基于虛擬仿真的“三層次四平臺”力學(xué)類課程體系探索與實踐

莫春美 李甜 楊漢寧

[摘? ? ? ? ? ?要]? 虛擬仿真技術(shù)可將抽象理論知識可視化，彌補高校實驗教學(xué)條件的不足。將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)土木工程專業(yè)力學(xué)類課程教學(xué)中，建立“三層次四平臺”力學(xué)類課程虛擬仿真教學(xué)體系，實現(xiàn)理論教學(xué)、實驗實訓(xùn)和技能提高等多功能，同時設(shè)計了三層級遞進(jìn)式的實踐項目，培養(yǎng)學(xué)生由基礎(chǔ)性技能向?qū)嵺`性技能和創(chuàng)新性技能轉(zhuǎn)變，為高校培養(yǎng)復(fù)合型人才的目標(biāo)助力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛擬仿真;力學(xué);課程體系;“三層次四平臺”

[中圖分類號]? G647? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2022）12-0094-03

理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)是高校土木工程專業(yè)重要的三門專業(yè)核心課，課程理論性強、概念抽象、與工程實踐密切相關(guān)，能為土木工程專業(yè)的學(xué)生將來解決實際工程中力學(xué)問題提供科學(xué)的思路和方法，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)計劃中占據(jù)重要地位。《教育部 國家發(fā)展改革委 財政部關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》指出，普通本科高校要把培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)到培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才上來，全面提高學(xué)校服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的能力。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)力學(xué)類課程的教學(xué)方式，將虛擬仿真教學(xué)引入土木工程專業(yè)力學(xué)類課程中，促使課程內(nèi)容更具仿真性、互動性，通過虛擬仿真教學(xué)給學(xué)習(xí)者沉浸式的直觀體驗，帶來較強的實操代入感。結(jié)合高校現(xiàn)有實驗條件及企業(yè)對應(yīng)用型人才的需求現(xiàn)狀，建立“三層次四平臺”力學(xué)類虛擬仿真課程教學(xué)體系，設(shè)計有針對性的實踐實訓(xùn)項目，提高學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新技能，對保證高校培養(yǎng)復(fù)合型人才質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)不斷進(jìn)步和學(xué)科專業(yè)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)可利用仿真計算軟件和計算機平臺，既可以再現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室中的經(jīng)典實驗，又可以展開傳統(tǒng)實驗室難以開展的高成本、高危險、高難度試驗[1]，因此得到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞，紛紛將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)課堂教學(xué)中。美國大學(xué)在力學(xué)系列課程中引入MATLAB、Excel、ANSYS等軟件，在課堂上不僅講解軟件輔助解題過程和驗證力學(xué)知識，甚至學(xué)生的作業(yè)也是利用計算機完成，加深了學(xué)生對抽象力學(xué)知識的理解，也為將來解決工程實際問題打下扎實的基礎(chǔ)[2]。從2006年開始，英國開放大學(xué)基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬世界“第二人生”（Second Life）開展教學(xué)，構(gòu)建與課堂平行的三維虛擬環(huán)境[3]。在我國，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于力學(xué)類課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，有研究學(xué)者將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)工程力學(xué)實驗教學(xué)中，建設(shè)工程力學(xué)基礎(chǔ)實驗虛擬仿真平臺，對實驗室實驗進(jìn)行補充，彌補高校實驗條件的不足，同時實現(xiàn)實驗教學(xué)資源共享[4]。也有學(xué)者在材料力學(xué)課程的實驗中引入Unity 3D程序，開發(fā)材料組合變形虛擬仿真實驗系統(tǒng)，模擬真實實驗的操作過程[5]。力學(xué)課程具有概念性強的特點，將CAE軟件應(yīng)用于力學(xué)課程教學(xué)中，可將典型力學(xué)知識可視化[6]。在力學(xué)課程的教學(xué)中增加ANSYS軟件上機訓(xùn)練，加深和提高學(xué)生對理論力學(xué)基礎(chǔ)知識的理解和軟件的操作能力[7]。

二、力學(xué)仿真教學(xué)的必要性

伴隨人工智能時代的到來，在新工科背景下社會對應(yīng)用型人才的能力要求更高，土木工程專業(yè)本身具有較強的應(yīng)用性和實踐性，傳統(tǒng)的力學(xué)類課程教育和培養(yǎng)模式已經(jīng)不再適應(yīng)時代的發(fā)展，也不能滿足學(xué)生技能性創(chuàng)新的需求。

（一）將抽象理論知識可視化

力學(xué)類課程具有理論性強、概念多、知識系統(tǒng)龐大等特點，將虛擬仿真教學(xué)引入土木工程專業(yè)力學(xué)類課堂教學(xué)中，可以通過虛擬仿真軟件對構(gòu)件、結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析，模擬結(jié)構(gòu)的變形、破壞情況，將內(nèi)力、應(yīng)力、變形等抽象的概念以直觀、形象的變形圖和應(yīng)力云圖等形式展示給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂學(xué)習(xí)效率。

（二）破解“重理論、輕實踐”問題

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師更偏重于講授每道題目的計算方法和步驟，重理論、輕應(yīng)用，久而久之，學(xué)生只重視最終計算結(jié)果，并不知道如何利用力學(xué)知識解決工程實際問題。力學(xué)模型實驗多為破壞性實驗，耗材多，破壞過程短暫，學(xué)生很難察覺整個破壞的過程，實驗過程中不可控情況多且具有一定的危險性，破壞性實驗是不可逆的，由于資源有限，并不能保證每位學(xué)生有足夠的動手操作機會。將ABAQUS等仿真軟件引入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生利用仿真軟件，對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)簡化、建模、內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強化學(xué)生理解基本概念的同時還提升了對工程結(jié)構(gòu)的分析能力。

（三）提高創(chuàng)新技能

實際工程結(jié)構(gòu)分析具有多樣性，包括受力分析、變形分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析，在力學(xué)類課程實踐環(huán)節(jié)中，增設(shè)一些開放性、設(shè)計性實踐項目，學(xué)生利用虛擬仿真軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自主設(shè)計、分析及優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高創(chuàng)新技能。

三、建立基于虛擬仿真的“三層次四平臺”力學(xué)類課程體系

將理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)三大力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合，根據(jù)內(nèi)容特點建立基于虛擬仿真的“三層次四平臺”土木工程專業(yè)力學(xué)類課程教學(xué)體系，四大仿真平臺可分為基礎(chǔ)仿真、過程仿真、實訓(xùn)仿真及技能競賽，實現(xiàn)教學(xué)、實驗、實訓(xùn)和技能鑒定等多功能，培養(yǎng)學(xué)生由基礎(chǔ)性技能向?qū)嵺`性技能和創(chuàng)新性技能轉(zhuǎn)變。“三層次四平臺”的虛擬仿真教學(xué)體系如圖1所示。

力學(xué)基礎(chǔ)仿真包括約束分析、荷載分析、結(jié)構(gòu)形式分析、應(yīng)力分析和變形分析等基礎(chǔ)知識，教師通過仿真技術(shù)將抽象的力學(xué)知識轉(zhuǎn)化為生動的圖片，甚至以動態(tài)的形式展示出來，將難以理解的抽象力學(xué)理論直觀化、形象化，加深學(xué)生對概念的理解，避免了學(xué)生僅僅是對字面上的理解，旨在夯實學(xué)生的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)習(xí)興趣。

力學(xué)過程仿真主要以控制參數(shù)為主，讓學(xué)生初步體驗結(jié)構(gòu)從建模、分析到最后優(yōu)化的整個仿真步驟，使學(xué)生對結(jié)構(gòu)幾何組成分析原理、內(nèi)力分析原理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理等掌握得更加牢固，為提高學(xué)生實踐技能提供必要條件。力學(xué)過程仿真彌補了傳統(tǒng)實訓(xùn)學(xué)生無法親自動手操作的不足。

力學(xué)實訓(xùn)仿真是“四平臺”的核心，是由基礎(chǔ)性技能向?qū)嵺`性技能轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實際動手操作能力，學(xué)生通過仿真軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、建模、分析和優(yōu)化，通過模擬展示結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化、變形和破壞過程，更加形象直觀地讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)的工作過程，操作性更強，也為培養(yǎng)和提高創(chuàng)新性技能打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新技能是實踐技能的進(jìn)一步升華，在實踐環(huán)節(jié)中增設(shè)一些具有開放性、創(chuàng)新性的實踐項目，學(xué)生在掌握實踐技能的基礎(chǔ)上，增強創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力。同時鼓勵學(xué)生參加大學(xué)生結(jié)構(gòu)競賽，以賽促學(xué)，實現(xiàn)理論知識與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，也為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工程設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

四、設(shè)計三層級遞進(jìn)式實踐項目

開展虛擬仿真實訓(xùn)項目，大大提升實訓(xùn)效率并減少資源投入與浪費，創(chuàng)新工程實踐教學(xué)方式，推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)的深度融合。基于培養(yǎng)學(xué)生從簡到繁、單一到綜合、實現(xiàn)解決實際問題和專業(yè)知識相結(jié)合的目標(biāo)，以實現(xiàn)教學(xué)功能和應(yīng)用為導(dǎo)向，在理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的基礎(chǔ)上，與混凝土結(jié)構(gòu)原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等專業(yè)課相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生能力遞進(jìn)為目的，強調(diào)相關(guān)課程知識的有機結(jié)合，強化工作過程系統(tǒng)化，充分發(fā)揮前期力學(xué)知識和后期專業(yè)課之間的紐帶作用，將單門課項目任務(wù)向課程群綜合性項目任務(wù)升級，使學(xué)生認(rèn)識到各專業(yè)課之間的聯(lián)系，建構(gòu)完整的專業(yè)知識架構(gòu)，將土木工程專業(yè)的力學(xué)類實訓(xùn)過程分為如圖2所示的三層級遞進(jìn)項目，由簡單的一級項目逐漸向復(fù)雜的三級實訓(xùn)項目遞進(jìn)，實訓(xùn)仿真為學(xué)生參加土建類技能競賽奠定了軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)。

一級項目是基礎(chǔ)項目，旨在培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)技能，理論力學(xué)是土木工程專業(yè)學(xué)生首次接觸力學(xué)類課程，是研究物體機械運動的基本學(xué)科，而材料力學(xué)是在先修理論力學(xué)的基礎(chǔ)上，研究單根桿件在各種外力作用下的應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度和穩(wěn)定性問題，因此在設(shè)計三層級遞進(jìn)式實踐項目時考慮理論力學(xué)與材料力學(xué)各自的特點及其內(nèi)容關(guān)聯(lián)性。在一級實訓(xùn)項目中主要通過仿真軟件以生動的云圖和動畫將抽象的支座形式、應(yīng)力、應(yīng)變、強度等呈現(xiàn)出來，將理論知識可視化，同時增加仿真軟件基本操作環(huán)節(jié)，學(xué)生熟悉軟件各項功能及建模步驟，為后續(xù)提升實踐技能打好扎實的理論知識和軟件基本操作能力。

二級項目在一級項目感性認(rèn)知和理論知識掌握的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的實踐技能，將三大力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，學(xué)生通過分析實際工程簡單結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、受力特點和變形特點等，對簡單結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)簡化，并利用仿真軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其中包括桿件建模、節(jié)點處理、支座處理和荷載布置，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形和破壞分析，該環(huán)節(jié)學(xué)生經(jīng)歷結(jié)構(gòu)的整體建模及分析，并且可直觀觀察整個結(jié)構(gòu)的工作過程，學(xué)生鞏固理論知識的同時還可以提升實踐操作能力，并為后續(xù)創(chuàng)新技能的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

三級項目中將三大力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等專業(yè)課進(jìn)行有機結(jié)合，三級實訓(xùn)項目內(nèi)容主要是學(xué)生對較復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行自主結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用仿真軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及分析，最后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，學(xué)生在進(jìn)行自主設(shè)計和優(yōu)化環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和提升創(chuàng)新技能，同時在實訓(xùn)環(huán)節(jié)增設(shè)一些具有開放性、創(chuàng)新性的實訓(xùn)項目，如結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，鼓勵學(xué)生對結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，提高團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生今后就業(yè)的競爭力。

五、結(jié)語

建立基于虛擬仿真的“三層次四平臺”力學(xué)類課程教學(xué)體系，彌補實驗教學(xué)資源的不足，豐富教學(xué)內(nèi)容，通過設(shè)計三層級遞進(jìn)式實訓(xùn)項目，提高學(xué)生的計算機軟件應(yīng)用能力，加深對基礎(chǔ)理論理解的同時提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，保證應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)質(zhì)量，對培養(yǎng)新形勢下土木工程專業(yè)復(fù)合型技能人才具有重要意義。

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◎編輯 司 楠