基于校園網(wǎng)的材料力學(xué)虛擬實驗教學(xué)研究

劉杰+++楊創(chuàng)戰(zhàn)+++張攀博+++蘆靜

【摘要】為適應(yīng)開放式實驗教學(xué)模式，結(jié)合我校材料力學(xué)實驗教學(xué)實際，將多媒體技術(shù)引入材料力學(xué)實驗教學(xué)，開發(fā)了材料力學(xué)虛擬實驗，虛擬實驗具有良好的人機(jī)交互界面，讓學(xué)習(xí)者在逼真的情境中在計算機(jī)上完成相關(guān)的材料力學(xué)實驗過程，以提高實驗儀器使用效率和實驗教學(xué)效果。為開展材料力學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行改革和培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力的提供了有效途徑。

【關(guān)鍵詞】實驗教學(xué) 創(chuàng)新能力 改革

【中圖分類號】TB301 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）19-0012-02

一、前言

材料力學(xué)實驗教學(xué)是材料力學(xué)教學(xué)的重要組成部分，對學(xué)員加深對所學(xué)理論知識的理解，提高動手能力與科學(xué)創(chuàng)新思維能力起著積極和重要的作用。對培養(yǎng)具有厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強(qiáng)能力、特別是具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)工程技術(shù)人才至關(guān)重要，然而長期以來，材料力學(xué)實驗教學(xué)附屬于理論教學(xué)，重視程度不高； 實驗教學(xué)內(nèi)容以演示性驗證性為主； 教學(xué)手段與方法單一，學(xué)員只要按實驗指導(dǎo)書上的步驟去做，就能順利測出數(shù)據(jù)，完成實驗；實驗考核方式以實驗報告作為唯一依據(jù)。這些傳統(tǒng)的教學(xué)模式在一定程度上限制了學(xué)員的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)能動性的發(fā)揮， 不利于學(xué)員的個性發(fā)展以及創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，材料力學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)利用計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出材料力學(xué)的實驗平臺，學(xué)員在校園網(wǎng)上就可以完成材料力學(xué)實驗，這樣既節(jié)約了資金又增添學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，掌握課本上抽象的內(nèi)容，這樣不僅能節(jié)約大量的設(shè)計和調(diào)試時間，同時又能培養(yǎng)學(xué)員利用計算機(jī)等現(xiàn)代化手段進(jìn)行科學(xué)實驗的能力，為學(xué)員將來踏上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

二、開發(fā)材料力學(xué)虛擬實驗的意義

隨著高等教育形勢的發(fā)展，材料力學(xué)教學(xué)模式、教學(xué)手段、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)模式都在發(fā)生深刻的變革，確立以學(xué)員為主體，教師為主導(dǎo)的開放式實驗教學(xué)模式，以及充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，努力使教材實現(xiàn)電子化，課程網(wǎng)頁化、應(yīng)用模式化，充分利用計算機(jī)輔助教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)已成為實驗教學(xué)發(fā)展的趨勢。隨著我校新一輪課程改革的進(jìn)行，所有理論課時都有所減少，材料力學(xué)實驗學(xué)時也由原來的16學(xué)時壓縮到6學(xué)時。由于受教學(xué)時間及實驗室條件建設(shè)的限制，學(xué)員很難保證一人一臺套，造成學(xué)員對實驗過程：如實驗的前期準(zhǔn)備，試樣的制作，試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及實驗結(jié)果的分析處理等內(nèi)容都不甚了解，這樣使得在有限的時間內(nèi)難以達(dá)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和提高實際動手能力的效果。針對以上材料力學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，我們從實驗教學(xué)的系統(tǒng)性出發(fā)，提出了開發(fā)材料力學(xué)虛擬實驗的想法。

虛擬實驗的開發(fā)應(yīng)用，將從實驗教學(xué)系統(tǒng)性的角度，彌補(bǔ)學(xué)員人數(shù)多，演示性實驗設(shè)備不足的缺點，使學(xué)員在實驗以前就對整個實驗過程有一個較為全面的認(rèn)識，從而起到重點突出、立竿見影的效果。虛擬實驗交互性強(qiáng)，可以提高用戶動手、實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。虛擬實驗可以化微觀為直觀，變抽象為形象。虛擬實驗可以解決實驗教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時少、經(jīng)費(fèi)有限的的矛盾，擺脫場地、器材、設(shè)備等制約條件。虛擬實驗無需實驗前準(zhǔn)備工作和輔助工作，可以方便、靈活的進(jìn)行實驗。虛擬實驗零損耗，無風(fēng)險。虛擬實驗與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，可以提前預(yù)習(xí)，在線實驗、交流、答疑。虛擬實驗引入材料力學(xué)實驗教學(xué)，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段以及教學(xué)方法，對教學(xué)有重要的促進(jìn)作用。

三、材料力學(xué)虛擬實驗的開發(fā)

材料力學(xué)虛擬實驗是根據(jù)材料力學(xué)實驗大綱的要求，利用計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一個逼真的材料力學(xué)實驗平臺，學(xué)習(xí)者在逼真的情景中，利用圖文并茂的實驗預(yù)備知識、豐富多彩的實驗相關(guān)資料，操作靈活的實驗交互過程，及時方便的實驗操作指導(dǎo)，使實驗者在計算機(jī)上完成相關(guān)材料力學(xué)實驗過程。

我們開發(fā)的材料力學(xué)虛擬實驗是一個基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗，共設(shè)計了材料拉伸實驗、材料壓縮實驗、壓桿穩(wěn)定實驗、沖擊實驗、梁的正應(yīng)力實驗和疲勞實驗六個虛擬實驗。每個實驗項目都包括了實驗簡介、實驗原理、實驗步驟，實驗演示、實驗報告五部分內(nèi)容。虛擬實驗界面如圖1、2，三個模塊主要是讓學(xué)員快速的了解實驗設(shè)備、實驗原理、實驗步驟，也就是實驗的總體過程，實驗演示主要是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用虛擬的實驗設(shè)備進(jìn)行實驗，讓學(xué)員形象逼真的進(jìn)行實驗操作，體會整個實驗的全過程，主要用于學(xué)員的自學(xué)輔助。實驗報告可以利用虛擬技術(shù)生成實驗曲線，還可以實時打印出實驗報告，也可用于發(fā)送電子報告冊，提高實驗效率。

四、結(jié)束語

開發(fā)的基于校園網(wǎng)材料力學(xué)虛擬實驗，具有很強(qiáng)的交互性、操作性、開放性和沉浸感，完全改變了傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗的教學(xué)模式，它一方面可以作為當(dāng)前實驗教學(xué)的深化和補(bǔ)充， 另一方面也為優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享提供了有效途徑。 材料虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用表明，使學(xué)員在做實物實驗之前對實驗的全過程了如指掌，有利于調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，提高實驗教學(xué)的效果，緩解當(dāng)前材料力學(xué)實驗教學(xué)的困境。

參考文獻(xiàn)：

[1]張強(qiáng).材料力學(xué)實驗CAI課件的開發(fā)和應(yīng)用.實驗科學(xué)與技術(shù)，2007（12）： 86—88

[2]李會云等.材料力學(xué)仿真實驗設(shè)計.山西建筑，2008，34（30）：33—34

[3]孫建國.關(guān)于材料力學(xué)教學(xué)改革的設(shè)想.力學(xué)與實踐，2004，26（3）88～89

作者簡介：

劉杰（1972-）， 男，高級實驗師，碩士，研究方向：機(jī)械工程。