基于虛擬仿真技術(shù)的高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

古錦波

摘要 基于虛擬仿真技術(shù)的高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已成為現(xiàn)代教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章通過綜合分析虛擬仿真技術(shù)在高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢和不足，探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和開發(fā)、實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果等關(guān)鍵步驟，強(qiáng)調(diào)選擇合適的虛擬仿真軟件和開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要性。文章指出，基于虛擬仿真技術(shù)的高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在技術(shù)應(yīng)用、方法創(chuàng)新、流程優(yōu)化等方面具有助推作用。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù)；工程力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.024

工程力學(xué)作為一門重要的實(shí)踐性課程，其對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力具有重要作用。當(dāng)前，傳統(tǒng)的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚存在一些問題，如實(shí)驗(yàn)資源有限、實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)較高等，影響了高職工程力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。在我國，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于力學(xué)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有研究學(xué)者將虛擬仿真技術(shù)引入工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建設(shè)工程力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)，對實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，彌補(bǔ)高校實(shí)驗(yàn)條件的不足，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享?；谔摂M仿真技術(shù)的高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在技術(shù)應(yīng)用、方法創(chuàng)新、流程優(yōu)化等方面具有助推作用。

1虛擬仿真技術(shù)在工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.1虛擬仿真技術(shù)的概念和特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)。其具有模擬性、互動(dòng)性、高效性等特點(diǎn)。

第一，模擬性和互動(dòng)性。虛擬仿真技術(shù)通過模擬和仿真現(xiàn)實(shí)世界或虛擬世界中的對象、場景或過程，為用戶提供身臨其境的虛擬體驗(yàn)。用戶可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)，探索、操作、實(shí)踐，從而獲得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和反饋。

第二，可定制性和高效性。虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，包括虛擬環(huán)境的對象、場景、行為等。用戶可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)練習(xí)和模擬，增強(qiáng)培訓(xùn)效果和工作效率，減少操作失誤進(jìn)而避免工作事故的發(fā)生。

第三，多學(xué)科應(yīng)用和跨時(shí)空性。虛擬仿真技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，包括醫(yī)療、軍事、航空航天、教育等。虛擬仿真技術(shù)還可以跨越時(shí)空的限制，實(shí)現(xiàn)對不同時(shí)代、不同地點(diǎn)的場景和對象的模擬和體驗(yàn)[1]。

1.2工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用場景

首先，為教學(xué)提供虛擬實(shí)驗(yàn)室?；谔摂M仿真技術(shù)的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供靈活、安全、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，通過模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間和空間限制，使學(xué)生能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

其次，為學(xué)生提供虛擬實(shí)驗(yàn)演示。學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)演示中觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過圖形、動(dòng)畫、聲音等多媒體方式展示實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)演示可以直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理和方法，提高他們對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的認(rèn)知和記憶。此外，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中自主選擇實(shí)驗(yàn)方案、調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬不同情境下的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。

最后，為學(xué)生提供虛擬實(shí)驗(yàn)互動(dòng)。通過虛擬仿真技術(shù)學(xué)生和教師之間可以進(jìn)行交流和互動(dòng)。學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)互動(dòng)中與教師和其他同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)討論、合作實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)演示。虛擬實(shí)驗(yàn)互動(dòng)可以促進(jìn)學(xué)生的互動(dòng)學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，提高他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力[2]。

1.3虛擬仿真技術(shù)在工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢和不足

虛擬仿真技術(shù)在工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有諸多優(yōu)勢。首先，虛擬仿真技術(shù)能夠提供安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作，而無須擔(dān)心實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。其次，虛擬仿真技術(shù)可以節(jié)約成本。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、耗材和實(shí)驗(yàn)場地，而虛擬仿真技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)軟件和硬件設(shè)備模擬實(shí)驗(yàn)過程，減少實(shí)驗(yàn)成本。此外，虛擬仿真技術(shù)具有靈活性和多樣性，可以模擬多種實(shí)驗(yàn)場景和條件，滿足不同的教學(xué)需求。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)具有較好的可控性，教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠和穩(wěn)定。

然而，虛擬仿真技術(shù)在工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也存在一些不足之處。首先，虛擬仿真技術(shù)缺乏真實(shí)性。雖然虛擬環(huán)境可以模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)場景，但與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真技術(shù)仍存在一定的差距，學(xué)生可能無法完全體驗(yàn)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)操作和現(xiàn)象。其次，虛擬仿真技術(shù)可能導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可能缺乏實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，限制了其實(shí)踐能力的培養(yǎng)。此外，虛擬仿真技術(shù)需要一定的硬件設(shè)備支持，例如高性能計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等，這對于一些資源有限的學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)可能存在一定的困難[3]。

2高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路與方案

2.1設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，它需要結(jié)合工程力學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和教學(xué)資源，設(shè)計(jì)出教學(xué)效果好和具有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。下面是課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，用于介紹力學(xué)靜力學(xué)中力的合成和分解。具體實(shí)施內(nèi)容包括：學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并選擇力的合成和分解實(shí)驗(yàn)場景；學(xué)生觀察虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景中的不同物體和力的作用點(diǎn)，并通過虛擬仿真軟件記錄下相關(guān)的力的大小和方向；學(xué)生應(yīng)用三角法進(jìn)行力的合成和分解計(jì)算，得出合成力和分解力的大小和方向；學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行不同力的合成和分解實(shí)驗(yàn)，觀察不同合成力和分解力對物體的作用效果；學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際工程問題的模擬，應(yīng)用力的合成和分解原理解決實(shí)際問題。

2.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)明確教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)，選擇合適的虛擬仿真軟件，設(shè)計(jì)多樣性和靈活性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作，并進(jìn)行實(shí)時(shí)評估和反饋。通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到更好的教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)與實(shí)際工程應(yīng)用緊密結(jié)合，注重多樣性和靈活性，滿足不同學(xué)生的需求。根據(jù)學(xué)生的興趣和專業(yè)方向，設(shè)計(jì)不同難度和復(fù)雜度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。虛擬仿真軟件的操作界面應(yīng)簡潔明了，用戶體驗(yàn)應(yīng)友好，使學(xué)生能夠輕松上手，熟練操作。通過增加實(shí)驗(yàn)演示、引導(dǎo)提示等功能，提升學(xué)生的操作體驗(yàn)，降低學(xué)習(xí)門檻。教師應(yīng)充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，及時(shí)評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并提供及時(shí)反饋和指導(dǎo)。采用個(gè)性化的教學(xué)策略，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求，靈活調(diào)整教學(xué)方法和教學(xué)資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過定期的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)成績、學(xué)生反饋等方式，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和評價(jià)[4]。

3高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評估與保障

3.1評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

首先，評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果應(yīng)該充分考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和學(xué)習(xí)行為。比較虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)組在知識(shí)掌握、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等方面的成績差異。例如，通過分析學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性等來評估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績。同時(shí)，還應(yīng)考查學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的學(xué)習(xí)行為，如是否充分參與實(shí)驗(yàn)、是否能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)等。

其次，評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果還應(yīng)該考慮學(xué)生的主觀反饋和觀察結(jié)果。通過訪談、問卷調(diào)查、學(xué)生反饋等方式收集學(xué)生對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主觀感受和看法。學(xué)生的主觀反饋能提供有關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、參與度、自主學(xué)習(xí)能力等方面的影響。此外，教師和觀察員的觀察和評價(jià)也是重要的評估內(nèi)容，通過觀察學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)等來評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的效果[5]。

最后，評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果時(shí)還應(yīng)該充分考慮實(shí)際教學(xué)環(huán)境和學(xué)生的特點(diǎn)。不同學(xué)科、不同學(xué)習(xí)階段、不同學(xué)生群體可能對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果產(chǎn)生不同的影響。因此，在評估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果時(shí)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析和判斷，避免簡單地對比和評價(jià)。同時(shí)，應(yīng)該充分關(guān)注學(xué)生的學(xué)科知識(shí)掌握、學(xué)科能力提升以及實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，而不僅僅是實(shí)驗(yàn)成績的提高。

3.2選擇虛擬仿真軟件

首先，虛擬仿真軟件的功能特點(diǎn)是選擇的關(guān)鍵因素。虛擬仿真軟件應(yīng)具有豐富的功能，能夠模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過程，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理等。虛擬仿真軟件還應(yīng)該提供多樣化的實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)任務(wù)，能夠滿足高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同實(shí)驗(yàn)需求的教學(xué)要求。此外，虛擬仿真軟件還應(yīng)具有較高的真實(shí)度和精確度，能夠真實(shí)地模擬高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中獲得類似于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

其次，虛擬仿真軟件的易用性對于學(xué)生和教師來說都是重要的考量因素。虛擬仿真軟件應(yīng)該具有簡潔明了的用戶界面和操作流程，方便學(xué)生和教師快速上手并獨(dú)立操作。虛擬仿真軟件還應(yīng)提供充分的操作提示和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。同時(shí)，虛擬仿真軟件應(yīng)支持多種操作方式，如鼠標(biāo)操作、觸摸屏操作、鍵盤操作等，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和操作需求。

最后，虛擬仿真軟件的適應(yīng)性也是選擇的重要因素。虛擬仿真軟件應(yīng)該能夠適應(yīng)不同學(xué)科、不同課程和不同學(xué)習(xí)階段的教學(xué)需求。例如，對于工程力學(xué)課程，虛擬仿真軟件應(yīng)該能夠模擬不同材料的力學(xué)行為，如靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料強(qiáng)度等。還需要考慮虛擬仿真軟件的技術(shù)支持和維護(hù)服務(wù)。虛擬仿真軟件應(yīng)該具有穩(wěn)定的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)和完善的售后服務(wù)體系，能夠及時(shí)解決用戶在使用過程中遇到的技術(shù)問題和困難。

3.3開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先，需求分析和規(guī)劃。了解教學(xué)需求、課程目標(biāo)和學(xué)生特點(diǎn)，明確虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的定位和功能要求。在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，包括平臺(tái)的整體架構(gòu)、功能模塊設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)等，確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足教學(xué)需求和提供良好的用戶體驗(yàn)。

其次，設(shè)計(jì)和開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。根據(jù)課程要求和學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計(jì)合適的虛擬實(shí)驗(yàn)場景和設(shè)備，并通過虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的模擬和操作的交互性。同時(shí)，還需要考慮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析，以便學(xué)生能夠獲得實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和反饋。

再次，開發(fā)和測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平臺(tái)的軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成。包括前端和后端的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶界面和操作功能，以及與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的交互和數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測試，包括功能測試、性能測試、兼容性測試等，確保平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性。

此外，將開發(fā)完成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部署到教學(xué)環(huán)境中，配置必要的硬件和軟件資源，并進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)維。包括平臺(tái)的升級(jí)、數(shù)據(jù)備份、用戶支持等，保障平臺(tái)的正常運(yùn)行和持續(xù)可用。

基于虛擬仿真技術(shù)的高職工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有許多優(yōu)勢，包括提供靈活的學(xué)習(xí)方式、提高實(shí)驗(yàn)操作的安全性、降低教學(xué)成本等。但同時(shí)也面臨著虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的差異、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和開發(fā)的挑戰(zhàn)、虛擬仿真軟件和平臺(tái)的選擇與開發(fā)等問題。在開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要綜合考慮這些因素，并不斷進(jìn)行評估和改進(jìn)，以提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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