虚拟实验在材料力学实验中的应用

牛亮，刘轶

(贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳550025)

虚拟实验在材料力学实验中的应用

牛亮，刘轶

(贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳550025)

利用信息技术为教学改革服务已成为实验教学的重要途径和方式.分析了虚拟实验室应用的意义，对材料力学虚拟实验系统的系统结构、关键技术和步骤进行了介绍.

材料力学;实验教学;虚拟实验

近年来随着大学的连续扩招，迅速增加的学生人数与实验室资源紧缺之间的矛盾日益加剧，成为提高教学质量的一大难题.加大投入扩充实验室资源当然是解决根本问题的好办法，但与教育经费紧张的现状相矛盾;另外购置成熟的仿真实验教学系统进行教学也可以缓解这一矛盾，但是多数院校的设备和仪器品牌不同、新旧不一，甚至有些早已停产，要全面实现虚拟实验的购置成本也很高.如何在有限的条件下提高现有资源的使用效率，在保障教学效果的同时又降低对实验室资源的依赖性，这是值得思考的问题［1］.

1 虚拟实验室及应用意义

虚拟实验室是以计算机网络为核心，基于Web技术和虚拟仿真技术构建的开放式网络教学系统，即在虚拟环境中模拟真实的实验过程，并由学生主导该过程，同时通过管理功能可迅速了解学生的学习情况，配合实验室预约等其他教学系统一起使用，更可达到事半功倍的效果.

虚拟实验室应用的意义［2］:

1)虚拟实验是高校教学改革探［3］索的一个方向，响应了教育部信息教育和远程教育的号召，同时也符合贵州大学教育教学改革的需求［4］;

2)虚拟实验环境能很好地实现教学交互:学生与媒体界面的操作交互、学生与教学要素的信息交互、学生的概念与新概念的概念交互［5］，其内容比课堂教学丰富、生动、灵活，学生可以不受时间、地点和学习进度的限制而进行个性化的学习，不用进实验室就可以体验实验的过程，是传统教学的有益补充，在明显提高教学质量的同时能有效降低对实验室资源的依赖性;

3)虚拟实验室是一个软件系统，相对于真实的设备和仪器而言其运行成本都非常低并且零磨损［6］，如果采用自行建设的方式，不但系统的建设成本可忽略不计，同时还能锻炼学生的动手能力，适合大面积推广，缓解教育经费紧张的问题.

2 虚拟实验室建设内容和思路

本文所介绍的虚拟实验室系统，是作者所在单位教学体制改革的一项阶段性工作，是实验室教学管理系统的一部分，该系统的总体功能结构如图1.

2.1 系统结构设计

为了实现开放式的教育模式，使处于不同地理位置的用户(教师和学生)尽可能简单地就能使用系统，使学生可以同时对一个实验项目进行实验，让教师可随时进行后台管理，本系统采用基于分布式对象中间件技术的Web解决方案，即B/S体系结构进行设计，整体结构为3层.

目前可用于搭建服务器的操作系统和软件工具很多，本文采用微软公司的Windows 2003企业版作为服务器的操作系统，利用ASP.NET作为开发工具，SQL Server 2005作后台数据库，使安全服务、负载均衡和高速缓存都容易实现.

2.2 实验课件设计

虚拟实验需要具有丰富的感染力，用户可以控制实验的过程，可以对实验关键步骤进行操作，实现用户和计算机相互的交流，从而达到控制学习过程的目的.

VRML(virtual reality modeling language)虚拟现实建模语言是在Internet上建立3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准，但是掌握这项用技术的师生很少，因此并不适合作者所在院校的要求，在此选用Adobe公司的Flash MX作为开发工具，该工具具有以下特点:

1)Flash MX采用矢量图形技术，它的SWF动画文件非常小，适合在网络上播放;

2)具有强大的多媒体整合功能，制作出的课件具有较强的多媒体性;

3)内置功能强大的脚本语言，可以制作出交互功能强大的多媒体课件;

4)Flash MX拥有广泛的用户基础，并且相关的教材也很丰富，易学易用.

2.2.1 WBS分解

借鉴项目管理中的WBS分解办法，将实验过程进行模块化分解直至最底层的任务活动如图2所示.

当网络用户提出应用请求时，不是将实验课件的全部内容一次下载到用户本地的计算机上，而是将主控模块先下载到用户本地计算机上，在主控模块的控制下，用户可以根据需要再分别下载功能模块进行播放，分解过的模块体积比较小，易于网络实时传输，这样大大减轻对服务器和网络压力，实际应用效果良好.

2.2.2 动画制作

Flash通过ActionScript语句具有了交互功能［7－11］.以拉伸实验为例介绍部分制作内容:

1)按钮交互.首先将经过WBS分解出来的内容制作成各自独立的Flash影片，每一段影片均通过按钮进行控制来实现交互，将制作好的按钮从文档库中拖放到舞台上并放置好，选中按钮，打开Actions面板(行为面板)，在脚本编辑区添加脚本:

on(release){gotoAdnstop(1);}

在设计交互动画时还要注意动画执行到某帧需要停下来时，要为该帧添加脚本Stop()，以此类推可将实验过程的所有阶段都添加相应的按钮，使整个过程都可被控制.

2)拖拽交互.实验中的试件安装需要采用“拖拽动作”，在Flash中主要使用StartDrag()和Stop-Drag()以及自定义函数来实现.在实验中，试件需要被拖放到正确的位置，系统才能进行下一步骤，否则将提示操作错误.示例程序:

Function play1(){//定义一个拖拽动作函数

With(chip_1){//拖动标记

If(sele3.hitTest(_x，_y，true)){//判断动过是否正确

Tishi=“操作正确!请继续…”;//操作正确的提示

Chip_1.onRelease=playvideo1();//拖动正确，执行“执行步骤”函数

2.3 系统工作流程

经过上述系统结构设计和课件设计的介绍，系统平台和基本元素已经完成，但是要让这些功能和元素有效地运转起来，还需要设计系统的工作流程，如图3所示.

流程说明:

1)用户使用浏览器登录Web应用服务器，并进行安全验证;

2)负载均衡服务将对服务器资源进行调度匹配用户的应用请求;

3)进入虚拟实验室以后，用户可以开始新的实验或加载之前的进度继续完成实验;

4)系统会对虚拟实验过程数据进行检查和记录，并返回错误步骤

5)在操作完成后系统会进行仿真计算展示实验结果，同时记录用户的实验进度;

6)系统记录的实验数据，将有助于用户对进度情况进行分析.

3 虚拟实验展示

图4～5展示了虚拟实验室系统的部分工作界面.

4 结语

本文所介绍的系统总体设计方案，是贵州大学土木建筑工程学院力学实验室在教学改革摸索工作中的阶段性成果.系统设计思路不仅适用于力学的虚拟实验室，同时也适合其他学科.在虚拟试验部分，成功地将Flash动画应用于课题教学和试验教学中，动画使课堂教学中难以描述的理论直观化，课程内容更加生动、形象和直观，试验中的动画使实验过程明了化，操作简单化，从而提高学生学习的兴趣.

随着信息技术的发展，CAI必将成为教学中重要的环节［12］，教学工作必将变得更加灵活，更加多元化，在教学中的地位越来越重要，为发挥其更大优势，教育工作者应对自己提出更高的要求，设计更适合学习者使用的优秀网络学件，更好地解决多媒体技术在教育中应用的瓶颈问题.

［1］沈剑敏.生物化学实验多媒体课件的研制［J］.实验室研究与探索，2009，28(2):80－81.

［2］叶汉英.远程开放教育课程实验教学的实施与思考［J］.实验室研究与探索，2005，24(2):6－7.

［3］范永开，林君.网上虚拟实验室的建设方案与实现［J］.黑龙江工程学院学报，2001，15(4):48－50.

［4］黄斌，正军，王红杰，等.材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发［J］.实验力学，2005，20(12):574－577.

［5］黄俊，杜成斌，杨辉.材料力学拉伸和扭转模拟实验课件的研发［J］.实验技术与管理，2008，25(1):69－72.

［6］任伟杰，靳春华.仿真实验在国家级实验示范中心建设中的作用［J］.实验室科学，2010，13(4):110－111.

［7］刘春.中文Flash MX经典效果100例［M］.上海:上海科学普及出版社，2002.

［8］王剑.ActionScript在Flash中制作交互动画的高级应用［J］.科技创新导报，2008(25):26.

［9］张刚，罗小华，贺利芳.基于Flash技术的网络虚拟实验平台开发［J］.高等教育研究，2007(04):50－52.

［10］欧阳建军.基于交互设计的界面应用研究［J］.科教导刊，2010(4):169－170.

［11］陈丽.术语(教学交互)的本质及其相关概念的辨析［J］.中国远程教育，2004(2):12－16.

［12］陈芳林.Flash5高级教程［M］.北京:电子工业出版社，2002.

(责任编辑庄红林)

Virtual Experiments in Mechanical Experiments

NIU Liang，LIU Yi
(College of Civil and Architectural Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

Application of information technology to educational reform has become an important approach and means in experiment teaching.The paper analyzes the significance of the virtual laboratory，and introduces the systemic structure，key technologies and application steps of such virtual experiments in mechanical experiments.

mechanics of materials;experiment teaching;virtual experiment

TP 391

A

1672－8513(2012)04－0309－04

10.3969/j.issn.1672－8513.2012.04.020

2012－03－19.

贵州大学教育教学改革研究项目(JG2012041).

牛亮(1970－)，男，硕士，实验师.主要研究方向:实验教学与管理.