《泵与泵站》课程是给排水科学与工程专业重要的专业主干课程，是给排水科学与工程专业本科生接触的第一门专业及专业基础课，在教学过程中涵盖了理论教学、实验、设计、实习等不同的教学环节，是一门理论和实践并重的课程。课程具有涉及知识面广、强实践性与专业综合知识要求高等特点，是学生学习专业知识和技能、培养工程意识和实践创新能力的重要课程，也是从基础知识教育向工程专业知识教育过渡的承上启下的关键课程^[1]。

在教学过程中，发现《泵与泵站》课程学习存在的一些共性问题：教学形式单一，学生不感兴趣；学生缺乏机械设备的基本知识，对抽象的水泵内部结构以及各方位的剖面图比较难以理解；课程教学学时有限，课堂讲解效果差等。教师只能对重中之重的知识点着重讲授，未能深入阐述的知识点依靠学生课后自主学习及课后答疑来解决，教师对大多数学生实际掌握知识点的情况很难摸清。实验教学中，由于实验教学资源和教学时间的限制，学生只能开展分组实验，不能做到“人人动手”测试，影响了学生动手能力的提高。为了更好地解决这些问题，让学生在学习过程中，能够对泵和泵站有较为真实的感受，对抽象的理论知识有较为清晰、准确的认知和掌握，改善教学效果，提高试验教学质量、增强学生的理论水平、工程设计能力和试验动手能力，培养学生创新能力，开发了《泵与泵站》虚拟仿真实验教学系统。

虚拟仿真技术（Virtual Simulation Technology），又称虚拟现实技术（Virtural Reality Technology），是一种基于计算机模拟运算的综合集成技术，可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，在工业设计制造、建筑、土木、生物医学、教育等众多领域得当广泛应用^[2,3,4,5]。

当前，以网络化、数字化、智能化为代表的第四次工业革命实现包容性增长，依托于互联网的现代教育技术给当代高等教育各个专业带来了机遇，同时随着通信技术和科学技术的不断发展与更新，更是为教育教学改革提供了动力与工具支撑。2018年教育部发布《关于开展虚拟仿真实验教学项目的建设工作》的通知，推进了现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，为高校的教育改革和创新提供强有力的支持。在国家“互联网+”战略全面实施的新时代背景下，虚拟仿真系统的开发与应用已成为现代高等院校教育教学改革研究的一个新方向。

利用VR虚拟仿真技术通过计算机可进行复杂运算，给使用者反馈出精确的3D世界影像，为学生和教师提供了源于视觉、听觉和触觉等感官方面的模拟，可让使用者如同身临身临其境一般，VR虚拟仿真技术带来了教育技术新的发展，不少高校教师已将虚拟现实技术应用于理论课程及实验的教学中。在教学中引入虚拟仿真技术提高了学生的实践能力，创造了“自主学习”的环境，学生通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式，触发学生内在学习动力，提升了学生自主学习的主动性和求知欲。通过将虚拟仿真技术应用于课程教学，打破了传统教学的“教师讲、学生听”的“填鸭式”学习方式，实现了课堂的“讲-听-看-操作”的四环节联动，使教学形式多样化，开创新的课程的上课环境与教学模式^[6]。采用虚拟仿真实验教学系统的数字化资源，可有效解决当前实验教学资源短缺和教学时间不足等问题，利用网络信息技术，打破时空的界限，虚拟仿真系统可记录学生课程学习的全过程，教师能进行实时监测督导，将采集到的数据及时反馈给学生，引导学生调整学习状态，提高学习效果。

《泵与泵站》虚拟仿真实验教学系统设计以学生为本，充分体现学生的教学主导地位，努力营造良好的学习环境，让学生通过虚拟仿真场景的漫游及相应操作体会亲身实践学习的乐趣，提高学生学习参与度，突出以学生本科教学为中心的思想。具体在系统设计与开发中，遵循了以下原则：

(1）开放性原则。采用面向服务的软件架构开发，建立协同服务器以配合计算服务器的运行，实现资源共享，给予用户最大的操作自由，保证用户能够随时随地通过浏览器访问使用系统资源仿真环境，不受时间和空间限制。

(2）交互性原则。在虚拟中应具备较强的交互性，不仅环境可以让人感知到，人也可以反作用于环境，并对其进行控制，而且人是以接近真实环境的行为来进行控制的，虚拟环境还能够对人的动作给予即时的反馈。这种交互性不仅体现在用户与虚拟系统间的交互，还体现在虚拟系统各个组成部分之间的交互。

(3）逼真性原则。系统开发应该定位于三维仿真层面，给予用户的感觉与所模仿的客观世界及其相似，就像在在真实的世界一样，当人以真实环境的动作作用于虚拟环境时，环境做出的反馈也应恰好应符合客观世界的相关规律。

(4）简单易用原则。虚拟仿真实验教学系统操作过程应简单易用，操作界面应做得逼真形象，实验过程的数据输入和输出都应做到简洁、友好，以提高用户的体验感^[7]。

系统平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用Unity3D的Web3D虚拟现实三维互动技术进行开发，能实现虚拟仿真实验操作、能够智能判断用户在3D场景中的操作，用户可以对所有的三维模型等进行交互处理。三维建模采用3DMAX以及MAYA软件进行制作，用Substance painter进行贴图绘制。后台系统采用B/S模式（Browser/Server），基于校园网/英特网实现开放式虚拟仿真系统教学管理平台，如图1所示。在用户浏览器中嵌入虚拟现实三维互动引擎完成3D虚拟现实场景的渲染显示与实验互动操作，3D图形底层渲染支持OpenGL,DirectX，以及软件渲染，并采用多线程socket实现动态3D数据传送，实现整个客户端的浏览与操作界面，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该系统各项目，并通过平台提供面向用户的智能指导、自动批改服务功能。

《泵与泵站》虚拟仿真实验教学系统的开发分为三维虚拟泵站内景、离心式水泵（单吸、双吸）拆装和离心泵特性曲线测定3部分。

三维虚拟泵站内景设计以实际工程送水泵站为背景，建立泵站机组场景模型，真实再现了泵站内部实体景观，包括泵站内部结构设计、泵机组布置、闸阀以及管道布置等。学生通过虚拟仿真场景的漫游功能熟悉了解泵房的每层结构特点、泵房整体的结构特征、泵机组的整体布局和水泵、闸阀、管线的设计安装，如图2所示。学生还可以顺着楼梯可漫游至水泵机组，近距离熟悉水泵机组各主要部件（水泵叶轮、泵轴、进水流道、出水流道、闸阀、电机等），并可现场操作水泵的开停机，熟悉水泵的操作过程，如图3所示。

任课教师在讲授给水泵站机组布置和泵房设计时，可通过虚拟仿真软件的泵站内景漫游功能及泵房的剖析功能实现泵房真实内景的再现，结合理论内容的讲解可让学生加快对抽象概念的理解，也让教学的理论概念与实际工程更好的紧密联系起来。

给排水科学与工程专业学生在学习《泵与泵站》课程前，几乎没有学习机械设备方面的相关知识，对于离心泵的主要零件及构造没有直观的印象，只是停留在课件或课本上的二维图片的认识程度，对抽象离心泵各方位的剖面图比较难以理解，缺乏对离心泵内部构造的深入认识，导致教师对离心泵内部流动分析讲解困难，学生学习积极性不高。

离心泵虚拟拆装设置了单级单吸和单级双吸两种类型卧式离心泵，包括零部件展示、自动拆装、手动拆装三个模块场景，每个场景都可以切换到其它任意场景，虚拟模型与实装在外形、内部构造上高度相似。零部件展示界面可以根据用户需要，选取离心泵主要零部件进行单独展示，并在展示过程用，应能实时显示该零件的介绍，并能自由控制观察零部件的视角。自动拆装场景包含了“开始拆卸”“播放/暂停”“开始组装”三个控件。用户可以自行选择各控件实现离心泵拆卸过程的演示、控制动画片段画面播放或暂停以及离心泵拆装训练。学生可以在课前、课后随时对2种类型的离心泵进行拆装，了解离心泵的组成、各主要部件的形状、位置，加深对离心泵结构的认知。

任课教师也可利用虚拟仿真实验教学系统离心泵虚拟拆装场景讲授离心泵基本构造，通过对不同类型离心泵的360度自主观察和对离心泵的自主拆装，讲解离心泵分类、构造以及主要零部件的作用功能，让学生从感性认知升华到理性认知。两种类型离心泵的拆装模块场景如图4和图5所示。

《离心泵特性曲线测定》是泵与泵站课程一个非常重要的实验，离心泵特性曲线是合理选择和使用离心泵的重要依据。离心泵特性曲线测定试验虚拟仿真场景分为离心泵的启动运行和离心泵特性曲线测定两部分内容。

首先，学生通过虚拟仿真场景的漫游功能直接对水泵机组进行现场操控。学生首先进行离心泵启动的练习和考核。按照自灌式启动方式，完成相应各阀门、控制开关的开启和关闭。系统根据学生现场操作步骤进行自动评判，学生可以及时发现错误操作，以便进行纠正和改进。

完成离心泵启动运行后，学生可以开展离心泵特性曲线测定的练习和考核。通过漫游至压水管路的阀门进行开启度调节，观察流量计、压力表、功率表等仪表盘的数值变化，读取并记录所需数据，系统自动利用MATLAB中的Polyfit多项式拟合函数读取实验数据拟合出离心泵特性曲线，如图6所示。实验结束后学生再完成离心泵停机各步骤。

学生通过虚拟仿真实验教学系统的漫游功能进行仿真场景现场操作，不但可以进一步让学生了解离心泵各种仪表、阀门的作用与功能，更让学生真实体会离心泵开机、停机、流量调控等运行操作的真实感，加深了学生的感性认识和对课堂理论知识的理解和掌握，增强了学生对相关仪表如流量计、压力表、功率表等的工作原理和使用方法的了解，锻炼了学生的实际操控能力。

《泵与泵站》虚拟仿真实验教学系统提供了全新的表现手段，彻底打破空间、时间的限制，展示了《泵与泵站》传统教学中无法实现的教学过程，利用虚拟现实技术产生的虚拟世界能给学生提供多种感官刺激的世界，激发学生的学习热情，增强学习效果。虚拟仿真实验教学系统提供了开放性的网上学习平台，弥补传统实验教学的不足，实现资源共享，学生可以根据自身的学习需求，自主安排时间进行自助学习和离心泵操控练习，提高了学生自主学习的主动性和求知欲，也提升了教学效率和教学质量。随着《泵与泵站》虚拟仿真实验教学系统的不断完善和革新，将为《泵与泵站》全媒体数字化教学系统的建设和应用提供指导。