材料力學虛擬實驗系統設計與實現

周塔++馬劍++汪天寶

摘要：本論文結合我校實驗教學的實際情況，同時借助于材料力學理論知識，自主設計并開發了材料力學虛擬實驗系統。材料力學模擬實驗系統是一個基于web平臺開發，采用B/S模式三層架構，通過J2EE、SQL等技術開發而來的一款網站系統，通過網頁接入服務器方式，在客戶端網頁進行虛擬的材料力學模擬實驗，從而替代或補充在現實世界進行的真實材料力學實驗教學活動。該論文將詳細分析材料力學虛擬系統的各種需求和特性，以及所需的各類技術支持，剖析材料力學模擬實驗系統內部的邏輯實現。

關鍵詞：虛擬實驗系統 web 材料力學

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0181-01

1 引言

隨著計算機的發展，計算機已經在日常各類教學活動中扮演著無可替代的角色，計算機的高效和智能解決了教學生活中許多重大或者難以解決的問題。計算機網絡也繼承了這些特性，同時，計算機網絡比起計算機軟件又擁有著許多特有的優點，比如計算機網絡可以做到實時更新與維護，而且比計算機軟件占用更少的資源，開發難度也大大降低。

虛擬實驗是以計算機技術為基礎的虛擬技術。早起僅在模擬電路中被提出。比如著名的電路模擬軟件Labview便是虛擬實驗系統的典型案例。在結構和力學領域，國內外采用有限元軟件、結構設計軟件、以及部分建造軟件進行實驗，但是，這一類軟件主要是以分析和設計為主，但是在功能上，操作的流程和實驗的現象展示往往很難滿足實驗教學的需要。

力學實驗教學一直是力學教學中一個必不可少的組成部分，但是隨著力學科學的發展，以及力學學科內部劃分的紛繁復雜，力學實驗器材種類特別繁多復雜，而且作為教學器材，數目巨大，且頻繁使用增加了器材的損耗，這無疑大量增加了教學費用的開支。

本課題利用計算機網絡所具有的特性，通過計算機web的開發，利用計算機網絡技術，制作了一款解決現實世界材料力學實驗教學所面臨的各類問題的虛擬實驗系統，通過網頁接入的方式，非常方便快捷高效的將現實世界材料力學實驗教學移植于網絡平臺。將所有教學活動網絡化，將使材料力學實驗教學變得非常低廉、高效和可持續。

2 系統結構概述

材料力學虛擬實驗系統開發分為以下幾個階段完成。第一個階段由材料力學教研室完成典型的實驗項目和內容，為進一步開發提供理論保障；第二階段由學習材料力學的學生提實驗操作的實際要求，操作的簡易程度；第三階段由開發人員根據教師和學生提出的實驗要求進行開發和推廣。材料力學虛擬實驗教學系統的總體設計目標為：（1）對已有的教學實驗內容和項目進行有效分析、整理和完善。特別對影像照片、力學圖紙、力學使用說明和操作流程等技術資料進行歸檔，為后期開發提供素材；（2）利用計算機虛擬技術，在線模擬實驗的全過程，再現不同測試方法和實驗現象，將該技術應用于本科實驗教學的各個環節；（3）利用大型虛擬設備，并借助于虛擬現實技術再現實驗外的典型應用和操作流程，用于本科生入學，其他專業學生和實驗人員開展相關活動。

本系統主體是web網站，采用了B/S模式下的三層架構的實現模式和 JavaEE及相關技術進行界面開發，采用SQL數據庫管理技術對信息進行高效安全管理。系統主要由三大功能模塊組成：學生界面模塊：主題是在線模擬實驗模塊，同時包含在線交流答疑、公告廣播接收等輔助功能。教師界面模塊：主要提供模擬實驗的更新、公告廣播的發布、學生檔案管理等功能。數據庫模塊：主要是對各類信息數據的管理。

3 系統的需求分析

在力學虛擬實驗系統中，系統需求分析主要分為三塊，一塊是學生端實現，一塊是教師端實現，另一塊為數據庫實現。

3.1 學生端

學生端主要為虛擬實驗的實現。系統的虛擬實驗模塊，雖然包含多個物理實驗模型，但其基本技術原理相同，受文章篇幅的限制，本文將以拉伸實驗為例介紹虛擬實驗模塊的原理。

3.2 學生端登陸

學生若要使用本系統，必須擁有已注冊于服務器的賬號，如若沒有則需通過注冊向服務器錄入學生個人信息。注冊將會對注冊信息進行必要的合法性檢查，其利用本地的JavaScript，通過后才會將個人信息錄入服務器數據庫中。登陸完成后即可進入學生端界面。

3.3 虛擬實驗

虛擬實驗界面中包含“實驗大綱”、“實驗指導”、“儀器試件”、“虛擬實驗”、“實驗報告”、“留言答疑”以及“我的信息”等板塊。“實驗大綱”、“實驗指導”界面為收錄的本次實驗的原理教學和實驗流程，“儀器試件”則通過圖片形式展示本次實驗所用到的各類儀器。學生用戶可以通過瀏覽這些分類板塊了解本次實驗的原理、流程、目的以及實驗要求等信息，達到實驗前的教學目的。當學生充分理解實驗后，就可以正式開始“虛擬實驗”環節，這也是本系統核心功能模塊。

“虛擬實驗”環節開始后，系統會通過前提JS，一些復雜的實驗則通過后臺servlet和 javaBean，依據具體實驗隨機生成一定合理范圍內的實驗數據，并通過request或session對象傳遞給jsp頁面。當完成以上實驗步驟后，學生用戶即可將虛擬實驗所得數據代入具體公式計算得出實驗結果，至此整個“虛擬實驗”環節結束。

3.4 報告提交

當學生完成整體虛擬實驗后，即可將整個實驗流程和所得數據結果整理成報告，并通過網絡上傳提交與服務器數據庫中，以備教師調閱或者學生自己查閱。同時系統也提供在線答疑功能，學生可將實驗步驟中難以理解的環節通過郵件形式發予任課教師進行咨詢，回復也以郵件形式發回學生郵箱中。

3.5 教師端

教師使用此系統也需要進行賬號注冊以及信息的驗證，驗證過程同學生模塊，注冊完成后將信息收錄數據庫中。教師模塊的權限要高于學生模塊，教師模塊擁有整個系統的控制權限，教師可以通過教師端界面管理整個系統的數據庫。

3.5.1 報告管理

當學生將實驗報告提交于服務器數據庫之后，教師即可通過“報告管理”模塊查詢到所需要調閱的報告。查詢功能采用模糊搜索方式，可以根據 “名稱”、“起始發布時間”、“結束時間”等條件對數據庫中的報告進行檢索。教師擁有對報告數據庫表的更新管理權限，可以隨時刪減數據庫中的報告文件，并且教師可以上傳報告模版文件，供學生下載使用。

3.5.2 成績管理

通過“成績管理”模塊，教師可以在線打開學生提交于報告數據庫中的文件。在打開后的報告界面會出現“評分”選項，教師可以通過審閱學生提交的報告對學生虛擬實驗的完成情況進行等級評定工作。當評定完成之后，評定的結果信息會被儲存于服務器數據庫中，對不及格的報告，教師可在“報告管理”模塊將其刪除。學生可在收到評定結果為“不合格”的消息后再次進行模擬實驗并重新提交報告，直至評定結果為“合格”為止。教師也可在評定結果發布后再次進行修改，更改評定的結果。

同時，教師也可在此模塊中進行檢索，搜索出所有“合格”或“不合格”的學生信息及報告，并通過相應模塊做后續的管理操作。

4 結語

本文通過詳細的介紹，描述了材料力學虛擬系統的組成結構及工作流程，闡述了材料力學虛擬系統的優越性，以及對現實物理實驗所面臨的問題的解決策略，材料力學模擬系統極大減少了現實物理實驗的人力財力支出，是對現實物理實驗的強大補充和替代。

參考文獻

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收稿日期：2016-09-09

作者簡介：周塔（1980—），男，江蘇鹽城人，博士，講師，研究方向：模式識別與智能系統。