基于虛擬仿真的“三層次四平臺(tái)”力學(xué)類課程體系探索與實(shí)踐

莫春美 李甜 楊漢寧

[摘? ? ? ? ? ?要]? 虛擬仿真技術(shù)可將抽象理論知識(shí)可視化，彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足。將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)土木工程專業(yè)力學(xué)類課程教學(xué)中，建立“三層次四平臺(tái)”力學(xué)類課程虛擬仿真教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和技能提高等多功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了三層級(jí)遞進(jìn)式的實(shí)踐項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生由基礎(chǔ)性技能向?qū)嵺`性技能和創(chuàng)新性技能轉(zhuǎn)變，為高校培養(yǎng)復(fù)合型人才的目標(biāo)助力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛擬仿真;力學(xué);課程體系;“三層次四平臺(tái)”

[中圖分類號(hào)]? G647? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2022）12-0094-03

理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)是高校土木工程專業(yè)重要的三門專業(yè)核心課，課程理論性強(qiáng)、概念抽象、與工程實(shí)踐密切相關(guān)，能為土木工程專業(yè)的學(xué)生將來解決實(shí)際工程中力學(xué)問題提供科學(xué)的思路和方法，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)計(jì)劃中占據(jù)重要地位?！督逃?國(guó)家發(fā)展改革委 財(cái)政部關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》指出，普通本科高校要把培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)到培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才上來，全面提高學(xué)校服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)力學(xué)類課程的教學(xué)方式，將虛擬仿真教學(xué)引入土木工程專業(yè)力學(xué)類課程中，促使課程內(nèi)容更具仿真性、互動(dòng)性，通過虛擬仿真教學(xué)給學(xué)習(xí)者沉浸式的直觀體驗(yàn)，帶來較強(qiáng)的實(shí)操代入感。結(jié)合高?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需求現(xiàn)狀，建立“三層次四平臺(tái)”力學(xué)類虛擬仿真課程教學(xué)體系，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，提高學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新技能，對(duì)保證高校培養(yǎng)復(fù)合型人才質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步和學(xué)科專業(yè)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)可利用仿真計(jì)算軟件和計(jì)算機(jī)平臺(tái)，既可以再現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，又可以展開傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以開展的高成本、高危險(xiǎn)、高難度試驗(yàn)[1]，因此得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞，紛紛將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)課堂教學(xué)中。美國(guó)大學(xué)在力學(xué)系列課程中引入MATLAB、Excel、ANSYS等軟件，在課堂上不僅講解軟件輔助解題過程和驗(yàn)證力學(xué)知識(shí)，甚至學(xué)生的作業(yè)也是利用計(jì)算機(jī)完成，加深了學(xué)生對(duì)抽象力學(xué)知識(shí)的理解，也為將來解決工程實(shí)際問題打下扎實(shí)的基礎(chǔ)[2]。從2006年開始，英國(guó)開放大學(xué)基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬世界“第二人生”（Second Life）開展教學(xué)，構(gòu)建與課堂平行的三維虛擬環(huán)境[3]。在我國(guó)，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于力學(xué)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有研究學(xué)者將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建設(shè)工程力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)條件的不足，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享[4]。也有學(xué)者在材料力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)中引入U(xiǎn)nity 3D程序，開發(fā)材料組合變形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作過程[5]。力學(xué)課程具有概念性強(qiáng)的特點(diǎn)，將CAE軟件應(yīng)用于力學(xué)課程教學(xué)中，可將典型力學(xué)知識(shí)可視化[6]。在力學(xué)課程的教學(xué)中增加ANSYS軟件上機(jī)訓(xùn)練，加深和提高學(xué)生對(duì)理論力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和軟件的操作能力[7]。

二、力學(xué)仿真教學(xué)的必要性

伴隨人工智能時(shí)代的到來，在新工科背景下社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的能力要求更高，土木工程專業(yè)本身具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，傳統(tǒng)的力學(xué)類課程教育和培養(yǎng)模式已經(jīng)不再適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，也不能滿足學(xué)生技能性創(chuàng)新的需求。

（一）將抽象理論知識(shí)可視化

力學(xué)類課程具有理論性強(qiáng)、概念多、知識(shí)系統(tǒng)龐大等特點(diǎn)，將虛擬仿真教學(xué)引入土木工程專業(yè)力學(xué)類課堂教學(xué)中，可以通過虛擬仿真軟件對(duì)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析，模擬結(jié)構(gòu)的變形、破壞情況，將內(nèi)力、應(yīng)力、變形等抽象的概念以直觀、形象的變形圖和應(yīng)力云圖等形式展示給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂學(xué)習(xí)效率。

（二）破解“重理論、輕實(shí)踐”問題

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師更偏重于講授每道題目的計(jì)算方法和步驟，重理論、輕應(yīng)用，久而久之，學(xué)生只重視最終計(jì)算結(jié)果，并不知道如何利用力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題。力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)多為破壞性實(shí)驗(yàn)，耗材多，破壞過程短暫，學(xué)生很難察覺整個(gè)破壞的過程，實(shí)驗(yàn)過程中不可控情況多且具有一定的危險(xiǎn)性，破壞性實(shí)驗(yàn)是不可逆的，由于資源有限，并不能保證每位學(xué)生有足夠的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)。將ABAQUS等仿真軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生利用仿真軟件，對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)簡(jiǎn)化、建模、內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強(qiáng)化學(xué)生理解基本概念的同時(shí)還提升了對(duì)工程結(jié)構(gòu)的分析能力。

（三）提高創(chuàng)新技能

實(shí)際工程結(jié)構(gòu)分析具有多樣性，包括受力分析、變形分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析，在力學(xué)類課程實(shí)踐環(huán)節(jié)中，增設(shè)一些開放性、設(shè)計(jì)性實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生利用虛擬仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高創(chuàng)新技能。

三、建立基于虛擬仿真的“三層次四平臺(tái)”力學(xué)類課程體系

將理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)三大力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合，根據(jù)內(nèi)容特點(diǎn)建立基于虛擬仿真的“三層次四平臺(tái)”土木工程專業(yè)力學(xué)類課程教學(xué)體系，四大仿真平臺(tái)可分為基礎(chǔ)仿真、過程仿真、實(shí)訓(xùn)仿真及技能競(jìng)賽，實(shí)現(xiàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)和技能鑒定等多功能，培養(yǎng)學(xué)生由基礎(chǔ)性技能向?qū)嵺`性技能和創(chuàng)新性技能轉(zhuǎn)變?！叭龑哟嗡钠脚_(tái)”的虛擬仿真教學(xué)體系如圖1所示。

力學(xué)基礎(chǔ)仿真包括約束分析、荷載分析、結(jié)構(gòu)形式分析、應(yīng)力分析和變形分析等基礎(chǔ)知識(shí)，教師通過仿真技術(shù)將抽象的力學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的圖片，甚至以動(dòng)態(tài)的形式展示出來，將難以理解的抽象力學(xué)理論直觀化、形象化，加深學(xué)生對(duì)概念的理解，避免了學(xué)生僅僅是對(duì)字面上的理解，旨在夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

力學(xué)過程仿真主要以控制參數(shù)為主，讓學(xué)生初步體驗(yàn)結(jié)構(gòu)從建模、分析到最后優(yōu)化的整個(gè)仿真步驟，使學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)幾何組成分析原理、內(nèi)力分析原理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理等掌握得更加牢固，為提高學(xué)生實(shí)踐技能提供必要條件。力學(xué)過程仿真彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)學(xué)生無法親自動(dòng)手操作的不足。

力學(xué)實(shí)訓(xùn)仿真是“四平臺(tái)”的核心，是由基礎(chǔ)性技能向?qū)嵺`性技能轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，學(xué)生通過仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、分析和優(yōu)化，通過模擬展示結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化、變形和破壞過程，更加形象直觀地讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)的工作過程，操作性更強(qiáng)，也為培養(yǎng)和提高創(chuàng)新性技能打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新技能是實(shí)踐技能的進(jìn)一步升華，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中增設(shè)一些具有開放性、創(chuàng)新性的實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生在掌握實(shí)踐技能的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新能力。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生結(jié)構(gòu)競(jìng)賽，以賽促學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，也為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

四、設(shè)計(jì)三層級(jí)遞進(jìn)式實(shí)踐項(xiàng)目

開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，大大提升實(shí)訓(xùn)效率并減少資源投入與浪費(fèi)，創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式，推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)的深度融合?；谂囵B(yǎng)學(xué)生從簡(jiǎn)到繁、單一到綜合、實(shí)現(xiàn)解決實(shí)際問題和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合的目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)功能和應(yīng)用為導(dǎo)向，在理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，與混凝土結(jié)構(gòu)原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)課相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生能力遞進(jìn)為目的，強(qiáng)調(diào)相關(guān)課程知識(shí)的有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)化工作過程系統(tǒng)化，充分發(fā)揮前期力學(xué)知識(shí)和后期專業(yè)課之間的紐帶作用，將單門課項(xiàng)目任務(wù)向課程群綜合性項(xiàng)目任務(wù)升級(jí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到各專業(yè)課之間的聯(lián)系，建構(gòu)完整的專業(yè)知識(shí)架構(gòu)，將土木工程專業(yè)的力學(xué)類實(shí)訓(xùn)過程分為如圖2所示的三層級(jí)遞進(jìn)項(xiàng)目，由簡(jiǎn)單的一級(jí)項(xiàng)目逐漸向復(fù)雜的三級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目遞進(jìn)，實(shí)訓(xùn)仿真為學(xué)生參加土建類技能競(jìng)賽奠定了軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)。

一級(jí)項(xiàng)目是基礎(chǔ)項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)技能，理論力學(xué)是土木工程專業(yè)學(xué)生首次接觸力學(xué)類課程，是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本學(xué)科，而材料力學(xué)是在先修理論力學(xué)的基礎(chǔ)上，研究單根桿件在各種外力作用下的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，因此在設(shè)計(jì)三層級(jí)遞進(jìn)式實(shí)踐項(xiàng)目時(shí)考慮理論力學(xué)與材料力學(xué)各自的特點(diǎn)及其內(nèi)容關(guān)聯(lián)性。在一級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中主要通過仿真軟件以生動(dòng)的云圖和動(dòng)畫將抽象的支座形式、應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度等呈現(xiàn)出來，將理論知識(shí)可視化，同時(shí)增加仿真軟件基本操作環(huán)節(jié)，學(xué)生熟悉軟件各項(xiàng)功能及建模步驟，為后續(xù)提升實(shí)踐技能打好扎實(shí)的理論知識(shí)和軟件基本操作能力。

二級(jí)項(xiàng)目在一級(jí)項(xiàng)目感性認(rèn)知和理論知識(shí)掌握的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的實(shí)踐技能，將三大力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，學(xué)生通過分析實(shí)際工程簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)等，對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)簡(jiǎn)化，并利用仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其中包括桿件建模、節(jié)點(diǎn)處理、支座處理和荷載布置，然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形和破壞分析，該環(huán)節(jié)學(xué)生經(jīng)歷結(jié)構(gòu)的整體建模及分析，并且可直觀觀察整個(gè)結(jié)構(gòu)的工作過程，學(xué)生鞏固理論知識(shí)的同時(shí)還可以提升實(shí)踐操作能力，并為后續(xù)創(chuàng)新技能的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

三級(jí)項(xiàng)目中將三大力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)課進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，三級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容主要是學(xué)生對(duì)較復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行自主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及分析，最后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，學(xué)生在進(jìn)行自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)和提升創(chuàng)新技能，同時(shí)在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)增設(shè)一些具有開放性、創(chuàng)新性的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生今后就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

五、結(jié)語

建立基于虛擬仿真的“三層次四平臺(tái)”力學(xué)類課程教學(xué)體系，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的不足，豐富教學(xué)內(nèi)容，通過設(shè)計(jì)三層級(jí)遞進(jìn)式實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用能力，加深對(duì)基礎(chǔ)理論理解的同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，保證應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)質(zhì)量，對(duì)培養(yǎng)新形勢(shì)下土木工程專業(yè)復(fù)合型技能人才具有重要意義。

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◎編輯 司 楠