材料力學虛擬仿真實驗教學發展思路研究

張海洋 郭焜 趙秀云

摘要：結合高校的實踐教學經驗，為了滿足實驗設備數量不足，并達到節約實驗經費的目的，可以將虛擬仿真試驗教學應用到材料力學的實踐教學環節中。虛擬仿真實驗與傳統實驗相比具有靈活性、經濟性、安全性等優點，能夠激發學生學習材料力學的興趣，并對傳統實驗起到完善、補充和拓展的作用，是今后教學改革的新方向。通過對存在的現有問題分析，給出了推薦虛擬仿真實驗室建設發展的建議。

關鍵詞：材料力學;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：TU 文獻標識碼：A 文章編號：（2021）-06-364

1引言

隨著信息技術的發展以及高等學校對實驗教學要求的不斷提高，虛擬仿真實驗教學在高等學校的應用日益增多。它可以彌補真實實驗在實驗條件，實驗成本，交互性和安全性等方面的不足，與真實實驗教學結合，相互補充，可以有效促進高校學生創新精神和實踐能力的提高。2013年，教育部正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，通過建設具有示范引領作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新。

近年來，國內的許多高校都根據自身科研和教學的需求建立了一些虛擬實驗室，建立一個完整的虛擬現實系統是成功進行虛擬現實應用的關鍵，而要建立一個完整的虛擬現實系統，首先要做的工作是選擇實際可行的虛擬現實系統解決方案。對于國內教學型虛擬實驗的建設，有如下幾點建議：1）用平民化的技術實現教學型虛擬實驗室的建設和應用;2）更新實驗教學觀念，重新認識虛擬實驗室;3）切合實際，合理選擇開發技術。材料力學是工科學生的專業必修課，其實驗眾多，有些實驗設備昂貴。因此，開發虛擬演示實驗是對材料力學教學的有益補充，可以節省有限的實驗教學經費。

2虛擬仿真實驗的特點及應用意義

2.1 虛擬仿真實驗的特點

在材料力學實驗教學中采用虛擬實驗具有顯著優點。

2.1.1節省實驗時間

學生的實踐教學環節是有一定的學時限制的，學生在到實驗室實驗之前進行了虛擬實驗，在進行實際實驗時就能節約時間。

2.1.2降低實驗成本

材料力學中的實驗主要是破壞性實驗，如果在實驗操作過程中出現失誤，就會造成實驗失敗，一旦失敗既浪費了試件，也有可能造成實驗儀器的損壞。而在虛擬實驗過程中，會對關鍵步驟進行強調，防止錯誤產生，這樣就提高了實驗的成果率，降低了實驗成本。

2.1.3彌補實驗條件的不足

學生去實驗室做實驗可能會受到實驗儀器數量有限、教學安排沖突等客觀條件的影響，如果是虛擬實驗，學生只要一臺計算機，就可以隨時隨地的進行實驗，彌補了實驗條件的不足，并且能豐富感性認識，加深對實驗和理論的理解。

2.1.4降低實驗的危險性

在實驗室進行金屬試件的壓縮實驗時，可能會產生試件飛出傷到實驗者的情況，用虛擬實驗就解決了這一問題，學生可以放心的去做各種危險實驗，而不必考慮會造成傷害。

2.2虛擬仿真實驗的應用意義

（1）虛擬仿真技術在現代教育方面的應用是一種趨勢，2014年教育部公布通過的100所國家級虛擬仿真實驗教學中心，就是在推動虛擬仿真技術在教學領域的應用。2008年國家提出大力發展職業教育，將虛擬仿真技術充分應用到職業教育中，提高職業教育發展水平和效果，也是明確表示仿真技術在教育領域的應用。

（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，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 虛擬仿真實驗室的發展思路

3.1進一步加強組織保障和制度建設

實驗室要保持長期高效的發展，政策和制度的建設是重要的保障。

（1）進一步制定和優化政策，鼓勵學科帶頭人和高水平教師積極投身虛擬仿真實驗教學，引進高層次人才，提高實驗教學層次和水平。

（2）推行理論課教師從事實驗教學、實驗課教師兼任理論教學，促進實驗教學與理論教學的融會貫通，保證有一支高水平虛擬仿真實驗教學隊伍。

（3）從人員職責、實驗室開放、儀器設備使用保管、實驗室安全、平臺網絡管理與權限管理等方面制定更全面、更嚴格的管理制度和規章規范，保證實驗中心運行的高效性和穩定性。

3.2 高性能技術平臺的有效融合

力學作為工科基礎學科，其實驗教學要貼近工程、反映實際，力學虛擬仿真實驗教學也要不斷采用先進的技術，采用可以進行更復雜數值模擬的高性能計算系統和具有更真實表現力的三維互動呈現技術，在更大范圍共享互聯網技術，并將這些技術進行有效融合，打造先進的高性能虛擬仿真實驗教學項目開發平臺。

3.3開發精品項目，推動全面開放共享

在強大的組織制度保障和技術先進的開發平臺支撐下，有效整合教學、科研、技術支撐等方面人才隊伍，充分發揮人才隊伍的特長和優勢，圍繞科技前沿和工程實際，開發更多的精品實驗項目。在國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工程的支持下，推動虛擬仿真教學深入和全面的開放共享，實現共享、共贏和教學示范效果的最大化。

參考文獻

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通訊作者： 趙秀云 山東協和學院

項目來源：2021年實驗室開放項目;項目名稱為：基于大學生結構設計大賽材料的力學性能試驗研究;項目編號：2021SYKF21”

山東協和學院 山東省 濟南市 250107