材料力学虚拟仿真实验教学发展思路研究

张海洋 郭焜 赵秀云

摘要：结合高校的实践教学经验，为了满足实验设备数量不足，并达到节约实验经费的目的，可以将虚拟仿真试验教学应用到材料力学的实践教学环节中。虚拟仿真实验与传统实验相比具有灵活性、经济性、安全性等优点，能够激发学生学习材料力学的兴趣，并对传统实验起到完善、补充和拓展的作用，是今后教学改革的新方向。通过对存在的现有问题分析，给出了推荐虚拟仿真实验室建设发展的建议。

关键词：材料力学;虚拟仿真;实验教学

中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2021）-06-364

1引言

随着信息技术的发展以及高等学校对实验教学要求的不断提高，虚拟仿真实验教学在高等学校的应用日益增多。它可以弥补真实实验在实验条件，实验成本，交互性和安全性等方面的不足，与真实实验教学结合，相互补充，可以有效促进高校学生创新精神和实践能力的提高。2013年，教育部正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，通过建设具有示范引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。

近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室，建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择实际可行的虚拟现实系统解决方案。对于国内教学型虚拟实验的建设，有如下几点建议：1）用平民化的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用;2）更新实验教学观念，重新认识虚拟实验室;3）切合实际，合理选择开发技术。材料力学是工科学生的专业必修课，其实验众多，有些实验设备昂贵。因此，开发虚拟演示实验是对材料力学教学的有益补充，可以节省有限的实验教学经费。

2虚拟仿真实验的特点及应用意义

2.1 虚拟仿真实验的特点

在材料力学实验教学中采用虚拟实验具有显著优点。

2.1.1节省实验时间

学生的实践教学环节是有一定的学时限制的，学生在到实验室实验之前进行了虚拟实验，在进行实际实验时就能节约时间。

2.1.2降低实验成本

材料力学中的实验主要是破坏性实验，如果在实验操作过程中出现失误，就会造成实验失败，一旦失败既浪费了试件，也有可能造成实验仪器的损坏。而在虚拟实验过程中，会对关键步骤进行强调，防止错误产生，这样就提高了实验的成果率，降低了实验成本。

2.1.3弥补实验条件的不足

学生去实验室做实验可能会受到实验仪器数量有限、教学安排冲突等客观条件的影响，如果是虚拟實验，学生只要一台计算机，就可以随时随地的进行实验，弥补了实验条件的不足，并且能丰富感性认识，加深对实验和理论的理解。

2.1.4降低实验的危险性

在实验室进行金属试件的压缩实验时，可能会产生试件飞出伤到实验者的情况，用虚拟实验就解决了这一问题，学生可以放心的去做各种危险实验，而不必考虑会造成伤害。

2.2虚拟仿真实验的应用意义

（1）虚拟仿真技术在现代教育方面的应用是一种趋势，2014年教育部公布通过的100所国家级虚拟仿真实验教学中心，就是在推动虚拟仿真技术在教学领域的应用。2008年国家提出大力发展职业教育，将虚拟仿真技术充分应用到职业教育中，提高职业教育发展水平和效果，也是明确表示仿真技术在教育领域的应用。

（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，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 虚拟仿真实验室的发展思路

3.1进一步加强组织保障和制度建设

实验室要保持长期高效的发展，政策和制度的建设是重要的保障。

（1）进一步制定和优化政策，鼓励学科带头人和高水平教师积极投身虚拟仿真实验教学，引进高层次人才，提高实验教学层次和水平。

（2）推行理论课教师从事实验教学、实验课教师兼任理论教学，促进实验教学与理论教学的融会贯通，保证有一支高水平虚拟仿真实验教学队伍。

（3）从人员职责、实验室开放、仪器设备使用保管、实验室安全、平台网络管理与权限管理等方面制定更全面、更严格的管理制度和规章规范，保证实验中心运行的高效性和稳定性。

3.2 高性能技术平台的有效融合

力学作为工科基础学科，其实验教学要贴近工程、反映实际，力学虚拟仿真实验教学也要不断采用先进的技术，采用可以进行更复杂数值模拟的高性能计算系统和具有更真实表现力的三维互动呈现技术，在更大范围共享互联网技术，并将这些技术进行有效融合，打造先进的高性能虚拟仿真实验教学项目开发平台。

3.3开发精品项目，推动全面开放共享

在强大的组织制度保障和技术先进的开发平台支撑下，有效整合教学、科研、技术支撑等方面人才队伍，充分发挥人才队伍的特长和优势，围绕科技前沿和工程实际，开发更多的精品实验项目。在国家级虚拟仿真实验教学中心建设工程的支持下，推动虚拟仿真教学深入和全面的开放共享，实现共享、共赢和教学示范效果的最大化。

参考文献

[1]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.

[2]黄斌，姚正军，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（4）：573-578.

[3]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）：68-72.

[4]胡超，程建钢.《理论力学》多媒体仿真教学实验[J].力学与实践，2003，25（1）：67-70.

通讯作者： 赵秀云 山东协和学院

项目来源：2021年实验室开放项目;项目名称为：基于大学生结构设计大赛材料的力学性能试验研究;项目编号：2021SYKF21”

山东协和学院 山东省 济南市 250107