运用虚拟仿真与多媒体教学相结合的材料力学实验教学改革

赵 辛

（辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州121001）

0 引言

材料力学作为工科基础课，对学生的工科专业课学习起着至关重要的支撑作用.材料力学实验教学作为材料力学理论课的重要补充部分，也是检验理论公式和解决工程问题的依据［1］.材料力学实验有助于增强学生对理论知识的理解，验证了理论课知识点的正确性.通过深入研究实验原理方法和实验设备操作的锻炼，培养了学生理论联系实际的实践能力.然而，当前的材料力学实验教学模式单一，多为讲解演示性教学、受各种原因影响，学生的实验操作时间严重不足，在一定程度上阻碍了实践能力的培养和创新意识的形成.

1 材料力学实验改革的意义

高校扩招后，各高校的在校生数量迅速增多，而实验室场地及实验设备并没有增加，导致在实验课中能动手操作的机会少，大多数学生只能观察老师或者同学操作，以致有的学生对待实验课程比较敷衍，且实验报告抄袭现象严重，从而影响了实验课程的授课效果［2］.

传统的材料力学教学模式、教学方法比较简单，又因实验学时较少，教学内容也无法充分展开，这些都制约了学生实践能力的培养.因此，必须对现有的材料力学实验进行改革，提高材料力学实验的教学质量.运用虚拟仿真、多媒体教学与传统实验相结合的实验教学改革，能够提高材料力学实验的教学效果，增强学生的实验能力和创新意识.

2 当前材料力学实验存在的问题

2.1 实验教学方式单一

目前我校材料力学实验内容为拉伸与压缩、扭转、弯曲、组合变形等验证性和综合性实验.在实验过程中，主要依靠老师课上讲解和指导，学生基本上处于被动接受的状态，只是按照老师的演示机械地完成实验操作，实验后对实验原理、实验方法一知半解，只为单纯的取得实验数据.这种教学方式限制了学生分析、解决问题能力的提升，教学效果并不好.

2.2 师资力量有限，实验设备台/套数少

高校的扩招后实验人数大幅增加.学生只能以分组的形式多人共同完成一个实验内容，造成每个学生的动手实践的机会不足，个别学生整个实验过程都没有机会操作实验设备.

2.3 实验课时减少，对实验课重视程度减弱

近两年学校对各个专业进行课程调整，材料力学课时被不断削减，已经从64个实验课课时压缩到56个课时.实验学时从10个课时减少到6个课时.万能试验机等大型设备操作复杂，教师在课堂上的讲解理论和操作方法的时间有限，学生在课上很难完全掌握设备使用方法，部分学生无法完成全部实验.在现有实验条件和实验学时下无法达到原有的实验教学效果.

2.4 弯曲、组合变形等实验操作复杂

特别是基于电测原理的接线操作，仅仅利用课上时间，学生很难学通、弄懂.导致实验时学生只是机械的模仿教师操作，教学效果差.

2.5 原有考核方法的问题

现有的实验教学考核办法只以学生的出勤率、实验报告成绩两项作为考核依据，并不能体现出学生实验设备操作方面的水平差异.此种考核方式无法评价学生的实验操作能力，不能够全面体现学生的实验水平，限制了学生实践精神的培养.

3 材料力学实验教学改革内容

针对当前实验教学中存在的问题，实验中心进行了教学方式方法的改革.运用虚拟仿真、多媒体教学与传统实验教学相结合的方式进行材料力学实验教学改革，力求做到虚实结合，彻底解决实验设备不足，实验学时少、学生动手操作实验设备时间短等一系列实验教学问题.

3.1 多媒体授课应用于实验教学

充分利用多媒体技术展示直观生动、信息密集、传播快、范围广、可反复播放的特点进行实验教学，提高了实验效率，弥补了教学时长和师资力量的不足问题.

随着多媒体的快速发展，教学视频作为新的教学资源形式，在各高校内广泛应用.教学视频可以反复观看，并且不受实验场地的限制.材料力学实验理论知识点少，往往只是验证一两个公式，但实验操作内容多，实验设备操作复杂，学生要在课上短时间内掌握有一定困难，更适合多媒体教学模式.因此材料力学实验室分别录制并制作了拉伸压缩实验的试验机操作教学视频、弯曲实验应变仪及试验机操作教学视频、组合变形接线操作及应变仪使用教学视频、扭转试验机操作教学视频等视频教学资源（图1、2、3、4）；并根据每节实验课的内容制作教学PPT，与教学视频一并上传到网络.这些多媒体资源可以应用到学生的课前预习环节和教师的课堂讲授环节，经过三年的实验教学检验，取得了良好的教学效果.

图2 弯曲实验应变仪及试验机操作教学视频

图3 组合变形接线操作及应变仪使用教学视频

图4 扭转试验机操作教学视频

多媒体授课的优点在于：1）把观看实验教学视频和阅读教学PPT作为实验预习工作布置下去，在实验课前学生利用自由时间完成预习工作，对整个实验目的、实验原理和实验操作有了初步了解，为正式实验课打下了良好的基础.2）学生通过观看教学视频可以全面掌握实验过程和操作技巧，培养了实验兴趣，建立完成实验的自信心，提高了学生学习主动性.3）节省了课堂讲解时间，等于增加了实验操作时间，可以使学生有更多的机会操作实验设备完成实验.4）课上用投影仪播放PPT进行实验讲解、组织学生观看设备操作教学视频，改善了实验室授课条件，提高了学生的课堂专注度.解决了传统实验讲授方式只有前排同学看得见、听得清老师授课内容的弊端，教学效果好于“围着设备讲实验”的传统授课模式.

3.2 虚拟仿真用于实验教学

虚拟仿真是由电脑技术、仿真技术、数字媒体技术、人工智能技术、人机接口技术及测量传输技术等多种先进技术集合而成，具有仿真和实时交互等特征［3］.

随着高校中实验教学占比的不断提高，虚拟仿真实验越来越多的应用在实验教学当中.虚拟仿真实验是运用仿真技术，在计算机上利用三维系统软件，设计出立体感知的三维情景画面，并能够实现人对画面的控制［4］.

我校的材料力学实验使用的万能试验机，扭转试验机等多为大型设备，价格昂贵，占用实验场地大.因学校材料力学实验资源有限，每节实验课需要操作试验机的学生人数过多，每个学生分配到的操作设备时长严重不足，个别同学整堂实验课都没有操作的机会，严重影响了学生实践能力的培养.另外，材料力学实验应用到的设备，加载的实验力大，且很多采用动力电驱动，存在一定的风险与安全隐患.因此，出于安全考虑，学生进行试验机操作时必须有教师在旁进行指导、看护.因实验教师人数有限，导致上课时学生可操作的试验机数量受到限制，学生的实验操作机会大幅减少，这也在一定程度上影响了实验教学效果.

针对材料力学实验存在的问题，我们与某软件公司联合开发了《材料力学实验仿真实训软件》.该软件系统是基于我校现有实验内容进行开发制作，实验内容、实验设备、操作步骤与实体实验高度重合，在学生课前预习实验、课上完成实验操作等方面起到重要的补充教学作用，显著的激发了学生的实验积极性和提高了学生的实操能力.

实验课前，学生利用课余时间登陆虚拟仿真网站（图5、6、7、8），可以先对实验设备的操作进行预习，这样学生对实验设备就有了初步的了解和掌握，消除操作大型设备的陌生感和恐惧感，为课上的实验操作环节打下良好的基础.正式实验课时，《材料力学实验仿真实训软件》在一定程度上的缓解了由于实验资源和师资力量不足造成的学生缺乏操作时间等问题.《材料力学实验仿真实训软件》可以实时反映实验全过程，可以做到随时暂停观察实验现象，这样可以提高学生对实验各个阶段的认知水平，同时提高了学生实验操作熟练程度，提升了实验效率.虚拟实验没有安全问题，允许操作过程出现错误，学生可以大胆操作，而不会产生设备损坏、试件浪费和实验安全等现实问题.

图5 《材料力学实验仿真实训软件》网站首页

图6 《材料力学实验仿真实训软件》主界面

将《材料力学实验仿真实训软件》应用于材料力学的实验教学当中，能够充分发挥虚拟实验对实体实验的补充作用，提高了教师实验教学效率与学生的学习效率、促进了实践能力的培养、提升了实验教学质量.

4 材料力学实验考核方式改革内容

传统材料力学实验的考核方式只注重实验报告成绩，对实验预习和实验操作方面考核不足.本实验室在实体实验中引入多媒体技术和虚拟仿真技术作为补充教学手段，进行实验课考核方式改革.学生利用实验操作视频资源、教学PPT资源和《材料力学实验仿真实训软件》可以独立进行实验预习并完成预习报告，教师批阅后给出预习成绩.实验过程中利用虚拟仿真实验作为设备操作环节的有益补充，教师根据学生操作完成情况给出操作成绩.实验完成后学生独立完成实验报告，一周后统一上交实验室、经教师批阅给出实验报告成绩.各个分项实验成绩均由预习、操作、报告成绩三部分成绩组成.其中预习成绩占20%，操作成绩占40%，报告成绩占40%（表1）.实验总成绩=拉伸与压缩实验得分×20%+弯扭组合变形实验得分×40%+钢筋混凝土弹模测算实验得分×40%.这种实验成绩考核方式可以充分反应学生的实验积极性、实验操作水平和实验数据的处理分析能力，可以全方位客观评价学生的实践能力，有助于材料力学实验教学质量的提升.

表1 材料力学实验成绩分布表

5 结语

高等教育目标是培养具有实践能力和创新能力的技术人才［5］.应用多媒体技术和虚拟仿真技术的实验教学改革提升了学生对实验课的兴趣，节约了实验教学资源，全方位完善实践操作能力的培养，提高了实验效率，更好地适应社会发展对高校具有工程创新实践人才培养的新要求.