卜萬奎,徐慧,閆冰潔,朱明聽

(1.菏澤學院城市建設(shè)學院,山東 菏澤 274015;2.菏澤學院機電工程學院,山東 菏澤 274015)

0 引言

材料力學是高校土木工程、機械、動力、材料等工科專業(yè)必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課,主要研究單根桿件在外力作用下的強度、剛度及穩(wěn)定性問題,在高等院校的教學計劃中占有很重要的地位.材料力學與工程實際聯(lián)系緊密,該課程主要研究桿件在外力作用下的內(nèi)力、應力、變形的規(guī)律,涉及到的實驗項目有金屬材料拉伸壓縮實驗、金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗、梁的彎曲正應力測定等實驗.開展上述實驗有利于加深學生對于力學理論的理解,對如何更好地應用力學知識解決實際的工程問題具有重要的意義.

虛擬仿真技術(shù)已成為目前力學發(fā)展較為先進的輔助方法,它是以計算機為媒介,將數(shù)字化信息技術(shù)和計算機技術(shù)應用于力學建模,通過數(shù)值計算得出結(jié)構(gòu)受力、變形的變化規(guī)律,并通過圖表、云圖或等值線等方式呈現(xiàn).目前,已有不少學者對于如何將虛擬仿真技術(shù)與材料力學相融合的相關(guān)課題進行了研究,例如:章芳芳將Midas應用在土木工程專業(yè)材料力學教學中,激發(fā)了學生的學習興趣,深化了學生的工程意識[1];郭旭洋,黃雷將仿真數(shù)值平臺應用于材料力學課程教學改革中,并達到了提升材料力學課程教學質(zhì)量的目的[2];黃濤,胡佳恒等借助虛擬仿真實驗,通過教學實例驗證了虛擬仿真實驗能夠更好的融合線上線下的教學[3];趙辛將虛擬仿真技術(shù)應用于與多媒體教學相結(jié)合的材料力學實驗教學中,提升了學生實驗能力,并取得了較好的教學效果[4];馬雯波,許?；贑DIO理念,將建立的虛擬仿真平臺,應用在材料力學課程教學中,并取得了較好的教學效果[5];耿志挺,陳學軍在材料力學課程設(shè)計開發(fā)了虛擬仿真實驗系統(tǒng),這個系統(tǒng)不僅能使學生方便的進行課前預習、課堂操作、課后練習,而且極大的培養(yǎng)了學生的動手能力、創(chuàng)新能力[6].本文基于以上研究成果,設(shè)計了材料力學虛擬仿真實驗系統(tǒng),教學實踐證明該系統(tǒng)可較好的達到線下實驗的效果.

1 材料力學實驗教學中存在的問題

1.1 實驗教學方法落后

由于我校目前材料力學實驗室建設(shè)存在不完善,不能滿足全體學生進行實際操作的需求.材料力學實驗教學內(nèi)容主要包括金屬材料拉伸與壓縮、壓桿穩(wěn)定、金屬材料的扭轉(zhuǎn)、彎曲正應力測定、剪切、彎扭組合變形實驗等綜合性實驗,在上實驗課時,主要是教師先進行講解實驗原理、步驟及注意事項,學生按照老師的講解進行機械性的演示操作.這必然帶來部分學生對實驗原理的理解不深,不會操作,特別是比較復雜的實驗,比如彎曲正應力測定、彎扭組合變形實驗,對于電測原理的接線操作,學生僅僅通過課堂有限的時間很難弄通、弄懂,導致做實驗時學生只是單純的為了完成老師布置的實驗任務(wù)而進行實驗操作,教學效果不理想.這種教學方式制約了學生分析、解決實際問題能力的提升.

1.2 實驗課程設(shè)置不合理

近年來,學校按照教學大綱對各個專業(yè)的課時進行了調(diào)整,材料力學課程的學時也在不斷減少,實驗學時為八學時.而一些大型的實驗設(shè)備操作復雜,相應實驗所需課時較多,這必然導致實際課時量與所需課時量之間不匹配.由于教師在讓學生進行實地操作前,占用了一部分時間講解實驗理論和操作方法,必然沒有充足的時間讓學生進行實地操作,導致學生不能較好掌握設(shè)備的使用方法,存在實驗理論與實際操作脫節(jié)的問題,在這種情況下,無法達到滿意的實驗效果.

1.3 考核方法不完善

實驗教學現(xiàn)在還在沿用之前的考核方法,往往是將學生的出勤率和實驗報告作為考核和評價的依據(jù),這勢必會給一些學生提供弄虛作假的機會,即為了應付老師、照搬抄襲其他學生的實驗報告.因此,這種傳統(tǒng)的考核方式在一定程度上難以激發(fā)學生主動動手的能力,不能全面的展現(xiàn)學生的實驗水平,限制了學生實踐能力的提高.

2 虛擬仿真平臺在實驗教學運用中的探索

針對當前實驗教學中存在的問題,我校土木工程專業(yè)材料力學實驗課題組進行了實驗教學的改革,設(shè)計了虛擬仿真實驗系統(tǒng),運用虛擬仿真實驗進行線上實驗和傳統(tǒng)實驗教學進行線下實驗相結(jié)合的方式進行了實驗教學改革,做到了虛實結(jié)合,較好的解決了實驗設(shè)備老化、不足、實驗課時少等問題.

2.1 虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的目的

材料力學實驗中,許多實驗多屬于損耗性實驗,每次都要使用大量的低碳鋼或者鑄鐵試件.由于部分學生不熟悉實驗原理或過程,往往需進行多次重復實驗,無形中造成了試件的浪費,既不經(jīng)濟又不環(huán)保,甚至是潛在人身安全隱患,虛擬仿真系統(tǒng)充分利用了計算機設(shè)備,具有不受場地、時間及材料限制,更不會存在人身安全問題.學生可以在虛擬仿真系統(tǒng)進行無限次重復實驗,不會造成實驗試件的浪費,從而達到在線下實驗操作前就熟練掌握了實驗原理、步驟及方法.另外,虛擬仿真實驗作為線下實驗的有效補充,可有效避免線下實際操作中錯誤發(fā)生的概率,提高了線下實驗的成功率.

2.2 虛擬仿真實驗內(nèi)容

虛擬的實驗仿真實驗內(nèi)容主要分為實驗理論知識介紹、實驗視頻演示和虛擬實驗操作三個部分.實驗內(nèi)容包括:金屬材料拉伸和壓縮實驗、彈性模量實驗、剪切實驗、金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗、梁彎曲正應力測定實驗、彎扭組合變形實驗、沖擊實驗、壓桿穩(wěn)定實驗等實驗內(nèi)容,每個實驗不僅介紹了實驗目的、實驗方法和實驗的基本原理,還詳解介紹了實驗運行環(huán)境、實驗儀器,實驗模塊,如表1所示,實驗步驟以及實驗過程中的注意事項,目的是幫助使用者更好的了解和掌握實驗.使用者只需要點擊開始按鈕,就可以按照操作提示進行實驗.

表1 實驗中的模塊介紹

2.3 虛擬仿真實驗步驟

以拉伸實驗為例,介紹實驗界面操作步驟如下所示.

(1)按照虛擬仿真實驗界面的操作提示,點擊“開始”按鈕進入實驗,先選取試件:“低碳鋼Q235”或者“鑄鐵HT200”,然后利用游標卡尺測量出試件的原始尺寸,并將數(shù)據(jù)填入實驗表格.

(2)用鍥形片加緊試件,用夾頭套進行固定,旋轉(zhuǎn)上夾頭使之與上橫梁為鉸接狀態(tài),旋出時不應旋出過長,必需保證上夾頭頭套與上橫梁點半之間的間隙應在3～10 mm之間.調(diào)整試驗機下夾頭套的位置,打開電機電源.按下“油泵啟動”按鈕,選擇壓縮上行按鈕使下夾頭上移,打開進油手輪使下夾套頭上移直到可以放入試件,移動至合適的位置后,關(guān)閉進油手輪,將試件拖動到夾頭位置.

(3)連接測試線路,選擇第一通道測力,并連接到試驗機的拉、壓傳感器上.打開測試箱電源,設(shè)置數(shù)據(jù)采集環(huán)境.選擇“文件”→“引入項目”,按照提示將剛才測定的數(shù)據(jù)引入系統(tǒng)中,打開進油手輪,控制加載速度,進行加載測試,當試件斷裂后,停止實驗.

(4)記錄屈服強度階段的最大荷載值和最小荷載值以及強化階段的最大荷載值,最后將試件與套筒分離后記錄試件斷后的標距.具體操作步驟如圖1所示.

(a)測量試件尺寸

(b)裝載試件

(c)連接線路

(d)屈服強度階段的最小荷載值

(e)屈服強度階段的最大荷載值

(f)強化階段的最大荷載值

3 虛擬仿真技術(shù)在材料力學實驗中的教學改革

3.1 虛擬和線下教學相結(jié)合的教學模式

虛擬仿真技術(shù)由電腦技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機接口技術(shù)及測量傳輸技術(shù)等多種先進技術(shù)集合而成,具有仿真和實時交互等特征[7].依據(jù)材料力學的實驗教學大綱,我校與某軟件公司共同設(shè)計開發(fā)了《材料力學實驗仿真教學系統(tǒng)》.該實驗系統(tǒng)是按照我校材料力學教學大綱所要求的全部實驗項目、實驗內(nèi)容進行研發(fā)制作的,與線下實驗內(nèi)容、實驗步驟與實驗室內(nèi)的實驗設(shè)備高度重合.為充分利用《材料力學實驗仿真教學軟件》的優(yōu)勢,提出并在實驗教學中采用課堂理論教學、虛擬仿真教學、實驗室實踐教學相結(jié)合的教學模式,即在實驗室實踐課開設(shè)線下實驗之前,教師首先將實驗中重要的知識和原理傳授給學生,然后學生采用該軟件開展虛擬仿真實驗,學生在計算機上按照教師講授的內(nèi)容進行預習,這樣學生對將要進行的實驗原理、實驗步驟、實驗安全規(guī)章制度等內(nèi)容就有了初步的了解,為線下實驗室內(nèi)的實際操作實驗打下基礎(chǔ)[8].現(xiàn)以“金屬材料拉伸實驗”為例進行介紹,教學流程圖見圖2.

圖2 虛擬仿真相結(jié)合的教學流程圖

3.2 學科競賽教學模式

教育部在2019年就提出,要有針對性地“以賽促學,以賽促教、以賽促創(chuàng)”,通過學科競賽來加深學生對于專業(yè)課程的理解.例如全國大學生力學競賽中,在理論與實踐操作部分需要考察一個團隊中三位學生對力學基礎(chǔ)知識的理解,以及學生的動手能力、合作能力和創(chuàng)新能力等[9].比賽中,需要團隊利用自己所學到的力學知識進行實驗的設(shè)計、實驗設(shè)備的調(diào)試及實驗的驗證,這就要求學生必需具備較強的實驗設(shè)計能力,因此,通過讓學生參加力學競賽,激發(fā)學生利用虛擬仿真與線下實踐相結(jié)合的方式,進行力學實驗的研究,同時提升了學生的動手能力及自我創(chuàng)新的能力.

3.3 材料力學實驗教學考核方法改革

傳統(tǒng)的材料力學實驗教學考核方式是以實驗報告的成績?yōu)橹?對課前預習與實驗操作不做要求.本次實驗教學改革,即在實驗室實踐教學中引入虛擬仿真技術(shù)并將其作為考核的依據(jù).學生在實驗理論課結(jié)束后,在計算機上模擬虛擬實驗,按照實驗提示進行操作,并導出實驗報告,最后在實驗室實地操作后完成實際操作的實驗報告,實驗報告完成后統(tǒng)一報送給實驗教師批閱[10]-[11].最終的實驗成績由三部分組成,即:理論上課情況,占比為20%;虛擬實驗報告完成情況,占比為30%;實際操作的實驗報告完成情況,占比為50%,實驗的總成績=理論上課×20%+虛擬實驗報告成績×30%+實際操作的實驗報告×50%.通過這種考核方式的改革,學生的學習積極性和實際操作能力都得到了極大的提高.此外,在進行線下實驗之前,學生通過虛擬仿真實驗基本上掌握了實驗過程中的操作要點及各種安全注意事項,有效提高了線下實驗的成功率,極大地保障了學生的人身安全.

4 結(jié)束語

針對目前部分院校材料力學實驗室建設(shè)不完善的問題和材料力學實驗課程的教學現(xiàn)狀,本文開發(fā)了虛擬仿真實驗教學系統(tǒng),可讓學生不受時間、場地,實驗耗材及實驗設(shè)備數(shù)量的限制進行相關(guān)實驗項目的線上實驗操作,直觀的仿真實驗教學軟件,提高了學生參與實驗的積極性.虛擬仿真實驗具有不受實驗時間限制、實驗地點靈活、重復使用率高、實驗成本低等的特點,通過與理論教學和實際實驗教學相結(jié)合,能夠幫助學生深入理解實驗原理、掌握操作流程,節(jié)約了教學資源,提高了教師實驗教學效率與學生學習效率,全方位的提升學生的實踐能力.