力學(xué)與多物理場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討

戰(zhàn)宇 李英梅 劉軍 李健 張大志

摘 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效地補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、交互性和安全性等方面的不足，體現(xiàn)時(shí)代特色和創(chuàng)新的教學(xué)觀念。文章結(jié)合東北大學(xué)力學(xué)與多物理場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)實(shí)踐，深入探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立、基礎(chǔ)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、力學(xué)與多物理場(chǎng)耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室等方面的問題，總結(jié)了該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：力學(xué)與多物理場(chǎng)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）20-0185-03

Abstract： Virtual simulation experiment teaching can effectively supplement the traditional experiment in laboratory conditions， the experiment cost， the lack of interactivity and safety etc， reflects the era characteristic and innovation of teaching ideas. This paper combines the construction practice of the mechanics and multiphysics virtual simulation laboratory of Northeastern University， and deeply discusses the establishment of virtual simulation experiment teaching in virtual simulation network experiment platform， basic mechanics virtual simulation laboratory， mechanics and multiphysics coupled virtual simulation laboratory， etc. summarizing the experience of the laboratory construction and the existing problems.

Keywords： mechanics and multiphysics field； virtual simulation； experimental teaching

高校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目便是其最基本的單元，其建設(shè)的實(shí)際水準(zhǔn)會(huì)給實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量造成很大的影響。建設(shè)示范性虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，能夠讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息技術(shù)更好的結(jié)合在一起，能夠讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度和廣度更深，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間進(jìn)行延伸，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際水平和質(zhì)量[1]。2017年，教育部發(fā)布了2017-2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)方面的通知，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認(rèn)定1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，全面的考慮到高校專業(yè)類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)際情況以及信息化發(fā)展的相關(guān)要求，根據(jù)力學(xué)類專業(yè)的當(dāng)前布局和發(fā)展情況，規(guī)劃至2020年進(jìn)行10個(gè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建立。利用力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，從而切實(shí)提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的興趣和自主學(xué)習(xí)方面的能力，從而切實(shí)提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新方面的能力。

東北大學(xué)理學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心為省級(jí)教學(xué)示范中心和遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基地，承擔(dān)理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、流體力學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)以及力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)等8門本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，以及大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃任務(wù)。本文以該中心力學(xué)與多物理場(chǎng)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)實(shí)踐為例，總結(jié)和探討建設(shè)過程中的一些經(jīng)驗(yàn)以及長(zhǎng)期發(fā)展的思路，并提出針對(duì)力學(xué)這樣覆蓋面廣的工科基礎(chǔ)學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一些設(shè)想。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的基本情況

目前中心用房使用面積達(dá)到2800平方米，近年累計(jì)投入建設(shè)經(jīng)費(fèi)2000余萬元，用于虛擬教學(xué)環(huán)境、虛擬實(shí)驗(yàn)室條件、師資隊(duì)伍與實(shí)驗(yàn)改革等方面的建設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在發(fā)展的過程中遵循“客觀實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真并重”、“科學(xué)研究指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。中心擁有一支結(jié)構(gòu)合理、教學(xué)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)和管理隊(duì)伍。中心常設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目44個(gè)，實(shí)驗(yàn)課程面向全校19個(gè)專業(yè)，年實(shí)驗(yàn)班級(jí)89個(gè)，3750人次。以國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)為導(dǎo)向，中心組建了力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，搭建了網(wǎng)絡(luò)信息化管理平臺(tái)，開發(fā)了大量虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)資源，逐漸形成了校內(nèi)資源共享、校外合理開放的虛擬仿真創(chuàng)新模式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的魅力。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)內(nèi)容與成果

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供更為先進(jìn)的教學(xué)理念，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境、多物理場(chǎng)耦合狀態(tài)下材料力學(xué)行為的仿真實(shí)驗(yàn)，完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)[2]。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，建立虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，理解力學(xué)基本概念與工程設(shè)計(jì)思想，掌握理論知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性以及產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合具有重要的意義[3]。

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化建設(shè)一直是教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要內(nèi)容。中心建設(shè)始終堅(jiān)持以實(shí)踐能力和學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)為宗旨，以建設(shè)內(nèi)容豐富、針對(duì)性強(qiáng)及手段先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為重點(diǎn)，不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元化建設(shè)。東北大學(xué)力學(xué)與多物理場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有大型服務(wù)器、聯(lián)想并行計(jì)算機(jī)群、萬能試驗(yàn)機(jī)等重大數(shù)字化儀器設(shè)備80余臺(tái)套；擁有各類仿真軟件20余套以及AutoCAD、ABAQUS等工程應(yīng)用軟件，中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可為本科生開設(shè)材料力學(xué)、理論力學(xué)、工程力學(xué)教學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)仿真分析、虛擬實(shí)驗(yàn)與虛擬測(cè)量、仿真計(jì)算、虛擬工程實(shí)踐訓(xùn)練等課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面向全校師生開放，開設(shè)各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)20多個(gè)涉及各類課程近30門，每年教學(xué)工作量6000學(xué)時(shí)以上。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心以校園網(wǎng)為依托，各實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、管理和設(shè)備等實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)共享。中心的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)平臺(tái)擁有獨(dú)立的高性能服務(wù)器及配套全面的硬件和軟件設(shè)施，專業(yè)人員進(jìn)行定期維護(hù)和監(jiān)管，保障了教師和學(xué)生在線交流，提高了教學(xué)和學(xué)習(xí)的效果。中心的人員開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理軟件，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上選課、進(jìn)程查詢、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)進(jìn)程規(guī)劃、學(xué)期成績(jī)管理等功能。學(xué)生持學(xué)生證即可登錄虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，選擇自己相關(guān)或者感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。學(xué)生用手機(jī)即可完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)系統(tǒng)記錄學(xué)生登錄與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)權(quán)限查詢并打印學(xué)生成績(jī)。

（二）基礎(chǔ)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

中心目前設(shè)有6個(gè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，分別為材料力學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、理論力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、工程力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、巖石破裂過程數(shù)值實(shí)驗(yàn)室及工程數(shù)值仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。

例如，巖石破裂過程虛擬數(shù)值仿真平臺(tái)可以進(jìn)行包括拉伸、壓縮、剪切、多點(diǎn)彎曲等破壞過程基本實(shí)驗(yàn)過程的模擬，和模擬各種采場(chǎng)、邊坡以及巷道等一些比較復(fù)雜的巖石結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析以及破壞過程的模擬，通過計(jì)算機(jī)來對(duì)巖石破壞的復(fù)雜現(xiàn)象來進(jìn)行了再現(xiàn)，這樣能夠彌補(bǔ)物理試驗(yàn)很難比較直觀的將破壞和巖石變形等直觀演示出來，能夠彌補(bǔ)物理試驗(yàn)的各種不足。利用虛擬仿真試驗(yàn)，學(xué)生不但能夠?qū)r石破壞的過程進(jìn)行模擬，其優(yōu)勢(shì)比較明顯。并且利用虛擬仿真試驗(yàn)，學(xué)生不但能夠?qū)r石破壞的過程進(jìn)行觀察，還能夠很好的了解應(yīng)力場(chǎng)和演化的相關(guān)過程，這樣能夠讓學(xué)生在對(duì)巖石力學(xué)理論進(jìn)行全面的了解，并且還能夠真正的做到舉一反三，加深對(duì)于巖石力學(xué)工程的相關(guān)認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生興趣參與老師的科學(xué)研究，參加學(xué)術(shù)交流，發(fā)表學(xué)術(shù)論文等。又如，材料力學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以進(jìn)行不同材料包括拉伸、壓縮、剪切、彎曲等破壞過程的基本實(shí)驗(yàn)過程模擬，以及各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和破壞過程模擬，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)試驗(yàn)方法很難直觀地演示復(fù)雜過程的不足。

（三）多物理場(chǎng)耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

材料和結(jié)構(gòu)在多物理場(chǎng)作用下的力學(xué)行為是一個(gè)極其復(fù)雜、難度非常大、同時(shí)也具有重要實(shí)際意義的問題，由于其載荷和環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法很難實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下構(gòu)件的變形、應(yīng)力、破壞、乃至運(yùn)動(dòng)規(guī)律等力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有通用性強(qiáng)、方便靈活、成本低的特點(diǎn)[4]。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以觀察復(fù)雜物理場(chǎng)作用下構(gòu)件的力學(xué)行為演變過程，而且可以獲得構(gòu)件在其演化過程的全部信息。中心目前設(shè)有5個(gè)多物理場(chǎng)耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，它們分別為力-熱耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、力-磁耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、流-固耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、力-熱-流耦合技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和力-聲耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。

（四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)成果

經(jīng)過近3年的快速發(fā)展，力學(xué)與多物理場(chǎng)虛擬仿真中心形成了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、前沿實(shí)驗(yàn)為特色的近20個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)積累了豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，諸如多媒體課件、影像資料、課堂錄像，達(dá)到了科學(xué)研究和仿真實(shí)驗(yàn)資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與教學(xué)資源建設(shè)相結(jié)合的明確目標(biāo)。力學(xué)是許多工程學(xué)科的基石，而在各門力學(xué)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)中，客觀條件限制了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的廣泛開展。而基礎(chǔ)擴(kuò)展型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，恰好可以有效地彌補(bǔ)這一局限。目前中心已經(jīng)有3個(gè)典型工程課題轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)范例，實(shí)現(xiàn)了已有基礎(chǔ)科研設(shè)備的優(yōu)化利用，也為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了豐富的工程背景和內(nèi)容補(bǔ)充，提升了設(shè)備的利用效率，提升了設(shè)備的使用價(jià)值，同時(shí)也延伸了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范圍。東北大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)面向全校師生免費(fèi)開放，多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明這種創(chuàng)新模式下的教學(xué)，深受學(xué)生喜愛和支持。經(jīng)過反復(fù)修訂，中心編著的《力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教程》將由東北大學(xué)出版社正式發(fā)行。虛擬仿真教學(xué)資源的合理共享有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也成為課堂教學(xué)和理論教學(xué)的有力支撐，對(duì)提高學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有明顯的效果，達(dá)到了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在校內(nèi)乃至全省發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用的效果。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)存在的問題及分析

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要存在以下的一些問題。1. 多元化信息技術(shù)融合度不夠。之前開發(fā)的傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目多建立于Flash、Director和Matlab等通用開發(fā)技術(shù)平臺(tái)上，而近期的前沿型實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目，對(duì)專業(yè)技能要求更高，采用的計(jì)算機(jī)技術(shù)更加先進(jìn)，比如增加實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的3D效果，嵌入專業(yè)的在計(jì)算分析模塊實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)力場(chǎng)、物理場(chǎng)的耦合計(jì)算，這些變化決定了兩個(gè)階段的工作整合在同一平臺(tái)上變得非常復(fù)雜。2. 教學(xué)資源開放與共享度需要提高。實(shí)驗(yàn)中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與項(xiàng)目主要是面向東北大學(xué)在校師生免費(fèi)開放，部分教材通過出版推廣進(jìn)行共享。面向?qū)ο蟮木窒藓蛡鞑ネ緩降莫M隘導(dǎo)致了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源未能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置和合理共享，其真正價(jià)值并未得到全面發(fā)揮。按照國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的基本要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和項(xiàng)目的開放共享程度需要大力提高，在更大的范圍發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃與建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)主張逐步推進(jìn)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的科學(xué)建設(shè)方法，促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目的順利開展與持續(xù)發(fā)展[5]。1. 全面整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。為推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與日常管理工作的有條不紊，應(yīng)當(dāng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室緊密結(jié)合；積極組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，確保學(xué)生準(zhǔn)確掌握教學(xué)內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)技巧，了解實(shí)驗(yàn)的步驟，通過軟件共享虛擬資源儀器、共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)3方面的有機(jī)融合，真正實(shí)現(xiàn)資源的合理利用、提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平[6]。2. 組建優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開展程度。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，探索有效措施來提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開展程度與適用范圍，面向更多專業(yè)的師生和社會(huì)群體，積極面對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開展過程中所遇到的問題，努力推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的合理建設(shè)和快速發(fā)展。

四、結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和高等教育信息化建設(shè)和的重要內(nèi)容，是先進(jìn)信息技術(shù)與工程實(shí)踐優(yōu)勢(shì)學(xué)科的深度融合。為切實(shí)提高力學(xué)與多物理場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的合理性和延續(xù)性，應(yīng)當(dāng)以優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享為核心，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源信息化建設(shè)為重點(diǎn)，并將其與力學(xué)專業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，為進(jìn)一步推動(dòng)高等學(xué)校力學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。

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