虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

劉習(xí)軍　張素俠　崔福將　周安琪

摘? 要：隨著虛擬儀器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高等教育中已得到了廣泛重視，天津大學(xué)通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了“工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)”開(kāi)放課程中的5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)兩個(gè)學(xué)期的應(yīng)用，取得了很好的教學(xué)效果，解決了實(shí)驗(yàn)課程中的動(dòng)手操作問(wèn)題，是值得大力推廣的一種新的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn);高校課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2019）26-0115-03

Abstract： Along with the development of the virtual instrument and computer technology， virtual simulation experiment has received extensive attention in higher education.Tianjin University establishes simulation experiment platform and design the five virtual simulation experiment of the open course called "engineering vibration test technology".Through the application of two semesters， the open course has obtained good teaching effect and solved the hands-on problems in experimental courses， whichshows that it is worth promoting a new teaching mode.

Keywords： virtual experiment; college courses; experimental teaching; teaching reform

一、概述

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在普通高等教育中占有非常重要的地位。隨著虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向[1]。什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)所編制的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件，是除理論與物理實(shí)驗(yàn)之外的第三種教學(xué)研究手段[2]。

從教學(xué)應(yīng)用角度來(lái)看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是使得學(xué)生可以通過(guò)操作計(jì)算機(jī)來(lái)操作自定義的虛擬儀器。對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作。它可擴(kuò)展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的功能，是促進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先進(jìn)性展示的教學(xué)平臺(tái)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是：1. 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本，減少部分儀器設(shè)備的購(gòu)置。同時(shí)也不需要傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中易耗品的消耗。2. 不受實(shí)驗(yàn)和空間的限制。學(xué)生可在學(xué)習(xí)的任何時(shí)段、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3. 不受客觀條件的影響，可實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)現(xiàn)完全相同條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)等。4. 實(shí)現(xiàn)教育資源共享，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，節(jié)省實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和場(chǎng)地的投資[3]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)物實(shí)驗(yàn)的，它采用多媒體信息技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，是值得大力推廣的一種新的教學(xué)模式[2]。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容

天津大學(xué)建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，設(shè)計(jì)了“工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)” 開(kāi)放課程中的5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，引入了先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以完備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合了軟硬件的功能模塊，大大提升了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的功能多樣化和重復(fù)利用率，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺(tái)的擴(kuò)展性，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的發(fā)展。

（一）虛擬儀器

虛擬儀器是利用美國(guó)NI公司的DASYLab學(xué)生教學(xué)平臺(tái)設(shè)立的，利用此平臺(tái)編制虛擬儀器，可驗(yàn)證采樣定理、頻率混淆和窗函數(shù)的應(yīng)用，柵欄效應(yīng)曲線，濾波器的特性曲線等，圖2是在此平臺(tái)上所編制的驗(yàn)證數(shù)字分析中柵欄效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)框圖。

（二）車橋耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變及沖擊系數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)

車輛-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變及沖擊系數(shù)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，它包括兩部分內(nèi)容：1. 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)車輛過(guò)橋時(shí)，橋梁各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析;2. 沖擊系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，設(shè)置正常跑車實(shí)驗(yàn)和跳車實(shí)驗(yàn)工況，分別采集動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析相應(yīng)的沖擊系數(shù)。通過(guò)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，主要掌握結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變使用方法，能夠利用動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算沖擊系數(shù)[4]。

（三）橋梁實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)—傳遞函數(shù)法

傳遞函數(shù)法是在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量激振力時(shí)間歷程和響應(yīng)時(shí)間歷程的方法，如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用力錘激勵(lì)斜拉橋模型進(jìn)行測(cè)試分析。通過(guò)模態(tài)分析軟件得到傳遞函數(shù)的幅頻曲線、相頻曲線、實(shí)頻曲線和虛頻曲線，然后通過(guò)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，得到橋梁的若干階固有頻率、振型和阻尼比。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析軟件的使用方法，加深對(duì)理論知識(shí)的理解[5]。

（四）橋梁實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)—環(huán)境激勵(lì)法

環(huán)境激勵(lì)法是在實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)量激振力的方法，如圖5所示，它應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行人工激勵(lì)的情況。本實(shí)驗(yàn)是對(duì)車輛激勵(lì)作用下的斜拉橋模型模態(tài)進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)模態(tài)分析軟件可以得到響應(yīng)的自功率譜、互功率幅值譜、互功率相位譜、相干函數(shù)和傳遞率，通過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別，得到橋梁的若干階固有頻率和振型及阻尼比。通過(guò)與傳遞函數(shù)法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，測(cè)試的結(jié)果是基本相同的，可以更好的理解模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)的固有特性參數(shù)這一概念。

（五）跨海大橋力學(xué)綜合測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以跨海大橋這一典型的大型工程結(jié)構(gòu)物為例，針對(duì)所涉及的風(fēng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、振動(dòng)模態(tài)等力學(xué)問(wèn)題，綜合運(yùn)用多門(mén)力學(xué)基礎(chǔ)和專業(yè)課程的知識(shí)，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景揭示所涉及的力學(xué)規(guī)律。此實(shí)驗(yàn)是綜合探究性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，旨在使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)力學(xué)課程理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，拓展基礎(chǔ)和專業(yè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，了解和掌握力學(xué)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器和測(cè)試方法，培養(yǎng)實(shí)際操作能力、分析解決問(wèn)題能力、研究設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展的重要部分，首先由實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)討論制作方案，寫(xiě)出腳本，然后由專業(yè)公司制作，具體如下：

1. 首先對(duì)專業(yè)公司制作團(tuán)隊(duì)進(jìn)行培訓(xùn)，將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的講解并演示操作過(guò)程，使制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)人員對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。

2. 針對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理和涉及的知識(shí)點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)劃分為幾大模塊（如：實(shí)驗(yàn)介紹、儀器連接、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等）。

3. 確定制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的每個(gè)模塊所需要的材料（如：文本信息、模型和儀器的實(shí)物圖片、錄制儀器連接過(guò)程、錄制軟件的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集過(guò)程等等），撰寫(xiě)詳細(xì)的腳本文件。

4. 對(duì)各模塊的功能和實(shí)施過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，對(duì)每個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并配合圖片展示，并配以解說(shuō)詞。如：傳感器的安裝、參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)的采集和處理等，同時(shí)給出明確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與要求。

5. 專業(yè)公司制作團(tuán)隊(duì)根據(jù)撰寫(xiě)的腳本文件進(jìn)行首次制作，雙方及時(shí)進(jìn)行溝通，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)中不符的地方，并給出具體的修改意見(jiàn)，直至其達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

6. 依次完成每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的制作，逐步完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用有兩種方法：1. DASYLab平臺(tái)法，可以通過(guò)下載軟件文件安裝在個(gè)人電腦上，運(yùn)行相關(guān)軟件就可以進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。2. 車橋耦合虛擬仿真平臺(tái)法，可以在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行學(xué)習(xí)，點(diǎn)擊有關(guān)圖標(biāo)即可進(jìn)行有關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（車橋耦合沖擊系數(shù)、橋梁實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析-傳遞函數(shù)法、橋梁實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析-環(huán)境激勵(lì)法）。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用是多種多樣的，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的突破點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

結(jié)合天津大學(xué)的MOOC“工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)”課程，利用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)，熟悉虛擬儀器技術(shù)的編程方法，運(yùn)行虛擬儀器驗(yàn)證數(shù)字信號(hào)中的采樣定理、頻率混淆和窗函數(shù)的物理意義，熟悉FFT的計(jì)算方法，掌握虛擬儀器在工程上的應(yīng)用。

結(jié)合天津大學(xué)的MOOC“工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)”課程，利用車橋耦合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先熟悉測(cè)試設(shè)備的操作應(yīng)用、參數(shù)設(shè)置、傳感器的安裝和系統(tǒng)之間的儀器設(shè)備連接等操作步驟，通過(guò)進(jìn)行車橋沖擊系數(shù)熟悉儀器的簡(jiǎn)單應(yīng)用，進(jìn)一步可利用兩種激振方法對(duì)橋梁模型進(jìn)行模態(tài)分析，這樣通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即可掌握工程測(cè)試技術(shù)課程的基本內(nèi)容。

五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用，取得了很好的效果，提高了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，驗(yàn)證了現(xiàn)有理論的正確性。為了能夠?qū)W(xué)生快速進(jìn)行素質(zhì)教育，并接觸到前沿的科學(xué)知識(shí)，就必須提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，讓先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容走進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為智慧前沿科學(xué)知識(shí)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂提供了方便[6，7]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用軟硬件功能模塊相結(jié)合的方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，有助于革新傳統(tǒng)的教學(xué)模式，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)新，促進(jìn)開(kāi)放教育的發(fā)展。

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)雖然由于生產(chǎn)廠家不同，導(dǎo)致儀器面板設(shè)計(jì)不同、軟件的菜單設(shè)計(jì)不同，但測(cè)試原理是相同的，只要掌握了一種設(shè)備的應(yīng)用方法，類似設(shè)備的使用也就掌握了。

六、結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中的一種新模式，在講課過(guò)程中采用統(tǒng)一的設(shè)備進(jìn)行初步操作學(xué)習(xí)，在對(duì)操作步驟熟悉后，可根據(jù)各自單位的具體實(shí)驗(yàn)條件（設(shè)備）進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，解決了不同單位不同設(shè)備的教學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了利用MOOC學(xué)習(xí)的終身教育問(wèn)題。這種利用統(tǒng)一的教學(xué)模式，分散的振動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，是值得大力推廣的一種新的教學(xué)模式。

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