牛亮，劉軼

(貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

虛擬實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

牛亮，劉軼

(貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

利用信息技術(shù)為教學(xué)改革服務(wù)已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑和方式.分析了虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的意義，對材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和步驟進(jìn)行了介紹.

材料力學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬實(shí)驗(yàn)

近年來隨著大學(xué)的連續(xù)擴(kuò)招，迅速增加的學(xué)生人數(shù)與實(shí)驗(yàn)室資源緊缺之間的矛盾日益加劇，成為提高教學(xué)質(zhì)量的一大難題.加大投入擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室資源當(dāng)然是解決根本問題的好辦法，但與教育經(jīng)費(fèi)緊張的現(xiàn)狀相矛盾;另外購置成熟的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)也可以緩解這一矛盾，但是多數(shù)院校的設(shè)備和儀器品牌不同、新舊不一，甚至有些早已停產(chǎn)，要全面實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的購置成本也很高.如何在有限的條件下提高現(xiàn)有資源的使用效率，在保障教學(xué)效果的同時(shí)又降低對實(shí)驗(yàn)室資源的依賴性，這是值得思考的問題［1］.

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室及應(yīng)用意義

虛擬實(shí)驗(yàn)室是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，基于Web技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，即在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，并由學(xué)生主導(dǎo)該過程，同時(shí)通過管理功能可迅速了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，配合實(shí)驗(yàn)室預(yù)約等其他教學(xué)系統(tǒng)一起使用，更可達(dá)到事半功倍的效果.

虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的意義［2］:

1)虛擬實(shí)驗(yàn)是高校教學(xué)改革探［3］索的一個(gè)方向，響應(yīng)了教育部信息教育和遠(yuǎn)程教育的號召，同時(shí)也符合貴州大學(xué)教育教學(xué)改革的需求［4］;

2)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境能很好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)交互:學(xué)生與媒體界面的操作交互、學(xué)生與教學(xué)要素的信息交互、學(xué)生的概念與新概念的概念交互［5］，其內(nèi)容比課堂教學(xué)豐富、生動(dòng)、靈活，學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)和學(xué)習(xí)進(jìn)度的限制而進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)，不用進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過程，是傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充，在明顯提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)能有效降低對實(shí)驗(yàn)室資源的依賴性;

3)虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)軟件系統(tǒng)，相對于真實(shí)的設(shè)備和儀器而言其運(yùn)行成本都非常低并且零磨損［6］，如果采用自行建設(shè)的方式，不但系統(tǒng)的建設(shè)成本可忽略不計(jì)，同時(shí)還能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，適合大面積推廣，緩解教育經(jīng)費(fèi)緊張的問題.

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容和思路

本文所介紹的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，是作者所在單位教學(xué)體制改革的一項(xiàng)階段性工作，是實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)如圖1.

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)開放式的教育模式，使處于不同地理位置的用戶(教師和學(xué)生)盡可能簡單地就能使用系統(tǒng)，使學(xué)生可以同時(shí)對一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓教師可隨時(shí)進(jìn)行后臺管理，本系統(tǒng)采用基于分布式對象中間件技術(shù)的Web解決方案，即B/S體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)為3層.

目前可用于搭建服務(wù)器的操作系統(tǒng)和軟件工具很多，本文采用微軟公司的Windows 2003企業(yè)版作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，利用ASP.NET作為開發(fā)工具，SQL Server 2005作后臺數(shù)據(jù)庫，使安全服務(wù)、負(fù)載均衡和高速緩存都容易實(shí)現(xiàn).

2.2 實(shí)驗(yàn)課件設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)需要具有豐富的感染力，用戶可以控制實(shí)驗(yàn)的過程，可以對實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)用戶和計(jì)算機(jī)相互的交流，從而達(dá)到控制學(xué)習(xí)過程的目的.

VRML(virtual reality modeling language)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言是在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，但是掌握這項(xiàng)用技術(shù)的師生很少，因此并不適合作者所在院校的要求，在此選用Adobe公司的Flash MX作為開發(fā)工具，該工具具有以下特點(diǎn):

1)Flash MX采用矢量圖形技術(shù)，它的SWF動(dòng)畫文件非常小，適合在網(wǎng)絡(luò)上播放;

2)具有強(qiáng)大的多媒體整合功能，制作出的課件具有較強(qiáng)的多媒體性;

3)內(nèi)置功能強(qiáng)大的腳本語言，可以制作出交互功能強(qiáng)大的多媒體課件;

4)Flash MX擁有廣泛的用戶基礎(chǔ)，并且相關(guān)的教材也很豐富，易學(xué)易用.

2.2.1 WBS分解

借鑒項(xiàng)目管理中的WBS分解辦法，將實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模塊化分解直至最底層的任務(wù)活動(dòng)如圖2所示.

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶提出應(yīng)用請求時(shí)，不是將實(shí)驗(yàn)課件的全部內(nèi)容一次下載到用戶本地的計(jì)算機(jī)上，而是將主控模塊先下載到用戶本地計(jì)算機(jī)上，在主控模塊的控制下，用戶可以根據(jù)需要再分別下載功能模塊進(jìn)行播放，分解過的模塊體積比較小，易于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，這樣大大減輕對服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)壓力，實(shí)際應(yīng)用效果良好.

2.2.2 動(dòng)畫制作

Flash通過ActionScript語句具有了交互功能［7－11］.以拉伸實(shí)驗(yàn)為例介紹部分制作內(nèi)容:

1)按鈕交互.首先將經(jīng)過WBS分解出來的內(nèi)容制作成各自獨(dú)立的Flash影片，每一段影片均通過按鈕進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)交互，將制作好的按鈕從文檔庫中拖放到舞臺上并放置好，選中按鈕，打開Actions面板(行為面板)，在腳本編輯區(qū)添加腳本:

on(release){gotoAdnstop(1);}

在設(shè)計(jì)交互動(dòng)畫時(shí)還要注意動(dòng)畫執(zhí)行到某幀需要停下來時(shí)，要為該幀添加腳本Stop()，以此類推可將實(shí)驗(yàn)過程的所有階段都添加相應(yīng)的按鈕，使整個(gè)過程都可被控制.

2)拖拽交互.實(shí)驗(yàn)中的試件安裝需要采用“拖拽動(dòng)作”，在Flash中主要使用StartDrag()和Stop-Drag()以及自定義函數(shù)來實(shí)現(xiàn).在實(shí)驗(yàn)中，試件需要被拖放到正確的位置，系統(tǒng)才能進(jìn)行下一步驟，否則將提示操作錯(cuò)誤.示例程序:

Function play1(){//定義一個(gè)拖拽動(dòng)作函數(shù)

With(chip_1){//拖動(dòng)標(biāo)記

If(sele3.hitTest(_x，_y，true)){//判斷動(dòng)過是否正確

Tishi=“操作正確!請繼續(xù)…”;//操作正確的提示

Chip_1.onRelease=playvideo1();//拖動(dòng)正確，執(zhí)行“執(zhí)行步驟”函數(shù)

2.3 系統(tǒng)工作流程

經(jīng)過上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和課件設(shè)計(jì)的介紹，系統(tǒng)平臺和基本元素已經(jīng)完成，但是要讓這些功能和元素有效地運(yùn)轉(zhuǎn)起來，還需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程，如圖3所示.

流程說明:

1)用戶使用瀏覽器登錄Web應(yīng)用服務(wù)器，并進(jìn)行安全驗(yàn)證;

2)負(fù)載均衡服務(wù)將對服務(wù)器資源進(jìn)行調(diào)度匹配用戶的應(yīng)用請求;

3)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室以后，用戶可以開始新的實(shí)驗(yàn)或加載之前的進(jìn)度繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn);

4)系統(tǒng)會(huì)對虛擬實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和記錄，并返回錯(cuò)誤步驟

5)在操作完成后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行仿真計(jì)算展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)記錄用戶的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度;

6)系統(tǒng)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將有助于用戶對進(jìn)度情況進(jìn)行分析.

3 虛擬實(shí)驗(yàn)展示

圖4～5展示了虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的部分工作界面.

4 結(jié)語

本文所介紹的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，是貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)改革摸索工作中的階段性成果.系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路不僅適用于力學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)也適合其他學(xué)科.在虛擬試驗(yàn)部分，成功地將Flash動(dòng)畫應(yīng)用于課題教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)中，動(dòng)畫使課堂教學(xué)中難以描述的理論直觀化，課程內(nèi)容更加生動(dòng)、形象和直觀，試驗(yàn)中的動(dòng)畫使實(shí)驗(yàn)過程明了化，操作簡單化，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣.

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，CAI必將成為教學(xué)中重要的環(huán)節(jié)［12］，教學(xué)工作必將變得更加靈活，更加多元化，在教學(xué)中的地位越來越重要，為發(fā)揮其更大優(yōu)勢，教育工作者應(yīng)對自己提出更高的要求，設(shè)計(jì)更適合學(xué)習(xí)者使用的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)學(xué)件，更好地解決多媒體技術(shù)在教育中應(yīng)用的瓶頸問題.

［1］沈劍敏.生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)多媒體課件的研制［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2):80－81.

［2］葉漢英.遠(yuǎn)程開放教育課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施與思考［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(2):6－7.

［3］范永開，林君.網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案與實(shí)現(xiàn)［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，15(4):48－50.

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［5］黃俊，杜成斌，楊輝.材料力學(xué)拉伸和扭轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)課件的研發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(1):69－72.

［6］任偉杰，靳春華.仿真實(shí)驗(yàn)在國家級實(shí)驗(yàn)示范中心建設(shè)中的作用［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13(4):110－111.

［7］劉春.中文Flash MX經(jīng)典效果100例［M］.上海:上海科學(xué)普及出版社，2002.

［8］王劍.ActionScript在Flash中制作交互動(dòng)畫的高級應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(25):26.

［9］張剛，羅小華，賀利芳.基于Flash技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)［J］.高等教育研究，2007(04):50－52.

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［11］陳麗.術(shù)語(教學(xué)交互)的本質(zhì)及其相關(guān)概念的辨析［J］.中國遠(yuǎn)程教育，2004(2):12－16.

［12］陳芳林.Flash5高級教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

(責(zé)任編輯莊紅林)

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.

貴州大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JG2012041).

牛亮(1970－)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師.主要研究方向:實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理.