虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與探討

［摘 要］ “力學(xué)”是土木類和機(jī)械類專業(yè)本科階段首先聯(lián)系理論與實(shí)際工程應(yīng)用的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是課程實(shí)踐的核心。基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種力學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，針對(duì)目前“力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與問(wèn)題，有效地通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”形式，發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提升力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效果。通過(guò)課前虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課中實(shí)操結(jié)合研討、課后總結(jié)與拓展3個(gè)環(huán)節(jié)，把虛擬實(shí)驗(yàn)作為力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，并以“純彎曲梁的正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)”的實(shí)施過(guò)程中虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用為例，展示力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)施要點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)施，學(xué)生更好地掌握力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原理和操作流程，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，同時(shí)創(chuàng)造了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的條件。

［關(guān)鍵詞］ 力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)結(jié)合

［基金項(xiàng)目］ 2021年度海軍工程大學(xué)教學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目“以理實(shí)結(jié)合為牽引的工程力學(xué)‘微實(shí)驗(yàn)’應(yīng)用探索”（2021A08）

［作者簡(jiǎn)介］ 胡年明（1989—），男，湖北武漢人，工學(xué)博士，海軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部力學(xué)教研室講師，主要從事固體力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)研究；吳 菁（1981—），女，湖北咸寧人，工學(xué)博士，海軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部力學(xué)教研室副教授，主要從事復(fù)合材料力學(xué)研究；吳林杰（1987—），男（土家族），湖北宜昌人，工學(xué)博士，海軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部力學(xué)教研室講師（通信作者），主要從事爆炸力學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2025）07-0001-04 ［收稿日期］ 2023-12-12

對(duì)于土木類和機(jī)械類專業(yè)而言，“力學(xué)”課程是架起理論學(xué)習(xí)與實(shí)際工程應(yīng)用之間的橋梁。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為“力學(xué)”課程的重要組成部分，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，促使他們深入理解知識(shí)并構(gòu)建堅(jiān)實(shí)的知識(shí)框架。特別是培養(yǎng)學(xué)生“理論與實(shí)踐相結(jié)合”思維模式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)揮著不可替代的作用［1］。然而，當(dāng)前部分力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程仍沿用傳統(tǒng)的“理論講解—實(shí)驗(yàn)操作—實(shí)驗(yàn)報(bào)告”模式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要圍繞驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)展開(kāi)，與工程實(shí)踐的關(guān)聯(lián)較為薄弱，缺乏創(chuàng)新性探究的空間，無(wú)法完全滿足同時(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力的復(fù)合型人才的目標(biāo)要求。

信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展有效加快了“智能+教育”“線上線下融合”以及“虛實(shí)結(jié)合”教育領(lǐng)域的發(fā)展。眾多教育工作者開(kāi)始探索將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，以解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題［2］。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“線上線下混合”和“翻轉(zhuǎn)式教學(xué)”等教學(xué)模式的改革創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。這些進(jìn)步不僅與未來(lái)教育的發(fā)展趨勢(shì)一致，還有助于培養(yǎng)具備工程實(shí)踐能力和思維創(chuàng)新性的人才。

一、力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

在新形勢(shì)下，面對(duì)新的教學(xué)要求和人才培養(yǎng)目標(biāo)，“力學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨以下挑戰(zhàn)［3］。

（一）教學(xué)組織限于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，缺乏“自主空間”

力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和場(chǎng)地要求是限制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵因素，學(xué)生在課前接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備機(jī)會(huì)較少，無(wú)法提前預(yù)先熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、掌握實(shí)驗(yàn)流程，更無(wú)法在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容限于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，缺乏“兩性一度”

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要集中于金屬材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、正應(yīng)力測(cè)定等，缺乏設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常為已知的結(jié)論，不具備專業(yè)背景，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的研究興趣。

（三）教學(xué)模式限于“復(fù)刻式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，缺乏“探究質(zhì)疑”

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大量的課堂教學(xué)時(shí)間被用于理論講解和演示，導(dǎo)致學(xué)生的親身實(shí)踐時(shí)間被大幅壓縮。在有限的實(shí)操時(shí)間內(nèi)，學(xué)生往往僅能“機(jī)械”地模仿教師的操作，缺乏深度的探索和設(shè)計(jì)過(guò)程，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考和質(zhì)疑，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維。

（四）考核方式限于書面報(bào)告，缺乏“能力評(píng)估”

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果多為預(yù)期的結(jié)論，缺乏開(kāi)放性。將此作為主要考查內(nèi)容，往往不能全面評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。同時(shí)，會(huì)對(duì)學(xué)生輸出一種錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)價(jià)值導(dǎo)向，妨礙了學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的核心目的。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的潛力與優(yōu)勢(shì)

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)存在諸如實(shí)驗(yàn)環(huán)境理想化、教師無(wú)法實(shí)時(shí)指導(dǎo)、持續(xù)吸引學(xué)生的興趣等問(wèn)題，但其在成本、超越時(shí)空限制、交互性和安全性等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了前所未有的可能性［4］。針對(duì)上述的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，虛擬實(shí)驗(yàn)不僅能夠勝任傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的大部分教學(xué)目標(biāo)［5］，還展現(xiàn)了以下顯著的優(yōu)勢(shì)。

（一）時(shí)空靈活性

相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要安排實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，虛擬實(shí)驗(yàn)借助數(shù)字化平臺(tái)允許學(xué)生隨時(shí)隨地接入實(shí)驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)自己的時(shí)間表自主學(xué)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)原理和操作流程，且可以在不消耗實(shí)驗(yàn)耗材的情況下重復(fù)操作，以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和流程的掌握，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。

（二）內(nèi)容多元性

虛擬實(shí)驗(yàn)既可以是低碳鋼的拉壓扭實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，又可以是受時(shí)間、場(chǎng)地、設(shè)備等實(shí)際條件限制不易開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，如耗時(shí)較長(zhǎng)的疲勞實(shí)驗(yàn)等；同時(shí)也能承擔(dān)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，比如材料成本相對(duì)較高的鋁合金、有機(jī)玻璃的材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。

（三）主動(dòng)探索性

在沒(méi)有教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)的環(huán)境中，學(xué)生必須自主操作虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，還通過(guò)主動(dòng)探索促使學(xué)生深化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和步驟的認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生在掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理和操作后開(kāi)展進(jìn)一步的探究式、創(chuàng)新式的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

（四）趣味引導(dǎo)性

虛擬實(shí)驗(yàn)有助于將教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)得更富趣味和引導(dǎo)性，進(jìn)而提高學(xué)生的參與度。例如，通過(guò)闖關(guān)模式的原理測(cè)試來(lái)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，降低單一理論測(cè)試的枯燥感，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加圖像化，使單調(diào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為豐富的圖形，提高學(xué)生的整體學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)其新技術(shù)應(yīng)用意識(shí)。

（五）評(píng)價(jià)全程性

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)操作前的理論測(cè)試到操作過(guò)程中的評(píng)分，以及最后的結(jié)果分析，提供全方位的評(píng)價(jià)體系，這樣的反饋機(jī)制有助于及時(shí)糾正操作中的錯(cuò)誤，并加強(qiáng)過(guò)程中的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的考查評(píng)價(jià)。

三、基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)階段力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，虛擬實(shí)驗(yàn)成為補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，既能讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)流程、掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)、達(dá)成自我檢驗(yàn)，又能讓其體驗(yàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)施的內(nèi)容，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的整體提升，達(dá)到“1+1＞2”的效果。未來(lái)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展有望趨向于一個(gè)虛實(shí)結(jié)合、先虛后實(shí)的發(fā)展方向。

基于“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的認(rèn)知過(guò)程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)和內(nèi)容，充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)那些現(xiàn)實(shí)中難以做到的實(shí)時(shí)互動(dòng)和即時(shí)數(shù)據(jù)反饋，基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，可按圖1所示設(shè)計(jì)理念開(kāi)展。

（一）課前虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

教師根據(jù)理論課程的進(jìn)度，安排學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件結(jié)合教材、在線微課進(jìn)行預(yù)習(xí)，學(xué)生應(yīng)明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒄J(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、理解實(shí)驗(yàn)原理、模擬實(shí)驗(yàn)操作并思考實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。模擬實(shí)驗(yàn)操作是虛擬實(shí)驗(yàn)的主體內(nèi)容，能夠真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)情況且不存在安全性和成本問(wèn)題，能為學(xué)生提供試錯(cuò)機(jī)會(huì)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題。通過(guò)測(cè)試模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)中的重要原理和易錯(cuò)問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。教師通過(guò)收集和分析虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程和測(cè)試的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，作為課堂教學(xué)過(guò)程的依據(jù)和支撐，形成實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)重點(diǎn)。為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，可要求學(xué)生根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)自行擬訂實(shí)驗(yàn)的初步方案，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定須借助實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法。

（二）課中實(shí)操結(jié)合研討

憑借虛擬實(shí)驗(yàn)的操作和學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼⒃O(shè)備、步驟已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，教師可依據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)原理中的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行深入剖析，加深理解。組織學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研討，發(fā)掘通過(guò)擬開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)可以完成的研究?jī)?nèi)容，互相交流并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的潛在問(wèn)題，并提出問(wèn)題和應(yīng)對(duì)措施。

在形成完善的實(shí)驗(yàn)方案后，組織學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)展實(shí)物實(shí)驗(yàn)。在此階段，教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)閱?wèn)題解答者而非操作示范者，為學(xué)生解答實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提出的問(wèn)題，并根據(jù)學(xué)員操作過(guò)程中的正確性及科學(xué)性為學(xué)生評(píng)定實(shí)驗(yàn)操作分?jǐn)?shù)。

（三）課后總結(jié)與拓展

完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，探究實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，思考如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)延伸與拓展，促進(jìn)學(xué)生深層次的思考并培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)。教師可根據(jù)學(xué)生的反饋，梳理問(wèn)題，將數(shù)據(jù)反饋納入虛擬實(shí)驗(yàn)的持續(xù)改進(jìn)，為后續(xù)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)的完善提供支撐。鼓勵(lì)學(xué)生提出創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)想，教師對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案給予可行性評(píng)估與反饋，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)想合理、實(shí)驗(yàn)方案完備的實(shí)驗(yàn)可安排學(xué)生在課外時(shí)間自行完成，進(jìn)一步為創(chuàng)新能力較強(qiáng)的學(xué)生提供實(shí)踐機(jī)會(huì)。

在翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式中，學(xué)生是學(xué)習(xí)過(guò)程的主體，實(shí)驗(yàn)課程從“模仿”式實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餍愿鼜?qiáng)的“探索式”實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)理論較為缺乏的情況下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行摸索成為可能，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)前完成虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的目的、原理、設(shè)備已經(jīng)有基本的認(rèn)識(shí)，從而可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。在完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生驗(yàn)證了自身的理解和知識(shí)的可靠性，以虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，不僅滿足了學(xué)生對(duì)知識(shí)探索的渴望，還為他們打開(kāi)了增強(qiáng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的大門。

四、基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施實(shí)例

“純彎曲梁的正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)”是學(xué)生首次接觸電測(cè)法，對(duì)掌握電測(cè)法的原理和應(yīng)變測(cè)量方法有重要的意義。基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，該實(shí)驗(yàn)可按如下流程實(shí)施：（1）通過(guò)“實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”模塊，學(xué)生將對(duì)“純彎曲梁的正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹㈧o態(tài)電阻應(yīng)變儀、電測(cè)法原理和電測(cè)法測(cè)量純彎曲梁正應(yīng)力的基本步驟4部分內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)理論部分的基本認(rèn)識(shí)，教師在課堂應(yīng)針對(duì)該部分的知識(shí)難點(diǎn)測(cè)量電橋與橋臂系數(shù)進(jìn)行深入的講解與探討。（2）通過(guò)“理論測(cè)試”模塊，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論部分的基本認(rèn)識(shí)的預(yù)習(xí)效果，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論中重點(diǎn)問(wèn)題的認(rèn)知，對(duì)無(wú)法通過(guò)理論測(cè)試的學(xué)生，將重新學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，直至通過(guò)理論測(cè)試才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作模塊。（3）通過(guò)“實(shí)驗(yàn)操作”模塊，學(xué)生將完成靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與試驗(yàn)臺(tái)的連接、應(yīng)變片接入測(cè)量單臂測(cè)量橋路、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片與測(cè)量通道對(duì)應(yīng)關(guān)系、試驗(yàn)加載、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理等五項(xiàng)主要內(nèi)容的學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠自主完成“純彎曲梁的正應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)”的基本操作，在實(shí)踐課堂中，教師能幫助學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備，如應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，開(kāi)展不同測(cè)量橋路的實(shí)際測(cè)量等在實(shí)際應(yīng)用中非常重要，是限于學(xué)時(shí)無(wú)法深入講授的內(nèi)容。若條件允許，可組織學(xué)生開(kāi)展“桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與內(nèi)力測(cè)定”等電測(cè)法拓展型實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)內(nèi)容的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。（4）通過(guò)“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”模塊，可以將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成數(shù)字化結(jié)果，能夠更形象生動(dòng)地展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師也可以通過(guò)電子化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高教學(xué)效率。

在融合了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)后的力學(xué)實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的反饋以及教學(xué)比對(duì)結(jié)果顯示，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能有顯著的提升作用，學(xué)生在進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)時(shí)，能夠更迅速地適應(yīng)實(shí)驗(yàn)流程，對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理和步驟的理解更為明晰。學(xué)生能夠在課上自行探索并成功實(shí)施如“半橋橋路”測(cè)量“純彎曲梁的正應(yīng)力”等更具有“高階性”和“挑戰(zhàn)度”的實(shí)驗(yàn)方法。

學(xué)生普遍反饋有了虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠投入更多的精力和時(shí)間進(jìn)行深入思考。這種深度思考不止步于完成實(shí)驗(yàn)操作和獲取數(shù)據(jù)，而是使他們能夠更深刻地從實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果中理解相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理。這反映了虛擬實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)輔助工具的價(jià)值，在幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)框架和促進(jìn)深度學(xué)習(xí)方面發(fā)揮了重要作用。

結(jié)語(yǔ)

本文從力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)入手，深入探討了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教育革新中的潛力。通過(guò)引入虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，既能突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間的局限，又能增強(qiáng)課程的互動(dòng)性和趣味性，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)其創(chuàng)新思維。學(xué)生可以自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間，反復(fù)練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，深化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解并熟悉基本的實(shí)驗(yàn)操作。

基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式，力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革使學(xué)生的角色從被動(dòng)接收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索者，學(xué)習(xí)過(guò)程變得更為深刻。實(shí)施實(shí)例發(fā)現(xiàn)，此種教學(xué)模式能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果，特別是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。這樣的技術(shù)創(chuàng)新和教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的探索方向，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)操能力打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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The Application and Exploration of Virtual Experimental Technology in the Teaching

of Mechanics Experiments

HU Nian-ming， WU Jing， WU Lin-jie

（Department of Basic Courses， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Mechanics is the first course in civil and mechanical engineering undergraduate programs that connects theory with practical engineering applications， and experimental teaching is the core of course practice. The article designs a flipped teaching model for mechanics experiments based on virtual experimental technology. Addressing the current status and issues of Mechanics experimental teaching， it can effectively leverage the “combination of virtual and real” format to harness the advantages of virtual experimental technology， enhancing the quality and effectiveness of mechanics experimental teaching. By incorporating virtual experiment preparation before class， hands-on operations combined with discussions during class， and post-class summaries and extensions， the virtual experiments act as a supplement to mechanics experimental teaching. Using the application of virtual experimental technology in the implementation process of the “pure bending beam’s normal stress determination experiment” as an example， the article showcases the design of mechanics virtual experiments and the essential points of implementation in combination with physical experiments. Through carrying out the experiments， students can better grasp the basic principles and procedures of mechanics experiments， deepen their understanding of the experiment， and simultaneously create conditions that foster students’ innovative practical abilities.

Key words： mechanics; experimental teaching; virtual experiment; integration of virtual and real