力學與多物理場虛擬仿真實驗室建設的探討

戰宇 李英梅 劉軍 李健 張大志

摘 要：虛擬仿真實驗教學可以有效地補充傳統實驗在實驗條件、實驗費用、交互性和安全性等方面的不足，體現時代特色和創新的教學觀念。文章結合東北大學力學與多物理場虛擬仿真實驗室的建設實踐，深入探討了虛擬仿真實驗教學在虛擬仿真網絡實驗平臺建立、基礎力學虛擬仿真實驗室、力學與多物理場耦合虛擬仿真實驗室等方面的問題，總結了該實驗室建設的經驗和存在的一些問題。

關鍵詞：力學與多物理場；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）20-0185-03

Abstract： Virtual simulation experiment teaching can effectively supplement the traditional experiment in laboratory conditions， the experiment cost， the lack of interactivity and safety etc， reflects the era characteristic and innovation of teaching ideas. This paper combines the construction practice of the mechanics and multiphysics virtual simulation laboratory of Northeastern University， and deeply discusses the establishment of virtual simulation experiment teaching in virtual simulation network experiment platform， basic mechanics virtual simulation laboratory， mechanics and multiphysics coupled virtual simulation laboratory， etc. summarizing the experience of the laboratory construction and the existing problems.

Keywords： mechanics and multiphysics field； virtual simulation； experimental teaching

高校開展實驗教學的時候，實驗教學項目便是其最基本的單元，其建設的實際水準會給實驗教學質量造成很大的影響。建設示范性虛擬仿真試驗教學項目，能夠讓實驗教學和信息技術更好的結合在一起，能夠讓實驗教學深度和廣度更深，從而對實驗教學空間進行延伸，切實提高實驗教學的實際水平和質量[1]。2017年，教育部發布了2017-2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設方面的通知，統籌規劃到2020年認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目，全面的考慮到高校專業類實驗室建設的實際情況以及信息化發展的相關要求，根據力學類專業的當前布局和發展情況，規劃至2020年進行10個示范性虛擬仿真實驗教學項目的建立。利用力學虛擬仿真實驗教學項目進一步提高實驗教學效果，從而切實提高學生對于實驗的興趣和自主學習方面的能力，從而切實提高學生實踐創新方面的能力。

東北大學理學院力學實驗中心為省級教學示范中心和遼寧省大學生創新訓練基地，承擔理論力學、材料力學、工程力學、振動力學、實驗力學、流體力學、轉子動力學以及力學綜合實驗等8門本科生實驗教學課程，以及大學生創新計劃任務。本文以該中心力學與多物理場虛擬仿真教學實驗室的建設實踐為例，總結和探討建設過程中的一些經驗以及長期發展的思路，并提出針對力學這樣覆蓋面廣的工科基礎學科的虛擬仿真教學實驗室建設的一些設想。

一、虛擬仿真實驗中心的基本情況

目前中心用房使用面積達到2800平方米，近年累計投入建設經費2000余萬元，用于虛擬教學環境、虛擬實驗室條件、師資隊伍與實驗改革等方面的建設。虛擬仿真實驗教學中心在發展的過程中遵循“客觀實驗與虛擬仿真并重”、“科學研究指導教學實踐”的實驗教學理念。中心擁有一支結構合理、教學與工程實踐經驗豐富的高水平虛擬仿真實驗教學團隊和管理隊伍。中心常設實驗項目44個，實驗課程面向全校19個專業，年實驗班級89個，3750人次。以國家級實驗教學示范中心的建設為導向，中心組建了力學虛擬仿真實驗室，搭建了網絡信息化管理平臺，開發了大量虛擬實驗項目和教學資源，逐漸形成了校內資源共享、校外合理開放的虛擬仿真創新模式，提高了學生的學習興趣和實驗知識的魅力。

二、虛擬仿真實驗中心建設內容與成果

隨著計算機技術的迅猛發展，為力學實驗提供更為先進的教學理念，可以實現復雜環境、多物理場耦合狀態下材料力學行為的仿真實驗，完成傳統實驗手段無法實現的任務[2]。針對傳統實驗教學的不足，建立虛擬仿真教學實驗室，對于提高學生的創新能力，理解力學基本概念與工程設計思想，掌握理論知識，提高實驗教學的趣味性以及產學研有機結合具有重要的意義[3]。

（一）虛擬仿真實驗教學平臺

實驗教學的現代化建設一直是教學改革和實驗教學示范中心的重要內容。中心建設始終堅持以實踐能力和學生的創新意識的培養為宗旨，以建設內容豐富、針對性強及手段先進的虛擬仿真實驗為重點，不斷推進實驗教學改革與創新、實驗教學多元化建設。東北大學力學與多物理場虛擬仿真實驗教學中心擁有大型服務器、聯想并行計算機群、萬能試驗機等重大數字化儀器設備80余臺套；擁有各類仿真軟件20余套以及AutoCAD、ABAQUS等工程應用軟件，中心的虛擬仿真實驗教學平臺可為本科生開設材料力學、理論力學、工程力學教學相關實驗仿真分析、虛擬實驗與虛擬測量、仿真計算、虛擬工程實踐訓練等課程。虛擬仿真實驗教學中心面向全校師生開放，開設各類虛擬仿真實驗20多個涉及各類課程近30門，每年教學工作量6000學時以上。虛擬仿真實驗中心以校園網為依托，各實驗室實現網絡互通，實驗項目、管理和設備等實驗資源網絡共享。中心的網絡信息服務平臺擁有獨立的高性能服務器及配套全面的硬件和軟件設施，專業人員進行定期維護和監管，保障了教師和學生在線交流，提高了教學和學習的效果。中心的人員開發了基于網絡的實驗教學管理軟件，可實現網上選課、進程查詢、實驗預約、實驗進程規劃、學期成績管理等功能。學生持學生證即可登錄虛擬仿真教學系統，選擇自己相關或者感興趣的實驗項目、安排實驗時間。學生用手機即可完成實驗，同時系統記錄學生登錄與實驗內容，教師可通過實驗系統權限查詢并打印學生成績。

（二）基礎力學虛擬仿真實驗室

中心目前設有6個基礎虛擬仿真實驗室，分別為材料力學虛擬現實技術實驗室、理論力學虛擬仿真實驗室、工程力學虛擬仿真實驗室、大規模并行計算技術實驗室、巖石破裂過程數值實驗室及工程數值仿真設計實驗室。

例如，巖石破裂過程虛擬數值仿真平臺可以進行包括拉伸、壓縮、剪切、多點彎曲等破壞過程基本實驗過程的模擬，和模擬各種采場、邊坡以及巷道等一些比較復雜的巖石結構應力分析以及破壞過程的模擬，通過計算機來對巖石破壞的復雜現象來進行了再現，這樣能夠彌補物理試驗很難比較直觀的將破壞和巖石變形等直觀演示出來，能夠彌補物理試驗的各種不足。利用虛擬仿真試驗，學生不但能夠對巖石破壞的過程進行模擬，其優勢比較明顯。并且利用虛擬仿真試驗，學生不但能夠對巖石破壞的過程進行觀察，還能夠很好的了解應力場和演化的相關過程，這樣能夠讓學生在對巖石力學理論進行全面的了解，并且還能夠真正的做到舉一反三，加深對于巖石力學工程的相關認知，激發學生興趣參與老師的科學研究，參加學術交流，發表學術論文等。又如，材料力學虛擬現實技術實驗室，學生可以進行不同材料包括拉伸、壓縮、剪切、彎曲等破壞過程的基本實驗過程模擬，以及各種復雜結構的應力分析和破壞過程模擬，彌補了傳統試驗方法很難直觀地演示復雜過程的不足。

（三）多物理場耦合虛擬仿真實驗室

材料和結構在多物理場作用下的力學行為是一個極其復雜、難度非常大、同時也具有重要實際意義的問題，由于其載荷和環境的復雜性，傳統的實驗設備、實驗技術和方法很難實現真實環境下構件的變形、應力、破壞、乃至運動規律等力學行為的實驗再現。虛擬仿真實驗具有通用性強、方便靈活、成本低的特點[4]。通過虛擬仿真實驗，不僅可以觀察復雜物理場作用下構件的力學行為演變過程，而且可以獲得構件在其演化過程的全部信息。中心目前設有5個多物理場耦合虛擬仿真實驗室，它們分別為力-熱耦合虛擬仿真實驗室、力-磁耦合虛擬仿真實驗室、流-固耦合虛擬仿真實驗室、力-熱-流耦合技術實驗室和力-聲耦合虛擬仿真實驗室。

（四）虛擬仿真實驗中心建設成果

經過近3年的快速發展，力學與多物理場虛擬仿真中心形成了傳統實驗為基礎、前沿實驗為特色的近20個虛擬仿真實驗項目，同時積累了豐富的實驗教學資源，諸如多媒體課件、影像資料、課堂錄像，達到了科學研究和仿真實驗資源轉化相結合、基礎實驗和應用創新相結合、實驗項目與教學資源建設相結合的明確目標。力學是許多工程學科的基石，而在各門力學課程知識的學習中，客觀條件限制了實驗項目的廣泛開展。而基礎擴展型虛擬仿真實驗項目，恰好可以有效地彌補這一局限。目前中心已經有3個典型工程課題轉化為虛擬仿真實驗教學范例，實現了已有基礎科研設備的優化利用，也為虛擬仿真實驗教學的開展提供了豐富的工程背景和內容補充，提升了設備的利用效率，提升了設備的使用價值，同時也延伸了虛擬仿真實驗教學的范圍。東北大學虛擬仿真實驗項目已經面向全校師生免費開放，多年的教學經驗表明這種創新模式下的教學，深受學生喜愛和支持。經過反復修訂，中心編著的《力學虛擬仿真實驗教程》將由東北大學出版社正式發行。虛擬仿真教學資源的合理共享有效提高了學生的學習興趣，激發了學生的學習熱情，也成為課堂教學和理論教學的有力支撐，對提高學生的科研素質和創新能力具有明顯的效果，達到了虛擬仿真實驗教學中心在校內乃至全省發揮示范和引領作用的效果。

三、虛擬仿真實驗中心建設存在的問題及分析

虛擬仿真實驗室建設主要存在以下的一些問題。1. 多元化信息技術融合度不夠。之前開發的傳統力學實驗教改項目多建立于Flash、Director和Matlab等通用開發技術平臺上，而近期的前沿型實驗教改項目，對專業技能要求更高，采用的計算機技術更加先進，比如增加實驗場景的3D效果，嵌入專業的在計算分析模塊實現在線應力場、物理場的耦合計算，這些變化決定了兩個階段的工作整合在同一平臺上變得非常復雜。2. 教學資源開放與共享度需要提高。實驗中心的虛擬仿真實驗教學資源與項目主要是面向東北大學在校師生免費開放，部分教材通過出版推廣進行共享。面向對象的局限和傳播途徑的狹隘導致了虛擬仿真實驗教學資源未能實現優化配置和合理共享，其真正價值并未得到全面發揮。按照國家級虛擬仿真實驗教學中心的基本要求，實驗教學資源和項目的開放共享程度需要大力提高，在更大的范圍發揮示范和引領作用。

在虛擬仿真實驗室的規劃與建設中，應當主張逐步推進長遠規劃的科學建設方法，促進虛擬仿真實驗室建設項目的順利開展與持續發展[5]。1. 全面整合實驗教學資源。為推進虛擬仿真實驗室建設與日常管理工作的有條不紊，應當將虛擬仿真實驗室與傳統實驗室緊密結合；積極組織實驗教學活動，整合實驗教學資源，確保學生準確掌握教學內容，掌握實驗技巧，了解實驗的步驟，通過軟件共享虛擬資源儀器、共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗3方面的有機融合，真正實現資源的合理利用、提高虛擬仿真實驗教學整體水平[6]。2. 組建優秀實驗團隊，提高虛擬仿真實驗室開展程度。在虛擬仿真實驗室建設過程中，探索有效措施來提高虛擬仿真實驗室的開展程度與適用范圍，面向更多專業的師生和社會群體，積極面對虛擬仿真實驗室開展過程中所遇到的問題，努力推進虛擬仿真實驗室的合理建設和快速發展。

四、結束語

虛擬仿真實驗教學是實驗教學示范中心建設和高等教育信息化建設和的重要內容，是先進信息技術與工程實踐優勢學科的深度融合。為切實提高力學與多物理場虛擬仿真實驗室建設的合理性和延續性，應當以優質實驗教學資源共享為核心，以實驗教學資源信息化建設為重點，并將其與力學專業特點相結合，為進一步推動高等學校力學類實驗教學改革與創新做出貢獻。

參考文獻：

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[5]蘇珉，于明灝.軍校虛擬仿真實驗室的建設[J].實驗技術與管理，2017（34）：155-157.

[6]馬敬峰，魯保富，陸開宏.基于學生創新精神和實踐能力培養的實驗教學內容改革與實踐[J].中國高教研究，2008（11）：92-93.