虛擬實驗在材料力學實驗中的應用

牛亮，劉軼

(貴州大學土木建筑工程學院，貴州貴陽550025)

虛擬實驗在材料力學實驗中的應用

牛亮，劉軼

(貴州大學土木建筑工程學院，貴州貴陽550025)

利用信息技術為教學改革服務已成為實驗教學的重要途徑和方式.分析了虛擬實驗室應用的意義，對材料力學虛擬實驗系統的系統結構、關鍵技術和步驟進行了介紹.

材料力學;實驗教學;虛擬實驗

近年來隨著大學的連續擴招，迅速增加的學生人數與實驗室資源緊缺之間的矛盾日益加劇，成為提高教學質量的一大難題.加大投入擴充實驗室資源當然是解決根本問題的好辦法，但與教育經費緊張的現狀相矛盾;另外購置成熟的仿真實驗教學系統進行教學也可以緩解這一矛盾，但是多數院校的設備和儀器品牌不同、新舊不一，甚至有些早已停產，要全面實現虛擬實驗的購置成本也很高.如何在有限的條件下提高現有資源的使用效率，在保障教學效果的同時又降低對實驗室資源的依賴性，這是值得思考的問題［1］.

1 虛擬實驗室及應用意義

虛擬實驗室是以計算機網絡為核心，基于Web技術和虛擬仿真技術構建的開放式網絡教學系統，即在虛擬環境中模擬真實的實驗過程，并由學生主導該過程，同時通過管理功能可迅速了解學生的學習情況，配合實驗室預約等其他教學系統一起使用，更可達到事半功倍的效果.

虛擬實驗室應用的意義［2］:

1)虛擬實驗是高校教學改革探［3］索的一個方向，響應了教育部信息教育和遠程教育的號召，同時也符合貴州大學教育教學改革的需求［4］;

2)虛擬實驗環境能很好地實現教學交互:學生與媒體界面的操作交互、學生與教學要素的信息交互、學生的概念與新概念的概念交互［5］，其內容比課堂教學豐富、生動、靈活，學生可以不受時間、地點和學習進度的限制而進行個性化的學習，不用進實驗室就可以體驗實驗的過程，是傳統教學的有益補充，在明顯提高教學質量的同時能有效降低對實驗室資源的依賴性;

3)虛擬實驗室是一個軟件系統，相對于真實的設備和儀器而言其運行成本都非常低并且零磨損［6］，如果采用自行建設的方式，不但系統的建設成本可忽略不計，同時還能鍛煉學生的動手能力，適合大面積推廣，緩解教育經費緊張的問題.

2 虛擬實驗室建設內容和思路

本文所介紹的虛擬實驗室系統，是作者所在單位教學體制改革的一項階段性工作，是實驗室教學管理系統的一部分，該系統的總體功能結構如圖1.

2.1 系統結構設計

為了實現開放式的教育模式，使處于不同地理位置的用戶(教師和學生)盡可能簡單地就能使用系統，使學生可以同時對一個實驗項目進行實驗，讓教師可隨時進行后臺管理，本系統采用基于分布式對象中間件技術的Web解決方案，即B/S體系結構進行設計，整體結構為3層.

目前可用于搭建服務器的操作系統和軟件工具很多，本文采用微軟公司的Windows 2003企業版作為服務器的操作系統，利用ASP.NET作為開發工具，SQL Server 2005作后臺數據庫，使安全服務、負載均衡和高速緩存都容易實現.

2.2 實驗課件設計

虛擬實驗需要具有豐富的感染力，用戶可以控制實驗的過程，可以對實驗關鍵步驟進行操作，實現用戶和計算機相互的交流，從而達到控制學習過程的目的.

VRML(virtual reality modeling language)虛擬現實建模語言是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個開放標準，但是掌握這項用技術的師生很少，因此并不適合作者所在院校的要求，在此選用Adobe公司的Flash MX作為開發工具，該工具具有以下特點:

1)Flash MX采用矢量圖形技術，它的SWF動畫文件非常小，適合在網絡上播放;

2)具有強大的多媒體整合功能，制作出的課件具有較強的多媒體性;

3)內置功能強大的腳本語言，可以制作出交互功能強大的多媒體課件;

4)Flash MX擁有廣泛的用戶基礎，并且相關的教材也很豐富，易學易用.

2.2.1 WBS分解

借鑒項目管理中的WBS分解辦法，將實驗過程進行模塊化分解直至最底層的任務活動如圖2所示.

當網絡用戶提出應用請求時，不是將實驗課件的全部內容一次下載到用戶本地的計算機上，而是將主控模塊先下載到用戶本地計算機上，在主控模塊的控制下，用戶可以根據需要再分別下載功能模塊進行播放，分解過的模塊體積比較小，易于網絡實時傳輸，這樣大大減輕對服務器和網絡壓力，實際應用效果良好.

2.2.2 動畫制作

Flash通過ActionScript語句具有了交互功能［7－11］.以拉伸實驗為例介紹部分制作內容:

1)按鈕交互.首先將經過WBS分解出來的內容制作成各自獨立的Flash影片，每一段影片均通過按鈕進行控制來實現交互，將制作好的按鈕從文檔庫中拖放到舞臺上并放置好，選中按鈕，打開Actions面板(行為面板)，在腳本編輯區添加腳本:

on(release){gotoAdnstop(1);}

在設計交互動畫時還要注意動畫執行到某幀需要停下來時，要為該幀添加腳本Stop()，以此類推可將實驗過程的所有階段都添加相應的按鈕，使整個過程都可被控制.

2)拖拽交互.實驗中的試件安裝需要采用“拖拽動作”，在Flash中主要使用StartDrag()和Stop-Drag()以及自定義函數來實現.在實驗中，試件需要被拖放到正確的位置，系統才能進行下一步驟，否則將提示操作錯誤.示例程序:

Function play1(){//定義一個拖拽動作函數

With(chip_1){//拖動標記

If(sele3.hitTest(_x，_y，true)){//判斷動過是否正確

Tishi=“操作正確!請繼續…”;//操作正確的提示

Chip_1.onRelease=playvideo1();//拖動正確，執行“執行步驟”函數

2.3 系統工作流程

經過上述系統結構設計和課件設計的介紹，系統平臺和基本元素已經完成，但是要讓這些功能和元素有效地運轉起來，還需要設計系統的工作流程，如圖3所示.

流程說明:

1)用戶使用瀏覽器登錄Web應用服務器，并進行安全驗證;

2)負載均衡服務將對服務器資源進行調度匹配用戶的應用請求;

3)進入虛擬實驗室以后，用戶可以開始新的實驗或加載之前的進度繼續完成實驗;

4)系統會對虛擬實驗過程數據進行檢查和記錄，并返回錯誤步驟

5)在操作完成后系統會進行仿真計算展示實驗結果，同時記錄用戶的實驗進度;

6)系統記錄的實驗數據，將有助于用戶對進度情況進行分析.

3 虛擬實驗展示

圖4～5展示了虛擬實驗室系統的部分工作界面.

4 結語

本文所介紹的系統總體設計方案，是貴州大學土木建筑工程學院力學實驗室在教學改革摸索工作中的階段性成果.系統設計思路不僅適用于力學的虛擬實驗室，同時也適合其他學科.在虛擬試驗部分，成功地將Flash動畫應用于課題教學和試驗教學中，動畫使課堂教學中難以描述的理論直觀化，課程內容更加生動、形象和直觀，試驗中的動畫使實驗過程明了化，操作簡單化，從而提高學生學習的興趣.

隨著信息技術的發展，CAI必將成為教學中重要的環節［12］，教學工作必將變得更加靈活，更加多元化，在教學中的地位越來越重要，為發揮其更大優勢，教育工作者應對自己提出更高的要求，設計更適合學習者使用的優秀網絡學件，更好地解決多媒體技術在教育中應用的瓶頸問題.

［1］沈劍敏.生物化學實驗多媒體課件的研制［J］.實驗室研究與探索，2009，28(2):80－81.

［2］葉漢英.遠程開放教育課程實驗教學的實施與思考［J］.實驗室研究與探索，2005，24(2):6－7.

［3］范永開，林君.網上虛擬實驗室的建設方案與實現［J］.黑龍江工程學院學報，2001，15(4):48－50.

［4］黃斌，正軍，王紅杰，等.材料力學性能檢測虛擬實驗的設計和開發［J］.實驗力學，2005，20(12):574－577.

［5］黃俊，杜成斌，楊輝.材料力學拉伸和扭轉模擬實驗課件的研發［J］.實驗技術與管理，2008，25(1):69－72.

［6］任偉杰，靳春華.仿真實驗在國家級實驗示范中心建設中的作用［J］.實驗室科學，2010，13(4):110－111.

［7］劉春.中文Flash MX經典效果100例［M］.上海:上海科學普及出版社，2002.

［8］王劍.ActionScript在Flash中制作交互動畫的高級應用［J］.科技創新導報，2008(25):26.

［9］張剛，羅小華，賀利芳.基于Flash技術的網絡虛擬實驗平臺開發［J］.高等教育研究，2007(04):50－52.

［10］歐陽建軍.基于交互設計的界面應用研究［J］.科教導刊，2010(4):169－170.

［11］陳麗.術語(教學交互)的本質及其相關概念的辨析［J］.中國遠程教育，2004(2):12－16.

［12］陳芳林.Flash5高級教程［M］.北京:電子工業出版社，2002.

(責任編輯莊紅林)

Virtual Experiments in Mechanical Experiments

NIU Liang，LIU Yi
(College of Civil and Architectural Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

Application of information technology to educational reform has become an important approach and means in experiment teaching.The paper analyzes the significance of the virtual laboratory，and introduces the systemic structure，key technologies and application steps of such virtual experiments in mechanical experiments.

mechanics of materials;experiment teaching;virtual experiment

TP 391

A

1672－8513(2012)04－0309－04

10.3969/j.issn.1672－8513.2012.04.020

2012－03－19.

貴州大學教育教學改革研究項目(JG2012041).

牛亮(1970－)，男，碩士，實驗師.主要研究方向:實驗教學與管理.