基于虛擬仿真的材料力學機械實驗教學改革

薛娜

［摘 要］實驗教學是人才培養的重要環節，文章分析了目前材料力學機械實驗教學中存在的問題，提出利用虛擬仿真實驗教學平臺，通過建立網絡實驗教學資源、開展虛擬仿真實驗、完善實驗數據庫等方面進行材料力學機械實驗教學改革，進一步優化了實驗教學體系，提高了實驗教學效果，激發了學生的創新意識。

［關鍵詞］虛擬仿真；材料力學機械；實驗教學改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0074-04

實驗教學是高等學校工科專業人才培養不可缺少的重要環節[1-2]，材料力學機械實驗是高等學校工科力學基礎課程必修課內實驗，其主要任務是使學生在理論學習的前提下進行鞏固操作，加深對材料拉伸、壓縮受力過程的了解，提高對力學基本概念、基本理論的認識，牢固掌握材料性能指標的檢測方法，鍛煉實際操作和動手能力，培養分析問題、解決問題的能力，對于學生實驗操作能力、工程協作意識和創新能力的培養有著重要的作用。

材料力學機械實驗是實物破壞性實驗，實驗項目具有不可重復性。然而，在長期的教學實踐中發現，部分學生在做實驗之前，對實驗中所涉及儀器設備的操作原理、操作規程及整個實驗過程不夠了解，導致不能很好地完成實驗項目，甚至損壞儀器設備。此外，現有實驗教學多局限于用實驗驗證基本理論，并進行實驗數據處理、分析，學生做完實驗后收獲不大，難以完全掌握實驗中所涉及的技術和方法，不利于學生實驗動手能力及創新能力的培養。同時，現有的機械實驗教學往往局限于單一材料、單一尺寸、單一實驗數據結果，不能有效地激發學生的實驗興趣，學生的創新能力培養往往大打折扣。材料力學機械實驗設備昂貴，每次實驗的材料消耗較大，為了保證設備在學生使用時不受到意外損壞，不得不增加師資進行監督，這樣在一定程度上造成了物力及人力資源的浪費[1-5]。

為了解決現有材料力學機械實驗教學存在的問題，項目組根據河南城建學院（以下簡稱我校）材料力學機械實驗教學情況，設計實驗腳本，建設金屬材料機械性能測試虛擬仿真實驗，將虛擬仿真[5]引入材料力學機械實驗教學，通過正式實物實驗前的虛擬操作，幫助學生了解、掌握實驗儀器設備的原理和使用方法，熟悉實驗操作流程，在現有條件下最大限度發揮資源的價值，充分調動學生的實驗積極性，提升學生的動手操作能力，提高材料力學機械實驗教學效果。

一 、虛擬仿真實驗腳本設計

項目組主要依據材料力學低碳鋼、鑄鐵等金屬材料的拉伸、壓縮以及牛展實驗，基于我校力學實驗教學示范中心儀器設備資源情況，構建虛擬仿真實驗模塊，設計實驗腳本。虛擬仿真實驗腳本的構成主要包括多媒體教學、虛擬仿真實驗、結果分析、實驗報告、綜合測評模塊（見表1）。

二、材料力學機械實驗教學改革的主要內容

（一）建立網絡實驗教學資源

以低碳鋼、鑄鐵金屬材料機械性能測試實驗為例，實驗中包含實驗機原理和操作規程、彈性模量的測定、觀測彈性和塑性變形規律、材料應力—應變全程曲線的特征分析。通過該實驗，學生能直觀地了解并掌握低碳鋼、鑄鐵類金屬材料的變形特征。

項目組建立了實驗課程網站，并將其應用于材料力學機械實驗教學中，實驗教學流程如圖1所示。建立了實驗項目資料庫，錄制了完整的實驗教學視頻，包括實驗原理、實驗目的、實驗設備工作原理、操作規程等。完善了實驗說明、實驗指導書、實驗預習報告、實驗教學大綱、儀器設備介紹等相關實驗資料，豐富了課程教學資源，幫助學生在實驗前了解實驗儀器設備的原理和使用方法、熟悉實驗操作流程，激發學生學習熱情，降低實驗失敗率。

（二）開展虛擬仿真實驗

以金屬材料單軸受力、金屬材料扭轉實驗為例，按照實際的實驗設備和實驗裝置開展虛擬仿真實驗，使之與實際實驗近似相同。將標準實驗與實驗管理平臺進行對接，學生可以對金屬材料機械實驗的整個過程進行虛擬操作。利用虛擬仿真實驗腳本對材料力學拉伸、壓縮等機械實驗進行虛擬仿真實驗研發，將虛擬仿真實驗分為多媒體教學和實驗演練兩個部分（見圖2）。其中，多媒體教學模塊主要為力學實驗室和金屬材料拉伸、壓縮實驗的項目簡介，在模塊中設置了部分思考題和相關的力學實驗競賽題，學生可通過查閱文獻、分組討論等方式開展研究，引導學生對實驗內容進行拓展性思考，提高學生的學習興趣。實驗演練模塊主要包括實驗操作和實驗報告撰寫，是對材料力學機械實驗操作原理和實驗操作過程的具體模擬，在實驗的虛擬仿真操作過程中，針對我校學生實際實驗中容易發生錯誤或者需要學生思考的地方設置了小測試（見圖3），有針對性地強化學生的實驗關注點并有效引導學生思考實驗要點，提升了實際實驗效率和實驗預習效果。

（三）完善實驗數據庫

為進一步解決現有材料力學機械實驗研究對象的局限性問題，項目組基于ANSYS有限元數值模擬軟件，對金屬材料軸向拉伸機械實驗進行數值模擬（見圖4），通過數值分析方法，對力學實驗進行重現。根據數值模擬分析結果，在實驗數據庫中進行實驗數據完善，在現有低碳鋼、鑄鐵材料機械實驗基礎上，增加鋼纖維、纖維水泥板等部分結構用高性能材料，使力學實驗研究對象與實際工程相結合，與專業發展趨勢相一致。對于同一材料，修改命令流相關參數，記錄直徑、長度等相關參數不同時材料受力特性的變化趨勢，完善實驗數據庫，使學生了解不同參數對材料受力性能的影響特點，引導學生思考實際結構中不同構件尺寸材料強度的變化。

同時，建立數據鏈接，將數值模擬結果進行整理并與實驗課程學習平臺對接，實現在學習通平臺輸入不同的實驗材料、任意的構件截面尺寸等實驗材料參數，就可以生成不同的實驗結果和實驗曲線，豐富實際實驗內容，引導學生思考實驗誤差及實際工程中強度取值依據，培養學生的創新思維。

三、教學效果與成效

（一）優化實驗教學體系

根據我校人才培養方案和課程教學大綱要求，材料力學機械實驗主要包括課內必修實驗和課外選修實驗，實驗內容主要涵蓋基礎性實驗、綜合性實驗、研究創新性實驗以及基于科研成果轉化的設計性實驗。虛擬仿真實驗在實驗教學中的應用體現了三個實驗教學層次：多媒體教學和實驗演練主要幫助學生構建知識體系和培養專業興趣；實物實驗主要培養學生的實踐技能、協作能力及綜合素質；實驗的數值模擬部分以研究性和創新性為特點，豐富實驗資源，重點引導學生進行思考，培養學生發現問題、探索問題的能力。同時，虛擬仿真在實驗教學中的應用可以為學生的課前預習和課后復習提供有效支撐，提升實物實驗的效率，利用節約的實驗試件可以在現有的實驗教學體系中增加綜合性實驗，增加研究性和創新性實驗，形成遞進式實驗教學體系，滿足不同層次學生的實驗需求。

（二）提高實驗教學效果

虛擬仿真實驗作為正式實物實驗前的虛擬操作，可以幫助學生了解、掌握實驗儀器設備的原理和使用方法、熟悉實驗操作流程，在實驗教學中引入虛擬仿真實驗，具有以下優勢。

1.節約實驗學時。學生在仿真實驗的基礎上能夠盡快掌握實際設備的工作原理和操作方法，通過虛擬仿真實驗，在進入實驗室之前進行充分的預習，實驗過程中可以節約實驗時間。

2.降低實驗失敗率。材料力學機械實驗主要為破壞性實驗，如操作不當會造成實驗失敗，甚至可能導致設備或配件損壞。虛擬仿真實驗中對實驗關鍵點加以說明和提示，加深了學生的認識，能夠降低實驗失敗率，進而降低實驗成本。

3.降低實驗的危險性。實驗室進行鑄鐵金屬材料壓縮實驗時，加載過快可能會出現鐵屑飛出的情況，低碳鋼壓縮實驗時，觀測不到位可能會出現損毀壓盤等情況。通過虛擬仿真實驗提高學生的預習效果，可以降低實驗危險性，確保實驗人員和儀器設備的安全。

4.提升學生的實驗能力。基于虛擬仿真實驗，通過構建實驗教學平臺，實現了實驗課程課內與課外結合、虛實結合、線上與線下結合，拓展了實驗教學內容的寬度和深度，提高了學生完成實驗的積極性和參與度，實驗過程中學生的動手操作能力和團隊協作能力均有明顯提升。

5.完善實驗教學方式。利用實驗教學平臺實時統計出學生的虛擬仿真實驗完成情況和主要錯誤點，幫助實驗指導教師及時掌握學生的實驗預習和課下學習情況，提高實驗教學的針對性。通過精簡部分實驗教學過程，使得學生的實驗學習興趣、學習主動性和創新意識得到較大提高。

（三）激發學生的創新意識

項目組建立了課程網絡資源平臺，通過對實驗進行有限元數值模擬，完善了現有實驗數據庫，學生可以較為靈活地輸入土木工程中常用的材料及不同的實驗參數，得到相應的實驗曲線和實驗測試結果。豐富的實驗數據庫可以提高學生的學習興趣，激發學生進行實驗探索的欲望。教師在學生完成基礎實驗的前提下，可以適當引導學生進行綜合性和創新性實驗，引導學生思考實驗的進一步研發方向，從而提高學生的創新意識和參與實驗的積極性，為學生的進一步學習打下良好的力學實驗基礎。

四、結論與展望

項目組基于材料力學拉伸、壓縮實驗，開展了虛擬仿真實驗，并基于有限元數值分析軟件完善了實驗教學數據庫，建立了實驗課程網站并應用于我校材料力學機械實驗教學，取得了一定的教學效果。基于項目現階段的實際實驗教學應用情況，今后可從三個方面進一步開展相應的實驗教學工作。

一是實驗教學資源的共享。基于網絡課程平臺和學校服務端，對現有實驗教學資源進行整合，建立共享端口，使學生可以在線進行多層次、多方面虛擬仿真實驗，可彌補單一課程資源的不足，實現資源共享，提高教學資源的利用率。

二是課內選修實驗的開放。與學科競賽、教師科研等內容相結合，進一步研發適合我校學生現有實驗水平的創新性、綜合性實驗，提升實驗的工程應用價值；與科研項目相結合，提高學生的實驗興趣，培養學生的創新能力。

三是進一步完善數值模擬實驗資源庫，特別是加入土木工程高性能材料、綠色材料等內容，使力學實驗能夠緊跟專業發展趨勢，進一步完善傳統材料力學機械實驗，優化課程體系，提高學生的專業認知。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 石培蕾，朱堅民. 工程力學實驗教學改革初探[J]. 實驗室科學， 2015， 18（4）： 92-95.

[2] 代樹紅，宋維源. 新工科建設中力學實驗教學內容體系的優化設計[J]. 教育教學論壇， 2018（22）： 276-278.

[3] 黃濤，胡佳恒，付佩. 虛擬仿真實驗在材料力學課程教學改革中的應用研究[J]. 實驗科學與技術， 2022， 20（1）： 34-38.

[4] 王曰國. 力學實驗教學改革的探索與實踐[J]. 西南交通大學學報（社會科學版）， 2023， 24（S2）： 71-73.

[5] 樊久銘，劉彥菊，劉偉，等.新工科背景下力學實驗教學改革與實踐[J].西南交通大學學報（社會科學版），2023，24（S2）：134-138.

［責任編輯：蘇祎穎］