工程力学虚拟仿真实验教学中心资源建设

曲淑英， 周志新， 吴江龙， 候兴民

(烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264005)

0 引 言

实验设备是高校重要的战略性科技资源之一，是开展虚拟仿真实验教学示范中心建设的基础。教育信息化是信息时代教育改革发展的必然要求，也是教育现代化的核心特征。国家中长期教育改革和发展规划纲要( 2010～2020年》指出：“信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视”[1]。教育部于2013年3月颁布的《教育信息化十年发展规划(2011～2020年)》[2]则从顶层设计入手，从宏观战略的高度提出了建立具有中国特色的教育信息化体系，建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境。建设学习型社会的信息化支撑服务体系的中长期目标、任务和措施，并分别制定了基础教育、职业教育、高等教育、继续教育和教育管理信息化发展水平框架[3-4]。该规划对 2020 年高等教育信息化建设提出了以下发展目标和基本指标：① 基于校园网、数字化教室、虚拟实验室、数字教育教学资源库、教学科研等管理信息系统且绿色、安全、文明的数字校园建设；② 信息技术与教学深度融合的教学模式、方法和内容创新应用，以及信息化条件下学生自主学习、自主管理和自主服务能力培养；③ 信息化支撑科研成果转化为数字教学资源及在教学中的应用；④ 科研信息化条件与资源建设、共享使用以及基于网络的协同科研能力；⑤ 教学与科研资源和学习平台在科普、人文、学科教育以及国际文化交流领域的辐射作用。

虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，尤其对于那些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的实验项目，虚拟仿真实验教学具有明显的优势，并对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生了意义深远的影响[5]。

工程力学虚拟仿真实验教学中心，遵循“实虚结合、实虚互补、能实不虚，还设计于学生”的原则[6-7]，以建立优质资源共享机制为核心，以信息化实验教学资源建设为重点，基于“业内领先、科学实用、整合优化、功能强大”的理念，借助国家级工程力学虚拟仿真实验教学中心的平台，在确保实验设备先进性、适用性、经济性的前提下，以实验设备的制式化、标准化、数字化为目标，研发了系列具有自主知识产权的工程力学多功能系列实验设备，研发的设备结合虚拟仿真资源能完整的展示从感知到创新的过程。用创新的思维引领创新设备，用创新设备支持创新实验，并注意虚拟技术、网络技术、专业软件的应用，满足了实验室开放、学生自主学习和师生互动交流的要求，大大提升了开放式创新实验教学的信息化、智能化和管理水平[8-9]。

1 多功能材料力学试验机

(1) 主要创新点。将材料力学大纲要求的全部实验项目在一台设备上完成，每台试验机可节约百万元和大量的实验用房面积，包括金属材料拉伸实验；金属材料压缩实验；金属材料正、反向反复扭转实验；拉、压交变加载弹性模量E及泊松比μ电测实验；正、反向扭转测G实验；不同支座形式的梁交变弯曲电测实验；交变加载带内压弯扭管弯扭组合电测实验；带侧向干扰压杆稳定电测实验；交变加载等强度梁电测实验；压力容器电测实验；薄片弯曲应变源及应变片工作原理实验；拉压扭综合分析验证第二、第三、第四强度理论实验等。

每台试验机可替代100 kN拉压实验机；500 N·m扭转实验机；剪切实验装置；梁弯曲实验装置；弹性模量及泊松比电测实验装置；带分段内压弯扭组合实验装置；等强度梁实验装置；带侧向支撑的压杆稳定实验装置；油缸类压力容器应力状态电测实验装置；8通道数据记录仪；实验教学课件制作系统等10余套实验教学设备。

夹头联接形式简单，有利于试件的快速安装及实验的二次开发、创新。配套的教学视频、动画、虚拟仿真软件等，有利于学生的远程实验、教师的远程指导[10]，实现了实验设备的制式化、标准化、数字化[11]。

(2) 主要技术参数。最大拉伸荷载100 kN；最大压缩荷载150 kN；最大扭矩500 N·m；最大夹持直径∅20 mm；行程200 mm；示值准确度1级；其他实验装置系统误差≤5%；质量约1 200 kg；测量通道数8；采样频率1～200 Hz可调；数据显示类型实时曲线。

开发的材料力学多功能试验机(见图1、图2)先后推广应用到国内70余所高校。图3、图4所示为研发的材料力学多功能试验机在烟台大学材料力学开放实验室和青岛科技大学材料力学实验室应用情况。

图1 材料力学试验机

2 结构力学组合实验装置

设计的结构力学组合试验装置，结束了结构力学因没有合适的模型而无法开展实验的历史，可组合出结构力学桁架、刚架、组合结构等多种结构形式，完成结构力学、钢结构、钢筋混凝土等课程24个实验项目，有效实现了相关学科、专业的互通衔接，为后续的虚拟仿真实验教学体系的建设，提供了可靠保障，实践了“业内领先、科学实用”的理念。

图2 材料力学试验机虚拟演示

开发的6个系列的结构力学多功能组合试验装置(如图5、6所示，图5、6是其中的两个系列)，先后推广应用到100余所高校。图7所示为研发的结构力学多功能组合试验装置，在大连理工大学等开放实验室的应用情况。

3 结构模型振动平台

(1) 主要创新点。基于“整合优化、科学实用”的理念，设计了新型的激振系统及多渠道的激振测试方案，采用伺服电机驱动滚珠丝杠的全电动伺服控制系统兼容了电磁激振和液压激振的优点，将结构基座激振、单点激振等多种激振手段及测试方法融为一体[12-13]，可进行位移、荷载、加速度闭环控制，工作频率下限不受限制，上限可达40 Hz，能耗少、噪音低。同时配备数据采集处理及模态分析系统[14]、结构模型振动过程图像处理系统[15]，可使结构动力实验现象生动、直观地展现出来，既可以进行相关理论分析，也可用于实际工程结构的模态测试。使学生完整地感知、了解、掌握、应用理论知识。

(2) 主要技术参数。工作行程150 mm；静/动载出力5 kN；工作频率0～40 Hz；额定加速度100 kg/1.5 g；额定线速度500 mm/s；控制方式位置、载荷、加速度三闭环；指令信号为正弦信号、三角信号、扫频波地震波和用户自定义波形；模态测试激振方式为底座激振、电磁激振、力锤激振；振动平台尺寸700 mm×600 mm(长×宽)。实验数据与实验过程同步准确捕捉特征点的变化现象。

开发的结构模型振动平台，先后推广应用到国内40余所高校。图9、图10所示为研发的结构模型振动平台在华北电力大学开放实验室和聊城大学开放实验室应用的情况。

图8 结构模型振动平台图9 华北电力大学开放实验室

图10 聊城大学开放实验室

4 结 语

工程力学实验教学中心研制的工程力学多功能试验设备，克服了原国内工程力学实验教学设备大而笨重、价格昂贵、性能单一、手段落后状态，该设备具有功能强、性能高、可靠性好、维护方便，符合使用目的、培养对象、实验内容体系设计、试验项目开发，且性价比高、利用率高等特色，并充分利用了计算机技术和智能化技术，使实验设备达到了正规级、工业级、商品级的制式化水平，实现了实验设备的共享、开放，满足了学生自主学习和师生互动交流的要求，大大提升了开放式创新性实验教学的信息化、智能化管理水平。成果(累计)推广应用到包括香港高等科技学院在内的境内外160余所高校，应用层次从985高校、211高校、地方高校、民办高校到高职高专院校，创国内高校自主研发力学类仪器设备推广之最，成果的应用使实验教学实现了层次化、系统化、规范化、现代化[16]，切实解决了学生人数多与实验设备少的矛盾，为培养和提高学生的动手能力、创新能力提供了组织保障、基础条件和实践时空。为后续的从感知理论(工程建模)—了解理论(形成概念)—掌握理论(概念量化)到应用理论(设计新型)，完善的工程力学虚拟仿真实验教学资源的形成奠定了基础。

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)[N].人民日报，2010-03-01(005).

[2] 教育信息化十年发展规划(2011—2020)[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/ewebeditor/uploadfile /2012 /03 /-29 / 20120329140800968.doc．

[3] 关于开展“十二五”高等学校实验教学示范中心建设工作的通知[EB/OL].http://www. moe.edu.cn /publicfiles/-business/ htmlfile /moe /A08_gggs/201203 /133068.html．

[4] 教育部高教司.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[Z].教育部高教司函[2012]4号.

[5] 陈国辉.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索,2015,34(8):169-172.

[6] 教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教育部高教司函[2013] 94号.

[7] 中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于批准北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知[Z].高教司函[2014] 6号.

[8] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[9] 戴玉蓉,熊宏齐.适应开放式创新性教学的信息化建设与管理[J].实验技术与管理，2008,10(25):13-17.

[10] 张 涛,王 磊.基于云计算的高校远程教学系统设计与实现[J].继续教育研究,2011,22(7):60-61.

[11] 马 喆.数字化环境下的教学探讨[J].科技信息,2009,21:615-616.

[12] 曾从吉,单 粱,陆建荣.智能分区PID控制算法在电动缸伺服系统中的研究[J].计算机测量与控制,2015,23(6):1967-1971.

[13] 钱修生,李 军.基于改进CMAC模型的电动伺服加载算法研究[J].微电机,2016,49(6):74-78.

[14] 莫秋云.振动模态分析系统的开发及应用[J].振动与冲击,2008,27(S):154-156.

[15]邾继贵,邹 剑,林嘉睿，等.摄影测量图像处理的高精度误差补偿法[J].光学学报,2012,32(9):1-8.

[16] 刘永良.规范实验教学,加强实验技能训练[J].实验室研究与探索,2002,21(5):33-34.