基于校园网的材料力学虚拟实验教学研究

刘杰+++杨创战+++张攀博+++芦静

【摘要】为适应开放式实验教学模式，结合我校材料力学实验教学实际，将多媒体技术引入材料力学实验教学，开发了材料力学虚拟实验，虚拟实验具有良好的人机交互界面，让学习者在逼真的情境中在计算机上完成相关的材料力学实验过程，以提高实验仪器使用效率和实验教学效果。为开展材料力学实验教学进行改革和培养学员创新能力的提供了有效途径。

【关键词】实验教学 创新能力 改革

【中图分类号】TB301 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）19-0012-02

一、前言

材料力学实验教学是材料力学教学的重要组成部分，对学员加深对所学理论知识的理解，提高动手能力与科学创新思维能力起着积极和重要的作用。对培养具有厚基础、宽口径、高素质、强能力、特别是具有工程实践能力和创新能力的高素质工程技术人才至关重要，然而长期以来，材料力学实验教学附属于理论教学，重视程度不高； 实验教学内容以演示性验证性为主； 教学手段与方法单一，学员只要按实验指导书上的步骤去做，就能顺利测出数据，完成实验；实验考核方式以实验报告作为唯一依据。这些传统的教学模式在一定程度上限制了学员的创新思维和学习能动性的发挥， 不利于学员的个性发展以及创新意识和创新能力培养，材料力学虚拟实验系统利用计算机技术和网络技术，设计开发出材料力学的实验平台，学员在校园网上就可以完成材料力学实验，这样既节约了资金又增添学员学习兴趣，掌握课本上抽象的内容，这样不仅能节约大量的设计和调试时间，同时又能培养学员利用计算机等现代化手段进行科学实验的能力，为学员将来踏上工作岗位打下坚实的基础。

二、开发材料力学虚拟实验的意义

随着高等教育形势的发展，材料力学教学模式、教学手段、教学方法、学习资源、学习模式都在发生深刻的变革，确立以学员为主体，教师为主导的开放式实验教学模式，以及充分利用现代化的教学手段，努力使教材实现电子化，课程网页化、应用模式化，充分利用计算机辅助教学和网络辅助教学已成为实验教学发展的趋势。随着我校新一轮课程改革的进行，所有理论课时都有所减少，材料力学实验学时也由原来的16学时压缩到6学时。由于受教学时间及实验室条件建设的限制，学员很难保证一人一台套，造成学员对实验过程：如实验的前期准备，试样的制作，试验机的结构和工作原理，以及实验结果的分析处理等内容都不甚了解，这样使得在有限的时间内难以达到系统学习和提高实际动手能力的效果。针对以上材料力学实验教学的现状，我们从实验教学的系统性出发，提出了开发材料力学虚拟实验的想法。

虚拟实验的开发应用，将从实验教学系统性的角度，弥补学员人数多，演示性实验设备不足的缺点，使学员在实验以前就对整个实验过程有一个较为全面的认识，从而起到重点突出、立竿见影的效果。虚拟实验交互性强，可以提高用户动手、实践能力，培养创新意识。虚拟实验可以化微观为直观，变抽象为形象。虚拟实验可以解决实验教学内容多、学时少、经费有限的的矛盾，摆脱场地、器材、设备等制约条件。虚拟实验无需实验前准备工作和辅助工作，可以方便、灵活的进行实验。虚拟实验零损耗，无风险。虚拟实验与网络教学相结合，可以提前预习，在线实验、交流、答疑。虚拟实验引入材料力学实验教学，极大地丰富了教学内容、教学手段以及教学方法，对教学有重要的促进作用。

三、材料力学虚拟实验的开发

材料力学虚拟实验是根据材料力学实验大纲的要求，利用计算机技术和网络技术，设计开发一个逼真的材料力学实验平台，学习者在逼真的情景中，利用图文并茂的实验预备知识、丰富多彩的实验相关资料，操作灵活的实验交互过程，及时方便的实验操作指导，使实验者在计算机上完成相关材料力学实验过程。

我们开发的材料力学虚拟实验是一个基于校园网络的虚拟实验，共设计了材料拉伸实验、材料压缩实验、压杆稳定实验、冲击实验、梁的正应力实验和疲劳实验六个虚拟实验。每个实验项目都包括了实验简介、实验原理、实验步骤，实验演示、实验报告五部分内容。虚拟实验界面如图1、2，三个模块主要是让学员快速的了解实验设备、实验原理、实验步骤，也就是实验的总体过程，实验演示主要是通过虚拟现实技术，利用虚拟的实验设备进行实验，让学员形象逼真的进行实验操作，体会整个实验的全过程，主要用于学员的自学辅助。实验报告可以利用虚拟技术生成实验曲线，还可以实时打印出实验报告，也可用于发送电子报告册，提高实验效率。

四、结束语

开发的基于校园网材料力学虚拟实验，具有很强的交互性、操作性、开放性和沉浸感，完全改变了传统材料力学实验的教学模式，它一方面可以作为当前实验教学的深化和补充， 另一方面也为优质实验教学资源共享提供了有效途径。 材料虚拟实验在教学中的应用表明，使学员在做实物实验之前对实验的全过程了如指掌，有利于调动学员的学习积极性，提高实验教学的效果，缓解当前材料力学实验教学的困境。

参考文献：

[1]张强.材料力学实验CAI课件的开发和应用.实验科学与技术，2007（12）： 86—88

[2]李会云等.材料力学仿真实验设计.山西建筑，2008，34（30）：33—34

[3]孙建国.关于材料力学教学改革的设想.力学与实践，2004，26（3）88～89

作者简介：

刘杰（1972-）， 男，高级实验师，硕士，研究方向：机械工程。