虛擬仿真應(yīng)用到力學(xué)類基礎(chǔ)課程的研究和實(shí)踐

杜鵬飛　陳世嵬

摘 要 傳統(tǒng)的力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)重點(diǎn)放在各種假設(shè)的理論推導(dǎo)和求解上，由于缺乏面對(duì)工程實(shí)際對(duì)象的研究教育，造成力學(xué)課程難度高、實(shí)用性低、學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度主動(dòng)性不強(qiáng)的局面。對(duì)于以應(yīng)用教育為主的應(yīng)用型大學(xué)來(lái)說(shuō)，培育學(xué)生的實(shí)踐能力是人才培育的重點(diǎn)，將虛擬仿真技術(shù)融入到力學(xué)類基礎(chǔ)課程中具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。文章以應(yīng)用力學(xué)專業(yè)為例，分析了傳統(tǒng)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問(wèn)題，介紹了虛擬仿真應(yīng)用于教學(xué)的一些具體措施及成果。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 應(yīng)用教育 力學(xué)基礎(chǔ)課程 教改

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.028

1 背景分析與現(xiàn)狀

1.1 背景分析

為貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010- 2020年）》和《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》，教育部設(shè)立了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”重大改革項(xiàng)目，是促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措。對(duì)于卓越工程師教育培訓(xùn)計(jì)劃高校來(lái)說(shuō)，旨在培養(yǎng)造就出一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程應(yīng)用型技術(shù)人才。①

1.2 力學(xué)發(fā)展下的時(shí)代背景

從力學(xué)發(fā)展來(lái)看，主要分為三個(gè)主要階段。（1）理論研究階段，19世紀(jì)到20世紀(jì)的前半期，這一時(shí)期的力學(xué)主要研究連續(xù)體力學(xué)，是從宏觀角度對(duì)其分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析與理論分析，研究物體的各種性質(zhì)。（2）瓶頸階段，到20世紀(jì)初，由于數(shù)學(xué)工具的缺乏，求解一些運(yùn)動(dòng)偏微分方程的精確解十分困難，因此力學(xué)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。（3）高速發(fā)展階段，20世紀(jì)末至今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)建立在經(jīng)典力學(xué)和數(shù)值仿真方法基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量的描述固體場(chǎng)的數(shù)值解，隨著ANSYS、ABAQUS等一系列基于數(shù)值仿真技術(shù)的商用軟件的出現(xiàn)，大大提高了工程力學(xué)的求解范圍和精度，使虛擬仿真技術(shù)在車輛、橋梁、船舶、大型機(jī)械、資源開采等行業(yè)中占有舉足輕重的地位。

綜上，從宏觀發(fā)展的角度來(lái)看，國(guó)家政策積極引導(dǎo)高校走工程化應(yīng)用教育的道路；②從力學(xué)發(fā)展的角度來(lái)看，時(shí)代背景對(duì)現(xiàn)代學(xué)生提出了新的要求，一個(gè)學(xué)生是否熟練掌握數(shù)值仿真技術(shù)（建模，計(jì)算，分析），決定了該學(xué)生的就業(yè)前景。

2 傳統(tǒng)力學(xué)基礎(chǔ)課程教育的問(wèn)題

對(duì)于當(dāng)前各專業(yè)的力學(xué)類基礎(chǔ)課程（主要包括工程力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)）教育，國(guó)內(nèi)大部分普通高校還在一遍遍地重復(fù)著理論公式的推導(dǎo)，演練著與工程實(shí)際相差極大的例題，無(wú)論是應(yīng)用性、時(shí)效性、創(chuàng)新性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于最新的教學(xué)育人計(jì)劃。

2.1 應(yīng)用性低

針對(duì)傳統(tǒng)的力學(xué)教育的教學(xué)大綱仍放在各種假設(shè)下的各類桿、梁構(gòu)件的理論推導(dǎo)和求解上，而對(duì)工作就業(yè)有用的虛擬仿真技術(shù)幾乎未做介紹。由于缺乏面對(duì)工程實(shí)際對(duì)象的研究教育，造成了力學(xué)課程難度高、實(shí)用性低，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)。即使對(duì)于完成考核后的學(xué)生，學(xué)生沒(méi)有獲得力學(xué)的最新知識(shí)，仍不知道如何對(duì)具體的工程實(shí)際力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析。因此，在一些實(shí)際的工程項(xiàng)目中，缺乏對(duì)問(wèn)題的跟進(jìn)能力，也就造成了力學(xué)類基礎(chǔ)課程的應(yīng)用性低的問(wèn)題。

2.2 時(shí)效性差

從力學(xué)的發(fā)展階段來(lái)看，現(xiàn)在的力學(xué)教育仍處在初級(jí)的理論學(xué)習(xí)階段，距離當(dāng)今應(yīng)用性很強(qiáng)的虛擬仿真技術(shù)差距較大。對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的應(yīng)用型大學(xué)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的力學(xué)教育遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的發(fā)展。根據(jù)傳統(tǒng)力學(xué)教育培育出的大學(xué)生進(jìn)入工作單位后，不能很好地將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相對(duì)接，影響了企業(yè)的工作效率，降低了企業(yè)對(duì)大學(xué)生的期待，進(jìn)而影響了社會(huì)的發(fā)展。③

2.3 創(chuàng)新性不足

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，能夠很好地解決工程實(shí)踐問(wèn)題，而傳統(tǒng)的力學(xué)教育缺少對(duì)實(shí)際工程對(duì)象的研究教育。由于傳統(tǒng)的力學(xué)教育缺乏激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新力的工程實(shí)例，減少了他們?cè)趹?yīng)用上的創(chuàng)新性。創(chuàng)新性不足，給社會(huì)帶來(lái)的是科技進(jìn)步緩慢，進(jìn)而影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。

針對(duì)以上傳統(tǒng)的力學(xué)類基礎(chǔ)課程教育問(wèn)題不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的需求，將虛擬仿真技術(shù)融入到應(yīng)用型大學(xué)的力學(xué)類基礎(chǔ)課程中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。④

3 虛擬仿真技術(shù)融入力學(xué)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐

針對(duì)傳統(tǒng)的力學(xué)基礎(chǔ)課程教育的應(yīng)用性低、時(shí)效性差、創(chuàng)新性不足的問(wèn)題，如何將虛擬仿真技術(shù)有效的融入到力學(xué)基礎(chǔ)課程中，就需要合理地制定教育改革方案，并將其應(yīng)用在實(shí)際的課堂中。

將虛擬仿真技術(shù)融入到力學(xué)基礎(chǔ)課程中，本研究制定教學(xué)改革方案如圖1所示。

從教學(xué)改革方案圖中可以看出，將代表性例題轉(zhuǎn)化為工程實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)虛擬仿真的數(shù)值解與理論計(jì)算的公式解相互驗(yàn)證，有效提高了學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)解決問(wèn)題的能力。從文獻(xiàn)的查找，實(shí)際問(wèn)題的轉(zhuǎn)化，虛擬仿真的驗(yàn)證，都需要同學(xué)們的參與，提升了學(xué)生的活躍參與度，進(jìn)一步提高了課堂的學(xué)習(xí)效率。因此，將虛擬仿真技術(shù)融入到力學(xué)類基礎(chǔ)課程中具有可行性。

除教學(xué)改革具有可行性之外，還具有以下主要特點(diǎn)：

（1）針對(duì)性強(qiáng)，教學(xué)改革方案針對(duì)力學(xué)類的基礎(chǔ)課程，選取結(jié)合專業(yè)背景的工程實(shí)際問(wèn)題作為例題，旨在降低力學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及該課程的工程應(yīng)用性。

（2）實(shí)用性高，在力學(xué)基礎(chǔ)課程教育中添加數(shù)值仿真技術(shù)，學(xué)生通過(guò)課程教學(xué)掌握了仿真工具。由于能夠解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生可以把自己對(duì)專業(yè)方面思考的問(wèn)題用虛擬仿真軟件解決，因此提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生熟悉了一門就業(yè)技能，提高了就業(yè)幾率。

（3）主次明確，在強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性的同時(shí)，也不能完全放棄對(duì)學(xué)生公式推導(dǎo)能力的教學(xué)，采取理論聯(lián)系工程實(shí)際相結(jié)合的方式，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)，提高學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)知。

（4）可推廣性強(qiáng)，可將這種教學(xué)改革思路推廣至其他專業(yè)基礎(chǔ)教育課程中。

4 階段性成果

以重慶科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)為例。自2009年開設(shè)此專業(yè)以來(lái)，逐年增加了虛擬仿真技術(shù)在人才培養(yǎng)總學(xué)分中的比例，如MATLAB與工程數(shù)值方法、力學(xué)建模CAD訓(xùn)練、工程分析軟件及其應(yīng)用、計(jì)算流體力學(xué)仿真課程設(shè)計(jì)等一系列課程的開設(shè)，使實(shí)踐教學(xué)資源占據(jù)總學(xué)分的21.1%。

通過(guò)改善課程結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了所培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，本專業(yè)學(xué)生在歷屆全國(guó)大學(xué)生周培源力學(xué)競(jìng)賽中斬獲諸多獎(jiǎng)項(xiàng)，由最初2009年的4位全國(guó)獎(jiǎng)到2015年的9位全國(guó)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)比例從13.3%增加至26%。

學(xué)生實(shí)踐能力的提升，得到了就業(yè)單位和考研目標(biāo)院校的認(rèn)可，近三年，本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率高達(dá)92%以上，考研率高達(dá)40%以上。

將力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革付諸實(shí)踐，走教學(xué)與科研相結(jié)合、理論與應(yīng)用相結(jié)合的道路，進(jìn)一步證明了力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革在實(shí)踐上的可行性和有效性。

5 進(jìn)一步思考

虛擬仿真應(yīng)用到力學(xué)類基礎(chǔ)課程盡管取得了不少的進(jìn)步，但由于經(jīng)驗(yàn)積累不足，仍有較大的提升空間，需進(jìn)一步加強(qiáng)和完善，重點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）虛擬仿真結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行專題教學(xué)。在未來(lái)繼續(xù)推動(dòng)的過(guò)程中，可進(jìn)一步采用與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，實(shí)行專題教學(xué)，將理論計(jì)算上的東西真實(shí)地體現(xiàn)到實(shí)物中去，讓同學(xué)們真實(shí)體驗(yàn)到所學(xué)知識(shí)的價(jià)值，提升他們的認(rèn)識(shí)。

（2）將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與MOOC相結(jié)合。現(xiàn)階段移動(dòng)終端設(shè)備比較普遍，同學(xué)們可以結(jié)合MOOC更好地學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù)，提高了教學(xué)的成效，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的深度結(jié)合。