洪俊　顧成軍　廖東斌　姜益軍

摘要：本文系統(tǒng)總結(jié)了東南大學(xué)工程力學(xué)動(dòng)荷載教學(xué)過程中由于課時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件不足存在的問題，討論了國家目前對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視，分析了動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的目的和意義。從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)載體選擇、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的模塊設(shè)計(jì)及具體的模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)四個(gè)方面開發(fā)了動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)作用明顯。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；動(dòng)荷載；虛擬實(shí)驗(yàn)；教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）14-0254-02

工程力學(xué)是高?；A(chǔ)性學(xué)科之一，具體涉及到機(jī)電類、土木交通類、建筑類等多個(gè)專業(yè)方向，其主要教學(xué)內(nèi)容包括剛體的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)；材料在靜荷載作用下受力和變形；材料在動(dòng)荷載作用下的受力、變形、運(yùn)動(dòng)和疲勞破壞。

具體到東南大學(xué)，由于課時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件限制，對(duì)于工程力學(xué)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室針對(duì)不同專業(yè)開展了內(nèi)容局限于材料在靜載荷作用下的2～4個(gè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于教學(xué)過程中大量的抽象概念的理解，尤其是動(dòng)荷載作用下的材料的力學(xué)響應(yīng)情況，顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。拋開實(shí)驗(yàn)課時(shí)、部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備我校目前無法提供（如霍普金森桿）等原因，最主要的是因?yàn)樯婕暗絼?dòng)荷載實(shí)驗(yàn)時(shí)的危險(xiǎn)性（如落錘實(shí)驗(yàn)）、高成本和高消耗（如疲勞實(shí)驗(yàn)）。另一方面，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)雖然直觀，但是限于觀察視線、尺度，無法觀測到材料內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)；傳感器粘貼位置的限制，無法精確描述所有位置的力學(xué)響應(yīng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以解決這些問題。

隨著信息時(shí)代的到來，現(xiàn)代化教學(xué)手段迅速進(jìn)入教學(xué)領(lǐng)域，這就要求高校必須改變傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)和教學(xué)模式，建立體現(xiàn)創(chuàng)造性、智能性、科學(xué)性程度較高的現(xiàn)代教育模式和技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)大規(guī)模進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已是必然趨勢[1]。教育部高教司函文《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》[2013]94號(hào)要求各高校進(jìn)行國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，體現(xiàn)了國家宏觀政策上對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度[2]。

動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的目的就是針對(duì)目前工程力學(xué)教學(xué)過程中，動(dòng)荷載作用下材料的力學(xué)響應(yīng)中的難以理解的抽象概念，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包括理論介紹、實(shí)驗(yàn)視頻直觀展示或動(dòng)畫演示、數(shù)值仿真或理論公式計(jì)算等實(shí)現(xiàn)直觀理解和認(rèn)知。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)載體選擇

虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)是一個(gè)提供開放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主要目的是能夠解除課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間、地點(diǎn)以及設(shè)備的限制，打破時(shí)間、空間、設(shè)備的局限性，充分發(fā)揮學(xué)生的自覺性，用其各自適合的時(shí)間在本地計(jì)算機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)過程，最終理解抽象概念。真正為學(xué)生提供開放性的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以利用網(wǎng)上虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)踐操作訓(xùn)練。

通過調(diào)研了國內(nèi)外多所知名大學(xué)以何種載體展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)而選擇采用是基于windows的單機(jī)平臺(tái)，還是基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：相比基于windows的單機(jī)平臺(tái)，基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具有免安裝，可隨時(shí)隨地登錄學(xué)習(xí)、維護(hù)和交互的優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外影響較大的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)主要包括美國的WEB CT，BlackBoard，北京大學(xué)的BluePower，北京師范大學(xué)的Vclass等都是采用了基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)[3]。基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的虛擬仿真教學(xué)模式以興趣為導(dǎo)向，充滿個(gè)性化自主特色，基于互聯(lián)網(wǎng)且具有交互功能的開放式在線學(xué)習(xí)，顛覆性地變革了以往的教與學(xué)方式，使全球各地不同人群能夠共享優(yōu)質(zhì)教育資源，終身學(xué)習(xí)成為可能。

因此，動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)載體采用了基于Web的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)，并形成了相關(guān)的網(wǎng)站[4]。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇

以工程力學(xué)教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，配合工程力學(xué)課程的課堂教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合多位教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和多年教學(xué)實(shí)踐中的學(xué)生反饋，梳理動(dòng)荷載作用下材料的力學(xué)響應(yīng)中的難以理解的抽象概念，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

工程實(shí)際中有些構(gòu)件，例如加速起吊重物的繩索，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪輪緣，內(nèi)燃機(jī)的連桿，汽錘的機(jī)座等，它們工作時(shí)做變速運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)，或受到其他物體的撞擊，此時(shí)，構(gòu)件上承受的載荷明顯地隨時(shí)間而變化，或構(gòu)件速度發(fā)生明顯的變化，這種載荷稱為動(dòng)載荷。動(dòng)載荷引起的應(yīng)力和變形稱為動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形。實(shí)驗(yàn)可知在動(dòng)載荷作用下，由于加速度引起的慣性力在構(gòu)件內(nèi)形成的動(dòng)應(yīng)力比靜應(yīng)力大得多。但一般情況下只要?jiǎng)討?yīng)力不超過材料的比例極限，則認(rèn)為虎克定律仍然有效，且彈性模量與靜載荷時(shí)的數(shù)值相同。動(dòng)載荷問題通常分為：構(gòu)件作勻加速直線運(yùn)動(dòng)或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、沖擊問題、疲勞、機(jī)械振動(dòng)等。在沖擊問題中，沖擊韌性、桿的垂直沖擊、梁的垂直沖擊概念重要難以理解，且實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性較大；在疲勞和交變應(yīng)力中，試驗(yàn)時(shí)間長，耗費(fèi)大；在振動(dòng)問題中，各種新的試驗(yàn)采集儀器更新較快?？紤]到以上原因，動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)選擇以下7個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：沖擊韌性、落錘沖擊實(shí)驗(yàn)、梁的垂直沖擊實(shí)驗(yàn)、彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)、單自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、單自由度系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、加速度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于每一個(gè)選定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分析了哪幾個(gè)模塊能夠充分描述清楚抽象概念，利于在課堂教學(xué)中實(shí)時(shí)展示基本原理，也可以在課后供學(xué)生借助平臺(tái)自我修習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐。

對(duì)于每一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包含了這些模塊：理論及原理；實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒌湫蛯?shí)驗(yàn)儀器和器具展示、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示；數(shù)值仿真或公式計(jì)算；關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)測試、參考文獻(xiàn)鏈接。理論和原理內(nèi)容都和課堂內(nèi)容直接相關(guān)，利于學(xué)生回顧知識(shí)點(diǎn)，便于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解；典型實(shí)驗(yàn)儀器和器具展示，學(xué)生不用進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，就能直觀地看到儀器，避免紙上談兵的尷尬，尤其是一些新的或者昂貴儀器設(shè)備，通過圖片展示，就能有個(gè)感官的認(rèn)識(shí)，沒必要花費(fèi)經(jīng)費(fèi)購買，對(duì)于經(jīng)費(fèi)緊張的基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)室，具有不可替代的作用；實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟的描述，可以使學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)中哪些問題需要注意；實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示使學(xué)生不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就有一個(gè)身歷其境的感受，避免一些實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)的同時(shí)，又直觀地觀察到真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于視線、尺度，無法觀測到材料內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)問題；數(shù)值仿真或者公式計(jì)算類似于課堂上例題的演示，有助于學(xué)生理解概念；關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)測試、參考文獻(xiàn)鏈接相當(dāng)于課后作業(yè)，幫助學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)，擴(kuò)大視野。

四、具體的模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)

運(yùn)用HTML語言制作專門網(wǎng)站，集成整個(gè)虛擬平臺(tái)。HTML（Hyper Text Mark-up Language）是網(wǎng)絡(luò)的通用語言，是一種簡單、通用的標(biāo)記語言。它允許網(wǎng)頁制作人建立文本與圖片相結(jié)合的復(fù)雜頁面，這些頁面可以被網(wǎng)上任何其他人瀏覽到，無論使用的是什么類型的電腦或?yàn)g覽器。運(yùn)用Flash動(dòng)畫制作軟件和真實(shí)視頻展示真實(shí)或數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Flash動(dòng)畫軟件是集繪畫、動(dòng)畫編輯、特效處理、音效處理等事宜為一身的軟件，每一項(xiàng)功能相比專業(yè)軟件功能都不算很強(qiáng)大，但是制作一定質(zhì)量的動(dòng)畫演示視頻，相比傳統(tǒng)動(dòng)畫的多個(gè)環(huán)節(jié)由不同部門、不同專業(yè)人員分別進(jìn)行操作，可謂簡單易行。真實(shí)視頻對(duì)實(shí)驗(yàn)過程是一個(gè)直觀的再現(xiàn)過程。運(yùn)用ansys軟件數(shù)值計(jì)算或者運(yùn)用Java開發(fā)基于Web的人機(jī)交互虛擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)用戶輸入，通過后臺(tái)的理論計(jì)算公式，給出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。人機(jī)交互是構(gòu)建面向自主開放學(xué)習(xí)、互動(dòng)教學(xué)支撐平臺(tái)的重要內(nèi)容，是建立支撐自主實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)。

五、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的思考

動(dòng)荷載虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已用于東南大學(xué)工程力學(xué)的課堂教學(xué)實(shí)踐中，在課堂教學(xué)概念加深，彌補(bǔ)已有實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)不足方面發(fā)揮了巨大作用。在平臺(tái)建設(shè)完成之余，我們進(jìn)一步對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行思考。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則[5]，以建立優(yōu)質(zhì)資源共享機(jī)制為核心，以信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)為重點(diǎn)，旨在提高等教育教學(xué)質(zhì)量，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。如何構(gòu)建面向自主學(xué)習(xí)的開放，互動(dòng)教學(xué)支撐平臺(tái)，建立支撐自主實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者能夠便捷靈活地獲取優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，通過學(xué)習(xí)過程中的交流互動(dòng)、協(xié)作與評(píng)價(jià)，完成高效、低耗多樣的實(shí)驗(yàn)，這既關(guān)乎到教育信息化的深化應(yīng)用，也關(guān)乎到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張正健，趙秀萍，陳蘊(yùn)智，等.構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才[J].印刷雜志，2014，（3）：59-61.

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[4]http：//seuhj.yolasite.com.

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