虛擬仿真技術在材料力學課程實驗教學中的應用研究

郭焜 張海洋 趙秀云

摘要：為了滿足實驗設備數量不足，并達到節約實驗經費的目的，可以將虛擬仿真試驗應用到材料力學的實踐教學環節中。虛擬仿真實驗與傳統實驗相比具有靈活性、經濟性、安全性等優點，能夠激發學生學習材料力學的興趣，并對傳統實驗起到完善、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

中圖分類號：TU 文獻標識碼：A 文章編號：（2021）-06-420

1虛擬仿真實驗發展現狀

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，易維護等諸多優點。近年來，國內的許多高校都根據自身科研和教學的需求建立了一些虛擬實驗室，建立一個完整的虛擬現實系統是成功進行虛擬現實應用的關鍵，而要建立一個完整的虛擬現實系統，首先要做的工作是選擇實際可行的虛擬現實系統解決方案。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，合理選擇開發技術。材料力學是工科學生的專業必修課，其實驗眾多，有些實驗設備昂貴。因此，開發虛擬演示實驗是對材料力學教學的有益補充，可以節省有限的實驗教學經費。

2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點。

2.1.1節省實驗時間

學生的實踐教學環節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約時間。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.1.4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。

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域，激發下一步操作，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。

4建設中存在的問題

4.1多種信息技術整合不夠

由于實驗室和實驗項目是需要多年分階段、分模塊逐步建設積累的，因此，結合不同的建設階段、不同的實驗項目需要采用多種具有差異性的技術。對專業性和技術性的要求較高，在計算機方面的要求，要有3D效果，需要嵌入專業的分析模塊。這樣就使得在統一平臺上的工作變得比較復雜。實驗項目如若處于單機操作環境下，就需要花費相當多的人力、物力進行網絡版的改造，才能更方便地通過互聯網平臺進行更有效、更廣泛的示范推廣。

4.2 教學資源開放共享程度有待擴展

實驗室的虛擬仿真實驗教學項目和實驗教學資源按照國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設要求，實驗教學項目教學資源的開放共享程度需要進一步擴大，推廣到更多的高校和單位，在更大的范圍發揮示范和引領作用。

5結束語

通過虛擬仿真實驗的開發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

[1]田豐.虛擬實驗與真實實驗整合研究[J].實驗技術與管理，2005，22（11）：89-92.

[2]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.

通訊作者： 趙秀云 山東協和學院

項目來源：2021年實驗室開放項目;項目名稱為：基于大學生結構設計大賽材料的力學性能試驗研究;項目編號：2021SYKF21”

山東協和學院 山東省 濟南市 250107