基于虛擬仿真技術的高職工程力學實驗教學改革

古錦波

摘要 基于虛擬仿真技術的高職工程力學實驗教學改革已成為現代教育領域的研究熱點。文章通過綜合分析虛擬仿真技術在高職工程力學實驗教學中的優勢和不足，探討虛擬仿真實驗內容的設計和開發、實施虛擬仿真實驗教學、評估虛擬仿真實驗教學效果等關鍵步驟，強調選擇合適的虛擬仿真軟件和開發虛擬仿真實驗平臺的重要性。文章指出，基于虛擬仿真技術的高職工程力學實驗教學改革，在技術應用、方法創新、流程優化等方面具有助推作用。

關鍵詞 虛擬仿真技術；工程力學；實驗教學；技術應用

中圖分類號：G712文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.024

工程力學作為一門重要的實踐性課程，其對于培養學生的實際操作能力、問題解決能力和創新能力具有重要作用。當前，傳統的工程力學實驗教學尚存在一些問題，如實驗資源有限、實驗設備復雜、安全風險較高等，影響了高職工程力學的實驗教學質量。在我國，虛擬仿真技術廣泛應用于力學類課程的實驗教學環節，有研究學者將虛擬仿真技術引入工程力學實驗教學中，建設工程力學基礎實驗虛擬仿真平臺，對實驗室實驗進行補充，彌補高校實驗條件的不足，實現實驗教學資源共享。基于虛擬仿真技術的高職工程力學實驗教學改革，在技術應用、方法創新、流程優化等方面具有助推作用。

1虛擬仿真技術在工程力學實驗教學中的應用

1.1虛擬仿真技術的概念和特點

虛擬仿真技術是在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物，是一種更高級的仿真技術。其具有模擬性、互動性、高效性等特點。

第一，模擬性和互動性。虛擬仿真技術通過模擬和仿真現實世界或虛擬世界中的對象、場景或過程，為用戶提供身臨其境的虛擬體驗。用戶可以在虛擬環境中進行互動，探索、操作、實踐，從而獲得實際經驗和反饋。

第二，可定制性和高效性。虛擬仿真技術可以根據用戶的不同需求進行定制化設計，包括虛擬環境的對象、場景、行為等。用戶可以在虛擬環境中進行反復練習和模擬，增強培訓效果和工作效率，減少操作失誤進而避免工作事故的發生。

第三，多學科應用和跨時空性。虛擬仿真技術在多個領域中應用廣泛，包括醫療、軍事、航空航天、教育等。虛擬仿真技術還可以跨越時空的限制，實現對不同時代、不同地點的場景和對象的模擬和體驗[1]。

1.2工程力學實驗教學中虛擬仿真技術的應用場景

首先，為教學提供虛擬實驗室。基于虛擬仿真技術的在線實驗平臺，能夠為學生提供靈活、安全、經濟的實驗環境。學生可以在虛擬實驗室中進行實驗操作，通過模擬實際實驗條件和參數，獲得實驗數據和結果。虛擬實驗室可以彌補傳統實驗室的時間和空間限制，使學生能夠在任何時間、任何地點進行實驗學習。

其次，為學生提供虛擬實驗演示。學生可以在虛擬實驗演示中觀察和分析實驗現象，通過圖形、動畫、聲音等多媒體方式展示實驗過程和結果。虛擬實驗演示可以直觀地呈現實驗現象，幫助學生理解實驗原理和方法，提高他們對實驗內容的認知和記憶。此外，學生可以在虛擬實驗設計中自主選擇實驗方案、調整實驗參數，模擬不同情境下的實驗過程和結果。

最后，為學生提供虛擬實驗互動。通過虛擬仿真技術學生和教師之間可以進行交流和互動。學生可以在虛擬實驗互動中與教師和其他同學進行實驗討論、合作實驗和實驗演示。虛擬實驗互動可以促進學生的互動學習、合作學習和自主學習，提高他們的團隊協作和溝通能力[2]。

1.3虛擬仿真技術在工程力學實驗教學中的優勢和不足

虛擬仿真技術在工程力學實驗教學中具有諸多優勢。首先，虛擬仿真技術能夠提供安全的實驗環境。學生可以在虛擬環境中進行復雜的實驗操作，而無須擔心實際實驗中可能出現的安全風險。其次，虛擬仿真技術可以節約成本。傳統實驗教學通常需要大量的實驗設備、耗材和實驗場地，而虛擬仿真技術可以通過計算機軟件和硬件設備模擬實驗過程，減少實驗成本。此外，虛擬仿真技術具有靈活性和多樣性，可以模擬多種實驗場景和條件，滿足不同的教學需求。同時，虛擬仿真技術具有較好的可控性，教師可以根據學生的學習情況和實驗目標進行實驗參數的設置和調整，使實驗結果更加可靠和穩定。

然而，虛擬仿真技術在工程力學實驗教學中也存在一些不足之處。首先，虛擬仿真技術缺乏真實性。雖然虛擬環境可以模擬實際實驗場景，但與實際實驗相比，虛擬仿真技術仍存在一定的差距，學生可能無法完全體驗實際實驗中的真實操作和現象。其次，虛擬仿真技術可能導致學生實踐經驗不足。傳統實驗教學中，學生需要親自進行實驗操作，從而積累實踐經驗。而在虛擬環境中，學生可能缺乏實際操作的機會，限制了其實踐能力的培養。此外，虛擬仿真技術需要一定的硬件設備支持，例如高性能計算機、虛擬現實設備等，這對于一些資源有限的學校和教育機構可能存在一定的困難[3]。

2高職工程力學實驗教學改革思路與方案

2.1設計虛擬仿真實驗內容

設計虛擬仿真實驗內容是一項關鍵任務，它需要結合工程力學課程的教學目標、學生的學習水平和教學資源，設計出教學效果好和具有實用性的實驗內容。下面是課程的虛擬仿真實驗內容設計，用于介紹力學靜力學中力的合成和分解。具體實施內容包括：學生進入虛擬仿真實驗平臺，并選擇力的合成和分解實驗場景；學生觀察虛擬仿真實驗場景中的不同物體和力的作用點，并通過虛擬仿真軟件記錄下相關的力的大小和方向；學生應用三角法進行力的合成和分解計算，得出合成力和分解力的大小和方向；學生通過虛擬仿真實驗平臺進行不同力的合成和分解實驗，觀察不同合成力和分解力對物體的作用效果；學生通過虛擬仿真實驗平臺進行實際工程問題的模擬，應用力的合成和分解原理解決實際問題。

2.2虛擬仿真實驗教學實施

實施虛擬仿真實驗教學時，教師應明確教學目標和任務，選擇合適的虛擬仿真軟件，設計多樣性和靈活性的實驗內容，引導學生自主學習和實踐操作，并進行實時評估和反饋。通過不斷改進和優化虛擬仿真實驗教學，提高學生的實際應用能力和創新能力，達到更好的教學效果。實驗內容應與實際工程應用緊密結合，注重多樣性和靈活性，滿足不同學生的需求。根據學生的興趣和專業方向，設計不同難度和復雜度的實驗內容，以激發學生的學習興趣和主動性。虛擬仿真軟件的操作界面應簡潔明了，用戶體驗應友好，使學生能夠輕松上手，熟練操作。通過增加實驗演示、引導提示等功能，提升學生的操作體驗，降低學習門檻。教師應充當引導者的角色，及時評估學生的學習情況，并提供及時反饋和指導。采用個性化的教學策略，根據學生的學習情況和需求，靈活調整教學方法和教學資源，提高學生的學習效果。通過定期的實驗報告、實驗成績、學生反饋等方式，對學生的學習情況進行實時監測和評價[4]。

3高職工程力學實驗教學效果評估與保障

3.1評估虛擬仿真實驗教學效果

首先，評估虛擬仿真實驗教學效果應該充分考慮學生的學習成績和學習行為。比較虛擬仿真實驗組和傳統實驗組在知識掌握、實驗操作和數據處理等方面的成績差異。例如，通過分析學生的實驗報告、實驗數據處理結果以及實驗操作的準確性等來評估學生的實驗成績。同時，還應考查學生在虛擬仿真實驗中的學習行為，如是否充分參與實驗、是否能夠獨立完成實驗任務等。

其次，評估虛擬仿真實驗教學效果還應該考慮學生的主觀反饋和觀察結果。通過訪談、問卷調查、學生反饋等方式收集學生對虛擬仿真實驗教學的主觀感受和看法。學生的主觀反饋能提供有關虛擬仿真實驗對學生學習興趣、參與度、自主學習能力等方面的影響。此外，教師和觀察員的觀察和評價也是重要的評估內容，通過觀察學生在虛擬仿真實驗中的表現、學習態度和學習動態等來評估虛擬仿真實驗的效果[5]。

最后，評估虛擬仿真實驗教學效果時還應該充分考慮實際教學環境和學生的特點。不同學科、不同學習階段、不同學生群體可能對虛擬仿真實驗教學效果產生不同的影響。因此，在評估虛擬仿真實驗教學效果時應該結合實際情況進行分析和判斷，避免簡單地對比和評價。同時，應該充分關注學生的學科知識掌握、學科能力提升以及實際應用能力的培養，而不僅僅是實驗成績的提高。

3.2選擇虛擬仿真軟件

首先，虛擬仿真軟件的功能特點是選擇的關鍵因素。虛擬仿真軟件應具有豐富的功能，能夠模擬實際實驗環境和實驗過程，包括實驗設計、實驗操作、實驗數據的采集和處理等。虛擬仿真軟件還應該提供多樣化的實驗場景和實驗任務，能夠滿足高職工程力學實驗教學不同實驗需求的教學要求。此外，虛擬仿真軟件還應具有較高的真實度和精確度，能夠真實地模擬高職工程力學實驗教學，使學生能夠在虛擬環境中獲得類似于實際實驗的學習體驗。

其次，虛擬仿真軟件的易用性對于學生和教師來說都是重要的考量因素。虛擬仿真軟件應該具有簡潔明了的用戶界面和操作流程，方便學生和教師快速上手并獨立操作。虛擬仿真軟件還應提供充分的操作提示和實驗指導，幫助學生順利完成實驗任務。同時，虛擬仿真軟件應支持多種操作方式，如鼠標操作、觸摸屏操作、鍵盤操作等，以滿足不同學生的學習習慣和操作需求。

最后，虛擬仿真軟件的適應性也是選擇的重要因素。虛擬仿真軟件應該能夠適應不同學科、不同課程和不同學習階段的教學需求。例如，對于工程力學課程，虛擬仿真軟件應該能夠模擬不同材料的力學行為，如靜力學、動力學、材料強度等。還需要考慮虛擬仿真軟件的技術支持和維護服務。虛擬仿真軟件應該具有穩定的技術支持團隊和完善的售后服務體系，能夠及時解決用戶在使用過程中遇到的技術問題和困難。

3.3開發虛擬仿真實驗平臺

首先，需求分析和規劃。了解教學需求、課程目標和學生特點，明確虛擬仿真實驗平臺的定位和功能要求。在需求分析的基礎上進行系統規劃，包括平臺的整體架構、功能模塊設計、用戶界面設計等，確保虛擬仿真實驗平臺能夠滿足教學需求和提供良好的用戶體驗。

其次，設計和開發虛擬仿真實驗內容。虛擬仿真實驗平臺的核心是實驗內容，包括實驗場景、實驗設備、實驗操作、實驗數據等。根據課程要求和學習目標，設計合適的虛擬實驗場景和設備，并通過虛擬仿真技術實現實驗過程的模擬和操作的交互性。同時，還需要考慮實驗數據的記錄和分析，以便學生能夠獲得實時的實驗結果和反饋。

再次，開發和測試虛擬仿真實驗平臺。在實現虛擬仿真實驗內容的基礎上，進行平臺的軟件開發和系統集成。包括前端和后端的開發，實現用戶界面和操作功能，以及與實驗內容的交互和數據傳輸。同時，進行虛擬仿真實驗平臺的測試，包括功能測試、性能測試、兼容性測試等，確保平臺的穩定性和可靠性。

此外，將開發完成的虛擬仿真實驗平臺部署到教學環境中，配置必要的硬件和軟件資源，并進行系統的運維。包括平臺的升級、數據備份、用戶支持等，保障平臺的正常運行和持續可用。

基于虛擬仿真技術的高職工程力學實驗教學改革具有許多優勢，包括提供靈活的學習方式、提高實驗操作的安全性、降低教學成本等。但同時也面臨著虛擬環境與真實環境的差異、實驗內容設計和開發的挑戰、虛擬仿真軟件和平臺的選擇與開發等問題。在開展虛擬仿真實驗教學時，需要綜合考慮這些因素，并不斷進行評估和改進，以提高教學效果和學生的學習體驗。

參考文獻

[1]伍燦，王秋生.工程力學實驗教學新模式探討[J].實驗室科學， 2022，25（2）：145-148.

[2]王路珍，孔海陵，佘斌，等.工程力學實驗教學改革與虛擬仿真實驗平臺建設[J].實驗室科學，2021，24（5）：153-155.

[3]湯強.應用型人才培養模式下“工程力學”教學改革實踐探討[J].江蘇科技信息，2021，38（25）：63-65.

[4]邵俊華，劉翔，王蕾，等.面向新工科的工程力學實驗教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2021（21）：81-84.

[5]祁正棟.應用型人才培養模式下工程力學實驗教學改革研究[J].中國現代教育裝備，2021（3）：93-95.