动荷载虚拟实验教学平台的开发与实践

洪俊　顾成军　廖东斌　姜益军

摘要：本文系统总结了东南大学工程力学动荷载教学过程中由于课时和实验条件不足存在的问题，讨论了国家目前对虚拟仿真实验教学的重视，分析了动荷载虚拟实验教学平台建设的目的和意义。从虚拟仿真实验教学平台载体选择、虚拟仿真实验项目的选择、虚拟仿真实验项目的模块设计及具体的模块实现技术四个方面开发了动荷载虚拟实验教学平台。教学实践结果表明，动荷载虚拟实验教学平台作用明显。

关键词：工程力学；动荷载；虚拟实验；教学平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）14-0254-02

工程力学是高校基础性学科之一，具体涉及到机电类、土木交通类、建筑类等多个专业方向，其主要教学内容包括刚体的静力学、运动学、动力学；材料在静荷载作用下受力和变形；材料在动荷载作用下的受力、变形、运动和疲劳破坏。

具体到东南大学，由于课时和实验条件限制，对于工程力学教学，实验室针对不同专业开展了内容局限于材料在静载荷作用下的2～4个实验。对于教学过程中大量的抽象概念的理解，尤其是动荷载作用下的材料的力学响应情况，显然是远远不够的。抛开实验课时、部分实验设备我校目前无法提供（如霍普金森杆）等原因，最主要的是因为涉及到动荷载实验时的危险性（如落锤实验）、高成本和高消耗（如疲劳实验）。另一方面，实验室实验虽然直观，但是限于观察视线、尺度，无法观测到材料内部的力学响应；传感器粘贴位置的限制，无法精确描述所有位置的力学响应。虚拟仿真实验教学平台可以解决这些问题。

随着信息时代的到来，现代化教学手段迅速进入教学领域，这就要求高校必须改变传统教学基础技术和教学模式，建立体现创造性、智能性、科学性程度较高的现代教育模式和技术。随着计算机技术、网络技术、信息技术等相关领域的飞速发展，虚拟仿真技术大规模进入实验教学已是必然趋势[1]。教育部高教司函文《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》[2013]94号要求各高校进行国家级虚拟仿真实验教学中心建设，体现了国家宏观政策上对虚拟仿真实验教学的重视程度[2]。

动荷载虚拟实验教学平台建设的目的就是针对目前工程力学教学过程中，动荷载作用下材料的力学响应中的难以理解的抽象概念，通过虚拟仿真实验教学平台，包括理论介绍、实验视频直观展示或动画演示、数值仿真或理论公式计算等实现直观理解和认知。

一、虚拟仿真实验教学平台载体选择

虚拟仿真教学平台是一个提供开放性的实验平台。主要目的是能够解除课堂实验教学时间、地点以及设备的限制，打破时间、空间、设备的局限性，充分发挥学生的自觉性，用其各自适合的时间在本地计算机上完成实验过程，最终理解抽象概念。真正为学生提供开放性的教学环境，学生可以利用网上虚拟仿真系统进行模拟实验，随时随地进行实践操作训练。

通过调研了国内外多所知名大学以何种载体展示实验教学平台，进而选择采用是基于windows的单机平台，还是基于Web的网络平台。在调研中发现：相比基于windows的单机平台，基于Web的网络平台具有免安装，可随时随地登录学习、维护和交互的优点。目前国内外影响较大的网络教学平台主要包括美国的WEB CT，BlackBoard，北京大学的BluePower，北京师范大学的Vclass等都是采用了基于Web的网络平台开发[3]。基于Web的网络平台的虚拟仿真教学模式以兴趣为导向，充满个性化自主特色，基于互联网且具有交互功能的开放式在线学习，颠覆性地变革了以往的教与学方式，使全球各地不同人群能够共享优质教育资源，终身学习成为可能。

因此，动荷载虚拟实验教学平台载体采用了基于Web的网络平台开发，并形成了相关的网站[4]。

二、虚拟仿真实验项目的选择

以工程力学教学大纲为基础，配合工程力学课程的课堂教学内容，结合多位教师的教学经验和多年教学实践中的学生反馈，梳理动荷载作用下材料的力学响应中的难以理解的抽象概念，设计合理的实验项目。

工程实际中有些构件，例如加速起吊重物的绳索，高速旋转的飞轮轮缘，内燃机的连杆，汽锤的机座等，它们工作时做变速运动、回转运动、机械振动，或受到其他物体的撞击，此时，构件上承受的载荷明显地随时间而变化，或构件速度发生明显的变化，这种载荷称为动载荷。动载荷引起的应力和变形称为动应力和动变形。实验可知在动载荷作用下，由于加速度引起的惯性力在构件内形成的动应力比静应力大得多。但一般情况下只要动应力不超过材料的比例极限，则认为虎克定律仍然有效，且弹性模量与静载荷时的数值相同。动载荷问题通常分为：构件作匀加速直线运动或匀速转动、冲击问题、疲劳、机械振动等。在冲击问题中，冲击韧性、杆的垂直冲击、梁的垂直冲击概念重要难以理解，且实验危险性较大；在疲劳和交变应力中，试验时间长，耗费大；在振动问题中，各种新的试验采集仪器更新较快。考虑到以上原因，动荷载虚拟实验教学平台选择以下7个实验项目：冲击韧性、落锤冲击实验、梁的垂直冲击实验、弯曲疲劳实验、单自由度系统自由振动实验、单自由度系统的强迫振动实验、加速度传感器标定实验。

三、虚拟仿真实验项目的模块设计

对于每一个选定的实验项目，分析了哪几个模块能够充分描述清楚抽象概念，利于在课堂教学中实时展示基本原理，也可以在课后供学生借助平台自我修习、动手实践。

对于每一实验项目，包含了这些模块：理论及原理；实验目的、典型实验仪器和器具展示、实验步骤、实验动画演示；数值仿真或公式计算；关键知识点测试、參考文献链接。理论和原理内容都和课堂内容直接相关，利于学生回顾知识点，便于对实验原理理解；典型实验仪器和器具展示，学生不用进入实验室，就能直观地看到仪器，避免纸上谈兵的尴尬，尤其是一些新的或者昂贵仪器设备，通过图片展示，就能有个感官的认识，没必要花费经费购买，对于经费紧张的基础课程实验室，具有不可替代的作用；实验目的、实验步骤的描述，可以使学生明白实验中哪些问题需要注意；实验动画演示使学生不进行实验，就有一个身历其境的感受，避免一些实验的危险的同时，又直观地观察到真实实验中由于视线、尺度，无法观测到材料内部的力学响应问题；数值仿真或者公式计算类似于课堂上例题的演示，有助于学生理解概念；关键知识点测试、参考文献链接相当于课后作业，帮助学生掌握知识的同时，扩大视野。

四、具体的模块实现技术

运用HTML语言制作专门网站，集成整个虚拟平台。HTML（Hyper Text Mark-up Language）是网络的通用语言，是一种简单、通用的标记语言。它允许网页制作人建立文本与图片相结合的复杂页面，这些页面可以被网上任何其他人浏览到，无论使用的是什么类型的电脑或浏览器。运用Flash动画制作软件和真实视频展示真实或数值模拟的实验结果。Flash动画软件是集绘画、动画编辑、特效处理、音效处理等事宜为一身的软件，每一项功能相比专业软件功能都不算很强大，但是制作一定质量的动画演示视频，相比传统动画的多个环节由不同部门、不同专业人员分别进行操作，可谓简单易行。真实视频对实验过程是一个直观的再现过程。运用ansys软件数值计算或者运用Java开发基于Web的人机交互虚拟实验，根据用户输入，通过后台的理论计算公式，给出模拟实验结果。人机交互是构建面向自主开放学习、互动教学支撑平台的重要内容，是建立支撑自主实验的虚拟实验环境的基础。

五、虚拟实验教学平台的思考

动荷载虚拟实验教学平台已用于东南大学工程力学的课堂教学实践中，在课堂教学概念加深，弥补已有实验室实验不足方面发挥了巨大作用。在平台建设完成之余，我们进一步对虚拟实验教学平台进行思考。虚拟实验教学平台的建设应遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则[5]，以建立优质资源共享机制为核心，以信息化实验教学资源建设为重点，旨在提高等教育教学质量，全面提高学生的创新能力和实践能力。如何构建面向自主学习的开放，互动教学支撑平台，建立支撑自主实验的虚拟实验环境，使学习者能够便捷灵活地获取优质教学资源，通过学习过程中的交流互动、协作与评价，完成高效、低耗多样的实验，这既关乎到教育信息化的深化应用，也关乎到虚拟仿真实验教学建设的可持续发展。

参考文献：

[1]张正健，赵秀萍，陈蕴智，等.构建虚拟仿真实验教学平台培养创新应用型人才[J].印刷杂志，2014，（3）：59-61.

[2]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].2013.8.

[3]王立平，刘艳玲.普通高校网络教学平台開发及对策研究[J].中国成人教育，2010，（12）：62-63.

[4]http：//seuhj.yolasite.com.

[5]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.