虛擬實驗技術在力學實驗教學中的應用與探討

［摘 要］ “力學”是土木類和機械類專業(yè)本科階段首先聯(lián)系理論與實際工程應用的課程，實驗教學更是課程實踐的核心?；谔摂M實驗技術設計了一種力學實驗翻轉教學模式，針對目前“力學”課程實驗教學的現(xiàn)狀與問題，有效地通過“虛實結合”形式，發(fā)揮虛擬實驗技術的優(yōu)勢，提升力學實驗教學的質量與效果。通過課前虛擬實驗預習、課中實操結合研討、課后總結與拓展3個環(huán)節(jié)，把虛擬實驗作為力學實驗教學的補充，并以“純彎曲梁的正應力測定實驗”的實施過程中虛擬實驗技術的應用為例，展示力學虛擬實驗的設計及與實物實驗相結合的實施要點。通過實驗實施，學生更好地掌握力學實驗的基本原理和操作流程，加深對實驗的認知，同時創(chuàng)造了培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的條件。

［關鍵詞］ 力學；實驗教學；虛擬實驗；虛實結合

［基金項目］ 2021年度海軍工程大學教學發(fā)展基金項目“以理實結合為牽引的工程力學‘微實驗’應用探索”（2021A08）

［作者簡介］ 胡年明（1989—），男，湖北武漢人，工學博士，海軍工程大學基礎部力學教研室講師，主要從事固體力學、沖擊動力學研究；吳 菁（1981—），女，湖北咸寧人，工學博士，海軍工程大學基礎部力學教研室副教授，主要從事復合材料力學研究；吳林杰（1987—），男（土家族），湖北宜昌人，工學博士，海軍工程大學基礎部力學教研室講師（通信作者），主要從事爆炸力學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）07-0001-04 ［收稿日期］ 2023-12-12

對于土木類和機械類專業(yè)而言，“力學”課程是架起理論學習與實際工程應用之間的橋梁。實驗教學作為“力學”課程的重要組成部分，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力，促使他們深入理解知識并構建堅實的知識框架。特別是培養(yǎng)學生“理論與實踐相結合”思維模式，實驗教學發(fā)揮著不可替代的作用［1］。然而，當前部分力學實驗課程仍沿用傳統(tǒng)的“理論講解—實驗操作—實驗報告”模式，實驗內容主要圍繞驗證型實驗展開，與工程實踐的關聯(lián)較為薄弱，缺乏創(chuàng)新性探究的空間，無法完全滿足同時培養(yǎng)創(chuàng)新意識和工程實踐能力的復合型人才的目標要求。

信息技術和網絡技術的快速發(fā)展有效加快了“智能+教育”“線上線下融合”以及“虛實結合”教育領域的發(fā)展。眾多教育工作者開始探索將虛擬仿真技術應用到實踐教學中，以解決實驗教學中存在的一些問題［2］。在力學實驗教學中，虛擬實驗技術的應用為實驗教學的“線上線下混合”和“翻轉式教學”等教學模式的改革創(chuàng)造了良好的機遇。這些進步不僅與未來教育的發(fā)展趨勢一致，還有助于培養(yǎng)具備工程實踐能力和思維創(chuàng)新性的人才。

一、力學實驗教學的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

在新形勢下，面對新的教學要求和人才培養(yǎng)目標，“力學”課程的實驗教學面臨以下挑戰(zhàn)［3］。

（一）教學組織限于實驗環(huán)境，缺乏“自主空間”

力學實驗課程的實驗設備數(shù)量和場地要求是限制實驗教學的關鍵因素，學生在課前接觸實驗設備機會較少，無法提前預先熟悉實驗設備、掌握實驗流程，更無法在此基礎上進一步設計實驗進行創(chuàng)新。

（二）實驗內容限于驗證型實驗，缺乏“兩性一度”

實驗內容主要集中于金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉、彎曲、正應力測定等，缺乏設計和創(chuàng)新的實驗內容，實驗結果通常為已知的結論，不具備專業(yè)背景，無法激發(fā)學生的研究興趣。

（三）教學模式限于“復刻式”實驗教學，缺乏“探究質疑”

在實驗教學中，大量的課堂教學時間被用于理論講解和演示，導致學生的親身實踐時間被大幅壓縮。在有限的實操時間內，學生往往僅能“機械”地模仿教師的操作，缺乏深度的探索和設計過程，缺乏對實驗結果的思考和質疑，無法培養(yǎng)學生的實驗設計能力和創(chuàng)新思維。

（四）考核方式限于書面報告，缺乏“能力評估”

驗證型實驗的實驗結果多為預期的結論，缺乏開放性。將此作為主要考查內容，往往不能全面評估學生的實驗操作能力和設計創(chuàng)新能力。同時，會對學生輸出一種錯誤的實驗價值導向，妨礙了學生認識實驗的核心目的。

二、虛擬實驗技術的潛力與優(yōu)勢

雖然虛擬實驗存在諸如實驗環(huán)境理想化、教師無法實時指導、持續(xù)吸引學生的興趣等問題，但其在成本、超越時空限制、交互性和安全性等方面的獨特優(yōu)勢為力學實驗教學帶來了前所未有的可能性［4］。針對上述的力學實驗教學問題，虛擬實驗不僅能夠勝任傳統(tǒng)實驗的大部分教學目標［5］，還展現(xiàn)了以下顯著的優(yōu)勢。

（一）時空靈活性

相比于傳統(tǒng)實驗需要安排實驗設備和實驗時間，虛擬實驗借助數(shù)字化平臺允許學生隨時隨地接入實驗環(huán)境，根據(jù)自己的時間表自主學習，熟悉實驗原理和操作流程，且可以在不消耗實驗耗材的情況下重復操作，以加深對實驗原理和流程的掌握，降低實驗教學成本。

（二）內容多元性

虛擬實驗既可以是低碳鋼的拉壓扭實驗等驗證型實驗，又可以是受時間、場地、設備等實際條件限制不易開展的實驗，如耗時較長的疲勞實驗等；同時也能承擔擴展性實驗，比如材料成本相對較高的鋁合金、有機玻璃的材料力學性能實驗，作為實驗教學的重要補充。

（三）主動探索性

在沒有教師現(xiàn)場指導的環(huán)境中，學生必須自主操作虛擬實驗，不僅鍛煉了學生的實驗操作能力，還通過主動探索促使學生深化對實驗原理和步驟的認識，有助于學生在掌握基礎實驗原理和操作后開展進一步的探究式、創(chuàng)新式的實驗學習。

（四）趣味引導性

虛擬實驗有助于將教學環(huán)節(jié)設計得更富趣味和引導性，進而提高學生的參與度。例如，通過闖關模式的原理測試來加深學生對理論知識的理解，降低單一理論測試的枯燥感，使實驗數(shù)據(jù)處理更加圖像化，使單調的數(shù)據(jù)轉換為豐富的圖形，提高學生的整體學習體驗，培養(yǎng)其新技術應用意識。

（五）評價全程性

虛擬實驗系統(tǒng)可以在整個實驗過程中，從實驗操作前的理論測試到操作過程中的評分，以及最后的結果分析，提供全方位的評價體系，這樣的反饋機制有助于及時糾正操作中的錯誤，并加強過程中的學習，實現(xiàn)對學生虛擬實驗全過程的考查評價。

三、基于虛擬實驗技術的力學實驗翻轉教學模式設計

針對現(xiàn)階段力學實驗教學面臨的挑戰(zhàn)，結合虛擬實驗技術的獨特優(yōu)勢，虛擬實驗成為補充傳統(tǒng)實驗手段，既能讓學生熟悉實驗流程、掌握實驗技術、達成自我檢驗，又能讓其體驗傳統(tǒng)實驗難以實施的內容，從而促進實驗教學效果的整體提升，達到“1+1＞2”的效果。未來力學實驗教學的發(fā)展有望趨向于一個虛實結合、先虛后實的發(fā)展方向。

基于“以學生為中心”的教學理念，虛擬實驗的教學設計應根據(jù)學生對實驗課程的認知過程，結合實驗教學的目標和內容，充分利用虛擬實驗的優(yōu)勢，實現(xiàn)那些現(xiàn)實中難以做到的實時互動和即時數(shù)據(jù)反饋，基于虛擬實驗技術的力學實驗翻轉教學模式，可按圖1所示設計理念開展。

（一）課前虛擬實驗預習

教師根據(jù)理論課程的進度，安排學生通過虛擬實驗軟件結合教材、在線微課進行預習，學生應明確實驗目的、認識實驗設備、理解實驗原理、模擬實驗操作并思考實驗問題。模擬實驗操作是虛擬實驗的主體內容，能夠真實模擬實驗情況且不存在安全性和成本問題，能為學生提供試錯機會，發(fā)現(xiàn)實驗中容易出現(xiàn)的問題。通過測試模塊對實驗中的重要原理和易錯問題進行測試，檢驗預習效果。教師通過收集和分析虛擬實驗過程和測試的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學生實驗過程中存在的問題，作為課堂教學過程的依據(jù)和支撐，形成實驗課堂教學重點。為進一步培養(yǎng)學生實驗設計能力，可要求學生根據(jù)虛擬實驗自行擬訂實驗的初步方案，明確實驗目的，確定須借助實驗獲得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法。

（二）課中實操結合研討

憑借虛擬實驗的操作和學習，學生對實驗目的、原理、設備、步驟已經有了初步的認識，教師可依據(jù)學生的預習數(shù)據(jù)，針對實驗原理中的重點、難點進行深入剖析，加深理解。組織學生開展實驗研討，發(fā)掘通過擬開展的實驗可以完成的研究內容，互相交流并改進實驗方案，發(fā)現(xiàn)實驗過程中的潛在問題，并提出問題和應對措施。

在形成完善的實驗方案后，組織學生按照實驗方案開展實物實驗。在此階段，教師的角色轉變?yōu)閱栴}解答者而非操作示范者，為學生解答實驗過程中提出的問題，并根據(jù)學員操作過程中的正確性及科學性為學生評定實驗操作分數(shù)。

（三）課后總結與拓展

完成實驗后，學生根據(jù)自身實驗方案和結果撰寫實驗報告，探究實驗中遇到的問題，思考如何進行實驗延伸與拓展，促進學生深層次的思考并培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。教師可根據(jù)學生的反饋，梳理問題，將數(shù)據(jù)反饋納入虛擬實驗的持續(xù)改進，為后續(xù)教學中虛擬實驗的完善提供支撐。鼓勵學生提出創(chuàng)新實驗設想，教師對創(chuàng)新實驗方案給予可行性評估與反饋，對于實驗設想合理、實驗方案完備的實驗可安排學生在課外時間自行完成，進一步為創(chuàng)新能力較強的學生提供實踐機會。

在翻轉教學模式中，學生是學習過程的主體，實驗課程從“模仿”式實驗轉變?yōu)樽灾餍愿鼜姷摹疤剿魇健睂嶒?，虛擬實驗使學生在實驗理論較為缺乏的情況下對實驗進行摸索成為可能，在開展實驗前完成虛擬實驗，對實驗的目的、原理、設備已經有基本的認識，從而可以對實驗進行簡單設計。在完成實驗后，學生驗證了自身的理解和知識的可靠性，以虛擬實驗作為傳統(tǒng)力學實驗的補充，不僅滿足了學生對知識探索的渴望，還為他們打開了增強創(chuàng)新思維和實踐能力的大門。

四、基于虛擬實驗技術的力學實驗實施實例

“純彎曲梁的正應力測定實驗”是學生首次接觸電測法，對掌握電測法的原理和應變測量方法有重要的意義?；谔摂M實驗技術，該實驗可按如下流程實施：（1）通過“實驗基礎”模塊，學生將對“純彎曲梁的正應力測定實驗”的實驗目的、靜態(tài)電阻應變儀、電測法原理和電測法測量純彎曲梁正應力的基本步驟4部分內容進行自主學習，完成對實驗理論部分的基本認識，教師在課堂應針對該部分的知識難點測量電橋與橋臂系數(shù)進行深入的講解與探討。（2）通過“理論測試”模塊，檢驗學生對實驗理論部分的基本認識的預習效果，強化學生對基礎理論中重點問題的認知，對無法通過理論測試的學生，將重新學習實驗原理，直至通過理論測試才能進入實驗操作模塊。（3）通過“實驗操作”模塊，學生將完成靜態(tài)電阻應變儀與試驗臺的連接、應變片接入測量單臂測量橋路、實驗過程中應變片與測量通道對應關系、試驗加載、試驗數(shù)據(jù)的記錄與處理等五項主要內容的學習。經過虛擬實驗學習，學生能夠自主完成“純彎曲梁的正應力測定實驗”的基本操作，在實踐課堂中，教師能幫助學生深入了解實驗儀器與設備，如應變片的靈敏度系數(shù)，開展不同測量橋路的實際測量等在實際應用中非常重要，是限于學時無法深入講授的內容。若條件允許，可組織學生開展“桁架結構的應力與內力測定”等電測法拓展型實驗，提高學習內容的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。（4）通過“實驗報告”模塊，可以將學生的實驗結果形成數(shù)字化結果，能夠更形象生動地展示實驗結果，教師也可以通過電子化的實驗報告，分析學生的學習情況和所得數(shù)據(jù)的準確性，提高教學效率。

在融合了虛擬實驗技術后的力學實踐教學中，學習數(shù)據(jù)的反饋以及教學比對結果顯示，虛擬實驗對學生的實驗技能有顯著的提升作用，學生在進入實物實驗環(huán)節(jié)時，能夠更迅速地適應實驗流程，對于實驗原理和步驟的理解更為明晰。學生能夠在課上自行探索并成功實施如“半橋橋路”測量“純彎曲梁的正應力”等更具有“高階性”和“挑戰(zhàn)度”的實驗方法。

學生普遍反饋有了虛擬實驗的基礎，在實驗過程中能夠投入更多的精力和時間進行深入思考。這種深度思考不止步于完成實驗操作和獲取數(shù)據(jù)，而是使他們能夠更深刻地從實驗過程和結果中理解相應的實驗原理。這反映了虛擬實驗作為教學輔助工具的價值，在幫助學生構建知識框架和促進深度學習方面發(fā)揮了重要作用。

結語

本文從力學實驗教學的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)入手，深入探討了虛擬實驗技術在教育革新中的潛力。通過引入虛擬實驗技術，既能突破實驗教學時間和空間的局限，又能增強課程的互動性和趣味性，引導學生主動學習，激發(fā)其創(chuàng)新思維。學生可以自主安排學習時間，反復練習實驗操作，深化對實驗原理的理解并熟悉基本的實驗操作。

基于虛擬實驗技術的翻轉教學模式，力學實驗教學的改革使學生的角色從被動接收者轉變?yōu)橹鲃犹剿髡?，學習過程變得更為深刻。實施實例發(fā)現(xiàn)，此種教學模式能提高實驗教學的效率和效果，特別是培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。這樣的技術創(chuàng)新和教學理念的轉變，為實驗教學提供了新的探索方向，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實操能力打下了堅實的基礎。

參考文獻

［1］王義平，于化龍，歷長云，等.基于項目管理模式的材料力學實驗教學改革［J］.力學與實踐，2021，43（4）：628-631.

［2］孫琴，肖書浩，何為.基于Unity3D的機械類虛擬仿真實驗評分系統(tǒng)開發(fā)［J］.自動化與儀器儀表，2021（7）：80-83，88.

［3］趙辛.材料力學實驗的分層次教學改革［J］.沈陽師范大學學報（自然科學版），2021，39（3）：251-255.

［4］付百學，朱榮福.新工科背景下虛實結合的實驗教學模式研究［J］.黑龍江教師發(fā)展學院學報，2021，40（5）：40-42.

［5］任山章，楊清，夏豪穎，等.虛擬實驗對本科生科學實踐能力提升的探究：以杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院本科生為例［J］.高教學刊，2021，7（23）：169-172.

The Application and Exploration of Virtual Experimental Technology in the Teaching

of Mechanics Experiments

HU Nian-ming， WU Jing， WU Lin-jie

（Department of Basic Courses， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Mechanics is the first course in civil and mechanical engineering undergraduate programs that connects theory with practical engineering applications， and experimental teaching is the core of course practice. The article designs a flipped teaching model for mechanics experiments based on virtual experimental technology. Addressing the current status and issues of Mechanics experimental teaching， it can effectively leverage the “combination of virtual and real” format to harness the advantages of virtual experimental technology， enhancing the quality and effectiveness of mechanics experimental teaching. By incorporating virtual experiment preparation before class， hands-on operations combined with discussions during class， and post-class summaries and extensions， the virtual experiments act as a supplement to mechanics experimental teaching. Using the application of virtual experimental technology in the implementation process of the “pure bending beam’s normal stress determination experiment” as an example， the article showcases the design of mechanics virtual experiments and the essential points of implementation in combination with physical experiments. Through carrying out the experiments， students can better grasp the basic principles and procedures of mechanics experiments， deepen their understanding of the experiment， and simultaneously create conditions that foster students’ innovative practical abilities.

Key words： mechanics; experimental teaching; virtual experiment; integration of virtual and real