基于虛擬仿真技術(shù)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究*

卜萬奎,徐慧,閆冰潔,朱明聽

(1.菏澤學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,山東 菏澤 274015;2.菏澤學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,山東 菏澤 274015)

0 引言

材料力學(xué)是高校土木工程、機(jī)械、動力、材料等工科專業(yè)必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課,主要研究單根桿件在外力作用下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性問題,在高等院校的教學(xué)計(jì)劃中占有很重要的地位.材料力學(xué)與工程實(shí)際聯(lián)系緊密,該課程主要研究桿件在外力作用下的內(nèi)力、應(yīng)力、變形的規(guī)律,涉及到的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有金屬材料拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)、金屬材料扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、梁的彎曲正應(yīng)力測定等實(shí)驗(yàn).開展上述實(shí)驗(yàn)有利于加深學(xué)生對于力學(xué)理論的理解,對如何更好地應(yīng)用力學(xué)知識解決實(shí)際的工程問題具有重要的意義.

虛擬仿真技術(shù)已成為目前力學(xué)發(fā)展較為先進(jìn)的輔助方法,它是以計(jì)算機(jī)為媒介,將數(shù)字化信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于力學(xué)建模,通過數(shù)值計(jì)算得出結(jié)構(gòu)受力、變形的變化規(guī)律,并通過圖表、云圖或等值線等方式呈現(xiàn).目前,已有不少學(xué)者對于如何將虛擬仿真技術(shù)與材料力學(xué)相融合的相關(guān)課題進(jìn)行了研究,例如:章芳芳將Midas應(yīng)用在土木工程專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)中,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,深化了學(xué)生的工程意識[1];郭旭洋,黃雷將仿真數(shù)值平臺應(yīng)用于材料力學(xué)課程教學(xué)改革中,并達(dá)到了提升材料力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的目的[2];黃濤,胡佳恒等借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn),通過教學(xué)實(shí)例驗(yàn)證了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫娜诤暇€上線下的教學(xué)[3];趙辛將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于與多媒體教學(xué)相結(jié)合的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?并取得了較好的教學(xué)效果[4];馬雯波,許福基于CDIO理念,將建立的虛擬仿真平臺,應(yīng)用在材料力學(xué)課程教學(xué)中,并取得了較好的教學(xué)效果[5];耿志挺,陳學(xué)軍在材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)不僅能使學(xué)生方便的進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課堂操作、課后練習(xí),而且極大的培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力[6].本文基于以上研究成果,設(shè)計(jì)了材料力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),教學(xué)實(shí)踐證明該系統(tǒng)可較好的達(dá)到線下實(shí)驗(yàn)的效果.

1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法落后

由于我校目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在不完善,不能滿足全體學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作的需求.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括金屬材料拉伸與壓縮、壓桿穩(wěn)定、金屬材料的扭轉(zhuǎn)、彎曲正應(yīng)力測定、剪切、彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)等綜合性實(shí)驗(yàn),在上實(shí)驗(yàn)課時(shí),主要是教師先進(jìn)行講解實(shí)驗(yàn)原理、步驟及注意事項(xiàng),學(xué)生按照老師的講解進(jìn)行機(jī)械性的演示操作.這必然帶來部分學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解不深,不會操作,特別是比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),比如彎曲正應(yīng)力測定、彎扭組合變形實(shí)驗(yàn),對于電測原理的接線操作,學(xué)生僅僅通過課堂有限的時(shí)間很難弄通、弄懂,導(dǎo)致做實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生只是單純的為了完成老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,教學(xué)效果不理想.這種教學(xué)方式制約了學(xué)生分析、解決實(shí)際問題能力的提升.

1.2 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置不合理

近年來,學(xué)校按照教學(xué)大綱對各個(gè)專業(yè)的課時(shí)進(jìn)行了調(diào)整,材料力學(xué)課程的學(xué)時(shí)也在不斷減少,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為八學(xué)時(shí).而一些大型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜,相應(yīng)實(shí)驗(yàn)所需課時(shí)較多,這必然導(dǎo)致實(shí)際課時(shí)量與所需課時(shí)量之間不匹配.由于教師在讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)地操作前,占用了一部分時(shí)間講解實(shí)驗(yàn)理論和操作方法,必然沒有充足的時(shí)間讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)地操作,導(dǎo)致學(xué)生不能較好掌握設(shè)備的使用方法,存在實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)際操作脫節(jié)的問題,在這種情況下,無法達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果.

1.3 考核方法不完善

實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)在還在沿用之前的考核方法,往往是將學(xué)生的出勤率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為考核和評價(jià)的依據(jù),這勢必會給一些學(xué)生提供弄虛作假的機(jī)會,即為了應(yīng)付老師、照搬抄襲其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告.因此,這種傳統(tǒng)的考核方式在一定程度上難以激發(fā)學(xué)生主動動手的能力,不能全面的展現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平,限制了學(xué)生實(shí)踐能力的提高.

2 虛擬仿真平臺在實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)用中的探索

針對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題,我校土木工程專業(yè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課題組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革,設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,做到了虛實(shí)結(jié)合,較好的解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化、不足、實(shí)驗(yàn)課時(shí)少等問題.

2.1 虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的目的

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,許多實(shí)驗(yàn)多屬于損耗性實(shí)驗(yàn),每次都要使用大量的低碳鋼或者鑄鐵試件.由于部分學(xué)生不熟悉實(shí)驗(yàn)原理或過程,往往需進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),無形中造成了試件的浪費(fèi),既不經(jīng)濟(jì)又不環(huán)保,甚至是潛在人身安全隱患,虛擬仿真系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)設(shè)備,具有不受場地、時(shí)間及材料限制,更不會存在人身安全問題.學(xué)生可以在虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行無限次重復(fù)實(shí)驗(yàn),不會造成實(shí)驗(yàn)試件的浪費(fèi),從而達(dá)到在線下實(shí)驗(yàn)操作前就熟練掌握了實(shí)驗(yàn)原理、步驟及方法.另外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為線下實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充,可有效避免線下實(shí)際操作中錯(cuò)誤發(fā)生的概率,提高了線下實(shí)驗(yàn)的成功率.

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

虛擬的實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為實(shí)驗(yàn)理論知識介紹、實(shí)驗(yàn)視頻演示和虛擬實(shí)驗(yàn)操作三個(gè)部分.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:金屬材料拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)、彈性模量實(shí)驗(yàn)、剪切實(shí)驗(yàn)、金屬材料扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、梁彎曲正應(yīng)力測定實(shí)驗(yàn)、彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)、沖擊實(shí)驗(yàn)、壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,每個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)的基本原理,還詳解介紹了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)驗(yàn)?zāi)K,如表1所示,實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng),目的是幫助使用者更好的了解和掌握實(shí)驗(yàn).使用者只需要點(diǎn)擊開始按鈕,就可以按照操作提示進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

表1 實(shí)驗(yàn)中的模塊介紹

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟

以拉伸實(shí)驗(yàn)為例,介紹實(shí)驗(yàn)界面操作步驟如下所示.

(1)按照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面的操作提示,點(diǎn)擊“開始”按鈕進(jìn)入實(shí)驗(yàn),先選取試件:“低碳鋼Q235”或者“鑄鐵HT200”,然后利用游標(biāo)卡尺測量出試件的原始尺寸,并將數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)表格.

(2)用鍥形片加緊試件,用夾頭套進(jìn)行固定,旋轉(zhuǎn)上夾頭使之與上橫梁為鉸接狀態(tài),旋出時(shí)不應(yīng)旋出過長,必需保證上夾頭頭套與上橫梁點(diǎn)半之間的間隙應(yīng)在3～10 mm之間.調(diào)整試驗(yàn)機(jī)下夾頭套的位置,打開電機(jī)電源.按下“油泵啟動”按鈕,選擇壓縮上行按鈕使下夾頭上移,打開進(jìn)油手輪使下夾套頭上移直到可以放入試件,移動至合適的位置后,關(guān)閉進(jìn)油手輪,將試件拖動到夾頭位置.

(3)連接測試線路,選擇第一通道測力,并連接到試驗(yàn)機(jī)的拉、壓傳感器上.打開測試箱電源,設(shè)置數(shù)據(jù)采集環(huán)境.選擇“文件”→“引入項(xiàng)目”,按照提示將剛才測定的數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)中,打開進(jìn)油手輪,控制加載速度,進(jìn)行加載測試,當(dāng)試件斷裂后,停止實(shí)驗(yàn).

(4)記錄屈服強(qiáng)度階段的最大荷載值和最小荷載值以及強(qiáng)化階段的最大荷載值,最后將試件與套筒分離后記錄試件斷后的標(biāo)距.具體操作步驟如圖1所示.

(a)測量試件尺寸

(b)裝載試件

(c)連接線路

(d)屈服強(qiáng)度階段的最小荷載值

(e)屈服強(qiáng)度階段的最大荷載值

(f)強(qiáng)化階段的最大荷載值

3 虛擬仿真技術(shù)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)改革

3.1 虛擬和線下教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式

虛擬仿真技術(shù)由電腦技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及測量傳輸技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)集合而成,具有仿真和實(shí)時(shí)交互等特征[7].依據(jù)材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱,我校與某軟件公司共同設(shè)計(jì)開發(fā)了《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)》.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是按照我校材料力學(xué)教學(xué)大綱所要求的全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行研發(fā)制作的,與線下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備高度重合.為充分利用《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)軟件》的優(yōu)勢,提出并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用課堂理論教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式,即在實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐課開設(shè)線下實(shí)驗(yàn)之前,教師首先將實(shí)驗(yàn)中重要的知識和原理傳授給學(xué)生,然后學(xué)生采用該軟件開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生在計(jì)算機(jī)上按照教師講授的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí),這樣學(xué)生對將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)安全規(guī)章制度等內(nèi)容就有了初步的了解,為線下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)[8].現(xiàn)以“金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行介紹,教學(xué)流程圖見圖2.

圖2 虛擬仿真相結(jié)合的教學(xué)流程圖

3.2 學(xué)科競賽教學(xué)模式

教育部在2019年就提出,要有針對性地“以賽促學(xué),以賽促教、以賽促創(chuàng)”,通過學(xué)科競賽來加深學(xué)生對于專業(yè)課程的理解.例如全國大學(xué)生力學(xué)競賽中,在理論與實(shí)踐操作部分需要考察一個(gè)團(tuán)隊(duì)中三位學(xué)生對力學(xué)基礎(chǔ)知識的理解,以及學(xué)生的動手能力、合作能力和創(chuàng)新能力等[9].比賽中,需要團(tuán)隊(duì)利用自己所學(xué)到的力學(xué)知識進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,這就要求學(xué)生必需具備較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力,因此,通過讓學(xué)生參加力學(xué)競賽,激發(fā)學(xué)生利用虛擬仿真與線下實(shí)踐相結(jié)合的方式,進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究,同時(shí)提升了學(xué)生的動手能力及自我創(chuàng)新的能力.

3.3 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方法改革

傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式是以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績?yōu)橹?對課前預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作不做要求.本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,即在實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)并將其作為考核的依據(jù).學(xué)生在實(shí)驗(yàn)理論課結(jié)束后,在計(jì)算機(jī)上模擬虛擬實(shí)驗(yàn),按照實(shí)驗(yàn)提示進(jìn)行操作,并導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,最后在實(shí)驗(yàn)室實(shí)地操作后完成實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成后統(tǒng)一報(bào)送給實(shí)驗(yàn)教師批閱[10]-[11].最終的實(shí)驗(yàn)成績由三部分組成,即:理論上課情況,占比為20%;虛擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況,占比為30%;實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況,占比為50%,實(shí)驗(yàn)的總成績=理論上課×20%+虛擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績×30%+實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)報(bào)告×50%.通過這種考核方式的改革,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)際操作能力都得到了極大的提高.此外,在進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)之前,學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基本上掌握了實(shí)驗(yàn)過程中的操作要點(diǎn)及各種安全注意事項(xiàng),有效提高了線下實(shí)驗(yàn)的成功率,極大地保障了學(xué)生的人身安全.

4 結(jié)束語

針對目前部分院校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不完善的問題和材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀,本文開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),可讓學(xué)生不受時(shí)間、場地,實(shí)驗(yàn)耗材及實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的限制進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的線上實(shí)驗(yàn)操作,直觀的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)靈活、重復(fù)使用率高、實(shí)驗(yàn)成本低等的特點(diǎn),通過與理論教學(xué)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,能夠幫助學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)原理、掌握操作流程,節(jié)約了教學(xué)資源,提高了教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率與學(xué)生學(xué)習(xí)效率,全方位的提升學(xué)生的實(shí)踐能力.