基于校園網(wǎng)的材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

劉杰+++楊創(chuàng)戰(zhàn)+++張攀博+++蘆靜

【摘要】為適應(yīng)開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，結(jié)合我校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，將多媒體技術(shù)引入材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)了材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)具有良好的人機(jī)交互界面，讓學(xué)習(xí)者在逼真的情境中在計(jì)算機(jī)上完成相關(guān)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，以提高實(shí)驗(yàn)儀器使用效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。為開展材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革和培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力的提供了有效途徑。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué) 創(chuàng)新能力 改革

【中圖分類號(hào)】TB301 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）19-0012-02

一、前言

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料力學(xué)教學(xué)的重要組成部分，對(duì)學(xué)員加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高動(dòng)手能力與科學(xué)創(chuàng)新思維能力起著積極和重要的作用。對(duì)培養(yǎng)具有厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強(qiáng)能力、特別是具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)工程技術(shù)人才至關(guān)重要，然而長(zhǎng)期以來，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)附屬于理論教學(xué)，重視程度不高； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以演示性驗(yàn)證性為主； 教學(xué)手段與方法單一，學(xué)員只要按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟去做，就能順利測(cè)出數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)考核方式以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為唯一依據(jù)。這些傳統(tǒng)的教學(xué)模式在一定程度上限制了學(xué)員的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)能動(dòng)性的發(fā)揮， 不利于學(xué)員的個(gè)性發(fā)展以及創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)出材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)員在校園網(wǎng)上就可以完成材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這樣既節(jié)約了資金又增添學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，掌握課本上抽象的內(nèi)容，這樣不僅能節(jié)約大量的設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，同時(shí)又能培養(yǎng)學(xué)員利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化手段進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，為學(xué)員將來踏上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、開發(fā)材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的意義

隨著高等教育形勢(shì)的發(fā)展，材料力學(xué)教學(xué)模式、教學(xué)手段、教學(xué)方法、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)模式都在發(fā)生深刻的變革，確立以學(xué)員為主體，教師為主導(dǎo)的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以及充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，努力使教材實(shí)現(xiàn)電子化，課程網(wǎng)頁(yè)化、應(yīng)用模式化，充分利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著我校新一輪課程改革的進(jìn)行，所有理論課時(shí)都有所減少，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)也由原來的16學(xué)時(shí)壓縮到6學(xué)時(shí)。由于受教學(xué)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)室條件建設(shè)的限制，學(xué)員很難保證一人一臺(tái)套，造成學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)過程：如實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備，試樣的制作，試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理等內(nèi)容都不甚了解，這樣使得在有限的時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和提高實(shí)際動(dòng)手能力的效果。針對(duì)以上材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，我們從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)性出發(fā)，提出了開發(fā)材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的想法。

虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)應(yīng)用，將從實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)性的角度，彌補(bǔ)學(xué)員人數(shù)多，演示性實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的缺點(diǎn)，使學(xué)員在實(shí)驗(yàn)以前就對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程有一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)，從而起到重點(diǎn)突出、立竿見影的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)交互性強(qiáng)，可以提高用戶動(dòng)手、實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)可以化微觀為直觀，變抽象為形象。虛擬實(shí)驗(yàn)可以解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、經(jīng)費(fèi)有限的的矛盾，擺脫場(chǎng)地、器材、設(shè)備等制約條件。虛擬實(shí)驗(yàn)無需實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作和輔助工作，可以方便、靈活的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)零損耗，無風(fēng)險(xiǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，可以提前預(yù)習(xí)，在線實(shí)驗(yàn)、交流、答疑。虛擬實(shí)驗(yàn)引入材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段以及教學(xué)方法，對(duì)教學(xué)有重要的促進(jìn)作用。

三、材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱的要求，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)逼真的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者在逼真的情景中，利用圖文并茂的實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)、豐富多彩的實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料，操作靈活的實(shí)驗(yàn)交互過程，及時(shí)方便的實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)，使實(shí)驗(yàn)者在計(jì)算機(jī)上完成相關(guān)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程。

我們開發(fā)的材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了材料拉伸實(shí)驗(yàn)、材料壓縮實(shí)驗(yàn)、壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)、沖擊實(shí)驗(yàn)、梁的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和疲勞實(shí)驗(yàn)六個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都包括了實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告五部分內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)界面如圖1、2，三個(gè)模塊主要是讓學(xué)員快速的了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟，也就是實(shí)驗(yàn)的總體過程，實(shí)驗(yàn)演示主要是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用虛擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)員形象逼真的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，體會(huì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程，主要用于學(xué)員的自學(xué)輔助。實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以利用虛擬技術(shù)生成實(shí)驗(yàn)曲線，還可以實(shí)時(shí)打印出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也可用于發(fā)送電子報(bào)告冊(cè)，提高實(shí)驗(yàn)效率。

四、結(jié)束語

開發(fā)的基于校園網(wǎng)材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的交互性、操作性、開放性和沉浸感，完全改變了傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，它一方面可以作為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化和補(bǔ)充， 另一方面也為優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享提供了有效途徑。 材料虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用表明，使學(xué)員在做實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)的全過程了如指掌，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，緩解當(dāng)前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

劉杰（1972-）， 男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：機(jī)械工程。