战宇 李英梅 刘军 李健 张大志

摘 要：虚拟仿真实验教学可以有效地补充传统实验在实验条件、实验费用、交互性和安全性等方面的不足，体现时代特色和创新的教学观念。文章结合东北大学力学与多物理场虚拟仿真实验室的建设实践，深入探讨了虚拟仿真实验教学在虚拟仿真网络实验平台建立、基础力学虚拟仿真实验室、力学与多物理场耦合虚拟仿真实验室等方面的问题，总结了该实验室建设的经验和存在的一些问题。

关键词：力学与多物理场；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）20-0185-03

Abstract： Virtual simulation experiment teaching can effectively supplement the traditional experiment in laboratory conditions， the experiment cost， the lack of interactivity and safety etc， reflects the era characteristic and innovation of teaching ideas. This paper combines the construction practice of the mechanics and multiphysics virtual simulation laboratory of Northeastern University， and deeply discusses the establishment of virtual simulation experiment teaching in virtual simulation network experiment platform， basic mechanics virtual simulation laboratory， mechanics and multiphysics coupled virtual simulation laboratory， etc. summarizing the experience of the laboratory construction and the existing problems.

Keywords： mechanics and multiphysics field； virtual simulation； experimental teaching

高校開展实验教学的时候，实验教学项目便是其最基本的单元，其建设的实际水准会给实验教学质量造成很大的影响。建设示范性虚拟仿真试验教学项目，能够让实验教学和信息技术更好的结合在一起，能够让实验教学深度和广度更深，从而对实验教学空间进行延伸，切实提高实验教学的实际水平和质量[1]。2017年，教育部发布了2017-2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设方面的通知，统筹规划到2020年认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目，全面的考虑到高校专业类实验室建设的实际情况以及信息化发展的相关要求，根据力学类专业的当前布局和发展情况，规划至2020年进行10个示范性虚拟仿真实验教学项目的建立。利用力学虚拟仿真实验教学项目进一步提高实验教学效果，从而切实提高学生对于实验的兴趣和自主学习方面的能力，从而切实提高学生实践创新方面的能力。

东北大学理学院力学实验中心为省级教学示范中心和辽宁省大学生创新训练基地，承担理论力学、材料力学、工程力学、振动力学、实验力学、流体力学、转子动力学以及力学综合实验等8门本科生实验教学课程，以及大学生创新计划任务。本文以该中心力学与多物理场虚拟仿真教学实验室的建设实践为例，总结和探讨建设过程中的一些经验以及长期发展的思路，并提出针对力学这样覆盖面广的工科基础学科的虚拟仿真教学实验室建设的一些设想。

一、虚拟仿真实验中心的基本情况

目前中心用房使用面积达到2800平方米，近年累计投入建设经费2000余万元，用于虚拟教学环境、虚拟实验室条件、师资队伍与实验改革等方面的建设。虚拟仿真实验教学中心在发展的过程中遵循“客观实验与虚拟仿真并重”、“科学研究指导教学实践”的实验教学理念。中心拥有一支结构合理、教学与工程实践经验丰富的高水平虚拟仿真实验教学团队和管理队伍。中心常设实验项目44个，实验课程面向全校19个专业，年实验班级89个，3750人次。以国家级实验教学示范中心的建设为导向，中心组建了力学虚拟仿真实验室，搭建了网络信息化管理平台，开发了大量虚拟实验项目和教学资源，逐渐形成了校内资源共享、校外合理开放的虚拟仿真创新模式，提高了学生的学习兴趣和实验知识的魅力。

二、虚拟仿真实验中心建设内容与成果

随着计算机技术的迅猛发展，为力学实验提供更为先进的教学理念，可以实现复杂环境、多物理场耦合状态下材料力学行为的仿真实验，完成传统实验手段无法实现的任务[2]。针对传统实验教学的不足，建立虚拟仿真教学实验室，对于提高学生的创新能力，理解力学基本概念与工程设计思想，掌握理论知识，提高实验教学的趣味性以及产学研有机结合具有重要的意义[3]。

（一）虚拟仿真实验教学平台

实验教学的现代化建设一直是教学改革和实验教学示范中心的重要内容。中心建设始终坚持以实践能力和学生的创新意识的培养为宗旨，以建设内容丰富、针对性强及手段先进的虚拟仿真实验为重点，不断推进实验教学改革与创新、实验教学多元化建设。东北大学力学与多物理场虚拟仿真实验教学中心拥有大型服务器、联想并行计算机群、万能试验机等重大数字化仪器设备80余台套；拥有各类仿真软件20余套以及AutoCAD、ABAQUS等工程应用软件，中心的虚拟仿真实验教学平台可为本科生开设材料力学、理论力学、工程力学教学相关实验仿真分析、虚拟实验与虚拟测量、仿真计算、虚拟工程实践训练等课程。虚拟仿真实验教学中心面向全校师生开放，开设各类虚拟仿真实验20多个涉及各类课程近30门，每年教学工作量6000学时以上。虚拟仿真实验中心以校园网为依托，各实验室实现网络互通，实验项目、管理和设备等实验资源网络共享。中心的网络信息服务平台拥有独立的高性能服务器及配套全面的硬件和软件设施，专业人员进行定期维护和监管，保障了教师和学生在线交流，提高了教学和学习的效果。中心的人员开发了基于网络的实验教学管理软件，可实现网上选课、进程查询、实验预约、实验进程规划、学期成绩管理等功能。学生持学生证即可登录虚拟仿真教学系统，选择自己相关或者感兴趣的实验项目、安排实验时间。学生用手机即可完成实验，同时系统记录学生登录与实验内容，教师可通过实验系统权限查询并打印学生成绩。

（二）基础力学虚拟仿真实验室

中心目前设有6个基础虚拟仿真实验室，分别为材料力学虚拟现实技术实验室、理论力学虚拟仿真实验室、工程力学虚拟仿真实验室、大规模并行计算技术实验室、岩石破裂过程数值实验室及工程数值仿真设计实验室。

例如，岩石破裂过程虚拟数值仿真平台可以进行包括拉伸、压缩、剪切、多点弯曲等破坏过程基本实验过程的模拟，和模拟各种采场、边坡以及巷道等一些比较复杂的岩石结构应力分析以及破坏过程的模拟，通过计算机来对岩石破坏的复杂现象来进行了再现，这样能够弥补物理试验很难比较直观的将破坏和岩石变形等直观演示出来，能够弥补物理试验的各种不足。利用虚拟仿真试验，学生不但能够对岩石破坏的过程进行模拟，其优势比较明显。并且利用虚拟仿真试验，学生不但能够对岩石破坏的过程进行观察，还能够很好的了解应力场和演化的相关过程，这样能够让学生在对岩石力学理论进行全面的了解，并且还能够真正的做到举一反三，加深对于岩石力学工程的相关认知，激发学生兴趣参与老师的科学研究，参加学术交流，发表学术论文等。又如，材料力学虚拟现实技术实验室，学生可以进行不同材料包括拉伸、压缩、剪切、弯曲等破坏过程的基本实验过程模拟，以及各种复杂结构的应力分析和破坏过程模拟，弥补了传统试验方法很难直观地演示复杂过程的不足。

（三）多物理场耦合虚拟仿真实验室

材料和结构在多物理场作用下的力学行为是一个极其复杂、难度非常大、同时也具有重要实际意义的问题，由于其载荷和环境的复杂性，传统的实验设备、实验技术和方法很难实现真实环境下构件的变形、应力、破坏、乃至运动规律等力学行为的实验再现。虚拟仿真实验具有通用性强、方便灵活、成本低的特点[4]。通过虚拟仿真实验，不仅可以观察复杂物理场作用下构件的力学行为演变过程，而且可以获得构件在其演化过程的全部信息。中心目前设有5个多物理场耦合虚拟仿真实验室，它们分别为力-热耦合虚拟仿真实验室、力-磁耦合虚拟仿真实验室、流-固耦合虚拟仿真实验室、力-热-流耦合技术实验室和力-声耦合虚拟仿真实验室。

（四）虚拟仿真实验中心建设成果

经过近3年的快速发展，力学与多物理场虚拟仿真中心形成了传统实验为基础、前沿实验为特色的近20个虚拟仿真实验项目，同时积累了丰富的实验教学资源，诸如多媒体课件、影像资料、课堂录像，达到了科学研究和仿真实验资源转化相结合、基础实验和应用创新相结合、实验项目与教学资源建设相结合的明确目标。力学是许多工程学科的基石，而在各门力学课程知识的学习中，客观条件限制了实验项目的广泛开展。而基础扩展型虚拟仿真实验项目，恰好可以有效地弥补这一局限。目前中心已经有3个典型工程课题转化为虚拟仿真实验教学范例，实现了已有基础科研设备的优化利用，也为虚拟仿真实验教学的开展提供了丰富的工程背景和内容补充，提升了设备的利用效率，提升了设备的使用价值，同时也延伸了虚拟仿真实验教学的范围。东北大学虚拟仿真实验项目已经面向全校师生免费开放，多年的教学经验表明这种创新模式下的教学，深受学生喜爱和支持。经过反复修订，中心编著的《力学虚拟仿真实验教程》将由东北大学出版社正式发行。虚拟仿真教学资源的合理共享有效提高了学生的学习兴趣，激发了学生的学习热情，也成为课堂教学和理论教学的有力支撑，对提高学生的科研素质和创新能力具有明显的效果，达到了虚拟仿真实验教学中心在校内乃至全省发挥示范和引领作用的效果。

三、虚拟仿真实验中心建设存在的问题及分析

虚拟仿真实验室建设主要存在以下的一些问题。1. 多元化信息技术融合度不够。之前开发的传统力学实验教改项目多建立于Flash、Director和Matlab等通用开发技术平台上，而近期的前沿型实验教改项目，对专业技能要求更高，采用的计算机技术更加先进，比如增加实验场景的3D效果，嵌入专业的在计算分析模块实现在线应力场、物理场的耦合计算，这些变化决定了两个阶段的工作整合在同一平台上变得非常复杂。2. 教学资源开放与共享度需要提高。实验中心的虚拟仿真实验教学资源与项目主要是面向东北大学在校师生免费开放，部分教材通过出版推广进行共享。面向对象的局限和传播途径的狭隘导致了虚拟仿真实验教学资源未能实现优化配置和合理共享，其真正价值并未得到全面发挥。按照国家级虚拟仿真实验教学中心的基本要求，实验教学资源和项目的开放共享程度需要大力提高，在更大的范围发挥示范和引领作用。

在虚拟仿真实验室的规划与建设中，应当主张逐步推进长远规划的科学建设方法，促进虚拟仿真实验室建设项目的顺利开展与持续发展[5]。1. 全面整合实验教学资源。为推进虚拟仿真实验室建设与日常管理工作的有条不紊，应当将虚拟仿真实验室与传统实验室紧密结合；积极组织实验教学活动，整合实验教学资源，确保学生准确掌握教学内容，掌握实验技巧，了解实验的步骤，通过软件共享虚拟资源仪器、共享虚拟实验和远程控制虚拟实验3方面的有机融合，真正实现资源的合理利用、提高虚拟仿真实验教学整体水平[6]。2. 组建优秀实验团队，提高虚拟仿真实验室开展程度。在虚拟仿真实验室建设过程中，探索有效措施来提高虚拟仿真实验室的开展程度与适用范围，面向更多专业的师生和社会群体，积极面对虚拟仿真实验室开展过程中所遇到的问题，努力推进虚拟仿真实验室的合理建设和快速发展。

四、结束语

虚拟仿真实验教学是实验教学示范中心建设和高等教育信息化建设和的重要内容，是先进信息技术与工程实践优势学科的深度融合。为切实提高力学与多物理场虚拟仿真实验室建设的合理性和延续性，应当以优质实验教学资源共享为核心，以实验教学资源信息化建设为重点，并将其与力学专业特点相结合，为进一步推动高等学校力学类实验教学改革与创新做出贡献。

参考文献：

[1]雷冬，朱飞鹏，殷德顺，等.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J].实验技术与管理，2014（12）：95-97.

[2]亢一谰.2010实验力学发展战略研讨会介绍[J].力学进展，2010（4）：475-477.

[3]战宇，刘均.基于Blackboard平台的《实验力学》网络课程建设[J].中国科教创新导刊，2011（22）：1673-9795.

[4]蔺海曉，岳高伟，杨大方.材料力学虚拟演示实验的应用与教学[J].实验技术与管理，2012，29（5）：124-126.

[5]苏珉，于明灏.军校虚拟仿真实验室的建设[J].实验技术与管理，2017（34）：155-157.

[6]马敬峰，鲁保富，陆开宏.基于学生创新精神和实践能力培养的实验教学内容改革与实践[J].中国高教研究，2008（11）：92-93.