周塔++馬劍++汪天寶

摘要：本論文結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，同時(shí)借助于材料力學(xué)理論知識(shí)，自主設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。材料力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)基于web平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用B/S模式三層架構(gòu)，通過(guò)J2EE、SQL等技術(shù)開(kāi)發(fā)而來(lái)的一款網(wǎng)站系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)接入服務(wù)器方式，在客戶端網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行虛擬的材料力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，從而替代或補(bǔ)充在現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行的真實(shí)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。該論文將詳細(xì)分析材料力學(xué)虛擬系統(tǒng)的各種需求和特性，以及所需的各類(lèi)技術(shù)支持，剖析材料力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) web 材料力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0181-01

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)在日常各類(lèi)教學(xué)活動(dòng)中扮演著無(wú)可替代的角色，計(jì)算機(jī)的高效和智能解決了教學(xué)生活中許多重大或者難以解決的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也繼承了這些特性，同時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)比起計(jì)算機(jī)軟件又擁有著許多特有的優(yōu)點(diǎn)，比如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以做到實(shí)時(shí)更新與維護(hù)，而且比計(jì)算機(jī)軟件占用更少的資源，開(kāi)發(fā)難度也大大降低。

虛擬實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬技術(shù)。早起僅在模擬電路中被提出。比如著名的電路模擬軟件Labview便是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的典型案例。在結(jié)構(gòu)和力學(xué)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外采用有限元軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、以及部分建造軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是，這一類(lèi)軟件主要是以分析和設(shè)計(jì)為主，但是在功能上，操作的流程和實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象展示往往很難滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是力學(xué)教學(xué)中一個(gè)必不可少的組成部分，但是隨著力學(xué)科學(xué)的發(fā)展，以及力學(xué)學(xué)科內(nèi)部劃分的紛繁復(fù)雜，力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材種類(lèi)特別繁多復(fù)雜，而且作為教學(xué)器材，數(shù)目巨大，且頻繁使用增加了器材的損耗，這無(wú)疑大量增加了教學(xué)費(fèi)用的開(kāi)支。

本課題利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所具有的特性，通過(guò)計(jì)算機(jī)web的開(kāi)發(fā)，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，制作了一款解決現(xiàn)實(shí)世界材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的各類(lèi)問(wèn)題的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)接入的方式，非常方便快捷高效的將現(xiàn)實(shí)世界材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)移植于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。將所有教學(xué)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化，將使材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得非常低廉、高效和可持續(xù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為以下幾個(gè)階段完成。第一個(gè)階段由材料力學(xué)教研室完成典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供理論保障；第二階段由學(xué)習(xí)材料力學(xué)的學(xué)生提實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)際要求，操作的簡(jiǎn)易程度；第三階段由開(kāi)發(fā)人員根據(jù)教師和學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)和推廣。材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1）對(duì)已有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目進(jìn)行有效分析、整理和完善。特別對(duì)影像照片、力學(xué)圖紙、力學(xué)使用說(shuō)明和操作流程等技術(shù)資料進(jìn)行歸檔，為后期開(kāi)發(fā)提供素材；（2）利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，在線模擬實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，再現(xiàn)不同測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將該技術(shù)應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)；（3）利用大型虛擬設(shè)備，并借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)外的典型應(yīng)用和操作流程，用于本科生入學(xué)，其他專(zhuān)業(yè)學(xué)生和實(shí)驗(yàn)人員開(kāi)展相關(guān)活動(dòng)。

本系統(tǒng)主體是web網(wǎng)站，采用了B/S模式下的三層架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)模式和 JavaEE及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)，采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行高效安全管理。系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成：學(xué)生界面模塊：主題是在線模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，同時(shí)包含在線交流答疑、公告廣播接收等輔助功能。教師界面模塊：主要提供模擬實(shí)驗(yàn)的更新、公告廣播的發(fā)布、學(xué)生檔案管理等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：主要是對(duì)各類(lèi)信息數(shù)據(jù)的管理。

3 系統(tǒng)的需求分析

在力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，系統(tǒng)需求分析主要分為三塊，一塊是學(xué)生端實(shí)現(xiàn)，一塊是教師端實(shí)現(xiàn)，另一塊為數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

3.1 學(xué)生端

學(xué)生端主要為虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，雖然包含多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浠炯夹g(shù)原理相同，受文章篇幅的限制，本文將以拉伸實(shí)驗(yàn)為例介紹虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的原理。

3.2 學(xué)生端登陸

學(xué)生若要使用本系統(tǒng)，必須擁有已注冊(cè)于服務(wù)器的賬號(hào)，如若沒(méi)有則需通過(guò)注冊(cè)向服務(wù)器錄入學(xué)生個(gè)人信息。注冊(cè)將會(huì)對(duì)注冊(cè)信息進(jìn)行必要的合法性檢查，其利用本地的JavaScript，通過(guò)后才會(huì)將個(gè)人信息錄入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。登陸完成后即可進(jìn)入學(xué)生端界面。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)界面中包含“實(shí)驗(yàn)大綱”、“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”、“儀器試件”、“虛擬實(shí)驗(yàn)”、“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”、“留言答疑”以及“我的信息”等板塊?！皩?shí)驗(yàn)大綱”、“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”界面為收錄的本次實(shí)驗(yàn)的原理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)流程，“儀器試件”則通過(guò)圖片形式展示本次實(shí)驗(yàn)所用到的各類(lèi)儀器。學(xué)生用戶可以通過(guò)瀏覽這些分類(lèi)板塊了解本次實(shí)驗(yàn)的原理、流程、目的以及實(shí)驗(yàn)要求等信息，達(dá)到實(shí)驗(yàn)前的教學(xué)目的。當(dāng)學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)后，就可以正式開(kāi)始“虛擬實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)，這也是本系統(tǒng)核心功能模塊。

“虛擬實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)開(kāi)始后，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)前提JS，一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)則通過(guò)后臺(tái)servlet和 javaBean，依據(jù)具體實(shí)驗(yàn)隨機(jī)生成一定合理范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)request或session對(duì)象傳遞給jsp頁(yè)面。當(dāng)完成以上實(shí)驗(yàn)步驟后，學(xué)生用戶即可將虛擬實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入具體公式計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，至此整個(gè)“虛擬實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)結(jié)束。

3.4 報(bào)告提交

當(dāng)學(xué)生完成整體虛擬實(shí)驗(yàn)后，即可將整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程和所得數(shù)據(jù)結(jié)果整理成報(bào)告，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳提交與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備教師調(diào)閱或者學(xué)生自己查閱。同時(shí)系統(tǒng)也提供在線答疑功能，學(xué)生可將實(shí)驗(yàn)步驟中難以理解的環(huán)節(jié)通過(guò)郵件形式發(fā)予任課教師進(jìn)行咨詢，回復(fù)也以郵件形式發(fā)回學(xué)生郵箱中。

3.5 教師端

教師使用此系統(tǒng)也需要進(jìn)行賬號(hào)注冊(cè)以及信息的驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程同學(xué)生模塊，注冊(cè)完成后將信息收錄數(shù)據(jù)庫(kù)中。教師模塊的權(quán)限要高于學(xué)生模塊，教師模塊擁有整個(gè)系統(tǒng)的控制權(quán)限，教師可以通過(guò)教師端界面管理整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.5.1 報(bào)告管理

當(dāng)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)之后，教師即可通過(guò)“報(bào)告管理”模塊查詢到所需要調(diào)閱的報(bào)告。查詢功能采用模糊搜索方式，可以根據(jù) “名稱(chēng)”、“起始發(fā)布時(shí)間”、“結(jié)束時(shí)間”等條件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的報(bào)告進(jìn)行檢索。教師擁有對(duì)報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)表的更新管理權(quán)限，可以隨時(shí)刪減數(shù)據(jù)庫(kù)中的報(bào)告文件，并且教師可以上傳報(bào)告模版文件，供學(xué)生下載使用。

3.5.2 成績(jī)管理

通過(guò)“成績(jī)管理”模塊，教師可以在線打開(kāi)學(xué)生提交于報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件。在打開(kāi)后的報(bào)告界面會(huì)出現(xiàn)“評(píng)分”選項(xiàng)，教師可以通過(guò)審閱學(xué)生提交的報(bào)告對(duì)學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)的完成情況進(jìn)行等級(jí)評(píng)定工作。當(dāng)評(píng)定完成之后，評(píng)定的結(jié)果信息會(huì)被儲(chǔ)存于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)不及格的報(bào)告，教師可在“報(bào)告管理”模塊將其刪除。學(xué)生可在收到評(píng)定結(jié)果為“不合格”的消息后再次進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)并重新提交報(bào)告，直至評(píng)定結(jié)果為“合格”為止。教師也可在評(píng)定結(jié)果發(fā)布后再次進(jìn)行修改，更改評(píng)定的結(jié)果。

同時(shí)，教師也可在此模塊中進(jìn)行檢索，搜索出所有“合格”或“不合格”的學(xué)生信息及報(bào)告，并通過(guò)相應(yīng)模塊做后續(xù)的管理操作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)詳細(xì)的介紹，描述了材料力學(xué)虛擬系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作流程，闡述了材料力學(xué)虛擬系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)所面臨的問(wèn)題的解決策略，材料力學(xué)模擬系統(tǒng)極大減少了現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的人力財(cái)力支出，是對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大補(bǔ)充和替代。

參考文獻(xiàn)

[1]黃麗婷，等.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)動(dòng)載教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2005（2）：93-95.

[2]陳麗珍.虛擬實(shí)驗(yàn)的哲學(xué)反思[D].南昌：南昌大學(xué)，2009.

[3]杜承烈，等.虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)技術(shù)的研究與展望[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（3）：490-492，530.

[4]周淼，等.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010（3）：93-94.

收稿日期：2016-09-09

作者簡(jiǎn)介：周塔（1980—），男，江蘇鹽城人，博士，講師，研究方向：模式識(shí)別與智能系統(tǒng)。