工程力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心資源建設(shè)

曲淑英， 周志新， 吳江龍， 候興民

(煙臺大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺 264005)

0 引 言

實(shí)驗設(shè)備是高校重要的戰(zhàn)略性科技資源之一，是開展虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)示范中心建設(shè)的基礎(chǔ)。教育信息化是信息時代教育改革發(fā)展的必然要求，也是教育現(xiàn)代化的核心特征。國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要( 2010～2020年》指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視”[1]。教育部于2013年3月頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》[2]則從頂層設(shè)計入手，從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，建成人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境。建設(shè)學(xué)習(xí)型社會的信息化支撐服務(wù)體系的中長期目標(biāo)、任務(wù)和措施，并分別制定了基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育和教育管理信息化發(fā)展水平框架[3-4]。該規(guī)劃對 2020 年高等教育信息化建設(shè)提出了以下發(fā)展目標(biāo)和基本指標(biāo)：① 基于校園網(wǎng)、數(shù)字化教室、虛擬實(shí)驗室、數(shù)字教育教學(xué)資源庫、教學(xué)科研等管理信息系統(tǒng)且綠色、安全、文明的數(shù)字校園建設(shè)；② 信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的教學(xué)模式、方法和內(nèi)容創(chuàng)新應(yīng)用，以及信息化條件下學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理和自主服務(wù)能力培養(yǎng)；③ 信息化支撐科研成果轉(zhuǎn)化為數(shù)字教學(xué)資源及在教學(xué)中的應(yīng)用；④ 科研信息化條件與資源建設(shè)、共享使用以及基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同科研能力；⑤ 教學(xué)與科研資源和學(xué)習(xí)平臺在科普、人文、學(xué)科教育以及國際文化交流領(lǐng)域的輻射作用。

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實(shí)驗操作環(huán)境和實(shí)驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對于那些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的實(shí)驗項目，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢，并對傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的影響[5]。

工程力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心，遵循“實(shí)虛結(jié)合、實(shí)虛互補(bǔ)、能實(shí)不虛，還設(shè)計于學(xué)生”的原則[6-7]，以建立優(yōu)質(zhì)資源共享機(jī)制為核心，以信息化實(shí)驗教學(xué)資源建設(shè)為重點(diǎn)，基于“業(yè)內(nèi)領(lǐng)先、科學(xué)實(shí)用、整合優(yōu)化、功能強(qiáng)大”的理念，借助國家級工程力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的平臺，在確保實(shí)驗設(shè)備先進(jìn)性、適用性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，以實(shí)驗設(shè)備的制式化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化為目標(biāo)，研發(fā)了系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工程力學(xué)多功能系列實(shí)驗設(shè)備，研發(fā)的設(shè)備結(jié)合虛擬仿真資源能完整的展示從感知到創(chuàng)新的過程。用創(chuàng)新的思維引領(lǐng)創(chuàng)新設(shè)備，用創(chuàng)新設(shè)備支持創(chuàng)新實(shí)驗，并注意虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專業(yè)軟件的應(yīng)用，滿足了實(shí)驗室開放、學(xué)生自主學(xué)習(xí)和師生互動交流的要求，大大提升了開放式創(chuàng)新實(shí)驗教學(xué)的信息化、智能化和管理水平[8-9]。

1 多功能材料力學(xué)試驗機(jī)

(1) 主要創(chuàng)新點(diǎn)。將材料力學(xué)大綱要求的全部實(shí)驗項目在一臺設(shè)備上完成，每臺試驗機(jī)可節(jié)約百萬元和大量的實(shí)驗用房面積，包括金屬材料拉伸實(shí)驗；金屬材料壓縮實(shí)驗；金屬材料正、反向反復(fù)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗；拉、壓交變加載彈性模量E及泊松比μ電測實(shí)驗；正、反向扭轉(zhuǎn)測G實(shí)驗；不同支座形式的梁交變彎曲電測實(shí)驗；交變加載帶內(nèi)壓彎扭管彎扭組合電測實(shí)驗；帶側(cè)向干擾壓桿穩(wěn)定電測實(shí)驗；交變加載等強(qiáng)度梁電測實(shí)驗；壓力容器電測實(shí)驗；薄片彎曲應(yīng)變源及應(yīng)變片工作原理實(shí)驗；拉壓扭綜合分析驗證第二、第三、第四強(qiáng)度理論實(shí)驗等。

每臺試驗機(jī)可替代100 kN拉壓實(shí)驗機(jī)；500 N·m扭轉(zhuǎn)實(shí)驗機(jī)；剪切實(shí)驗裝置；梁彎曲實(shí)驗裝置；彈性模量及泊松比電測實(shí)驗裝置；帶分段內(nèi)壓彎扭組合實(shí)驗裝置；等強(qiáng)度梁實(shí)驗裝置；帶側(cè)向支撐的壓桿穩(wěn)定實(shí)驗裝置；油缸類壓力容器應(yīng)力狀態(tài)電測實(shí)驗裝置；8通道數(shù)據(jù)記錄儀；實(shí)驗教學(xué)課件制作系統(tǒng)等10余套實(shí)驗教學(xué)設(shè)備。

夾頭聯(lián)接形式簡單，有利于試件的快速安裝及實(shí)驗的二次開發(fā)、創(chuàng)新。配套的教學(xué)視頻、動畫、虛擬仿真軟件等，有利于學(xué)生的遠(yuǎn)程實(shí)驗、教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)[10]，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗設(shè)備的制式化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化[11]。

(2) 主要技術(shù)參數(shù)。最大拉伸荷載100 kN；最大壓縮荷載150 kN；最大扭矩500 N·m；最大夾持直徑?20 mm；行程200 mm；示值準(zhǔn)確度1級；其他實(shí)驗裝置系統(tǒng)誤差≤5%；質(zhì)量約1 200 kg；測量通道數(shù)8；采樣頻率1～200 Hz可調(diào)；數(shù)據(jù)顯示類型實(shí)時曲線。

開發(fā)的材料力學(xué)多功能試驗機(jī)(見圖1、圖2)先后推廣應(yīng)用到國內(nèi)70余所高校。圖3、圖4所示為研發(fā)的材料力學(xué)多功能試驗機(jī)在煙臺大學(xué)材料力學(xué)開放實(shí)驗室和青島科技大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗室應(yīng)用情況。

圖1 材料力學(xué)試驗機(jī)

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗裝置

設(shè)計的結(jié)構(gòu)力學(xué)組合試驗裝置，結(jié)束了結(jié)構(gòu)力學(xué)因沒有合適的模型而無法開展實(shí)驗的歷史，可組合出結(jié)構(gòu)力學(xué)桁架、剛架、組合結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式，完成結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土等課程24個實(shí)驗項目，有效實(shí)現(xiàn)了相關(guān)學(xué)科、專業(yè)的互通銜接，為后續(xù)的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)體系的建設(shè)，提供了可靠保障，實(shí)踐了“業(yè)內(nèi)領(lǐng)先、科學(xué)實(shí)用”的理念。

圖2 材料力學(xué)試驗機(jī)虛擬演示

開發(fā)的6個系列的結(jié)構(gòu)力學(xué)多功能組合試驗裝置(如圖5、6所示，圖5、6是其中的兩個系列)，先后推廣應(yīng)用到100余所高校。圖7所示為研發(fā)的結(jié)構(gòu)力學(xué)多功能組合試驗裝置，在大連理工大學(xué)等開放實(shí)驗室的應(yīng)用情況。

3 結(jié)構(gòu)模型振動平臺

(1) 主要創(chuàng)新點(diǎn)。基于“整合優(yōu)化、科學(xué)實(shí)用”的理念，設(shè)計了新型的激振系統(tǒng)及多渠道的激振測試方案，采用伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠的全電動伺服控制系統(tǒng)兼容了電磁激振和液壓激振的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)基座激振、單點(diǎn)激振等多種激振手段及測試方法融為一體[12-13]，可進(jìn)行位移、荷載、加速度閉環(huán)控制，工作頻率下限不受限制，上限可達(dá)40 Hz，能耗少、噪音低。同時配備數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)[14]、結(jié)構(gòu)模型振動過程圖像處理系統(tǒng)[15]，可使結(jié)構(gòu)動力實(shí)驗現(xiàn)象生動、直觀地展現(xiàn)出來，既可以進(jìn)行相關(guān)理論分析，也可用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試。使學(xué)生完整地感知、了解、掌握、應(yīng)用理論知識。

(2) 主要技術(shù)參數(shù)。工作行程150 mm；靜/動載出力5 kN；工作頻率0～40 Hz；額定加速度100 kg/1.5 g；額定線速度500 mm/s；控制方式位置、載荷、加速度三閉環(huán)；指令信號為正弦信號、三角信號、掃頻波地震波和用戶自定義波形；模態(tài)測試激振方式為底座激振、電磁激振、力錘激振；振動平臺尺寸700 mm×600 mm(長×寬)。實(shí)驗數(shù)據(jù)與實(shí)驗過程同步準(zhǔn)確捕捉特征點(diǎn)的變化現(xiàn)象。

開發(fā)的結(jié)構(gòu)模型振動平臺，先后推廣應(yīng)用到國內(nèi)40余所高校。圖9、圖10所示為研發(fā)的結(jié)構(gòu)模型振動平臺在華北電力大學(xué)開放實(shí)驗室和聊城大學(xué)開放實(shí)驗室應(yīng)用的情況。

圖8 結(jié)構(gòu)模型振動平臺圖9 華北電力大學(xué)開放實(shí)驗室

圖10 聊城大學(xué)開放實(shí)驗室

4 結(jié) 語

工程力學(xué)實(shí)驗教學(xué)中心研制的工程力學(xué)多功能試驗設(shè)備，克服了原國內(nèi)工程力學(xué)實(shí)驗教學(xué)設(shè)備大而笨重、價格昂貴、性能單一、手段落后狀態(tài)，該設(shè)備具有功能強(qiáng)、性能高、可靠性好、維護(hù)方便，符合使用目的、培養(yǎng)對象、實(shí)驗內(nèi)容體系設(shè)計、試驗項目開發(fā)，且性價比高、利用率高等特色，并充分利用了計算機(jī)技術(shù)和智能化技術(shù)，使實(shí)驗設(shè)備達(dá)到了正規(guī)級、工業(yè)級、商品級的制式化水平，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗設(shè)備的共享、開放，滿足了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和師生互動交流的要求，大大提升了開放式創(chuàng)新性實(shí)驗教學(xué)的信息化、智能化管理水平。成果(累計)推廣應(yīng)用到包括香港高等科技學(xué)院在內(nèi)的境內(nèi)外160余所高校，應(yīng)用層次從985高校、211高校、地方高校、民辦高校到高職高專院校，創(chuàng)國內(nèi)高校自主研發(fā)力學(xué)類儀器設(shè)備推廣之最，成果的應(yīng)用使實(shí)驗教學(xué)實(shí)現(xiàn)了層次化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、現(xiàn)代化[16]，切實(shí)解決了學(xué)生人數(shù)多與實(shí)驗設(shè)備少的矛盾，為培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力提供了組織保障、基礎(chǔ)條件和實(shí)踐時空。為后續(xù)的從感知理論(工程建模)—了解理論(形成概念)—掌握理論(概念量化)到應(yīng)用理論(設(shè)計新型)，完善的工程力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)資源的形成奠定了基礎(chǔ)。

[1] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)[N].人民日報，2010-03-01(005).

[2] 教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/ewebeditor/uploadfile /2012 /03 /-29 / 20120329140800968.doc．

[3] 關(guān)于開展“十二五”高等學(xué)校實(shí)驗教學(xué)示范中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].http://www. moe.edu.cn /publicfiles/-business/ htmlfile /moe /A08_gggs/201203 /133068.html．

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[6] 教育部高教司.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].教育部高教司函[2013] 94號.

[7] 中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關(guān)于批準(zhǔn)北京大學(xué)地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心等100個國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的通知[Z].高教司函[2014] 6號.

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