運(yùn)用虛擬仿真與多媒體教學(xué)相結(jié)合的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

趙 辛

（遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州121001）

0 引言

材料力學(xué)作為工科基礎(chǔ)課，對(duì)學(xué)生的工科專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的支撐作用.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為材料力學(xué)理論課的重要補(bǔ)充部分，也是檢驗(yàn)理論公式和解決工程問(wèn)題的依據(jù)［1］.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，驗(yàn)證了理論課知識(shí)點(diǎn)的正確性.通過(guò)深入研究實(shí)驗(yàn)原理方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作的鍛煉，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐能力.然而，當(dāng)前的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，多為講解演示性教學(xué)、受各種原因影響，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間嚴(yán)重不足，在一定程度上阻礙了實(shí)踐能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)的形成.

1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的意義

高校擴(kuò)招后，各高校的在校生數(shù)量迅速增多，而實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)設(shè)備并沒(méi)有增加，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)課中能動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)少，大多數(shù)學(xué)生只能觀察老師或者同學(xué)操作，以致有的學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)課程比較敷衍，且實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，從而影響了實(shí)驗(yàn)課程的授課效果［2］.

傳統(tǒng)的材料力學(xué)教學(xué)模式、教學(xué)方法比較簡(jiǎn)單，又因?qū)嶒?yàn)學(xué)時(shí)較少，教學(xué)內(nèi)容也無(wú)法充分展開(kāi)，這些都制約了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng).因此，必須對(duì)現(xiàn)有的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量.運(yùn)用虛擬仿真、多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，能夠提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新意識(shí).

2 當(dāng)前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一

目前我校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、組合變形等驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要依靠老師課上講解和指導(dǎo)，學(xué)生基本上處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，只是按照老師的演示機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)后對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法一知半解，只為單純的取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).這種教學(xué)方式限制了學(xué)生分析、解決問(wèn)題能力的提升，教學(xué)效果并不好.

2.2 師資力量有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)/套數(shù)少

高校的擴(kuò)招后實(shí)驗(yàn)人數(shù)大幅增加.學(xué)生只能以分組的形式多人共同完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，造成每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)不足，個(gè)別學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都沒(méi)有機(jī)會(huì)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

2.3 實(shí)驗(yàn)課時(shí)減少，對(duì)實(shí)驗(yàn)課重視程度減弱

近兩年學(xué)校對(duì)各個(gè)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行課程調(diào)整，材料力學(xué)課時(shí)被不斷削減，已經(jīng)從64個(gè)實(shí)驗(yàn)課課時(shí)壓縮到56個(gè)課時(shí).實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)從10個(gè)課時(shí)減少到6個(gè)課時(shí).萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等大型設(shè)備操作復(fù)雜，教師在課堂上的講解理論和操作方法的時(shí)間有限，學(xué)生在課上很難完全掌握設(shè)備使用方法，部分學(xué)生無(wú)法完成全部實(shí)驗(yàn).在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)下無(wú)法達(dá)到原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

2.4 彎曲、組合變形等實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜

特別是基于電測(cè)原理的接線(xiàn)操作，僅僅利用課上時(shí)間，學(xué)生很難學(xué)通、弄懂.導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生只是機(jī)械的模仿教師操作，教學(xué)效果差.

2.5 原有考核方法的問(wèn)題

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核辦法只以學(xué)生的出勤率、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)兩項(xiàng)作為考核依據(jù)，并不能體現(xiàn)出學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作方面的水平差異.此種考核方式無(wú)法評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，不能夠全面體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，限制了學(xué)生實(shí)踐精神的培養(yǎng).

3 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容

針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了教學(xué)方式方法的改革.運(yùn)用虛擬仿真、多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，力求做到虛實(shí)結(jié)合，徹底解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少、學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)間短等一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題.

3.1 多媒體授課應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

充分利用多媒體技術(shù)展示直觀生動(dòng)、信息密集、傳播快、范圍廣、可反復(fù)播放的特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了實(shí)驗(yàn)效率，彌補(bǔ)了教學(xué)時(shí)長(zhǎng)和師資力量的不足問(wèn)題.

隨著多媒體的快速發(fā)展，教學(xué)視頻作為新的教學(xué)資源形式，在各高校內(nèi)廣泛應(yīng)用.教學(xué)視頻可以反復(fù)觀看，并且不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)點(diǎn)少，往往只是驗(yàn)證一兩個(gè)公式，但實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜，學(xué)生要在課上短時(shí)間內(nèi)掌握有一定困難，更適合多媒體教學(xué)模式.因此材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室分別錄制并制作了拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)操作教學(xué)視頻、彎曲實(shí)驗(yàn)應(yīng)變儀及試驗(yàn)機(jī)操作教學(xué)視頻、組合變形接線(xiàn)操作及應(yīng)變儀使用教學(xué)視頻、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)操作教學(xué)視頻等視頻教學(xué)資源（圖1、2、3、4）；并根據(jù)每節(jié)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容制作教學(xué)PPT，與教學(xué)視頻一并上傳到網(wǎng)絡(luò).這些多媒體資源可以應(yīng)用到學(xué)生的課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)和教師的課堂講授環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)三年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)檢驗(yàn)，取得了良好的教學(xué)效果.

圖2 彎曲實(shí)驗(yàn)應(yīng)變儀及試驗(yàn)機(jī)操作教學(xué)視頻

圖3 組合變形接線(xiàn)操作及應(yīng)變儀使用教學(xué)視頻

圖4 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)操作教學(xué)視頻

多媒體授課的優(yōu)點(diǎn)在于：1）把觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻和閱讀教學(xué)PPT作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作布置下去，在實(shí)驗(yàn)課前學(xué)生利用自由時(shí)間完成預(yù)習(xí)工作，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作有了初步了解，為正式實(shí)驗(yàn)課打下了良好的基礎(chǔ).2）學(xué)生通過(guò)觀看教學(xué)視頻可以全面掌握實(shí)驗(yàn)過(guò)程和操作技巧，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)興趣，建立完成實(shí)驗(yàn)的自信心，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性.3）節(jié)省了課堂講解時(shí)間，等于增加了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，可以使學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn).4）課上用投影儀播放PPT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解、組織學(xué)生觀看設(shè)備操作教學(xué)視頻，改善了實(shí)驗(yàn)室授課條件，提高了學(xué)生的課堂專(zhuān)注度.解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)講授方式只有前排同學(xué)看得見(jiàn)、聽(tīng)得清老師授課內(nèi)容的弊端，教學(xué)效果好于“圍著設(shè)備講實(shí)驗(yàn)”的傳統(tǒng)授課模式.

3.2 虛擬仿真用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真是由電腦技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及測(cè)量傳輸技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)集合而成，具有仿真和實(shí)時(shí)交互等特征［3］.

隨著高校中實(shí)驗(yàn)教學(xué)占比的不斷提高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上利用三維系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)出立體感知的三維情景畫(huà)面，并能夠?qū)崿F(xiàn)人對(duì)畫(huà)面的控制［4］.

我校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)使用的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)等多為大型設(shè)備，價(jià)格昂貴，占用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地大.因?qū)W校材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)資源有限，每節(jié)實(shí)驗(yàn)課需要操作試驗(yàn)機(jī)的學(xué)生人數(shù)過(guò)多，每個(gè)學(xué)生分配到的操作設(shè)備時(shí)長(zhǎng)嚴(yán)重不足，個(gè)別同學(xué)整堂實(shí)驗(yàn)課都沒(méi)有操作的機(jī)會(huì)，嚴(yán)重影響了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng).另外，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到的設(shè)備，加載的實(shí)驗(yàn)力大，且很多采用動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)與安全隱患.因此，出于安全考慮，學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)操作時(shí)必須有教師在旁進(jìn)行指導(dǎo)、看護(hù).因?qū)嶒?yàn)教師人數(shù)有限，導(dǎo)致上課時(shí)學(xué)生可操作的試驗(yàn)機(jī)數(shù)量受到限制，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)大幅減少，這也在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

針對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，我們與某軟件公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》.該軟件系統(tǒng)是基于我?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行開(kāi)發(fā)制作，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作步驟與實(shí)體實(shí)驗(yàn)高度重合，在學(xué)生課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、課上完成實(shí)驗(yàn)操作等方面起到重要的補(bǔ)充教學(xué)作用，顯著的激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和提高了學(xué)生的實(shí)操能力.

實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生利用課余時(shí)間登陸虛擬仿真網(wǎng)站（圖5、6、7、8），可以先對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作進(jìn)行預(yù)習(xí)，這樣學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備就有了初步的了解和掌握，消除操作大型設(shè)備的陌生感和恐懼感，為課上的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ).正式實(shí)驗(yàn)課時(shí)，《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》在一定程度上的緩解了由于實(shí)驗(yàn)資源和師資力量不足造成的學(xué)生缺乏操作時(shí)間等問(wèn)題.《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》可以實(shí)時(shí)反映實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，可以做到隨時(shí)暫停觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣可以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)各個(gè)階段的認(rèn)知水平，同時(shí)提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作熟練程度，提升了實(shí)驗(yàn)效率.虛擬實(shí)驗(yàn)沒(méi)有安全問(wèn)題，允許操作過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，學(xué)生可以大膽操作，而不會(huì)產(chǎn)生設(shè)備損壞、試件浪費(fèi)和實(shí)驗(yàn)安全等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題.

圖5 《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》網(wǎng)站首頁(yè)

圖6 《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》主界面

將《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》應(yīng)用于材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，能夠充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充作用，提高了教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率與學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、促進(jìn)了實(shí)踐能力的培養(yǎng)、提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.

4 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核方式改革內(nèi)容

傳統(tǒng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考核方式只注重實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作方面考核不足.本實(shí)驗(yàn)室在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中引入多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)作為補(bǔ)充教學(xué)手段，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課考核方式改革.學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)操作視頻資源、教學(xué)PPT資源和《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)訓(xùn)軟件》可以獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)并完成預(yù)習(xí)報(bào)告，教師批閱后給出預(yù)習(xí)成績(jī).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為設(shè)備操作環(huán)節(jié)的有益補(bǔ)充，教師根據(jù)學(xué)生操作完成情況給出操作成績(jī).實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，一周后統(tǒng)一上交實(shí)驗(yàn)室、經(jīng)教師批閱給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī).各個(gè)分項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)均由預(yù)習(xí)、操作、報(bào)告成績(jī)?nèi)糠殖煽?jī)組成.其中預(yù)習(xí)成績(jī)占20%，操作成績(jī)占40%，報(bào)告成績(jī)占40%（表1）.實(shí)驗(yàn)總成績(jī)=拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)得分×20%+彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)得分×40%+鋼筋混凝土彈模測(cè)算實(shí)驗(yàn)得分×40%.這種實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核方式可以充分反應(yīng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性、實(shí)驗(yàn)操作水平和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析能力，可以全方位客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)踐能力，有助于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升.

表1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布表

5 結(jié)語(yǔ)

高等教育目標(biāo)是培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的技術(shù)人才［5］.應(yīng)用多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提升了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，全方位完善實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)，提高了實(shí)驗(yàn)效率，更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)高校具有工程創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)的新要求.