材料力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展思路研究

張海洋 郭焜 趙秀云

摘要：結(jié)合高校的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為了滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足，并達(dá)到節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的目的，可以將虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用到材料力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比具有靈活性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等優(yōu)點(diǎn)，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣，并對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到完善、補(bǔ)充和拓展的作用，是今后教學(xué)改革的新方向。通過(guò)對(duì)存在的現(xiàn)有問(wèn)題分析，給出了推薦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：（2021）-06-364

1引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及高等學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的不斷提高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等學(xué)校的應(yīng)用日益增多。它可以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)成本，交互性和安全性等方面的不足，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，相互補(bǔ)充，可以有效促進(jìn)高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的提高。2013年，教育部正式啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，通過(guò)建設(shè)具有示范引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了一些虛擬實(shí)驗(yàn)室，建立一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是成功進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵，而要建立一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，首先要做的工作是選擇實(shí)際可行的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)解決方案。對(duì)于國(guó)內(nèi)教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，有如下幾點(diǎn)建議：1）用平民化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和應(yīng)用;2）更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念，重新認(rèn)識(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室;3）切合實(shí)際，合理選擇開(kāi)發(fā)技術(shù)。材料力學(xué)是工科學(xué)生的專業(yè)必修課，其實(shí)驗(yàn)眾多，有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴。因此，開(kāi)發(fā)虛擬演示實(shí)驗(yàn)是對(duì)材料力學(xué)教學(xué)的有益補(bǔ)充，可以節(jié)省有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及應(yīng)用意義

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)具有顯著優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間

學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是有一定的學(xué)時(shí)限制的，學(xué)生在到實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)就能節(jié)約時(shí)間。

2.1.2降低實(shí)驗(yàn)成本

材料力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)主要是破壞性實(shí)驗(yàn)，如果在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中出現(xiàn)失誤，就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗，一旦失敗既浪費(fèi)了試件，也有可能造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞。而在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，防止錯(cuò)誤產(chǎn)生，這樣就提高了實(shí)驗(yàn)的成果率，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

2.1.3彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的不足

學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)可能會(huì)受到實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量有限、教學(xué)安排沖突等客觀條件的影響，如果是虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)條件的不足，并且能豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論的理解。

2.1.4降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行金屬試件的壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生試件飛出傷到實(shí)驗(yàn)者的情況，用虛擬實(shí)驗(yàn)就解決了這一問(wèn)題，學(xué)生可以放心的去做各種危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)，而不必考慮會(huì)造成傷害。

2.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用意義

（1）虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代教育方面的應(yīng)用是一種趨勢(shì)，2014年教育部公布通過(guò)的100所國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，就是在推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。2008年國(guó)家提出大力發(fā)展職業(yè)教育，將虛擬仿真技術(shù)充分應(yīng)用到職業(yè)教育中，提高職業(yè)教育發(fā)展水平和效果，也是明確表示仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境能很好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)交互：學(xué)生與媒體界面的操作交互、學(xué)生與教學(xué)要素的信息交互、學(xué)生的概念與新概念的概念交互，其內(nèi)容比課堂教學(xué)豐富、生動(dòng)、靈活，學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)和學(xué)習(xí)進(jìn)度的限制而進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)，不用進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，是傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充，在明顯提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)能有效降低對(duì)實(shí)驗(yàn)室資源的依賴性。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展思路

3.1進(jìn)一步加強(qiáng)組織保障和制度建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室要保持長(zhǎng)期高效的發(fā)展，政策和制度的建設(shè)是重要的保障。

（1）進(jìn)一步制定和優(yōu)化政策，鼓勵(lì)學(xué)科帶頭人和高水平教師積極投身虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引進(jìn)高層次人才，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次和水平。

（2）推行理論課教師從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課教師兼任理論教學(xué)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的融會(huì)貫通，保證有一支高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。

（3）從人員職責(zé)、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放、儀器設(shè)備使用保管、實(shí)驗(yàn)室安全、平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理與權(quán)限管理等方面制定更全面、更嚴(yán)格的管理制度和規(guī)章規(guī)范，保證實(shí)驗(yàn)中心運(yùn)行的高效性和穩(wěn)定性。

3.2 高性能技術(shù)平臺(tái)的有效融合

力學(xué)作為工科基礎(chǔ)學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)要貼近工程、反映實(shí)際，力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要不斷采用先進(jìn)的技術(shù)，采用可以進(jìn)行更復(fù)雜數(shù)值模擬的高性能計(jì)算系統(tǒng)和具有更真實(shí)表現(xiàn)力的三維互動(dòng)呈現(xiàn)技術(shù)，在更大范圍共享互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將這些技術(shù)進(jìn)行有效融合，打造先進(jìn)的高性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

3.3開(kāi)發(fā)精品項(xiàng)目，推動(dòng)全面開(kāi)放共享

在強(qiáng)大的組織制度保障和技術(shù)先進(jìn)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)支撐下，有效整合教學(xué)、科研、技術(shù)支撐等方面人才隊(duì)伍，充分發(fā)揮人才隊(duì)伍的特長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)，圍繞科技前沿和工程實(shí)際，開(kāi)發(fā)更多的精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工程的支持下，推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)深入和全面的開(kāi)放共享，實(shí)現(xiàn)共享、共贏和教學(xué)示范效果的最大化。

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通訊作者： 趙秀云 山東協(xié)和學(xué)院

項(xiàng)目來(lái)源：2021年實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱為：基于大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究;項(xiàng)目編號(hào)：2021SYKF21”

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