材料力學虛擬仿真實驗教學研究

【摘要】：為了滿足實驗設備數(shù)量不足，并達到節(jié)約實驗經費的目的，可以將虛擬仿真試驗應用到材料力學的實踐教學環(huán)節(jié)中。虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相比具有靈活性、經濟性、安全性等優(yōu)點，能夠激發(fā)學生學習材料力學的興趣，并對傳統(tǒng)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。

【關鍵詞】：材料力學；虛擬仿真；實驗教學

1虛擬仿真實驗發(fā)展現(xiàn)狀

隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬仿真實驗室在教育領域的應用價值，它除了可以輔助高校的科研工作，在實驗教學方面也具有如利用率高，易維護等諸多優(yōu)點。近年來，國內的許多高校都根據(jù)自身科研和教學的需求建立了一些虛擬實驗室[1]，建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是成功進行虛擬現(xiàn)實應用的關鍵，而要建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，首先要做的工作是選擇實際可行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)技術。材料力學是工科學生的專業(yè)必修課，其實驗眾多，有些實驗設備昂貴。因此，開發(fā)虛擬演示實驗是對材料力學教學的有益補充，可以節(jié)省有限的實驗教學經費[2-5]。

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(yōu)點：

（1）節(jié)省實驗時間。學生的實踐教學環(huán)節(jié)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(jié)約時間。

（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(xiàn)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。

（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(shù)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。

（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[6]。

2.2虛擬仿真實驗的應用意義

（1）虛擬仿真技術在現(xiàn)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(fā)展職業(yè)教育，將虛擬仿真技術充分應用到職業(yè)教育中，提高職業(yè)教育發(fā)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(huán)境能很好地實現(xiàn)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[7]，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(tǒng)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虛擬仿真實驗操作實例

在材料力學實驗中，低碳鋼的拉伸試驗是進行的最為廣泛的試驗之一，其拉伸過程可以劃分為四個階段——彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段，因此，此次研究以低碳鋼的拉伸試驗為例來說明一下虛擬仿真實驗的全過程。

進入演示，按提示操作，依次點擊各個交互區(qū)域，激發(fā)下一步操作，如圖1和圖2所示。進入拉伸破壞演示動畫畫面，指針會模擬加載的拉力大小，如圖3所示。拉伸破壞演示完成后會自動顯示應力-應變曲線，如圖4所示。在顯示應力應變曲線后，可以按系統(tǒng)提示操作進入斷面展示界面。

低碳鋼拉伸虛擬演示實驗不僅可以使學生熟悉實驗過程，還可以使學生清楚地觀測到低碳鋼在屈服時加載力表盤指針的擺動以及試件表面45°滑移線的產生，實驗最后還可以觀測到頸縮的產生以及試件斷面情況。由于滑移線產生以及頸縮的時間都很短，所以在實驗室做真實實驗，很難觀察到詳細的變化過程。而通過虛擬演示實驗，在此階段可以放慢實驗速度，并局部放大試件變化明顯的部位，學生可以清晰地觀察到實驗的現(xiàn)象，不僅使學生容易理解理論知識和實驗內容，還提高了實驗的趣味性，增加了學生學習的興趣，提高了教學效果[8]。

4結束語

通過虛擬仿真實驗的開發(fā)及其在教學中的應用，使學生能形象化了解基本理論，這對傳統(tǒng)實驗起到了完善、補充和拓展的作用，是今后教學改革的主要內容。虛擬仿真實驗能提高教學的質量，改善教學的效果，培養(yǎng)學生的綜合能力與學習興趣，采用虛擬仿真實驗的學生對實驗的掌握以及在實驗報告的撰寫方面都比不采用虛擬仿真實驗的學生要好很多。由于虛擬仿真實驗具有可控性，彌補了實驗室實驗現(xiàn)象難以觀測的不足。利用虛擬仿真實驗，有效縮短了實驗室實驗操作時間，采用虛擬仿真實驗的學生比實驗室做真實實驗的學生節(jié)省了大約半個小時的時間，大家可以利用這些時間參與其他的活動，豐富了學生的生活。虛擬實驗不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且在一定程度上彌補了教學資源不足的問題。

參考文獻：

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