孙金超 赵庆娟

(桂林理工大学机械与控制工程学院 广西桂林 541010)

自新冠肺炎疫情以来，全国乃至全球的教育教学工作都受到了影响。教育部、工信部提出“停课不停学”。自此学校教育教学活动的方式发生了变化，线上教学逐渐地被各类学校重视起来[1-2]。在现代教育背景下虚拟仿真技术在实践教学中发挥着重要的作用。对于材料力学这门紧扣工程实践的课程，教育部于2020年开始了新工科第二批项目研究，这已经成为了未来工程训练与工程应用的教育类指导方针。材料力学作为机械工程类专业首先接触的工程应用类课程，涉及基础知识、基础计算以及理论分析较多，很难激发学生的创意性思维与工程研究的兴趣，大多高校通过教材的调整、教学大纲的修订以及大量地增加实践课程等方式增加学生对这门课程的理解，通过多年的教学效果对比，并未明显提高教学效果，反而增加了学生的学习负担，因此需要对新的教育方法与学习方式进行探索。虚拟仿真技术以计算机技术为基础，将多媒体、多传感、智能技术等综合起来，用户利用输入输出设备进入虚拟空间，与虚拟空间中的物体进行互动。将虚拟仿真技术结合到材料力学理论与实践教学过程中，通过创建真实感的学习环境，改变单一感官刺激的课堂讲授式教学模式，有利于促进学生对知识的理解，通过虚拟现实技术将枯燥的力学理论计算与虚拟实验结合，对比学习，提高学生的应用能力[3-4]。虚拟实践教学具有建设速度快、成本低、易于管理等特点，用虚拟实践教学辅助传统实践教学，可以有效提高实践教学的效果。为学生创建真实感的学习环境，充分激发学生的积极性，同时还可以根据情境的特殊性和复杂性综合地运用所学的知识和能力解决实际问题[5-7]。本文以材料力学理论与实践教学为例，对材料力学理论与实践教学的现状与问题进行分析和总结，结合虚拟仿真技术的特点与优势对虚拟仿真技术在材料力学理论和实践教学中的应用展开探讨。

1 虚拟仿真实践平台发展现状

1.1 虚拟现实技术

VR技术也称为虚拟现实技术，是一种人为设计的虚拟环境或者是人造环境，通过计算机设计生成以三维建模为基础的视觉，附加听觉、触觉等多感官感觉，并且通过传感器让操作者把现实世界中的动作和信号发送到虚拟世界，完成交互工作。由于早期的虚拟现实（VR）技术研发和应用成本较高，大多应用于航天航空技术与军事领域，随着技术的提升，VR 技术的成本下降，VR 技术渐渐开始应用于民用医疗和教育领域。此种技术具有多维感知性、交互性等优势。为了搭建虚拟现实系统，需要几个部分，包括虚拟环境模型建立、高性能计算中心作为处理器进行环境函数的计算、显示部分以VR 眼镜或者头盔系统配合语音系统作为对虚拟环境数据读取、以重力传感器触觉传感器等作为VR系统的交互反馈单元[3,8-9]。

1.2 虚拟仿真技术在虚拟实践教学中的应用现状

1965 年虚拟现实技术起源于美国，1968 年前后，为了飞行员和宇航员飞行需要分别研制了头盔显示系统与手部操作跟踪系统。此技术发展缓慢，直到20世纪80 年代前后，随着计算机与信息通信技术发展，这项技术才得到了突飞猛进的发展，20 世纪90 年代，这项技术开始作为一种独立学科得到了重视和发展，XR技术具有仿真性、开放性、操作性、针对性以及超越时空的特征和优势，通过创建真实感的学习环境，改变单一感官刺激的教学模式，可有效促进学生对知识的理解，提高学生的应用能力，也因此得到教育机构的关注。1989年，虚拟仿真实验室开始大量应用在研究机构，随着其成本持续下降，虚拟仿真开始应用于教育领域，尤其是对于特殊教学和实验，可以让学生从新的角度完成基础理论和知识的学习，并且虚拟仿真的教具其重复利用率高，安全性高，维护成本低。美国教授威廉·沃尔夫最早提出建设虚拟实验室；德国波鸿鲁尔大学网络虚拟实验室；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验等。近年来，国内许多高校都根据自身科研和教学的需求相继建立了虚拟实验室，如清华大学、同济大学、浙江大学、中国科技大学等，通过计算机进行虚拟实验，部分替代在现实中难以实施或昂贵的实验。此外，复旦大学、上海交大等高校也相继开发了一批新的虚拟仪器系统，供实验教学和科研使用[9]。

2 “材料力学”课程传统实践教学的现状与分析

“材料力学”是机械类专业的核心课程之一，课程涉及了材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度及稳定等内容，各知识点间相对独立，专业术语与公式复杂繁多，学生对知识的掌握难度较大。同时课堂教学抽象、枯燥，授课过程中缺乏工程实例的引用，很难激发学生的课上学习兴趣，达不到预计的教学效果。又由于“材料力学”课程具有极强的理论性、实践性、应用性和工程性，因此材料力学实验教学是教学活动中的一个重要实践环节，它是培养学生动手能力、创新能力，以及提高学生解决复杂工程问题能力的重要手段，但是在实际的教学活动中实验课学时量很少，仅仅被作为理论教学的辅助。现有的力学实验内容单一，大多属于简单重复的验证性实验，授课方式仍然是传统的“教师讲解并演示，学生模仿操作”的教学形式[10]。材料力学理论教学部分学时被缩减，由于在教学体系中新学科、新知识加入，机械原理和工程力学等传统专业基础课程被大量缩减，以材料力学和工程力学为例，材料力学由原来的64 学时缩减到了42 学时，工程力学由原来的80学时减少到64学时，这就导致了原本教学紧张的理论和实验教学中基础性知识的论证与拓展性的学时被强制缩减，导致学生对力学基本原理无法掌握与了解，原本理论性很强的力学课程变得更加枯燥，学生学习兴趣减弱，学生对材料力学基础的掌握已经无法满足机械类专业的要求。另外，材料力学实验教学还面临着实验室场地不足、实验设备数量有限和老旧的问题，因此实验教学过程中学生需要排队等候，并在短时间内以小组合作的形式配合完成整个操作过程，多数学生往往无法充分了解仪器内部构造和操作步骤，这大大地削弱了学生的学习热情[10-13]。长此以往，受到实验空间、时间、条件等现实因素的限制，材料力学实践教学一直处于人才培养的薄弱环节，达不到提高学生分析和解决实际工程问题的能力和实现提高学生工程能力素质的培养目标的目的。

3 虚拟仿真技术在材料力学实践教学中的应用

近年来，虚拟仿真技术的不断进步，互联网信息技术与教育的深度融合已成为当今高校教学模式改革的热点之一。针对材料力学课程的特点与传统教学中存在的不足，提出基于虚拟仿真技术的材料力学课程改革与实践，以满足国家对“新工科”创新人才培养的需求。

将虚拟现实技术应用到“材料力学”实践教学中具有明显的优势。第一，材料力学虚拟实验室可以扩展实验教学功能，将学生与实验设备关联起来，实验环境更加开放。第二，虚拟实验室不再受到时间、空间和人数的限制，解决了场地不足、设备少和设备老旧等问题。第三，虚拟实验系统可以避免学生在实验操作过程中发生危险，减少伤害。第四，虚拟实验室不受时间、空间的限制，可以反复训练操作，降低成本。因此，将虚拟现实技术应用在材料力学实践教学中，能够模拟真实情况，辅助理论教学。通过理论教学与实验教学相结合，使学生不仅能掌握基本理论，善于分析和解决问题，同时也可培养学生的动手能力、验证理论、探索新知识的能力[7-8]。

3.1 辅助理论课教学

“材料力学”课程教学是以理论教学和实践教学相结合的方式，使学生理解并掌握所学的知识，其中实践教学是将理论知识转化为感性认知的重要的环节。因此学生可以利用虚拟现实系统辅助学习，清晰地了解材料受力过程中内部的变化过程和规律。例如：在拉伸实验中，板坯将经历弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段3个变形过程，涉及了晶格畸变、位错运动、裂纹萌生以及裂纹扩展，直至板坯断裂冲裁结束整个过程都可以实现可视化展示。虚拟现实系统可以提供生动、逼真的感性认知学习材料，帮助学生理解“材料力学”课程学习过程中的难点和困惑。

3.2 虚拟实验室

企业要求机械类专业学生必须具备一定的动手能力，因此需要通过实践教学辅助强化理论知识，在提高动手能力的同时提高个人素质，提高学生的个人竞争力。传统的实践教学时间和空间受到限制，存在实验设备数量有限、实验操作存在危险等问题，因此学生不能全面操作设备，甚至无法直接参与其中，只是通过教师演示学生观看的方式开展。通过虚拟现实技术可以创设虚拟教学情境，为学生有效参与实践教学过程提供了可能性。例如：虚拟力学实验室、虚拟冲压实验室等打破传统实践教学中时间、空间的限制，学生只要在安装有虚拟实验室的设备上即可进行实验操作，在很大程度上提高了学习的自由度。在仿真环境下，借助软件完成实验操作，避免安全隐患，保障学生的安全。具有交互功能的虚拟实验室能够表现出独特的优势，提高学生对“材料力学”课程学习内容的感性认识，加深对实验教学内容的理解，培养学习兴趣。

4 虚拟仿真技术促进材料力学学科教学改革

虚拟仿真技术的应用对材料力学的教学方式提出的新的教学要求，让学生在课堂上和实验室可以熟练掌握力学的基本原理、基本公式以及灵活地应用材料力学知识，这就需要在理论到实验过程中让学生从不同的角度理解力学的基本原理性问题，以便日后应用在工程实践当中。首先，材料力学由单一课堂上理论教学改变为理论教学、虚拟实践教学、学科竞赛、项目研究“四位一体”的教学方式，对传统教学有了新的建议和要求。

4.1 理论教学与虚拟实践教学相结合模式

在课堂授课教学中，讲述力学的基本原理，分析力学的经典案例。在每节课结束前5 min时，选择力学中经典实验案例作为仿真实验题目作为课后作业案例，将虚拟仿真实验与理论教学有机结合，运用“课堂理论讲解—案例选取—虚拟仿真实验设计—虚拟仿真实验操作演示—学生操作”这一整套完整的流程可培养学生对基础知识掌握、动手能力掌握以及创新思维意识的培养，再结合实际工程项目应用中的讲解，提高学生的自主学习意识与工程创新能力。

4.2 学科竞赛模式

引入竞赛用来引导教学的新模式，教育部2019年提出，通过比赛加强学生学习的若干文件，文件中提出要有针对性地“以赛促学、以赛促教、以赛促创”，通过竞赛加强学生对专业学科与课程的理解。以全国大学生力学竞赛为例，理论与实践操作的部分需要考查一个团队中3 位学生对力学基础的理解，以及学生的动手能力、团队协作能力和创新能力等。比赛中，需要学生利用力学的理论知识去设计实验，完成实验设备的调试，验证实验，完成题目考核。每位学生都需要协作来完成任务，一个成员需要准确地将应变片贴在试件上，这就需要另一个学生的辅助完成，第三位学生整理和计算数据，完成所有的实验后，3位学生需要讨论对实验结果进行数据分析，最后获得整个实验数据和规律，总结获得的实验结果并讨论。

4.3 项目研究模式

引入项目研究来引导教学，材料力学是一门工程应用性很强的课程，对未来应用型本科生的学习要求就是掌握本科学习的基本原理与应用。因此，用工程项目或者工程实例来训练学生的职业能力是非常重要的。以一个工程项目的传动类零件为例，在保证传动轴类零件的扭矩传递能力同时优化轴类零件的结构，增加其抗扭界面系数，在界面突变的位置做好结构优化，用以保证传动类零件扭矩安全传递，其中既包括对抗扭能力的一些公式计算，也包括抗扭的一些实验，共同完成才能更好地设计优化机械结构件。从工程项目的立项实施一直到项目的开发完成的过程，学生可完成项目申报的设计、资料的查询、知识的补充、团队合作、项目的实施环节，深化项目验收完成对材料力学在工程项目应用中的理解。例如：机械类专业对材料力学中扭转规律的理解与扭转实验的应用。

5 结语

综上所述，将虚拟现实技术应用在“材料力学”实践教学中能够有效提高教学效果。通过虚拟教学、虚拟实验室能够使学生获得感性认知，有利于学生理解和掌握力学中的抽象概念、掌握实验设备的结构和原理，熟悉设备的操作，通过理论学习与实践相结合的方式激发学生的求知欲和创新思维。虚拟现实技术必将为教育的改革与发展注入生机与活力。