基于虚拟仿真技术的高职工程力学实验教学改革

古锦波

摘要 基于虚拟仿真技术的高职工程力学实验教学改革已成为现代教育领域的研究热点。文章通过综合分析虚拟仿真技术在高职工程力学实验教学中的优势和不足，探讨虚拟仿真实验内容的设计和开发、实施虚拟仿真实验教学、评估虚拟仿真实验教学效果等关键步骤，强调选择合适的虚拟仿真软件和开发虚拟仿真实验平台的重要性。文章指出，基于虚拟仿真技术的高职工程力学实验教学改革，在技术应用、方法创新、流程优化等方面具有助推作用。

关键词 虚拟仿真技术；工程力学；实验教学；技术应用

中图分类号：G712文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.024

工程力学作为一门重要的实践性课程，其对于培养学生的实际操作能力、问题解决能力和创新能力具有重要作用。当前，传统的工程力学实验教学尚存在一些问题，如实验资源有限、实验设备复杂、安全风险较高等，影响了高职工程力学的实验教学质量。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入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，实现实验教学资源共享。基于虚拟仿真技术的高职工程力学实验教学改革，在技术应用、方法创新、流程优化等方面具有助推作用。

1虚拟仿真技术在工程力学实验教学中的应用

1.1虚拟仿真技术的概念和特点

虚拟仿真技术是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术。其具有模拟性、互动性、高效性等特点。

第一，模拟性和互动性。虚拟仿真技术通过模拟和仿真现实世界或虚拟世界中的对象、场景或过程，为用户提供身临其境的虚拟体验。用户可以在虚拟环境中进行互动，探索、操作、实践，从而获得实际经验和反馈。

第二，可定制性和高效性。虚拟仿真技术可以根据用户的不同需求进行定制化设计，包括虚拟环境的对象、场景、行为等。用户可以在虚拟环境中进行反复练习和模拟，增强培训效果和工作效率，减少操作失误进而避免工作事故的发生。

第三，多学科应用和跨时空性。虚拟仿真技术在多个领域中应用广泛，包括医疗、军事、航空航天、教育等。虚拟仿真技术还可以跨越时空的限制，实现对不同时代、不同地点的场景和对象的模拟和体验[1]。

1.2工程力学实验教学中虚拟仿真技术的应用场景

首先，为教学提供虚拟实验室。基于虚拟仿真技术的在线实验平台，能够为学生提供灵活、安全、经济的实验环境。学生可以在虚拟实验室中进行实验操作，通过模拟实际实验条件和参数，获得实验数据和结果。虚拟实验室可以弥补传统实验室的时间和空间限制，使学生能够在任何时间、任何地点进行实验学习。

其次，为学生提供虚拟实验演示。学生可以在虚拟实验演示中观察和分析实验现象，通过图形、动画、声音等多媒体方式展示实验过程和结果。虚拟实验演示可以直观地呈现实验现象，帮助学生理解实验原理和方法，提高他们对实验内容的认知和记忆。此外，学生可以在虚拟实验设计中自主选择实验方案、调整实验参数，模拟不同情境下的实验过程和结果。

最后，为学生提供虚拟实验互动。通过虚拟仿真技术学生和教师之间可以进行交流和互动。学生可以在虚拟实验互动中与教师和其他同学进行实验讨论、合作实验和实验演示。虚拟实验互动可以促进学生的互动学习、合作学习和自主学习，提高他们的团队协作和沟通能力[2]。

1.3虚拟仿真技术在工程力学实验教学中的优势和不足

虚拟仿真技术在工程力学实验教学中具有诸多优势。首先，虚拟仿真技术能够提供安全的实验环境。学生可以在虚拟环境中进行复杂的实验操作，而无须担心实际实验中可能出现的安全风险。其次，虚拟仿真技术可以节约成本。传统实验教学通常需要大量的实验设备、耗材和实验场地，而虚拟仿真技术可以通过计算机软件和硬件设备模拟实验过程，减少实验成本。此外，虚拟仿真技术具有灵活性和多样性，可以模拟多种实验场景和条件，满足不同的教学需求。同时，虚拟仿真技术具有较好的可控性，教师可以根据学生的学习情况和实验目标进行实验参数的设置和调整，使实验结果更加可靠和稳定。

然而，虚拟仿真技术在工程力学实验教学中也存在一些不足之处。首先，虚拟仿真技术缺乏真实性。虽然虚拟环境可以模拟实际实验场景，但与实际实验相比，虚拟仿真技术仍存在一定的差距，学生可能无法完全体验实际实验中的真实操作和现象。其次，虚拟仿真技术可能导致学生实践经验不足。传统实验教学中，学生需要亲自进行实验操作，从而积累实践经验。而在虚拟环境中，学生可能缺乏实际操作的机会，限制了其实践能力的培养。此外，虚拟仿真技术需要一定的硬件设备支持，例如高性能計算机、虚拟现实设备等，这对于一些资源有限的学校和教育机构可能存在一定的困难[3]。

2高职工程力学实验教学改革思路与方案

2.1设计虚拟仿真实验内容

设计虚拟仿真实验内容是一项关键任务，它需要结合工程力学课程的教学目标、学生的学习水平和教学资源，设计出教学效果好和具有实用性的实验内容。下面是课程的虚拟仿真实验内容设计，用于介绍力学静力学中力的合成和分解。具体实施内容包括：学生进入虚拟仿真实验平台，并选择力的合成和分解实验场景；学生观察虚拟仿真实验场景中的不同物体和力的作用点，并通过虚拟仿真软件记录下相关的力的大小和方向；学生应用三角法进行力的合成和分解计算，得出合成力和分解力的大小和方向；学生通过虚拟仿真实验平台进行不同力的合成和分解实验，观察不同合成力和分解力对物体的作用效果；学生通过虚拟仿真实验平台进行实际工程问题的模拟，应用力的合成和分解原理解决实际问题。

2.2虚拟仿真实验教学实施

实施虚拟仿真实验教学时，教师应明确教学目标和任务，选择合适的虚拟仿真软件，设计多样性和灵活性的实验内容，引导学生自主学习和实践操作，并进行实时评估和反馈。通过不断改进和优化虚拟仿真实验教学，提高学生的实际应用能力和创新能力，达到更好的教学效果。实验内容应与实际工程应用紧密结合，注重多样性和灵活性，满足不同学生的需求。根据学生的兴趣和专业方向，设计不同难度和复杂度的实验内容，以激发学生的学习兴趣和主动性。虚拟仿真软件的操作界面应简洁明了，用户体验应友好，使学生能够轻松上手，熟练操作。通过增加实验演示、引导提示等功能，提升学生的操作体验，降低学习门槛。教师应充当引导者的角色，及时评估学生的学习情况，并提供及时反馈和指导。采用个性化的教学策略，根据学生的学习情况和需求，灵活调整教学方法和教学资源，提高学生的学习效果。通过定期的实验报告、实验成绩、学生反馈等方式，对学生的学习情况进行实时监测和评价[4]。

3高职工程力学实验教学效果评估与保障

3.1评估虚拟仿真实验教学效果

首先，评估虚拟仿真实验教学效果应该充分考虑学生的学习成绩和学习行为。比较虚拟仿真实验组和传统实验组在知识掌握、实验操作和数据处理等方面的成绩差异。例如，通过分析学生的实验报告、实验数据处理结果以及实验操作的准确性等来评估学生的实验成绩。同时，还应考查学生在虚拟仿真实验中的学习行为，如是否充分参与实验、是否能够独立完成实验任务等。

其次，评估虚拟仿真实验教学效果还应该考虑学生的主观反馈和观察结果。通过访谈、问卷调查、学生反馈等方式收集学生对虚拟仿真实验教学的主观感受和看法。学生的主观反馈能提供有关虚拟仿真实验对学生学习兴趣、参与度、自主学习能力等方面的影响。此外，教师和观察员的观察和评价也是重要的评估内容，通过观察学生在虚拟仿真实验中的表现、学习态度和学习动态等来评估虚拟仿真实验的效果[5]。

最后，评估虚拟仿真实验教学效果时还应该充分考虑实际教学环境和学生的特点。不同学科、不同学习阶段、不同学生群体可能对虚拟仿真实验教学效果产生不同的影响。因此，在评估虚拟仿真实验教学效果时应该结合实际情况进行分析和判断，避免简单地对比和评价。同时，应该充分关注学生的学科知识掌握、学科能力提升以及实际应用能力的培养，而不仅仅是实验成绩的提高。

3.2选择虚拟仿真软件

首先，虚拟仿真软件的功能特点是选择的关键因素。虚拟仿真软件应具有丰富的功能，能够模拟实际实验环境和实验过程，包括实验设计、实验操作、实验数据的采集和处理等。虚拟仿真软件还应该提供多样化的实验场景和实验任务，能够满足高职工程力学实验教学不同实验需求的教学要求。此外，虚拟仿真软件还应具有较高的真实度和精确度，能够真实地模拟高职工程力学实验教学，使学生能够在虚拟环境中获得类似于实际实验的学习体验。

其次，虚拟仿真软件的易用性对于学生和教师来说都是重要的考量因素。虚拟仿真软件应该具有简洁明了的用户界面和操作流程，方便学生和教师快速上手并独立操作。虚拟仿真软件还应提供充分的操作提示和实验指导，帮助学生顺利完成实验任务。同时，虚拟仿真软件应支持多种操作方式，如鼠标操作、触摸屏操作、键盘操作等，以满足不同学生的学习习惯和操作需求。

最后，虚拟仿真软件的适应性也是选择的重要因素。虚拟仿真软件应该能够适应不同学科、不同课程和不同学习阶段的教学需求。例如，对于工程力学课程，虚拟仿真软件应该能够模拟不同材料的力学行为，如静力学、动力学、材料强度等。还需要考虑虚拟仿真软件的技术支持和维护服务。虚拟仿真软件应该具有稳定的技术支持团队和完善的售后服务体系，能够及时解决用户在使用过程中遇到的技术问题和困难。

3.3开发虚拟仿真实验平台

首先，需求分析和规划。了解教学需求、课程目标和学生特点，明确虚拟仿真实验平台的定位和功能要求。在需求分析的基础上进行系统规划，包括平台的整体架构、功能模块设计、用户界面设计等，确保虚拟仿真实验平台能够满足教学需求和提供良好的用户体验。

其次，设计和开发虚拟仿真实验内容。虚拟仿真实验平台的核心是实验内容，包括实验场景、实验设备、实验操作、实验数据等。根据课程要求和学习目标，设计合适的虚拟实验场景和设备，并通过虚拟仿真技术实现实验过程的模拟和操作的交互性。同时，还需要考虑实验数据的记录和分析，以便学生能够获得实时的实验结果和反馈。

再次，开发和测试虚拟仿真实验平台。在实现虚拟仿真实验内容的基础上，进行平台的软件开发和系统集成。包括前端和后端的开发，实现用户界面和操作功能，以及与实验内容的交互和数据传输。同时，进行虚拟仿真实验平台的测试，包括功能测试、性能测试、兼容性测试等，确保平台的稳定性和可靠性。

此外，将开发完成的虚拟仿真实验平台部署到教学环境中，配置必要的硬件和软件资源，并进行系统的运维。包括平台的升级、数据备份、用户支持等，保障平台的正常运行和持续可用。

基于虚拟仿真技术的高职工程力学实验教学改革具有许多优势，包括提供灵活的学习方式、提高实验操作的安全性、降低教学成本等。但同时也面临着虚拟环境与真实環境的差异、实验内容设计和开发的挑战、虚拟仿真软件和平台的选择与开发等问题。在开展虚拟仿真实验教学时，需要综合考虑这些因素，并不断进行评估和改进，以提高教学效果和学生的学习体验。

参考文献

[1]伍灿，王秋生.工程力学实验教学新模式探讨[J].实验室科学， 2022，25（2）：145-148.

[2]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.

[3]汤强.应用型人才培养模式下“工程力学”教学改革实践探讨[J].江苏科技信息，2021，38（25）：63-65.

[4]邵俊华，刘翔，王蕾，等.面向新工科的工程力学实验教学改革与实践[J].教育教学论坛，2021（21）：81-84.

[5]祁正栋.应用型人才培养模式下工程力学实验教学改革研究[J].中国现代教育装备，2021（3）：93-95.