虛擬仿真實驗在教學中的應用

劉習軍　張素俠　崔福將　周安琪

摘? 要：隨著虛擬儀器及計算機技術的發展，虛擬仿真實驗在高等教育中已得到了廣泛重視，天津大學通過建立虛擬仿真實驗平臺，設計了“工程振動測試技術”開放課程中的5個虛擬仿真實驗，通過兩個學期的應用，取得了很好的教學效果，解決了實驗課程中的動手操作問題，是值得大力推廣的一種新的教學模式。

關鍵詞：虛擬實驗;高校課程;實驗教學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）26-0115-03

Abstract： Along with the development of the virtual instrument and computer technology， virtual simulation experiment has received extensive attention in higher education.Tianjin University establishes simulation experiment platform and design the five virtual simulation experiment of the open course called "engineering vibration test technology".Through the application of two semesters， the open course has obtained good teaching effect and solved the hands-on problems in experimental courses， whichshows that it is worth promoting a new teaching mode.

Keywords： virtual experiment; college courses; experimental teaching; teaching reform

一、概述

實驗教學在普通高等教育中占有非常重要的地位。隨著虛擬儀器技術和計算機技術的發展，虛擬仿真實驗應運而生。虛擬仿真實驗在教育、科研等領域中具有廣闊的應用前景，是實驗教學的一個新的發展方向[1]。什么是虛擬仿真實驗，虛擬仿真實驗是一種基于計算機虛擬技術所編制的計算機輔助教學軟件，是除理論與物理實驗之外的第三種教學研究手段[2]。

從教學應用角度來看，虛擬仿真實驗是使得學生可以通過操作計算機來操作自定義的虛擬儀器。對實驗系統進行數據采集、分析計算和數據存儲等操作。它可擴展傳統實驗儀器的功能，是促進教學實驗內容先進性展示的教學平臺。

虛擬仿真實驗的特點是：1. 降低實驗教學的成本，減少部分儀器設備的購置。同時也不需要傳統實驗中易耗品的消耗。2. 不受實驗和空間的限制。學生可在學習的任何時段、任何地點進行實驗。3. 不受客觀條件的影響，可實現實物實驗難以進行的實驗項目。實現完全相同條件下的重復實驗等。4. 實現教育資源共享，提高實驗教學質量，節省實驗室設備和場地的投資[3]。

虛擬仿真實驗是運用虛擬現實技術模擬實物實驗的，它采用多媒體信息技術，在計算機上建立虛擬仿真實驗教學環境，通過接近真實的人機交互界面完成實驗。虛擬仿真實驗在教學中的優勢是顯而易見的，是值得大力推廣的一種新的教學模式[2]。

二、虛擬仿真實驗的教學內容

天津大學建立的虛擬仿真實驗平臺，如圖1所示，設計了“工程振動測試技術” 開放課程中的5個虛擬仿真實驗，引入了先進的教學內容，開發了新的實驗項目，以完備的實驗平臺為基礎，虛擬仿真實驗結合了軟硬件的功能模塊，大大提升了實驗儀器設備的功能多樣化和重復利用率，增強了實驗課程教學平臺的擴展性，促進了實驗教學課程的發展。

（一）虛擬儀器

虛擬儀器是利用美國NI公司的DASYLab學生教學平臺設立的，利用此平臺編制虛擬儀器，可驗證采樣定理、頻率混淆和窗函數的應用，柵欄效應曲線，濾波器的特性曲線等，圖2是在此平臺上所編制的驗證數字分析中柵欄效應的實驗框圖。

（二）車橋耦合系統動態應變及沖擊系數仿真實驗

車輛-橋梁耦合系統動態應變及沖擊系數測試仿真實驗，如圖3所示，它包括兩部分內容：1. 動態應變測試實驗。對車輛過橋時，橋梁各測點的動態應變數據進行采集分析;2. 沖擊系數測試實驗，設置正常跑車實驗和跳車實驗工況，分別采集動態應變數據，分析相應的沖擊系數。通過該虛擬仿真實驗，主要掌握結構系統動態應變使用方法，能夠利用動態應變數據計算沖擊系數[4]。

（三）橋梁實驗模態分析虛擬仿真實驗—傳遞函數法

傳遞函數法是在實驗中同時測量激振力時間歷程和響應時間歷程的方法，如圖4所示，實驗中應用力錘激勵斜拉橋模型進行測試分析。通過模態分析軟件得到傳遞函數的幅頻曲線、相頻曲線、實頻曲線和虛頻曲線，然后通過識別模態參數，得到橋梁的若干階固有頻率、振型和阻尼比。通過該實驗可以掌握實驗模態分析軟件的使用方法，加深對理論知識的理解[5]。

（四）橋梁實驗模態分析虛擬仿真實驗—環境激勵法

環境激勵法是在實驗中不需要測量激振力的方法，如圖5所示，它應用于大型結構無法進行人工激勵的情況。本實驗是對車輛激勵作用下的斜拉橋模型模態進行測試分析，通過模態分析軟件可以得到響應的自功率譜、互功率幅值譜、互功率相位譜、相干函數和傳遞率，通過模態參數識別，得到橋梁的若干階固有頻率和振型及阻尼比。通過與傳遞函數法得到的實驗結果對比，測試的結果是基本相同的，可以更好的理解模態參數是結構的固有特性參數這一概念。

（五）跨海大橋力學綜合測試虛擬仿真實驗

本虛擬仿真實驗以跨海大橋這一典型的大型工程結構物為例，針對所涉及的風場、應力場、應變場、振動模態等力學問題，綜合運用多門力學基礎和專業課程的知識，以現場測試場景揭示所涉及的力學規律。此實驗是綜合探究性虛擬仿真實驗，如圖6所示，旨在使學生在學習相關力學課程理論知識的基礎上，拓展基礎和專業力學實驗教學的廣度和深度，了解和掌握力學測試的實驗設備、儀器和測試方法，培養實際操作能力、分析解決問題能力、研究設計和創新能力。

三、虛擬仿真實驗平臺的制作

虛擬仿真實驗平臺的制作是虛擬仿真實驗教學開展的重要部分，首先由實驗團隊討論制作方案，寫出腳本，然后由專業公司制作，具體如下：

1. 首先對專業公司制作團隊進行培訓，將每一個實驗進行詳細的講解并演示操作過程，使制作虛擬仿真實驗的相關人員對實驗內容有一個基本的認識。

2. 針對每一個實驗，根據其實驗內容、實驗原理和涉及的知識點，將對應的虛擬仿真實驗劃分為幾大模塊（如：實驗介紹、儀器連接、參數設置、數據采集、數據分析、實驗總結等）。

3. 確定制作虛擬仿真實驗的每個模塊所需要的材料（如：文本信息、模型和儀器的實物圖片、錄制儀器連接過程、錄制軟件的參數設置和數據采集過程等等），撰寫詳細的腳本文件。

4. 對各模塊的功能和實施過程進行簡要敘述，對每個模塊的實驗步驟進行詳細說明，并配合圖片展示，并配以解說詞。如：傳感器的安裝、參數設置，數據的采集和處理等，同時給出明確的實驗結果與要求。

5. 專業公司制作團隊根據撰寫的腳本文件進行首次制作，雙方及時進行溝通，對虛擬仿真實驗與物理實驗中不符的地方，并給出具體的修改意見，直至其達到實驗教學的要求。

6. 依次完成每個虛擬仿真實驗的制作，逐步完善虛擬仿真實驗平臺。

四、虛擬仿真實驗的教學應用

虛擬仿真實驗應用有兩種方法：1. DASYLab平臺法，可以通過下載軟件文件安裝在個人電腦上，運行相關軟件就可以進行虛擬仿真實驗。2. 車橋耦合虛擬仿真平臺法，可以在網絡上運行學習，點擊有關圖標即可進行有關虛擬仿真實驗（車橋耦合沖擊系數、橋梁實驗模態分析-傳遞函數法、橋梁實驗模態分析-環境激勵法）。從這個意義上來說，虛擬仿真實驗室在實驗教學上的應用是多種多樣的，是實驗教學的突破點和轉折點。

結合天津大學的MOOC“工程振動測試技術”課程，利用虛擬儀器實驗，熟悉虛擬儀器技術的編程方法，運行虛擬儀器驗證數字信號中的采樣定理、頻率混淆和窗函數的物理意義，熟悉FFT的計算方法，掌握虛擬儀器在工程上的應用。

結合天津大學的MOOC“工程振動測試技術”課程，利用車橋耦合虛擬仿真實驗平臺，首先熟悉測試設備的操作應用、參數設置、傳感器的安裝和系統之間的儀器設備連接等操作步驟，通過進行車橋沖擊系數熟悉儀器的簡單應用，進一步可利用兩種激振方法對橋梁模型進行模態分析，這樣通過虛擬仿真實驗即可掌握工程測試技術課程的基本內容。

五、虛擬仿真實驗教學應用的效果

虛擬仿真實驗在教學中的應用，取得了很好的效果，提高了實驗課程教學內容的先進性，驗證了現有理論的正確性。為了能夠對學生快速進行素質教育，并接觸到前沿的科學知識，就必須提供先進的實驗教學理念，幫助學生學習和理解，讓先進的實驗內容走進實驗教學課堂，虛擬仿真實驗為智慧前沿科學知識走進實驗教學課堂提供了方便[6，7]。

虛擬仿真實驗采用軟硬件功能模塊相結合的方式，有利于培養學生的動手能力和創新精神，有助于革新傳統的教學模式，推動實驗課程的創新，促進開放教育的發展。

振動測試系統雖然由于生產廠家不同，導致儀器面板設計不同、軟件的菜單設計不同，但測試原理是相同的，只要掌握了一種設備的應用方法，類似設備的使用也就掌握了。

六、結束語

虛擬仿真實驗是教學中的一種新模式，在講課過程中采用統一的設備進行初步操作學習，在對操作步驟熟悉后，可根據各自單位的具體實驗條件（設備）進行物理實驗，解決了不同單位不同設備的教學難點問題，實現了利用MOOC學習的終身教育問題。這種利用統一的教學模式，分散的振動力學實驗課程，是值得大力推廣的一種新的教學模式。

參考文獻：

[1]賈啟芬，張素俠，劉習軍.將工程教育融入力學課程教學之中[J].教育教學論壇，2010（36）：27-28.

[2]茹婷婷，石瑩巖，初學峰.基于高校虛擬化學實驗研究若干問題的建議[J].高教學刊，2016（12）：54-55.

[3]潘雪濤，鄔華芝，蔡建文，等.創新虛擬實驗教學模式培養自主學習能力[J].實驗室研究與探索，2014（11）：80-84.

[4]劉習軍，相林杰，張素俠，等基于小波分析的跳車對橋梁的振動影響[J].振動.測試與診斷，2015，35（05）：865-872.

[5]劉習軍，商開然，張素俠，等.基于小波包變換的梁式結構損傷定位方法[J].實驗力學，2015，30（3）：305-312.

[6]鐘順，賈啟芬，張素俠，等.創建三維力學工程教學系統的實踐研究[J].教育教學論壇，2012（36）：234-235.

[7]葉彥斐，李志華，劉久付，等.基于虛擬實驗技術的單片機課程實踐教學改革研究[J].科技視界，2016（8）：50-51.