虛擬仿真技術(shù)在材料力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

郭焜 張海洋 趙秀云

摘要：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)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。

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）-06-420

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，人們開始認(rèn)識(shí)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，它除了可以輔助高校的科研工作，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也具有如利用率高，易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，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)

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。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作實(shí)例

在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，低碳鋼的拉伸試驗(yàn)是進(jìn)行的最為廣泛的試驗(yàn)之一，其拉伸過程可以劃分為四個(gè)階段——彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段，因此，此次研究以低碳鋼的拉伸試驗(yàn)為例來說明一下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的全過程。

進(jìn)入演示，按提示操作，依次點(diǎn)擊各個(gè)交互區(qū)域，激發(fā)下一步操作，如圖1和圖2所示。進(jìn)入拉伸破壞演示動(dòng)畫畫面，指針會(huì)模擬加載的拉力大小，如圖3所示。拉伸破壞演示完成后會(huì)自動(dòng)顯示應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。在顯示應(yīng)力應(yīng)變曲線后，可以按系統(tǒng)提示操作進(jìn)入斷面展示界面。

低碳鋼拉伸虛擬演示實(shí)驗(yàn)不僅可以使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)過程，還可以使學(xué)生清楚地觀測(cè)到低碳鋼在屈服時(shí)加載力表盤指針的擺動(dòng)以及試件表面45°滑移線的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)最后還可以觀測(cè)到頸縮的產(chǎn)生以及試件斷面情況。由于滑移線產(chǎn)生以及頸縮的時(shí)間都很短，所以在實(shí)驗(yàn)室做真實(shí)實(shí)驗(yàn)，很難觀察到詳細(xì)的變化過程。而通過虛擬演示實(shí)驗(yàn)，在此階段可以放慢實(shí)驗(yàn)速度，并局部放大試件變化明顯的部位，學(xué)生可以清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，不僅使學(xué)生容易理解理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還提高了實(shí)驗(yàn)的趣味性，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了教學(xué)效果。

4建設(shè)中存在的問題

4.1多種信息技術(shù)整合不夠

由于實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是需要多年分階段、分模塊逐步建設(shè)積累的，因此，結(jié)合不同的建設(shè)階段、不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要采用多種具有差異性的技術(shù)。對(duì)專業(yè)性和技術(shù)性的要求較高，在計(jì)算機(jī)方面的要求，要有3D效果，需要嵌入專業(yè)的分析模塊。這樣就使得在統(tǒng)一平臺(tái)上的工作變得比較復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如若處于單機(jī)操作環(huán)境下，就需要花費(fèi)相當(dāng)多的人力、物力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)版的改造，才能更方便地通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行更有效、更廣泛的示范推廣。

4.2 教學(xué)資源開放共享程度有待擴(kuò)展

實(shí)驗(yàn)室的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源按照國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目教學(xué)資源的開放共享程度需要進(jìn)一步擴(kuò)大，推廣到更多的高校和單位，在更大的范圍發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用。

5結(jié)束語

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)及其在教學(xué)中的應(yīng)用，使學(xué)生能形象化了解基本理論，這對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到了完善、補(bǔ)充和拓展的作用，是今后教學(xué)改革的主要內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣呓虒W(xué)的質(zhì)量，改善教學(xué)的效果，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與學(xué)習(xí)興趣，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握以及在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫方面都比不采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生要好很多。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有可控性，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀測(cè)的不足。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有效縮短了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生比實(shí)驗(yàn)室做真實(shí)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生節(jié)省了大約半個(gè)小時(shí)的時(shí)間，大家可以利用這些時(shí)間參與其他的活動(dòng)，豐富了學(xué)生的生活。虛擬實(shí)驗(yàn)不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且在一定程度上彌補(bǔ)了教學(xué)資源不足的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]田豐.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（11）：89-92.

[2]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.

通訊作者： 趙秀云 山東協(xié)和學(xué)院

項(xiàng)目來源：2021年實(shí)驗(yàn)室開放項(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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