薛娜

［摘 要］實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，文章分析了目前材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，通過建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫等方面進(jìn)行材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真；材料力學(xué)機(jī)械；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0074-04

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校工科專業(yè)人才培養(yǎng)不可缺少的重要環(huán)節(jié)[1-2]，材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校工科力學(xué)基礎(chǔ)課程必修課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其主要任務(wù)是使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的前提下進(jìn)行鞏固操作，加深對材料拉伸、壓縮受力過程的了解，提高對力學(xué)基本概念、基本理論的認(rèn)識，牢固掌握材料性能指標(biāo)的檢測方法，鍛煉實(shí)際操作和動手能力，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力、工程協(xié)作意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重要的作用。

材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)是實(shí)物破壞性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有不可重復(fù)性。然而，在長期的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前，對實(shí)驗(yàn)中所涉及儀器設(shè)備的操作原理、操作規(guī)程及整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不夠了解，導(dǎo)致不能很好地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，甚至損壞儀器設(shè)備。此外，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)多局限于用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基本理論，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后收獲不大，難以完全掌握實(shí)驗(yàn)中所涉及的技術(shù)和方法，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時(shí)，現(xiàn)有的機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往局限于單一材料、單一尺寸、單一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，不能有效地激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)往往大打折扣。材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，每次實(shí)驗(yàn)的材料消耗較大，為了保證設(shè)備在學(xué)生使用時(shí)不受到意外損壞，不得不增加師資進(jìn)行監(jiān)督，這樣在一定程度上造成了物力及人力資源的浪費(fèi)[1-5]。

為了解決現(xiàn)有材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，項(xiàng)目組根據(jù)河南城建學(xué)院（以下簡稱我校）材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)_本，建設(shè)金屬材料機(jī)械性能測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將虛擬仿真[5]引入材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過正式實(shí)物實(shí)驗(yàn)前的虛擬操作，幫助學(xué)生了解、掌握實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的原理和使用方法，熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程，在現(xiàn)有條件下最大限度發(fā)揮資源的價(jià)值，充分調(diào)動學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提升學(xué)生的動手操作能力，提高材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一 、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組主要依據(jù)材料力學(xué)低碳鋼、鑄鐵等金屬材料的拉伸、壓縮以及牛展實(shí)驗(yàn)，基于我校力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心儀器設(shè)備資源情況，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)_本。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本的構(gòu)成主要包括多媒體教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、綜合測評模塊（見表1）。

二、材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主要內(nèi)容

（一）建立網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

以低碳鋼、鑄鐵金屬材料機(jī)械性能測試實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)中包含實(shí)驗(yàn)機(jī)原理和操作規(guī)程、彈性模量的測定、觀測彈性和塑性變形規(guī)律、材料應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)糖€的特征分析。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能直觀地了解并掌握低碳鋼、鑄鐵類金屬材料的變形特征。

項(xiàng)目組建立了實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)站，并將其應(yīng)用于材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1所示。建立了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資料庫，錄制了完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備工作原理、操作規(guī)程等。完善了實(shí)驗(yàn)說明、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、儀器設(shè)備介紹等相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，豐富了課程教學(xué)資源，幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前了解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的原理和使用方法、熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，降低實(shí)驗(yàn)失敗率。

（二）開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

以金屬材料單軸受力、金屬材料扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)為例，按照實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)裝置開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使之與實(shí)際實(shí)驗(yàn)近似相同。將標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)管理平臺進(jìn)行對接，學(xué)生可以對金屬材料機(jī)械實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程進(jìn)行虛擬操作。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本對材料力學(xué)拉伸、壓縮等機(jī)械實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為多媒體教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演練兩個(gè)部分（見圖2）。其中，多媒體教學(xué)模塊主要為力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和金屬材料拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目簡介，在模塊中設(shè)置了部分思考題和相關(guān)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)競賽題，學(xué)生可通過查閱文獻(xiàn)、分組討論等方式開展研究，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓展性思考，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)演練模塊主要包括實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，是對材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)操作原理和實(shí)驗(yàn)操作過程的具體模擬，在實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真操作過程中，針對我校學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)中容易發(fā)生錯(cuò)誤或者需要學(xué)生思考的地方設(shè)置了小測試（見圖3），有針對性地強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)關(guān)注點(diǎn)并有效引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)，提升了實(shí)際實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。

（三）完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫

為進(jìn)一步解決現(xiàn)有材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)研究對象的局限性問題，項(xiàng)目組基于ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件，對金屬材料軸向拉伸機(jī)械實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬（見圖4），通過數(shù)值分析方法，對力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重現(xiàn)。根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完善，在現(xiàn)有低碳鋼、鑄鐵材料機(jī)械實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加鋼纖維、纖維水泥板等部分結(jié)構(gòu)用高性能材料，使力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究對象與實(shí)際工程相結(jié)合，與專業(yè)發(fā)展趨勢相一致。對于同一材料，修改命令流相關(guān)參數(shù)，記錄直徑、長度等相關(guān)參數(shù)不同時(shí)材料受力特性的變化趨勢，完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，使學(xué)生了解不同參數(shù)對材料受力性能的影響特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)際結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件尺寸材料強(qiáng)度的變化。

同時(shí)，建立數(shù)據(jù)鏈接，將數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整理并與實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)平臺對接，實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)通平臺輸入不同的實(shí)驗(yàn)材料、任意的構(gòu)件截面尺寸等實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)，就可以生成不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)曲線，豐富實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)誤差及實(shí)際工程中強(qiáng)度取值依據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

三、教學(xué)效果與成效

（一）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)我校人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱要求，材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)主要包括課內(nèi)必修實(shí)驗(yàn)和課外選修實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涵蓋基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)以及基于科研成果轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用體現(xiàn)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次：多媒體教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演練主要幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系和培養(yǎng)專業(yè)興趣；實(shí)物實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能、協(xié)作能力及綜合素質(zhì)；實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬部分以研究性和創(chuàng)新性為特點(diǎn)，豐富實(shí)驗(yàn)資源，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、探索問題的能力。同時(shí)，虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用可以為學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)提供有效支撐，提升實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效率，利用節(jié)約的實(shí)驗(yàn)試件可以在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中增加綜合性實(shí)驗(yàn)，增加研究性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，形成遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，滿足不同層次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。

（二）提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為正式實(shí)物實(shí)驗(yàn)前的虛擬操作，可以幫助學(xué)生了解、掌握實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的原理和使用方法、熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，具有以下優(yōu)勢。

1.節(jié)約實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上能夠盡快掌握實(shí)際設(shè)備的工作原理和操作方法，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)過程中可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2.降低實(shí)驗(yàn)失敗率。材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)主要為破壞性實(shí)驗(yàn)，如操作不當(dāng)會造成實(shí)驗(yàn)失敗，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備或配件損壞。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中對實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)加以說明和提示，加深了學(xué)生的認(rèn)識，能夠降低實(shí)驗(yàn)失敗率，進(jìn)而降低實(shí)驗(yàn)成本。

3.降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑄鐵金屬材料壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，加載過快可能會出現(xiàn)鐵屑飛出的情況，低碳鋼壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀測不到位可能會出現(xiàn)損毀壓盤等情況。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，可以降低實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，確保實(shí)驗(yàn)人員和儀器設(shè)備的安全。

4.提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)課程課內(nèi)與課外結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、線上與線下結(jié)合，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的寬度和深度，提高了學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的積極性和參與度，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的動手操作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力均有明顯提升。

5.完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出學(xué)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成情況和主要錯(cuò)誤點(diǎn)，幫助實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師及時(shí)掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和課下學(xué)習(xí)情況，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對性。通過精簡部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新意識得到較大提高。

（三）激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識

項(xiàng)目組建立了課程網(wǎng)絡(luò)資源平臺，通過對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，完善了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，學(xué)生可以較為靈活地輸入土木工程中常用的材料及不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索的欲望。教師在學(xué)生完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的前提下，可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研發(fā)方向，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和參與實(shí)驗(yàn)的積極性，為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下良好的力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

四、結(jié)論與展望

項(xiàng)目組基于材料力學(xué)拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)，開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并基于有限元數(shù)值分析軟件完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)庫，建立了實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)站并應(yīng)用于我校材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果?；陧?xiàng)目現(xiàn)階段的實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用情況，今后可從三個(gè)方面進(jìn)一步開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享?；诰W(wǎng)絡(luò)課程平臺和學(xué)校服務(wù)端，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行整合，建立共享端口，使學(xué)生可以在線進(jìn)行多層次、多方面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可彌補(bǔ)單一課程資源的不足，實(shí)現(xiàn)資源共享，提高教學(xué)資源的利用率。

二是課內(nèi)選修實(shí)驗(yàn)的開放。與學(xué)科競賽、教師科研等內(nèi)容相結(jié)合，進(jìn)一步研發(fā)適合我校學(xué)生現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)水平的創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)，提升實(shí)驗(yàn)的工程應(yīng)用價(jià)值；與科研項(xiàng)目相結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三是進(jìn)一步完善數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)資源庫，特別是加入土木工程高性能材料、綠色材料等內(nèi)容，使力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓o跟專業(yè)發(fā)展趨勢，進(jìn)一步完善傳統(tǒng)材料力學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化課程體系，提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 石培蕾，朱堅(jiān)民. 工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)， 2015， 18（4）： 92-95.

[2] 代樹紅，宋維源. 新工科建設(shè)中力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 教育教學(xué)論壇， 2018（22）： 276-278.

[3] 黃濤，胡佳恒，付佩. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用研究[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2022， 20（1）： 34-38.

[4] 王曰國. 力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版）， 2023， 24（S2）： 71-73.

[5] 樊久銘，劉彥菊，劉偉，等.新工科背景下力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2023，24（S2）：134-138.

［責(zé)任編輯：蘇祎穎］