基于虚拟仿真的“三层次四平台”力学类课程体系探索与实践

莫春美 李甜 杨汉宁

[摘           要]  虚拟仿真技术可将抽象理论知识可视化，弥补高校实验教学条件的不足。将虚拟仿真技术引进土木工程专业力学类课程教学中，建立“三层次四平台”力学类课程虚拟仿真教学体系，实现理论教学、实验实训和技能提高等多功能，同时设计了三层级递进式的实践项目，培养学生由基础性技能向实践性技能和创新性技能转变，为高校培养复合型人才的目标助力。

[关    键   词]  虚拟仿真;力学;课程体系;“三层次四平台”

[中图分类号]  G647                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2022）12-0094-03

理论力学、材料力学和结构力学是高校土木工程专业重要的三门专业核心课，课程理论性强、概念抽象、与工程实践密切相关，能为土木工程专业的学生将来解决实际工程中力学问题提供科学的思路和方法，在应用型人才培养计划中占据重要地位。《教育部 国家发展改革委 财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》指出，普通本科高校要把培养目标转到培养应用型技术技能型人才上来，全面提高学校服务区域经济社会发展和创新驱动发展的能力。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术在高校教学中的应用越来越广泛。相比传统力学类课程的教学方式，将虚拟仿真教学引入土木工程专业力学类课程中，促使课程内容更具仿真性、互动性，通过虚拟仿真教学给学习者沉浸式的直观体验，带来较强的实操代入感。结合高校现有实验条件及企业对应用型人才的需求现状，建立“三层次四平台”力学类虚拟仿真课程教学体系，设计有针对性的实践实训项目，提高学生的实践技能和创新技能，对保证高校培养复合型人才质量具有重要的现实意义。

一、国内外研究现状

随着计算机技术不断进步和学科专业的发展，虚拟仿真技术可利用仿真计算软件和计算机平台，既可以再现传统实验室中的经典实验，又可以展开传统实验室难以开展的高成本、高危险、高难度试验[1]，因此得到了国内外学者的青睐，纷纷将虚拟仿真技术引进课堂教学中。美国大学在力学系列课程中引入MATLAB、Excel、ANSYS等软件，在课堂上不仅讲解软件辅助解题过程和验证力学知识，甚至学生的作业也是利用计算机完成，加深了学生对抽象力学知识的理解，也为将来解决工程实际问题打下扎实的基础[2]。从2006年开始，英国开放大学基于互联网的三维虚拟世界“第二人生”（Second Life）开展教学，构建与课堂平行的三维虚拟环境[3]。在我国，虚拟仿真技术广泛应用于力学类课程的实验教学环节，有研究学者将虚拟仿真技术引进工程力学实验教学中，建设工程力学基础实验虚拟仿真平台，对实验室实验进行补充，弥补高校实验条件的不足，同时实现实验教学资源共享[4]。也有学者在材料力学课程的实验中引入Unity 3D程序，开发材料组合变形虚拟仿真实验系统，模拟真实实验的操作过程[5]。力学课程具有概念性强的特点，将CAE软件应用于力学课程教学中，可将典型力学知识可视化[6]。在力学课程的教学中增加ANSYS软件上機训练，加深和提高学生对理论力学基础知识的理解和软件的操作能力[7]。

二、力学仿真教学的必要性

伴随人工智能时代的到来，在新工科背景下社会对应用型人才的能力要求更高，土木工程专业本身具有较强的应用性和实践性，传统的力学类课程教育和培养模式已经不再适应时代的发展，也不能满足学生技能性创新的需求。

（一）将抽象理论知识可视化

力学类课程具有理论性强、概念多、知识系统庞大等特点，将虚拟仿真教学引入土木工程专业力学类课堂教学中，可以通过虚拟仿真软件对构件、结构进行建模和分析，模拟结构的变形、破坏情况，将内力、应力、变形等抽象的概念以直观、形象的变形图和应力云图等形式展示给学生，提高学生的学习兴趣和课堂学习效率。

（二）破解“重理论、轻实践”问题

传统课堂教学中，教师更偏重于讲授每道题目的计算方法和步骤，重理论、轻应用，久而久之，学生只重视最终计算结果，并不知道如何利用力学知识解决工程实际问题。力学模型实验多为破坏性实验，耗材多，破坏过程短暂，学生很难察觉整个破坏的过程，实验过程中不可控情况多且具有一定的危险性，破坏性实验是不可逆的，由于资源有限，并不能保证每位学生有足够的动手操作机会。将ABAQUS等仿真软件引入实验教学环节中，学生利用仿真软件，对工程结构进行力学简化、建模、内力分析和结构优化，强化学生理解基本概念的同时还提升了对工程结构的分析能力。

（三）提高创新技能

实际工程结构分析具有多样性，包括受力分析、变形分析和优化结构分析，在力学类课程实践环节中，增设一些开放性、设计性实践项目，学生利用虚拟仿真软件对结构进行自主设计、分析及优化，培养学生的创新意识和提高创新技能。

三、建立基于虚拟仿真的“三层次四平台”力学类课程体系

将理论力学、材料力学和结构力学三大力学内容进行重新整合，根据内容特点建立基于虚拟仿真的“三层次四平台”土木工程专业力学类课程教学体系，四大仿真平台可分为基础仿真、过程仿真、实训仿真及技能竞赛，实现教学、实验、实训和技能鉴定等多功能，培养学生由基础性技能向实践性技能和创新性技能转变。“三层次四平台”的虚拟仿真教学体系如图1所示。

力学基础仿真包括约束分析、荷载分析、结构形式分析、应力分析和变形分析等基础知识，教师通过仿真技术将抽象的力学知识转化为生动的图片，甚至以动态的形式展示出来，将难以理解的抽象力学理论直观化、形象化，加深学生对概念的理解，避免了学生仅仅是对字面上的理解，旨在夯实学生的基础知识，提高学习兴趣。

力学过程仿真主要以控制参数为主，让学生初步体验结构从建模、分析到最后优化的整个仿真步骤，使学生对结构几何组成分析原理、内力分析原理、结构优化原理等掌握得更加牢固，为提高学生实践技能提供必要条件。力学过程仿真弥补了传统实训学生无法亲自动手操作的不足。

力学实训仿真是“四平台”的核心，是由基础性技能向实践性技能转变的关键，旨在培养学生的实际动手操作能力，学生通过仿真软件对结构进行设计、建模、分析和优化，通过模拟展示结构内力变化、变形和破坏过程，更加形象直观地让学生了解结构的工作过程，操作性更强，也为培养和提高创新性技能打下基础。

创新技能是实践技能的进一步升华，在实践环节中增设一些具有开放性、创新性的实践项目，学生在掌握实践技能的基础上，增强创新意识，提高创新能力。同时鼓励学生参加大学生结构竞赛，以赛促学，实现理论知识与实践相结合，提高学生的实践创新能力，也为后续的学习和工程设计打下良好的基础。

四、设计三层级递进式实践项目

开展虚拟仿真实训项目，大大提升实训效率并减少资源投入与浪费，创新工程实践教学方式，推进信息技术和教育教学的深度融合。基于培养学生从简到繁、单一到综合、实现解决实际问题和专业知识相结合的目标，以实现教学功能和应用为导向，在理论力学、材料力学、结构力学知识的基础上，与混凝土结构原理、钢结构设计等专业课相结合，以培养学生能力递进为目的，强调相关课程知识的有机结合，强化工作过程系统化，充分发挥前期力学知识和后期专业课之间的纽带作用，将单门课项目任务向课程群综合性项目任务升级，使学生认识到各专业课之间的联系，建构完整的专业知识架构，将土木工程专业的力学类实训过程分为如图2所示的三层级递进项目，由简单的一级项目逐渐向复杂的三级实训项目递进，实训仿真为学生参加土建类技能竞赛奠定了软件应用的基础。

一级项目是基础项目，旨在培养学生的基础技能，理论力学是土木工程专业学生首次接触力学类课程，是研究物体机械运动的基本学科，而材料力学是在先修理论力学的基础上，研究单根杆件在各种外力作用下的应变、应力、强度、刚度和稳定性问题，因此在设计三层级递进式实践项目时考虑理论力学与材料力学各自的特点及其内容关联性。在一级实训项目中主要通过仿真软件以生动的云图和动画将抽象的支座形式、应力、应变、强度等呈现出来，将理论知识可视化，同时增加仿真软件基本操作环节，学生熟悉软件各项功能及建模步骤，为后续提升实践技能打好扎实的理论知识和软件基本操作能力。

二级项目在一级项目感性认知和理论知识掌握的基础上提高学生的实践技能，将三大力学内容进行整合，学生通过分析实际工程简单结构的结构形式、受力特点和变形特点等，对简单结构进行力学简化，并利用仿真软件对结构进行建模，其中包括杆件建模、节点处理、支座处理和荷载布置，然后对结构进行变形和破坏分析，该环节学生经历结构的整体建模及分析，并且可直观观察整个结构的工作过程，学生巩固理论知识的同时还可以提升实践操作能力，并为后續创新技能的培养打下良好的基础。

三级项目中将三大力学和混凝土结构设计、钢结构设计等专业课进行有机结合，三级实训项目内容主要是学生对较复杂混凝土结构、钢结构进行自主结构设计，利用仿真软件对结构进行建模及分析，最后对结构进行优化，学生在进行自主设计和优化环节，培养了创新意识和提升创新技能，同时在实训环节增设一些具有开放性、创新性的实训项目，如结构设计竞赛，鼓励学生对结构进行创新性设计，提高团队协作能力和创新能力，提升学生今后就业的竞争力。

五、结语

建立基于虚拟仿真的“三层次四平台”力学类课程教学体系，弥补实验教学资源的不足，丰富教学内容，通过设计三层级递进式实训项目，提高学生的计算机软件应用能力，加深对基础理论理解的同时提高学生的实践能力和创新能力，保证应用型本科院校的人才培养质量，对培养新形势下土木工程专业复合型技能人才具有重要意义。

参考文献：

[1]缪志伟，马栋梁.与虚拟仿真实验相融合的结构力学课程教学创新与实践[J].教育教学论坛，2020（18）：384-385.

[2]易平，仲伟秋，黄丽华.美国大学计算机软件辅助力学课程教学模式探讨[J].高等建筑教育，2012（4）：132-135.

[3]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究探索，2015，34（5）：214-219.

[4]王路珍，孔海陵，佘斌，等.工程力学实验教学改革与虚拟仿真实验平台建设[J].实验室科学，2021，24（5）：153-155.

[5]张俊，宋秋红，袁军亭.材料组合变形虚拟仿真实验系统设计[J].系统仿真技术，2020，16（2）：127-130， 134.

[6]周强，熊拥军，闫小青.CAE软件在力学课程教学中的应用研究[J].教育现代化，2018，5（41）：129-130.

[7]黄忠文，於潜军，王培.ANSYS软件在理论力学课程辅助教学中的应用[J].数字技术与应用，2013（8）：225-226.

◎编辑 司 楠