材料力學實踐教學中虛擬仿真技術的應用探討

孫金超 趙慶娟

(桂林理工大學機械與控制工程學院 廣西桂林 541010)

自新冠肺炎疫情以來，全國乃至全球的教育教學工作都受到了影響。教育部、工信部提出“停課不停學”。自此學校教育教學活動的方式發(fā)生了變化，線上教學逐漸地被各類學校重視起來[1-2]。在現(xiàn)代教育背景下虛擬仿真技術在實踐教學中發(fā)揮著重要的作用。對于材料力學這門緊扣工程實踐的課程，教育部于2020年開始了新工科第二批項目研究，這已經成為了未來工程訓練與工程應用的教育類指導方針。材料力學作為機械工程類專業(yè)首先接觸的工程應用類課程，涉及基礎知識、基礎計算以及理論分析較多，很難激發(fā)學生的創(chuàng)意性思維與工程研究的興趣，大多高校通過教材的調整、教學大綱的修訂以及大量地增加實踐課程等方式增加學生對這門課程的理解，通過多年的教學效果對比，并未明顯提高教學效果，反而增加了學生的學習負擔，因此需要對新的教育方法與學習方式進行探索。虛擬仿真技術以計算機技術為基礎，將多媒體、多傳感、智能技術等綜合起來，用戶利用輸入輸出設備進入虛擬空間，與虛擬空間中的物體進行互動。將虛擬仿真技術結合到材料力學理論與實踐教學過程中，通過創(chuàng)建真實感的學習環(huán)境，改變單一感官刺激的課堂講授式教學模式，有利于促進學生對知識的理解，通過虛擬現(xiàn)實技術將枯燥的力學理論計算與虛擬實驗結合，對比學習，提高學生的應用能力[3-4]。虛擬實踐教學具有建設速度快、成本低、易于管理等特點，用虛擬實踐教學輔助傳統(tǒng)實踐教學，可以有效提高實踐教學的效果。為學生創(chuàng)建真實感的學習環(huán)境，充分激發(fā)學生的積極性，同時還可以根據(jù)情境的特殊性和復雜性綜合地運用所學的知識和能力解決實際問題[5-7]。本文以材料力學理論與實踐教學為例，對材料力學理論與實踐教學的現(xiàn)狀與問題進行分析和總結，結合虛擬仿真技術的特點與優(yōu)勢對虛擬仿真技術在材料力學理論和實踐教學中的應用展開探討。

1 虛擬仿真實踐平臺發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 虛擬現(xiàn)實技術

VR技術也稱為虛擬現(xiàn)實技術，是一種人為設計的虛擬環(huán)境或者是人造環(huán)境，通過計算機設計生成以三維建模為基礎的視覺，附加聽覺、觸覺等多感官感覺，并且通過傳感器讓操作者把現(xiàn)實世界中的動作和信號發(fā)送到虛擬世界，完成交互工作。由于早期的虛擬現(xiàn)實（VR）技術研發(fā)和應用成本較高，大多應用于航天航空技術與軍事領域，隨著技術的提升，VR 技術的成本下降，VR 技術漸漸開始應用于民用醫(yī)療和教育領域。此種技術具有多維感知性、交互性等優(yōu)勢。為了搭建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要幾個部分，包括虛擬環(huán)境模型建立、高性能計算中心作為處理器進行環(huán)境函數(shù)的計算、顯示部分以VR 眼鏡或者頭盔系統(tǒng)配合語音系統(tǒng)作為對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)讀取、以重力傳感器觸覺傳感器等作為VR系統(tǒng)的交互反饋單元[3,8-9]。

1.2 虛擬仿真技術在虛擬實踐教學中的應用現(xiàn)狀

1965 年虛擬現(xiàn)實技術起源于美國，1968 年前后，為了飛行員和宇航員飛行需要分別研制了頭盔顯示系統(tǒng)與手部操作跟蹤系統(tǒng)。此技術發(fā)展緩慢，直到20世紀80 年代前后，隨著計算機與信息通信技術發(fā)展，這項技術才得到了突飛猛進的發(fā)展，20 世紀90 年代，這項技術開始作為一種獨立學科得到了重視和發(fā)展，XR技術具有仿真性、開放性、操作性、針對性以及超越時空的特征和優(yōu)勢，通過創(chuàng)建真實感的學習環(huán)境，改變單一感官刺激的教學模式，可有效促進學生對知識的理解，提高學生的應用能力，也因此得到教育機構的關注。1989年，虛擬仿真實驗室開始大量應用在研究機構，隨著其成本持續(xù)下降，虛擬仿真開始應用于教育領域，尤其是對于特殊教學和實驗，可以讓學生從新的角度完成基礎理論和知識的學習，并且虛擬仿真的教具其重復利用率高，安全性高，維護成本低。美國教授威廉·沃爾夫最早提出建設虛擬實驗室；德國波鴻魯爾大學網(wǎng)絡虛擬實驗室；新加坡國立大學開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗等。近年來，國內許多高校都根據(jù)自身科研和教學的需求相繼建立了虛擬實驗室，如清華大學、同濟大學、浙江大學、中國科技大學等，通過計算機進行虛擬實驗，部分替代在現(xiàn)實中難以實施或昂貴的實驗。此外，復旦大學、上海交大等高校也相繼開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)，供實驗教學和科研使用[9]。

2 “材料力學”課程傳統(tǒng)實踐教學的現(xiàn)狀與分析

“材料力學”是機械類專業(yè)的核心課程之一，課程涉及了材料在各種外力作用下產生的應變、應力、強度、剛度及穩(wěn)定等內容，各知識點間相對獨立，專業(yè)術語與公式復雜繁多，學生對知識的掌握難度較大。同時課堂教學抽象、枯燥，授課過程中缺乏工程實例的引用，很難激發(fā)學生的課上學習興趣，達不到預計的教學效果。又由于“材料力學”課程具有極強的理論性、實踐性、應用性和工程性，因此材料力學實驗教學是教學活動中的一個重要實踐環(huán)節(jié)，它是培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新能力，以及提高學生解決復雜工程問題能力的重要手段，但是在實際的教學活動中實驗課學時量很少，僅僅被作為理論教學的輔助。現(xiàn)有的力學實驗內容單一，大多屬于簡單重復的驗證性實驗，授課方式仍然是傳統(tǒng)的“教師講解并演示，學生模仿操作”的教學形式[10]。材料力學理論教學部分學時被縮減，由于在教學體系中新學科、新知識加入，機械原理和工程力學等傳統(tǒng)專業(yè)基礎課程被大量縮減，以材料力學和工程力學為例，材料力學由原來的64 學時縮減到了42 學時，工程力學由原來的80學時減少到64學時，這就導致了原本教學緊張的理論和實驗教學中基礎性知識的論證與拓展性的學時被強制縮減，導致學生對力學基本原理無法掌握與了解，原本理論性很強的力學課程變得更加枯燥，學生學習興趣減弱，學生對材料力學基礎的掌握已經無法滿足機械類專業(yè)的要求。另外，材料力學實驗教學還面臨著實驗室場地不足、實驗設備數(shù)量有限和老舊的問題，因此實驗教學過程中學生需要排隊等候，并在短時間內以小組合作的形式配合完成整個操作過程，多數(shù)學生往往無法充分了解儀器內部構造和操作步驟，這大大地削弱了學生的學習熱情[10-13]。長此以往，受到實驗空間、時間、條件等現(xiàn)實因素的限制，材料力學實踐教學一直處于人才培養(yǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，達不到提高學生分析和解決實際工程問題的能力和實現(xiàn)提高學生工程能力素質的培養(yǎng)目標的目的。

3 虛擬仿真技術在材料力學實踐教學中的應用

近年來，虛擬仿真技術的不斷進步，互聯(lián)網(wǎng)信息技術與教育的深度融合已成為當今高校教學模式改革的熱點之一。針對材料力學課程的特點與傳統(tǒng)教學中存在的不足，提出基于虛擬仿真技術的材料力學課程改革與實踐，以滿足國家對“新工科”創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

將虛擬現(xiàn)實技術應用到“材料力學”實踐教學中具有明顯的優(yōu)勢。第一，材料力學虛擬實驗室可以擴展實驗教學功能，將學生與實驗設備關聯(lián)起來，實驗環(huán)境更加開放。第二，虛擬實驗室不再受到時間、空間和人數(shù)的限制，解決了場地不足、設備少和設備老舊等問題。第三，虛擬實驗系統(tǒng)可以避免學生在實驗操作過程中發(fā)生危險，減少傷害。第四，虛擬實驗室不受時間、空間的限制，可以反復訓練操作，降低成本。因此，將虛擬現(xiàn)實技術應用在材料力學實踐教學中，能夠模擬真實情況，輔助理論教學。通過理論教學與實驗教學相結合，使學生不僅能掌握基本理論，善于分析和解決問題，同時也可培養(yǎng)學生的動手能力、驗證理論、探索新知識的能力[7-8]。

3.1 輔助理論課教學

“材料力學”課程教學是以理論教學和實踐教學相結合的方式，使學生理解并掌握所學的知識，其中實踐教學是將理論知識轉化為感性認知的重要的環(huán)節(jié)。因此學生可以利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)輔助學習，清晰地了解材料受力過程中內部的變化過程和規(guī)律。例如：在拉伸實驗中，板坯將經歷彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段3個變形過程，涉及了晶格畸變、位錯運動、裂紋萌生以及裂紋擴展，直至板坯斷裂沖裁結束整個過程都可以實現(xiàn)可視化展示。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以提供生動、逼真的感性認知學習材料，幫助學生理解“材料力學”課程學習過程中的難點和困惑。

3.2 虛擬實驗室

企業(yè)要求機械類專業(yè)學生必須具備一定的動手能力，因此需要通過實踐教學輔助強化理論知識，在提高動手能力的同時提高個人素質，提高學生的個人競爭力。傳統(tǒng)的實踐教學時間和空間受到限制，存在實驗設備數(shù)量有限、實驗操作存在危險等問題，因此學生不能全面操作設備，甚至無法直接參與其中，只是通過教師演示學生觀看的方式開展。通過虛擬現(xiàn)實技術可以創(chuàng)設虛擬教學情境，為學生有效參與實踐教學過程提供了可能性。例如：虛擬力學實驗室、虛擬沖壓實驗室等打破傳統(tǒng)實踐教學中時間、空間的限制，學生只要在安裝有虛擬實驗室的設備上即可進行實驗操作，在很大程度上提高了學習的自由度。在仿真環(huán)境下，借助軟件完成實驗操作，避免安全隱患，保障學生的安全。具有交互功能的虛擬實驗室能夠表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，提高學生對“材料力學”課程學習內容的感性認識，加深對實驗教學內容的理解，培養(yǎng)學習興趣。

4 虛擬仿真技術促進材料力學學科教學改革

虛擬仿真技術的應用對材料力學的教學方式提出的新的教學要求，讓學生在課堂上和實驗室可以熟練掌握力學的基本原理、基本公式以及靈活地應用材料力學知識，這就需要在理論到實驗過程中讓學生從不同的角度理解力學的基本原理性問題，以便日后應用在工程實踐當中。首先，材料力學由單一課堂上理論教學改變?yōu)槔碚摻虒W、虛擬實踐教學、學科競賽、項目研究“四位一體”的教學方式，對傳統(tǒng)教學有了新的建議和要求。

4.1 理論教學與虛擬實踐教學相結合模式

在課堂授課教學中，講述力學的基本原理，分析力學的經典案例。在每節(jié)課結束前5 min時，選擇力學中經典實驗案例作為仿真實驗題目作為課后作業(yè)案例，將虛擬仿真實驗與理論教學有機結合，運用“課堂理論講解—案例選取—虛擬仿真實驗設計—虛擬仿真實驗操作演示—學生操作”這一整套完整的流程可培養(yǎng)學生對基礎知識掌握、動手能力掌握以及創(chuàng)新思維意識的培養(yǎng)，再結合實際工程項目應用中的講解，提高學生的自主學習意識與工程創(chuàng)新能力。

4.2 學科競賽模式

引入競賽用來引導教學的新模式，教育部2019年提出，通過比賽加強學生學習的若干文件，文件中提出要有針對性地“以賽促學、以賽促教、以賽促創(chuàng)”，通過競賽加強學生對專業(yè)學科與課程的理解。以全國大學生力學競賽為例，理論與實踐操作的部分需要考查一個團隊中3 位學生對力學基礎的理解，以及學生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等。比賽中，需要學生利用力學的理論知識去設計實驗，完成實驗設備的調試，驗證實驗，完成題目考核。每位學生都需要協(xié)作來完成任務，一個成員需要準確地將應變片貼在試件上，這就需要另一個學生的輔助完成，第三位學生整理和計算數(shù)據(jù)，完成所有的實驗后，3位學生需要討論對實驗結果進行數(shù)據(jù)分析，最后獲得整個實驗數(shù)據(jù)和規(guī)律，總結獲得的實驗結果并討論。

4.3 項目研究模式

引入項目研究來引導教學，材料力學是一門工程應用性很強的課程，對未來應用型本科生的學習要求就是掌握本科學習的基本原理與應用。因此，用工程項目或者工程實例來訓練學生的職業(yè)能力是非常重要的。以一個工程項目的傳動類零件為例，在保證傳動軸類零件的扭矩傳遞能力同時優(yōu)化軸類零件的結構，增加其抗扭界面系數(shù)，在界面突變的位置做好結構優(yōu)化，用以保證傳動類零件扭矩安全傳遞，其中既包括對抗扭能力的一些公式計算，也包括抗扭的一些實驗，共同完成才能更好地設計優(yōu)化機械結構件。從工程項目的立項實施一直到項目的開發(fā)完成的過程，學生可完成項目申報的設計、資料的查詢、知識的補充、團隊合作、項目的實施環(huán)節(jié)，深化項目驗收完成對材料力學在工程項目應用中的理解。例如：機械類專業(yè)對材料力學中扭轉規(guī)律的理解與扭轉實驗的應用。

5 結語

綜上所述，將虛擬現(xiàn)實技術應用在“材料力學”實踐教學中能夠有效提高教學效果。通過虛擬教學、虛擬實驗室能夠使學生獲得感性認知，有利于學生理解和掌握力學中的抽象概念、掌握實驗設備的結構和原理，熟悉設備的操作，通過理論學習與實踐相結合的方式激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新思維。虛擬現(xiàn)實技術必將為教育的改革與發(fā)展注入生機與活力。