曲淑英， 周志新， 吳江龍， 候興民

(煙臺大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264005)

0 引 言

實驗設備是高校重要的戰(zhàn)略性科技資源之一，是開展虛擬仿真實驗教學示范中心建設的基礎。教育信息化是信息時代教育改革發(fā)展的必然要求，也是教育現代化的核心特征。國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要( 2010～2020年》指出：“信息技術對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視”[1]。教育部于2013年3月頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》[2]則從頂層設計入手，從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，建成人人可享有優(yōu)質教育資源的信息化學習環(huán)境。建設學習型社會的信息化支撐服務體系的中長期目標、任務和措施，并分別制定了基礎教育、職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育和教育管理信息化發(fā)展水平框架[3-4]。該規(guī)劃對 2020 年高等教育信息化建設提出了以下發(fā)展目標和基本指標：① 基于校園網、數字化教室、虛擬實驗室、數字教育教學資源庫、教學科研等管理信息系統(tǒng)且綠色、安全、文明的數字校園建設；② 信息技術與教學深度融合的教學模式、方法和內容創(chuàng)新應用，以及信息化條件下學生自主學習、自主管理和自主服務能力培養(yǎng)；③ 信息化支撐科研成果轉化為數字教學資源及在教學中的應用；④ 科研信息化條件與資源建設、共享使用以及基于網絡的協(xié)同科研能力；⑤ 教學與科研資源和學習平臺在科普、人文、學科教育以及國際文化交流領域的輻射作用。

虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等技術，通過構建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，尤其對于那些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的實驗項目，虛擬仿真實驗教學具有明顯的優(yōu)勢，并對傳統(tǒng)的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段等都產生了意義深遠的影響[5]。

工程力學虛擬仿真實驗教學中心，遵循“實虛結合、實虛互補、能實不虛，還設計于學生”的原則[6-7]，以建立優(yōu)質資源共享機制為核心，以信息化實驗教學資源建設為重點，基于“業(yè)內領先、科學實用、整合優(yōu)化、功能強大”的理念，借助國家級工程力學虛擬仿真實驗教學中心的平臺，在確保實驗設備先進性、適用性、經濟性的前提下，以實驗設備的制式化、標準化、數字化為目標，研發(fā)了系列具有自主知識產權的工程力學多功能系列實驗設備，研發(fā)的設備結合虛擬仿真資源能完整的展示從感知到創(chuàng)新的過程。用創(chuàng)新的思維引領創(chuàng)新設備，用創(chuàng)新設備支持創(chuàng)新實驗，并注意虛擬技術、網絡技術、專業(yè)軟件的應用，滿足了實驗室開放、學生自主學習和師生互動交流的要求，大大提升了開放式創(chuàng)新實驗教學的信息化、智能化和管理水平[8-9]。

1 多功能材料力學試驗機

(1) 主要創(chuàng)新點。將材料力學大綱要求的全部實驗項目在一臺設備上完成，每臺試驗機可節(jié)約百萬元和大量的實驗用房面積，包括金屬材料拉伸實驗；金屬材料壓縮實驗；金屬材料正、反向反復扭轉實驗；拉、壓交變加載彈性模量E及泊松比μ電測實驗；正、反向扭轉測G實驗；不同支座形式的梁交變彎曲電測實驗；交變加載帶內壓彎扭管彎扭組合電測實驗；帶側向干擾壓桿穩(wěn)定電測實驗；交變加載等強度梁電測實驗；壓力容器電測實驗；薄片彎曲應變源及應變片工作原理實驗；拉壓扭綜合分析驗證第二、第三、第四強度理論實驗等。

每臺試驗機可替代100 kN拉壓實驗機；500 N·m扭轉實驗機；剪切實驗裝置；梁彎曲實驗裝置；彈性模量及泊松比電測實驗裝置；帶分段內壓彎扭組合實驗裝置；等強度梁實驗裝置；帶側向支撐的壓桿穩(wěn)定實驗裝置；油缸類壓力容器應力狀態(tài)電測實驗裝置；8通道數據記錄儀；實驗教學課件制作系統(tǒng)等10余套實驗教學設備。

夾頭聯(lián)接形式簡單，有利于試件的快速安裝及實驗的二次開發(fā)、創(chuàng)新。配套的教學視頻、動畫、虛擬仿真軟件等，有利于學生的遠程實驗、教師的遠程指導[10]，實現了實驗設備的制式化、標準化、數字化[11]。

(2) 主要技術參數。最大拉伸荷載100 kN；最大壓縮荷載150 kN；最大扭矩500 N·m；最大夾持直徑?20 mm；行程200 mm；示值準確度1級；其他實驗裝置系統(tǒng)誤差≤5%；質量約1 200 kg；測量通道數8；采樣頻率1～200 Hz可調；數據顯示類型實時曲線。

開發(fā)的材料力學多功能試驗機(見圖1、圖2)先后推廣應用到國內70余所高校。圖3、圖4所示為研發(fā)的材料力學多功能試驗機在煙臺大學材料力學開放實驗室和青島科技大學材料力學實驗室應用情況。

圖1 材料力學試驗機

2 結構力學組合實驗裝置

設計的結構力學組合試驗裝置，結束了結構力學因沒有合適的模型而無法開展實驗的歷史，可組合出結構力學桁架、剛架、組合結構等多種結構形式，完成結構力學、鋼結構、鋼筋混凝土等課程24個實驗項目，有效實現了相關學科、專業(yè)的互通銜接，為后續(xù)的虛擬仿真實驗教學體系的建設，提供了可靠保障，實踐了“業(yè)內領先、科學實用”的理念。

圖2 材料力學試驗機虛擬演示

開發(fā)的6個系列的結構力學多功能組合試驗裝置(如圖5、6所示，圖5、6是其中的兩個系列)，先后推廣應用到100余所高校。圖7所示為研發(fā)的結構力學多功能組合試驗裝置，在大連理工大學等開放實驗室的應用情況。

3 結構模型振動平臺

(1) 主要創(chuàng)新點?；凇罢蟽?yōu)化、科學實用”的理念，設計了新型的激振系統(tǒng)及多渠道的激振測試方案，采用伺服電機驅動滾珠絲杠的全電動伺服控制系統(tǒng)兼容了電磁激振和液壓激振的優(yōu)點，將結構基座激振、單點激振等多種激振手段及測試方法融為一體[12-13]，可進行位移、荷載、加速度閉環(huán)控制，工作頻率下限不受限制，上限可達40 Hz，能耗少、噪音低。同時配備數據采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)[14]、結構模型振動過程圖像處理系統(tǒng)[15]，可使結構動力實驗現象生動、直觀地展現出來，既可以進行相關理論分析，也可用于實際工程結構的模態(tài)測試。使學生完整地感知、了解、掌握、應用理論知識。

(2) 主要技術參數。工作行程150 mm；靜/動載出力5 kN；工作頻率0～40 Hz；額定加速度100 kg/1.5 g；額定線速度500 mm/s；控制方式位置、載荷、加速度三閉環(huán)；指令信號為正弦信號、三角信號、掃頻波地震波和用戶自定義波形；模態(tài)測試激振方式為底座激振、電磁激振、力錘激振；振動平臺尺寸700 mm×600 mm(長×寬)。實驗數據與實驗過程同步準確捕捉特征點的變化現象。

開發(fā)的結構模型振動平臺，先后推廣應用到國內40余所高校。圖9、圖10所示為研發(fā)的結構模型振動平臺在華北電力大學開放實驗室和聊城大學開放實驗室應用的情況。

圖8 結構模型振動平臺圖9 華北電力大學開放實驗室

圖10 聊城大學開放實驗室

4 結 語

工程力學實驗教學中心研制的工程力學多功能試驗設備，克服了原國內工程力學實驗教學設備大而笨重、價格昂貴、性能單一、手段落后狀態(tài)，該設備具有功能強、性能高、可靠性好、維護方便，符合使用目的、培養(yǎng)對象、實驗內容體系設計、試驗項目開發(fā)，且性價比高、利用率高等特色，并充分利用了計算機技術和智能化技術，使實驗設備達到了正規(guī)級、工業(yè)級、商品級的制式化水平，實現了實驗設備的共享、開放，滿足了學生自主學習和師生互動交流的要求，大大提升了開放式創(chuàng)新性實驗教學的信息化、智能化管理水平。成果(累計)推廣應用到包括香港高等科技學院在內的境內外160余所高校，應用層次從985高校、211高校、地方高校、民辦高校到高職高專院校，創(chuàng)國內高校自主研發(fā)力學類儀器設備推廣之最，成果的應用使實驗教學實現了層次化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、現代化[16]，切實解決了學生人數多與實驗設備少的矛盾，為培養(yǎng)和提高學生的動手能力、創(chuàng)新能力提供了組織保障、基礎條件和實踐時空。為后續(xù)的從感知理論(工程建模)—了解理論(形成概念)—掌握理論(概念量化)到應用理論(設計新型)，完善的工程力學虛擬仿真實驗教學資源的形成奠定了基礎。

[1] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)[N].人民日報，2010-03-01(005).

[2] 教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/ewebeditor/uploadfile /2012 /03 /-29 / 20120329140800968.doc．

[3] 關于開展“十二五”高等學校實驗教學示范中心建設工作的通知[EB/OL].http://www. moe.edu.cn /publicfiles/-business/ htmlfile /moe /A08_gggs/201203 /133068.html．

[4] 教育部高教司.教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[Z].教育部高教司函[2012]4號.

[5] 陳國輝.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):169-172.

[6] 教育部高教司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].教育部高教司函[2013] 94號.

[7] 中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于批準北京大學地球科學虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知[Z].高教司函[2014] 6號.

[8] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

[9] 戴玉蓉,熊宏齊.適應開放式創(chuàng)新性教學的信息化建設與管理[J].實驗技術與管理，2008,10(25):13-17.

[10] 張 濤,王 磊.基于云計算的高校遠程教學系統(tǒng)設計與實現[J].繼續(xù)教育研究,2011,22(7):60-61.

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