動荷載虛擬實驗教學平臺的開發(fā)與實踐

洪俊　顧成軍　廖東斌　姜益軍

摘要：本文系統(tǒng)總結(jié)了東南大學工程力學動荷載教學過程中由于課時和實驗條件不足存在的問題，討論了國家目前對虛擬仿真實驗教學的重視，分析了動荷載虛擬實驗教學平臺建設(shè)的目的和意義。從虛擬仿真實驗教學平臺載體選擇、虛擬仿真實驗項目的選擇、虛擬仿真實驗項目的模塊設(shè)計及具體的模塊實現(xiàn)技術(shù)四個方面開發(fā)了動荷載虛擬實驗教學平臺。教學實踐結(jié)果表明，動荷載虛擬實驗教學平臺作用明顯。

關(guān)鍵詞：工程力學；動荷載；虛擬實驗；教學平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）14-0254-02

工程力學是高校基礎(chǔ)性學科之一，具體涉及到機電類、土木交通類、建筑類等多個專業(yè)方向，其主要教學內(nèi)容包括剛體的靜力學、運動學、動力學；材料在靜荷載作用下受力和變形；材料在動荷載作用下的受力、變形、運動和疲勞破壞。

具體到東南大學，由于課時和實驗條件限制，對于工程力學教學，實驗室針對不同專業(yè)開展了內(nèi)容局限于材料在靜載荷作用下的2～4個實驗。對于教學過程中大量的抽象概念的理解，尤其是動荷載作用下的材料的力學響應(yīng)情況，顯然是遠遠不夠的。拋開實驗課時、部分實驗設(shè)備我校目前無法提供（如霍普金森桿）等原因，最主要的是因為涉及到動荷載實驗時的危險性（如落錘實驗）、高成本和高消耗（如疲勞實驗）。另一方面，實驗室實驗雖然直觀，但是限于觀察視線、尺度，無法觀測到材料內(nèi)部的力學響應(yīng)；傳感器粘貼位置的限制，無法精確描述所有位置的力學響應(yīng)。虛擬仿真實驗教學平臺可以解決這些問題。

隨著信息時代的到來，現(xiàn)代化教學手段迅速進入教學領(lǐng)域，這就要求高校必須改變傳統(tǒng)教學基礎(chǔ)技術(shù)和教學模式，建立體現(xiàn)創(chuàng)造性、智能性、科學性程度較高的現(xiàn)代教育模式和技術(shù)。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)大規(guī)模進入實驗教學已是必然趨勢[1]。教育部高教司函文《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》[2013]94號要求各高校進行國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)，體現(xiàn)了國家宏觀政策上對虛擬仿真實驗教學的重視程度[2]。

動荷載虛擬實驗教學平臺建設(shè)的目的就是針對目前工程力學教學過程中，動荷載作用下材料的力學響應(yīng)中的難以理解的抽象概念，通過虛擬仿真實驗教學平臺，包括理論介紹、實驗視頻直觀展示或動畫演示、數(shù)值仿真或理論公式計算等實現(xiàn)直觀理解和認知。

一、虛擬仿真實驗教學平臺載體選擇

虛擬仿真教學平臺是一個提供開放性的實驗平臺。主要目的是能夠解除課堂實驗教學時間、地點以及設(shè)備的限制，打破時間、空間、設(shè)備的局限性，充分發(fā)揮學生的自覺性，用其各自適合的時間在本地計算機上完成實驗過程，最終理解抽象概念。真正為學生提供開放性的教學環(huán)境，學生可以利用網(wǎng)上虛擬仿真系統(tǒng)進行模擬實驗，隨時隨地進行實踐操作訓練。

通過調(diào)研了國內(nèi)外多所知名大學以何種載體展示實驗教學平臺，進而選擇采用是基于windows的單機平臺，還是基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：相比基于windows的單機平臺，基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺具有免安裝，可隨時隨地登錄學習、維護和交互的優(yōu)點。目前國內(nèi)外影響較大的網(wǎng)絡(luò)教學平臺主要包括美國的WEB CT，BlackBoard，北京大學的BluePower，北京師范大學的Vclass等都是采用了基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺開發(fā)[3]?；赪eb的網(wǎng)絡(luò)平臺的虛擬仿真教學模式以興趣為導向，充滿個性化自主特色，基于互聯(lián)網(wǎng)且具有交互功能的開放式在線學習，顛覆性地變革了以往的教與學方式，使全球各地不同人群能夠共享優(yōu)質(zhì)教育資源，終身學習成為可能。

因此，動荷載虛擬實驗教學平臺載體采用了基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺開發(fā)，并形成了相關(guān)的網(wǎng)站[4]。

二、虛擬仿真實驗項目的選擇

以工程力學教學大綱為基礎(chǔ)，配合工程力學課程的課堂教學內(nèi)容，結(jié)合多位教師的教學經(jīng)驗和多年教學實踐中的學生反饋，梳理動荷載作用下材料的力學響應(yīng)中的難以理解的抽象概念，設(shè)計合理的實驗項目。

工程實際中有些構(gòu)件，例如加速起吊重物的繩索，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪輪緣，內(nèi)燃機的連桿，汽錘的機座等，它們工作時做變速運動、回轉(zhuǎn)運動、機械振動，或受到其他物體的撞擊，此時，構(gòu)件上承受的載荷明顯地隨時間而變化，或構(gòu)件速度發(fā)生明顯的變化，這種載荷稱為動載荷。動載荷引起的應(yīng)力和變形稱為動應(yīng)力和動變形。實驗可知在動載荷作用下，由于加速度引起的慣性力在構(gòu)件內(nèi)形成的動應(yīng)力比靜應(yīng)力大得多。但一般情況下只要動應(yīng)力不超過材料的比例極限，則認為虎克定律仍然有效，且彈性模量與靜載荷時的數(shù)值相同。動載荷問題通常分為：構(gòu)件作勻加速直線運動或勻速轉(zhuǎn)動、沖擊問題、疲勞、機械振動等。在沖擊問題中，沖擊韌性、桿的垂直沖擊、梁的垂直沖擊概念重要難以理解，且實驗危險性較大；在疲勞和交變應(yīng)力中，試驗時間長，耗費大；在振動問題中，各種新的試驗采集儀器更新較快?？紤]到以上原因，動荷載虛擬實驗教學平臺選擇以下7個實驗項目：沖擊韌性、落錘沖擊實驗、梁的垂直沖擊實驗、彎曲疲勞實驗、單自由度系統(tǒng)自由振動實驗、單自由度系統(tǒng)的強迫振動實驗、加速度傳感器標定實驗。

三、虛擬仿真實驗項目的模塊設(shè)計

對于每一個選定的實驗項目，分析了哪幾個模塊能夠充分描述清楚抽象概念，利于在課堂教學中實時展示基本原理，也可以在課后供學生借助平臺自我修習、動手實踐。

對于每一實驗項目，包含了這些模塊：理論及原理；實驗?zāi)康摹⒌湫蛯嶒瀮x器和器具展示、實驗步驟、實驗動畫演示；數(shù)值仿真或公式計算；關(guān)鍵知識點測試、參考文獻鏈接。理論和原理內(nèi)容都和課堂內(nèi)容直接相關(guān)，利于學生回顧知識點，便于對實驗原理理解；典型實驗儀器和器具展示，學生不用進入實驗室，就能直觀地看到儀器，避免紙上談兵的尷尬，尤其是一些新的或者昂貴儀器設(shè)備，通過圖片展示，就能有個感官的認識，沒必要花費經(jīng)費購買，對于經(jīng)費緊張的基礎(chǔ)課程實驗室，具有不可替代的作用；實驗?zāi)康?、實驗步驟的描述，可以使學生明白實驗中哪些問題需要注意；實驗動畫演示使學生不進行實驗，就有一個身歷其境的感受，避免一些實驗的危險的同時，又直觀地觀察到真實實驗中由于視線、尺度，無法觀測到材料內(nèi)部的力學響應(yīng)問題；數(shù)值仿真或者公式計算類似于課堂上例題的演示，有助于學生理解概念；關(guān)鍵知識點測試、參考文獻鏈接相當于課后作業(yè)，幫助學生掌握知識的同時，擴大視野。

四、具體的模塊實現(xiàn)技術(shù)

運用HTML語言制作專門網(wǎng)站，集成整個虛擬平臺。HTML（Hyper Text Mark-up Language）是網(wǎng)絡(luò)的通用語言，是一種簡單、通用的標記語言。它允許網(wǎng)頁制作人建立文本與圖片相結(jié)合的復(fù)雜頁面，這些頁面可以被網(wǎng)上任何其他人瀏覽到，無論使用的是什么類型的電腦或瀏覽器。運用Flash動畫制作軟件和真實視頻展示真實或數(shù)值模擬的實驗結(jié)果。Flash動畫軟件是集繪畫、動畫編輯、特效處理、音效處理等事宜為一身的軟件，每一項功能相比專業(yè)軟件功能都不算很強大，但是制作一定質(zhì)量的動畫演示視頻，相比傳統(tǒng)動畫的多個環(huán)節(jié)由不同部門、不同專業(yè)人員分別進行操作，可謂簡單易行。真實視頻對實驗過程是一個直觀的再現(xiàn)過程。運用ansys軟件數(shù)值計算或者運用Java開發(fā)基于Web的人機交互虛擬實驗，根據(jù)用戶輸入，通過后臺的理論計算公式，給出模擬實驗結(jié)果。人機交互是構(gòu)建面向自主開放學習、互動教學支撐平臺的重要內(nèi)容，是建立支撐自主實驗的虛擬實驗環(huán)境的基礎(chǔ)。

五、虛擬實驗教學平臺的思考

動荷載虛擬實驗教學平臺已用于東南大學工程力學的課堂教學實踐中，在課堂教學概念加深，彌補已有實驗室實驗不足方面發(fā)揮了巨大作用。在平臺建設(shè)完成之余，我們進一步對虛擬實驗教學平臺進行思考。虛擬實驗教學平臺的建設(shè)應(yīng)遵循“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則[5]，以建立優(yōu)質(zhì)資源共享機制為核心，以信息化實驗教學資源建設(shè)為重點，旨在提高等教育教學質(zhì)量，全面提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。如何構(gòu)建面向自主學習的開放，互動教學支撐平臺，建立支撐自主實驗的虛擬實驗環(huán)境，使學習者能夠便捷靈活地獲取優(yōu)質(zhì)教學資源，通過學習過程中的交流互動、協(xié)作與評價，完成高效、低耗多樣的實驗，這既關(guān)乎到教育信息化的深化應(yīng)用，也關(guān)乎到虛擬仿真實驗教學建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]張正健，趙秀萍，陳蘊智，等.構(gòu)建虛擬仿真實驗教學平臺培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才[J].印刷雜志，2014，（3）：59-61.

[2]中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知[Z].2013.8.

[3]王立平，劉艷玲.普通高校網(wǎng)絡(luò)教學平臺開發(fā)及對策研究[J].中國成人教育，2010，（12）：62-63.

[4]http：//seuhj.yolasite.com.

[5]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.