基于校園網的材料力學虛擬實驗教學研究

劉杰+++楊創戰+++張攀博+++蘆靜

【摘要】為適應開放式實驗教學模式，結合我校材料力學實驗教學實際，將多媒體技術引入材料力學實驗教學，開發了材料力學虛擬實驗，虛擬實驗具有良好的人機交互界面，讓學習者在逼真的情境中在計算機上完成相關的材料力學實驗過程，以提高實驗儀器使用效率和實驗教學效果。為開展材料力學實驗教學進行改革和培養學員創新能力的提供了有效途徑。

【關鍵詞】實驗教學 創新能力 改革

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

一、前言

材料力學實驗教學是材料力學教學的重要組成部分，對學員加深對所學理論知識的理解，提高動手能力與科學創新思維能力起著積極和重要的作用。對培養具有厚基礎、寬口徑、高素質、強能力、特別是具有工程實踐能力和創新能力的高素質工程技術人才至關重要，然而長期以來，材料力學實驗教學附屬于理論教學，重視程度不高； 實驗教學內容以演示性驗證性為主； 教學手段與方法單一，學員只要按實驗指導書上的步驟去做，就能順利測出數據，完成實驗；實驗考核方式以實驗報告作為唯一依據。這些傳統的教學模式在一定程度上限制了學員的創新思維和學習能動性的發揮， 不利于學員的個性發展以及創新意識和創新能力培養，材料力學虛擬實驗系統利用計算機技術和網絡技術，設計開發出材料力學的實驗平臺，學員在校園網上就可以完成材料力學實驗，這樣既節約了資金又增添學員學習興趣，掌握課本上抽象的內容，這樣不僅能節約大量的設計和調試時間，同時又能培養學員利用計算機等現代化手段進行科學實驗的能力，為學員將來踏上工作崗位打下堅實的基礎。

二、開發材料力學虛擬實驗的意義

隨著高等教育形勢的發展，材料力學教學模式、教學手段、教學方法、學習資源、學習模式都在發生深刻的變革，確立以學員為主體，教師為主導的開放式實驗教學模式，以及充分利用現代化的教學手段，努力使教材實現電子化，課程網頁化、應用模式化，充分利用計算機輔助教學和網絡輔助教學已成為實驗教學發展的趨勢。隨著我校新一輪課程改革的進行，所有理論課時都有所減少，材料力學實驗學時也由原來的16學時壓縮到6學時。由于受教學時間及實驗室條件建設的限制，學員很難保證一人一臺套，造成學員對實驗過程：如實驗的前期準備，試樣的制作，試驗機的結構和工作原理，以及實驗結果的分析處理等內容都不甚了解，這樣使得在有限的時間內難以達到系統學習和提高實際動手能力的效果。針對以上材料力學實驗教學的現狀，我們從實驗教學的系統性出發，提出了開發材料力學虛擬實驗的想法。

虛擬實驗的開發應用，將從實驗教學系統性的角度，彌補學員人數多，演示性實驗設備不足的缺點，使學員在實驗以前就對整個實驗過程有一個較為全面的認識，從而起到重點突出、立竿見影的效果。虛擬實驗交互性強，可以提高用戶動手、實踐能力，培養創新意識。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內容多、學時少、經費有限的的矛盾，擺脫場地、器材、設備等制約條件。虛擬實驗無需實驗前準備工作和輔助工作，可以方便、靈活的進行實驗。虛擬實驗零損耗，無風險。虛擬實驗與網絡教學相結合，可以提前預習，在線實驗、交流、答疑。虛擬實驗引入材料力學實驗教學，極大地豐富了教學內容、教學手段以及教學方法，對教學有重要的促進作用。

三、材料力學虛擬實驗的開發

材料力學虛擬實驗是根據材料力學實驗大綱的要求，利用計算機技術和網絡技術，設計開發一個逼真的材料力學實驗平臺，學習者在逼真的情景中，利用圖文并茂的實驗預備知識、豐富多彩的實驗相關資料，操作靈活的實驗交互過程，及時方便的實驗操作指導，使實驗者在計算機上完成相關材料力學實驗過程。

我們開發的材料力學虛擬實驗是一個基于校園網絡的虛擬實驗，共設計了材料拉伸實驗、材料壓縮實驗、壓桿穩定實驗、沖擊實驗、梁的正應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、實驗報告五部分內容。虛擬實驗界面如圖1、2，三個模塊主要是讓學員快速的了解實驗設備、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實技術，利用虛擬的實驗設備進行實驗，讓學員形象逼真的進行實驗操作，體會整個實驗的全過程，主要用于學員的自學輔助。實驗報告可以利用虛擬技術生成實驗曲線，還可以實時打印出實驗報告，也可用于發送電子報告冊，提高實驗效率。

四、結束語

開發的基于校園網材料力學虛擬實驗，具有很強的交互性、操作性、開放性和沉浸感，完全改變了傳統材料力學實驗的教學模式，它一方面可以作為當前實驗教學的深化和補充， 另一方面也為優質實驗教學資源共享提供了有效途徑。 材料虛擬實驗在教學中的應用表明，使學員在做實物實驗之前對實驗的全過程了如指掌，有利于調動學員的學習積極性，提高實驗教學的效果，緩解當前材料力學實驗教學的困境。

參考文獻：

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[3]孫建國.關于材料力學教學改革的設想.力學與實踐，2004，26（3）88～89

作者簡介：

劉杰（1972-）， 男，高級實驗師，碩士，研究方向：機械工程。