材料力学虚拟实验系统设计与实现

周塔++马剑++汪天宝

摘要：本论文結合我校实验教学的实际情况，同时借助于材料力学理论知识，自主设计并开发了材料力学虚拟实验系统。材料力学模拟实验系统是一个基于web平台开发，采用B/S模式三层架构，通过J2EE、SQL等技术开发而来的一款网站系统，通过网页接入服务器方式，在客户端网页进行虚拟的材料力学模拟实验，从而替代或补充在现实世界进行的真实材料力学实验教学活动。该论文将详细分析材料力学虚拟系统的各种需求和特性，以及所需的各类技术支持，剖析材料力学模拟实验系统内部的逻辑实现。

关键词：虚拟实验系统 web 材料力学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0181-01

1 引言

随着计算机的发展，计算机已经在日常各类教学活动中扮演着无可替代的角色，计算机的高效和智能解决了教学生活中许多重大或者难以解决的问题。计算机网络也继承了这些特性，同时，计算机网络比起计算机软件又拥有着许多特有的优点，比如计算机网络可以做到实时更新与维护，而且比计算机软件占用更少的资源，开发难度也大大降低。

虚拟实验是以计算机技术为基础的虚拟技术。早起仅在模拟电路中被提出。比如著名的电路模拟软件Labview便是虚拟实验系统的典型案例。在结构和力学领域，国内外采用有限元软件、结构设计软件、以及部分建造软件进行实验，但是，这一类软件主要是以分析和设计为主，但是在功能上，操作的流程和实验的现象展示往往很难满足实验教学的需要。

力学实验教学一直是力学教学中一个必不可少的组成部分，但是随着力学科学的发展，以及力学学科内部划分的纷繁复杂，力学实验器材种类特别繁多复杂，而且作为教学器材，数目巨大，且频繁使用增加了器材的损耗，这无疑大量增加了教学费用的开支。

本课题利用计算机网络所具有的特性，通过计算机web的开发，利用计算机网络技术，制作了一款解决现实世界材料力学实验教学所面临的各类问题的虚拟实验系统，通过网页接入的方式，非常方便快捷高效的将现实世界材料力学实验教学移植于网络平台。将所有教学活动网络化，将使材料力学实验教学变得非常低廉、高效和可持续。

2 系统结构概述

材料力学虚拟实验系统开发分为以下几个阶段完成。第一个阶段由材料力学教研室完成典型的实验项目和内容，为进一步开发提供理论保障；第二阶段由学习材料力学的学生提实验操作的实际要求，操作的简易程度；第三阶段由开发人员根据教师和学生提出的实验要求进行开发和推广。材料力学虚拟实验教学系统的总体设计目标为：（1）对已有的教学实验内容和项目进行有效分析、整理和完善。特别对影像照片、力学图纸、力学使用说明和操作流程等技术资料进行归档，为后期开发提供素材；（2）利用计算机虚拟技术，在线模拟实验的全过程，再现不同测试方法和实验现象，将该技术应用于本科实验教学的各个环节；（3）利用大型虚拟设备，并借助于虚拟现实技术再现实验外的典型应用和操作流程，用于本科生入学，其他专业学生和实验人员开展相关活动。

本系统主体是web网站，采用了B/S模式下的三层架构的实现模式和 JavaEE及相关技术进行界面开发，采用SQL数据库管理技术对信息进行高效安全管理。系统主要由三大功能模块组成：学生界面模块：主题是在线模拟实验模块，同时包含在线交流答疑、公告广播接收等辅助功能。教师界面模块：主要提供模拟实验的更新、公告广播的发布、学生档案管理等功能。数据库模块：主要是对各类信息数据的管理。

3 系统的需求分析

在力学虚拟实验系统中，系统需求分析主要分为三块，一块是学生端实现，一块是教师端实现，另一块为数据库实现。

3.1 学生端

学生端主要为虚拟实验的实现。系统的虚拟实验模块，虽然包含多个物理实验模型，但其基本技术原理相同，受文章篇幅的限制，本文将以拉伸实验为例介绍虚拟实验模块的原理。

3.2 学生端登陆

学生若要使用本系统，必须拥有已注册于服务器的账号，如若没有则需通过注册向服务器录入学生个人信息。注册将会对注册信息进行必要的合法性检查，其利用本地的JavaScript，通过后才会将个人信息录入服务器数据库中。登陆完成后即可进入学生端界面。

3.3 虚拟实验

虚拟实验界面中包含“实验大纲”、“实验指导”、“仪器试件”、“虚拟实验”、“实验报告”、“留言答疑”以及“我的信息”等板块。“实验大纲”、“实验指导”界面为收录的本次实验的原理教学和实验流程，“仪器试件”则通过图片形式展示本次实验所用到的各类仪器。学生用户可以通过浏览这些分类板块了解本次实验的原理、流程、目的以及实验要求等信息，达到实验前的教学目的。当学生充分理解实验后，就可以正式开始“虚拟实验”环节，这也是本系统核心功能模块。

“虚拟实验”环节开始后，系统会通过前提JS，一些复杂的实验则通过后台servlet和 javaBean，依据具体实验随机生成一定合理范围内的实验数据，并通过request或session对象传递给jsp页面。当完成以上实验步骤后，学生用户即可将虚拟实验所得数据代入具体公式计算得出实验结果，至此整个“虚拟实验”环节结束。

3.4 报告提交

当学生完成整体虚拟实验后，即可将整个实验流程和所得数据结果整理成报告，并通过网络上传提交与服务器数据库中，以备教师调阅或者学生自己查阅。同时系统也提供在线答疑功能，学生可将实验步骤中难以理解的环节通过邮件形式发予任课教师进行咨询，回复也以邮件形式发回学生邮箱中。

3.5 教师端

教师使用此系统也需要进行账号注册以及信息的验证，验证过程同学生模块，注册完成后将信息收录数据库中。教师模块的权限要高于学生模块，教师模块拥有整个系统的控制权限，教师可以通过教师端界面管理整个系统的数据库。

3.5.1 报告管理

当学生将实验报告提交于服务器数据库之后，教师即可通过“报告管理”模块查询到所需要调阅的报告。查询功能采用模糊搜索方式，可以根据 “名称”、“起始发布时间”、“结束时间”等条件对数据库中的报告进行检索。教师拥有对报告数据库表的更新管理权限，可以随时删减数据库中的报告文件，并且教师可以上传报告模版文件，供学生下载使用。

3.5.2 成绩管理

通过“成绩管理”模块，教师可以在线打开学生提交于报告数据库中的文件。在打开后的报告界面会出现“评分”选项，教师可以通过审阅学生提交的报告对学生虚拟实验的完成情况进行等级评定工作。当评定完成之后，评定的结果信息会被储存于服务器数据库中，对不及格的报告，教师可在“报告管理”模块将其删除。学生可在收到评定结果为“不合格”的消息后再次进行模拟实验并重新提交报告，直至评定结果为“合格”为止。教师也可在评定结果发布后再次进行修改，更改评定的结果。

同时，教师也可在此模块中进行检索，搜索出所有“合格”或“不合格”的学生信息及报告，并通过相应模块做后续的管理操作。

4 结语

本文通过详细的介绍，描述了材料力学虚拟系统的组成结构及工作流程，阐述了材料力学虚拟系统的优越性，以及对现实物理实验所面临的问题的解决策略，材料力学模拟系统极大减少了现实物理实验的人力财力支出，是对现实物理实验的强大补充和替代。

参考文献

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收稿日期：2016-09-09

作者简介：周塔（1980—），男，江苏盐城人，博士，讲师，研究方向：模式识别与智能系统。