貌 b

实验学习内容:

1)虚拟船厂概念学习

以船厂认知为目标,主要解决“什么是造船厂?”、“造船厂主要做什么?”等问题,提供学生直观感受,完成船舶建造设施场地及布局、车间和场地的功能与作用等内容的学习。

2)虚拟船舶制造

以详细了解船舶制造流程、方法为目标,主要解决“船是怎么制造出来的?”的问题。分别进入船舶主要制造车间(场地),如钢板堆场和理料区,钢板预处理车间,钢料加工车间,分段装配车间,分段预舾装场地,大型船坞等详细船厂码头等,学习各类制造设备、流水线的组成、用途以及各类分(总)段的特征、构件结构等。

实验流程:

1)系统登陆

学生使用教师分配的账号和密码登陆虚拟船厂仿真系统,虚拟船厂起始位臵在厂门外同时触发虚拟船厂整体介绍音频。

船厂大门

2)安全教育和进厂装备选择

在厂门口进行安全教育,之后继续前进即弹出“选择防护装备”对话框,装备选择正确,语音提示可以进厂参观,否则提示选择错误,禁止进入厂区参观。

安全教育区                                                                                                                      防护装备选择

3)漫游导航

开启时,按船舶建造顺序通过摇镜头展现厂房、场地和设备,同时完成讲解,可随时停止,停止后学生即停留在该地点。。

4)位移导航

点击屏幕右上角的位移导航图快速到达 24 个场景的任意一个。图中红色圆点表示当前位臵,用黄色渐变放射面表示当前视野。

漫游导航                                                                                                位移导航

5)仿真漫游

模拟实际参观体验,实物无法穿越,对于较低的实物或实物较低部分模拟了登上参观效果,对于凹凸不平的实物表面,模拟了颠簸效果。距离较远的景物可使用跑步功能快速到达。

①车间内漫游

向车间大门前进,即可进入车间内部(使用导航图选择相应车间即可到达该车间大门外)。不论点击车间的哪个大门都可进入车间内部,为便于参观,进入车间后参观者位臵都被设臵在设备流水线开始的地方。车间地板划分了工作区(黄色)、堆放区(黄色)和行进通道(绿色),

通道有箭头指明行进方向。退出车间点击右下角的“退出”按钮即可退出车间。

②堆场漫游

继续浏览,可以看到如分段堆场、分段舾装场地,船舶分段堆放较高,可从侧面、底部观察不同的分段类型,舾装内容。总组装焊平台堆放的船舶总段较大,结构复杂,为方便学习,没有采用碰撞设臵,可任意查看各个板架,外板采用了半透明设臵,可清晰观察内部构件。

车间内漫游                                                              分段舾装场地                                                总组平台

6)语音讲解

学生走到相应区域就会触发语音讲解功能,可以边参观边听讲。车间内语音触发采用鼠标左键点击设备弹出对话框,选择“语音讲解”的方式,目的是为了避免由于设备众多导致语音触发不明确的问题。

语音讲解                                                                                              答题系统

7)考核与测评

屏幕左上角为学生答题得分显示牌,答对一题加 1 分,答错不加分,多次答题按第一次答题结果计分。如答错,在问题下方显示正确答案。

8)测评成绩查询

打开学生管理页面,学生成绩显示在“score”一栏中。

 

 

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CAD /CAM 联合仿真

CAD/CAM 是机械工程专业的学生必须掌握的基础。通过实验,掌握数字化设计与制造的逆向工程、数控加工、3D 打印、CAD 软件开发,以培养学生抽象思维能力、空间想象能力和对设计、制造、工具软件开发等知识的综合运用能力。

逆向工程实验

掌握逆向工程技术的基本概念及主要技术,包括数据采集技术、数据处理技术和模型重构技术。了解逆向工程技术实施的软硬件条件,以及逆向工程技术的应用及具有的工程意义。

在本实验中,首先使用三坐标激光测量机测量待测零件,获得零件的外形点云数据。然后将点云数据导入到 CAD 软件中,对其进行拟合并建立零件的 CAD 模型。通过本实验学生将逆向工程的基本理论和实际应用结合起来,有助于提高学生的解决实际问题的工程能力。

利用三维 CAD 软件(solidworks、CATIA 等)可以将采集的模型点云数据导入,保证学生能在三维 CAD 软件中快速掌握模型的重构。

点云文件                            由点云数据生成的网格模型

 

平滑处理后的网格模型               由网格模型创建的 B 样条曲面模型

 

利用三维 CAD 软件(SOLIDWORKS、CATIA 等)完成实物产品的最终建模,同时可以进行产品的分析,确保产品设计方案的准确性,提高产品设计效率。

生成直纹面                                          缝合曲面

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机载设备实验课

航空航天概论是国家级精品课,是具有航空航天特色的重要课程,覆盖面广、影响深远。其中现场课机载设备部分是该课程重要的实践环节,通过该课程,让学生学习了解航空机载设备的组成、原理和使用方法,了解机载设备从无到有、从简到繁的发展过程。课程中采用虚拟现实技术真实地再现飞行过程,仪表、操纵杆、油门、自动驾驶仪、自动油门、飞行管理计算机等通过仿真的方式直接对飞机产生作用与反馈。将航空仪表的显示、各种机载设备的使用展现在学生面前,并且可以自己动手操纵飞机,体验飞行过程。通过实际操作加深对航空机载设备组成与原理的理解。

现代航空机载设备具有结构复杂、系统化、集成化的特点。设备价格昂贵,需要一系列的软硬件支持才能工作,所以很难有条件将单个或成套设备引入到教学实践环境当中。在一定程度上制约了航空机载设备实验课程的开展。采用虚拟现实技术,将全部航空机载设备系统乃至整个飞机系统通过数字仿真的方式引入实验教学当中,极大改善了实验教学条件,使得复杂的机载设备和飞机系统灵活而便捷地进行实验。

飞行模拟器系统组成

 

实验过程与实验内容

在虚拟现实技术辅助的飞行模拟系统中,学生可以逼真地进行飞机各舵面的控制,各种机载设备的使用等。

军机虚拟座舱内部                                      民机虚拟座舱内部

 

具体实验内容包括:

1)舵面操作与控制。通过课程了解飞机的副翼、升降舵、方向舵的控制方法及对飞机产生的相应影响。初步掌握通过舵面对飞机操纵的方法,并且观察航空仪表指示与飞机状态的关系。通过对仪表的读数了解飞机的飞行状态。

2) 航空机载设备原理与使用。了解自动驾驶仪、自动油门、飞行管理计算机等设备的使用方法和简单原理。

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Monte Carlo 方法系列程序

Monte Carlo  方法在粒子输运仿真方面有着重要的应用,基于 Monte Carlo 方法的程序有MCNP、EGS、FLUKA、Geant4 等。MCNP 是一个通用的,可模拟中子、光子、电子,或耦合中子、光子、电子在介质中的位置、速度、能量变化及因核反应造成的产生和消失,可以计算核临界系统的特征值。该程序可以处理材料的任意三维构型,栅元的边界可以是一阶和二阶曲面以及四阶椭圆环面。MCNP 可以使用强大的通用源、临界源和曲面源;可以为空间几何结构和输出数据作图;有丰富的方差衰减技术;方便的记数结构;广泛的核反应截面数据库。

EGS是英文Electron-Gamma Shower的缩写,它是一个利用蒙特卡洛方法模拟在任意几何中,能量从几个KeV到几个TeV的电子——光子簇射过程的通用程序包。由美国Stanford Linear Accelerator Center提供。EGS自从1978年首次发表以来,在这几十年中,EGS程序包不断更新升级,并成为运用蒙特卡洛方法的一个主要的模拟程序,功能和准确性都受到了公众的认可。

FLUKA (FLUktuierende KAskade)是一个通用的蒙卡粒子输运工具,可以运行在 Linux 和UNIX 系统下。其应用范围包括:质子、电子加速器屏蔽设计,量热计,活化,计量学,探测器设计,宇宙射线,中微子物理,还有放射治疗等。

Geant4  工具包由欧洲核子中心主导、国际众多著名实验室和机构合作开发的模拟辐射与物质相互作用的国际通用的开源软件包。它具有丰富的粒子与物质相互作用物理过程描述、强大的复杂物质成分和几何结构处理、开放的源码、良好的扩展性、持续更新及免费下载使用等系列特点。它能提供包括电磁、强子和光学过程在内的众多物理过程,以及从 250 eV 甚至更低至 TeV 的能量范围内的一系列的长寿命粒子、材料和元素。Geant4 工具已经被广泛应用于粒子物理、核物理、加速器和探测器设计、空间科学、医学物理,以及涉及粒子与物质相互作用的其它研究领域。

MCNP 模拟反应堆的建模图

 

一、二、三区燃料组件 X-Y 建模图

 

一、二、三区燃料组件建模图

 

反应堆燃料元件剖面图

 

ADS 反应堆虚拟建模图

 

3D 建模仿真

 

模拟仿真粒子输运过程

不同牌号铁水生产虚拟仿真操作

通过本软件的使用,学生可以根据铁水的目标成分进行配料计算,熟悉高炉上料、热风、喷煤、出铁等各个系统的作用,能够根据生产状况进行布料参数、风温、风压等工艺参数的调整冶炼出合格的生铁水。

实验步骤

第一步,选择目标铁水,根据铁水目标成分,进入配料计算界面进行配料计算,算出配料最优比,为高炉上料做准备。

第二步,在上料之前启动液压系统、除尘系统、制粉系统、喷吹系统、阀台系统、冷却系统的相关设备。

第三步,上料。进入矩阵设定、炉顶矩阵界面进行料仓选定、配料量设定、排出方式设定、料线设定及炉顶布料圈数设定,设定完成后,点击“表单下置”,再进入槽下系统、炉顶系统界面,分别将“模式选择”选为自动。

第四步,启动热风炉系统。

第五步,高炉正常运行后,可以通过批料成分界面观察下料情况及生成铁水及炉渣情况,如果偏离目标值,及时进行配料计算,调整料质。

第六步,在高炉控制界面调整冷风流量,热风温度、富氧量、混风流量及炉顶压力。第七步,根据炉内铁水重量在铁控制及堵泥控制界面进行出铁和堵口操作。

                       高炉炼铁虚拟仿真考核界面                                             高炉燃烧工艺仿真模型

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