虚拟仿真技术在材料力学课程实验教学中的应用研究

郭焜 张海洋 赵秀云

摘要：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。

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）-06-420

1虚拟仿真实验发展现状

随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高，易维护等诸多优点。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

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，如果是虚拟实验，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。

3虚拟仿真实验操作实例

在材料力学实验中，低碳钢的拉伸试验是进行的最为广泛的试验之一，其拉伸过程可以划分为四个阶段——弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，因此，此次研究以低碳钢的拉伸试验为例来说明一下虚拟仿真实验的全过程。

进入演示，按提示操作，依次点击各个交互区域，激发下一步操作，如图1和图2所示。进入拉伸破坏演示动画画面，指针会模拟加载的拉力大小，如图3所示。拉伸破坏演示完成后会自动显示应力-应变曲线，如图4所示。在显示应力应变曲线后，可以按系统提示操作进入断面展示界面。

低碳钢拉伸虚拟演示实验不仅可以使学生熟悉实验过程，还可以使学生清楚地观测到低碳钢在屈服时加载力表盘指针的摆动以及试件表面45°滑移线的产生，实验最后还可以观测到颈缩的产生以及试件断面情况。由于滑移线产生以及颈缩的时间都很短，所以在实验室做真实实验，很难观察到详细的变化过程。而通过虚拟演示实验，在此阶段可以放慢实验速度，并局部放大试件变化明显的部位，学生可以清晰地观察到实验的现象，不仅使学生容易理解理论知识和实验内容，还提高了实验的趣味性，增加了学生学习的兴趣，提高了教学效果。

4建设中存在的问题

4.1多种信息技术整合不够

由于实验室和实验项目是需要多年分阶段、分模块逐步建设积累的，因此，结合不同的建设阶段、不同的实验项目需要采用多种具有差异性的技术。对专业性和技术性的要求较高，在计算机方面的要求，要有3D效果，需要嵌入专业的分析模块。这样就使得在统一平台上的工作变得比较复杂。实验项目如若处于单机操作环境下，就需要花费相当多的人力、物力进行网络版的改造，才能更方便地通过互联网平台进行更有效、更广泛的示范推广。

4.2 教学资源开放共享程度有待扩展

实验室的虚拟仿真实驗教学项目和实验教学资源按照国家级虚拟仿真实验教学中心的建设要求，实验教学项目教学资源的开放共享程度需要进一步扩大，推广到更多的高校和单位，在更大的范围发挥示范和引领作用。

5结束语

通过虚拟仿真实验的开发及其在教学中的应用，使学生能形象化了解基本理论，这对传统实验起到了完善、补充和拓展的作用，是今后教学改革的主要内容。虚拟仿真实验能提高教学的质量，改善教学的效果，培养学生的综合能力与学习兴趣，采用虚拟仿真实验的学生对实验的掌握以及在实验报告的撰写方面都比不采用虚拟仿真实验的学生要好很多。由于虚拟仿真实验具有可控性，弥补了实验室实验现象难以观测的不足。利用虚拟仿真实验，有效缩短了实验室实验操作时间，采用虚拟仿真实验的学生比实验室做真实实验的学生节省了大约半个小时的时间，大家可以利用这些时间参与其他的活动，丰富了学生的生活。虚拟实验不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且在一定程度上弥补了教学资源不足的问题。

参考文献

[1]田丰.虚拟实验与真实实验整合研究[J].实验技术与管理，2005，22（11）：89-92.

[2]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

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