孫金超 趙慶娟

(桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院 廣西桂林 541010)

自新冠肺炎疫情以來，全國乃至全球的教育教學(xué)工作都受到了影響。教育部、工信部提出“停課不停學(xué)”。自此學(xué)校教育教學(xué)活動的方式發(fā)生了變化，線上教學(xué)逐漸地被各類學(xué)校重視起來[1-2]。在現(xiàn)代教育背景下虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用。對于材料力學(xué)這門緊扣工程實踐的課程，教育部于2020年開始了新工科第二批項目研究，這已經(jīng)成為了未來工程訓(xùn)練與工程應(yīng)用的教育類指導(dǎo)方針。材料力學(xué)作為機械工程類專業(yè)首先接觸的工程應(yīng)用類課程，涉及基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)計算以及理論分析較多，很難激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意性思維與工程研究的興趣，大多高校通過教材的調(diào)整、教學(xué)大綱的修訂以及大量地增加實踐課程等方式增加學(xué)生對這門課程的理解，通過多年的教學(xué)效果對比，并未明顯提高教學(xué)效果，反而增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，因此需要對新的教育方法與學(xué)習(xí)方式進行探索。虛擬仿真技術(shù)以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，將多媒體、多傳感、智能技術(shù)等綜合起來，用戶利用輸入輸出設(shè)備進入虛擬空間，與虛擬空間中的物體進行互動。將虛擬仿真技術(shù)結(jié)合到材料力學(xué)理論與實踐教學(xué)過程中，通過創(chuàng)建真實感的學(xué)習(xí)環(huán)境，改變單一感官刺激的課堂講授式教學(xué)模式，有利于促進學(xué)生對知識的理解，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將枯燥的力學(xué)理論計算與虛擬實驗結(jié)合，對比學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的應(yīng)用能力[3-4]。虛擬實踐教學(xué)具有建設(shè)速度快、成本低、易于管理等特點，用虛擬實踐教學(xué)輔助傳統(tǒng)實踐教學(xué)，可以有效提高實踐教學(xué)的效果。為學(xué)生創(chuàng)建真實感的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分激發(fā)學(xué)生的積極性，同時還可以根據(jù)情境的特殊性和復(fù)雜性綜合地運用所學(xué)的知識和能力解決實際問題[5-7]。本文以材料力學(xué)理論與實踐教學(xué)為例，對材料力學(xué)理論與實踐教學(xué)的現(xiàn)狀與問題進行分析和總結(jié)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的特點與優(yōu)勢對虛擬仿真技術(shù)在材料力學(xué)理論和實踐教學(xué)中的應(yīng)用展開探討。

1 虛擬仿真實踐平臺發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

VR技術(shù)也稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種人為設(shè)計的虛擬環(huán)境或者是人造環(huán)境，通過計算機設(shè)計生成以三維建模為基礎(chǔ)的視覺，附加聽覺、觸覺等多感官感覺，并且通過傳感器讓操作者把現(xiàn)實世界中的動作和信號發(fā)送到虛擬世界，完成交互工作。由于早期的虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用成本較高，大多應(yīng)用于航天航空技術(shù)與軍事領(lǐng)域，隨著技術(shù)的提升，VR 技術(shù)的成本下降，VR 技術(shù)漸漸開始應(yīng)用于民用醫(yī)療和教育領(lǐng)域。此種技術(shù)具有多維感知性、交互性等優(yōu)勢。為了搭建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要幾個部分，包括虛擬環(huán)境模型建立、高性能計算中心作為處理器進行環(huán)境函數(shù)的計算、顯示部分以VR 眼鏡或者頭盔系統(tǒng)配合語音系統(tǒng)作為對虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)讀取、以重力傳感器觸覺傳感器等作為VR系統(tǒng)的交互反饋單元[3,8-9]。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在虛擬實踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1965 年虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于美國，1968 年前后，為了飛行員和宇航員飛行需要分別研制了頭盔顯示系統(tǒng)與手部操作跟蹤系統(tǒng)。此技術(shù)發(fā)展緩慢，直到20世紀(jì)80 年代前后，隨著計算機與信息通信技術(shù)發(fā)展，這項技術(shù)才得到了突飛猛進的發(fā)展，20 世紀(jì)90 年代，這項技術(shù)開始作為一種獨立學(xué)科得到了重視和發(fā)展，XR技術(shù)具有仿真性、開放性、操作性、針對性以及超越時空的特征和優(yōu)勢，通過創(chuàng)建真實感的學(xué)習(xí)環(huán)境，改變單一感官刺激的教學(xué)模式，可有效促進學(xué)生對知識的理解，提高學(xué)生的應(yīng)用能力，也因此得到教育機構(gòu)的關(guān)注。1989年，虛擬仿真實驗室開始大量應(yīng)用在研究機構(gòu)，隨著其成本持續(xù)下降，虛擬仿真開始應(yīng)用于教育領(lǐng)域，尤其是對于特殊教學(xué)和實驗，可以讓學(xué)生從新的角度完成基礎(chǔ)理論和知識的學(xué)習(xí)，并且虛擬仿真的教具其重復(fù)利用率高，安全性高，維護成本低。美國教授威廉·沃爾夫最早提出建設(shè)虛擬實驗室；德國波鴻魯爾大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室；新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實驗和壓力容器實驗等。近年來，國內(nèi)許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求相繼建立了虛擬實驗室，如清華大學(xué)、同濟大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科技大學(xué)等，通過計算機進行虛擬實驗，部分替代在現(xiàn)實中難以實施或昂貴的實驗。此外，復(fù)旦大學(xué)、上海交大等高校也相繼開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)，供實驗教學(xué)和科研使用[9]。

2 “材料力學(xué)”課程傳統(tǒng)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀與分析

“材料力學(xué)”是機械類專業(yè)的核心課程之一，課程涉及了材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度及穩(wěn)定等內(nèi)容，各知識點間相對獨立，專業(yè)術(shù)語與公式復(fù)雜繁多，學(xué)生對知識的掌握難度較大。同時課堂教學(xué)抽象、枯燥，授課過程中缺乏工程實例的引用，很難激發(fā)學(xué)生的課上學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到預(yù)計的教學(xué)效果。又由于“材料力學(xué)”課程具有極強的理論性、實踐性、應(yīng)用性和工程性，因此材料力學(xué)實驗教學(xué)是教學(xué)活動中的一個重要實踐環(huán)節(jié)，它是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力，以及提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要手段，但是在實際的教學(xué)活動中實驗課學(xué)時量很少，僅僅被作為理論教學(xué)的輔助?，F(xiàn)有的力學(xué)實驗內(nèi)容單一，大多屬于簡單重復(fù)的驗證性實驗，授課方式仍然是傳統(tǒng)的“教師講解并演示，學(xué)生模仿操作”的教學(xué)形式[10]。材料力學(xué)理論教學(xué)部分學(xué)時被縮減，由于在教學(xué)體系中新學(xué)科、新知識加入，機械原理和工程力學(xué)等傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課程被大量縮減，以材料力學(xué)和工程力學(xué)為例，材料力學(xué)由原來的64 學(xué)時縮減到了42 學(xué)時，工程力學(xué)由原來的80學(xué)時減少到64學(xué)時，這就導(dǎo)致了原本教學(xué)緊張的理論和實驗教學(xué)中基礎(chǔ)性知識的論證與拓展性的學(xué)時被強制縮減，導(dǎo)致學(xué)生對力學(xué)基本原理無法掌握與了解，原本理論性很強的力學(xué)課程變得更加枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣減弱，學(xué)生對材料力學(xué)基礎(chǔ)的掌握已經(jīng)無法滿足機械類專業(yè)的要求。另外，材料力學(xué)實驗教學(xué)還面臨著實驗室場地不足、實驗設(shè)備數(shù)量有限和老舊的問題，因此實驗教學(xué)過程中學(xué)生需要排隊等候，并在短時間內(nèi)以小組合作的形式配合完成整個操作過程，多數(shù)學(xué)生往往無法充分了解儀器內(nèi)部構(gòu)造和操作步驟，這大大地削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[10-13]。長此以往，受到實驗空間、時間、條件等現(xiàn)實因素的限制，材料力學(xué)實踐教學(xué)一直處于人才培養(yǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，達(dá)不到提高學(xué)生分析和解決實際工程問題的能力和實現(xiàn)提高學(xué)生工程能力素質(zhì)的培養(yǎng)目標(biāo)的目的。

3 虛擬仿真技術(shù)在材料力學(xué)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

近年來，虛擬仿真技術(shù)的不斷進步，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與教育的深度融合已成為當(dāng)今高校教學(xué)模式改革的熱點之一。針對材料力學(xué)課程的特點與傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，提出基于虛擬仿真技術(shù)的材料力學(xué)課程改革與實踐，以滿足國家對“新工科”創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到“材料力學(xué)”實踐教學(xué)中具有明顯的優(yōu)勢。第一，材料力學(xué)虛擬實驗室可以擴展實驗教學(xué)功能，將學(xué)生與實驗設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，實驗環(huán)境更加開放。第二，虛擬實驗室不再受到時間、空間和人數(shù)的限制，解決了場地不足、設(shè)備少和設(shè)備老舊等問題。第三，虛擬實驗系統(tǒng)可以避免學(xué)生在實驗操作過程中發(fā)生危險，減少傷害。第四，虛擬實驗室不受時間、空間的限制，可以反復(fù)訓(xùn)練操作，降低成本。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在材料力學(xué)實踐教學(xué)中，能夠模擬真實情況，輔助理論教學(xué)。通過理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生不僅能掌握基本理論，善于分析和解決問題，同時也可培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、驗證理論、探索新知識的能力[7-8]。

3.1 輔助理論課教學(xué)

“材料力學(xué)”課程教學(xué)是以理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合的方式，使學(xué)生理解并掌握所學(xué)的知識，其中實踐教學(xué)是將理論知識轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)知的重要的環(huán)節(jié)。因此學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)輔助學(xué)習(xí)，清晰地了解材料受力過程中內(nèi)部的變化過程和規(guī)律。例如：在拉伸實驗中，板坯將經(jīng)歷彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段3個變形過程，涉及了晶格畸變、位錯運動、裂紋萌生以及裂紋擴展，直至板坯斷裂沖裁結(jié)束整個過程都可以實現(xiàn)可視化展示。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以提供生動、逼真的感性認(rèn)知學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生理解“材料力學(xué)”課程學(xué)習(xí)過程中的難點和困惑。

3.2 虛擬實驗室

企業(yè)要求機械類專業(yè)學(xué)生必須具備一定的動手能力，因此需要通過實踐教學(xué)輔助強化理論知識，在提高動手能力的同時提高個人素質(zhì)，提高學(xué)生的個人競爭力。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)時間和空間受到限制，存在實驗設(shè)備數(shù)量有限、實驗操作存在危險等問題，因此學(xué)生不能全面操作設(shè)備，甚至無法直接參與其中，只是通過教師演示學(xué)生觀看的方式開展。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)情境，為學(xué)生有效參與實踐教學(xué)過程提供了可能性。例如：虛擬力學(xué)實驗室、虛擬沖壓實驗室等打破傳統(tǒng)實踐教學(xué)中時間、空間的限制，學(xué)生只要在安裝有虛擬實驗室的設(shè)備上即可進行實驗操作，在很大程度上提高了學(xué)習(xí)的自由度。在仿真環(huán)境下，借助軟件完成實驗操作，避免安全隱患，保障學(xué)生的安全。具有交互功能的虛擬實驗室能夠表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，提高學(xué)生對“材料力學(xué)”課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識，加深對實驗教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

4 虛擬仿真技術(shù)促進材料力學(xué)學(xué)科教學(xué)改革

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對材料力學(xué)的教學(xué)方式提出的新的教學(xué)要求，讓學(xué)生在課堂上和實驗室可以熟練掌握力學(xué)的基本原理、基本公式以及靈活地應(yīng)用材料力學(xué)知識，這就需要在理論到實驗過程中讓學(xué)生從不同的角度理解力學(xué)的基本原理性問題，以便日后應(yīng)用在工程實踐當(dāng)中。首先，材料力學(xué)由單一課堂上理論教學(xué)改變?yōu)槔碚摻虒W(xué)、虛擬實踐教學(xué)、學(xué)科競賽、項目研究“四位一體”的教學(xué)方式，對傳統(tǒng)教學(xué)有了新的建議和要求。

4.1 理論教學(xué)與虛擬實踐教學(xué)相結(jié)合模式

在課堂授課教學(xué)中，講述力學(xué)的基本原理，分析力學(xué)的經(jīng)典案例。在每節(jié)課結(jié)束前5 min時，選擇力學(xué)中經(jīng)典實驗案例作為仿真實驗題目作為課后作業(yè)案例，將虛擬仿真實驗與理論教學(xué)有機結(jié)合，運用“課堂理論講解—案例選取—虛擬仿真實驗設(shè)計—虛擬仿真實驗操作演示—學(xué)生操作”這一整套完整的流程可培養(yǎng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識掌握、動手能力掌握以及創(chuàng)新思維意識的培養(yǎng)，再結(jié)合實際工程項目應(yīng)用中的講解，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識與工程創(chuàng)新能力。

4.2 學(xué)科競賽模式

引入競賽用來引導(dǎo)教學(xué)的新模式，教育部2019年提出，通過比賽加強學(xué)生學(xué)習(xí)的若干文件，文件中提出要有針對性地“以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促創(chuàng)”，通過競賽加強學(xué)生對專業(yè)學(xué)科與課程的理解。以全國大學(xué)生力學(xué)競賽為例，理論與實踐操作的部分需要考查一個團隊中3 位學(xué)生對力學(xué)基礎(chǔ)的理解，以及學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等。比賽中，需要學(xué)生利用力學(xué)的理論知識去設(shè)計實驗，完成實驗設(shè)備的調(diào)試，驗證實驗，完成題目考核。每位學(xué)生都需要協(xié)作來完成任務(wù)，一個成員需要準(zhǔn)確地將應(yīng)變片貼在試件上，這就需要另一個學(xué)生的輔助完成，第三位學(xué)生整理和計算數(shù)據(jù)，完成所有的實驗后，3位學(xué)生需要討論對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，最后獲得整個實驗數(shù)據(jù)和規(guī)律，總結(jié)獲得的實驗結(jié)果并討論。

4.3 項目研究模式

引入項目研究來引導(dǎo)教學(xué)，材料力學(xué)是一門工程應(yīng)用性很強的課程，對未來應(yīng)用型本科生的學(xué)習(xí)要求就是掌握本科學(xué)習(xí)的基本原理與應(yīng)用。因此，用工程項目或者工程實例來訓(xùn)練學(xué)生的職業(yè)能力是非常重要的。以一個工程項目的傳動類零件為例，在保證傳動軸類零件的扭矩傳遞能力同時優(yōu)化軸類零件的結(jié)構(gòu)，增加其抗扭界面系數(shù)，在界面突變的位置做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化，用以保證傳動類零件扭矩安全傳遞，其中既包括對抗扭能力的一些公式計算，也包括抗扭的一些實驗，共同完成才能更好地設(shè)計優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)件。從工程項目的立項實施一直到項目的開發(fā)完成的過程，學(xué)生可完成項目申報的設(shè)計、資料的查詢、知識的補充、團隊合作、項目的實施環(huán)節(jié)，深化項目驗收完成對材料力學(xué)在工程項目應(yīng)用中的理解。例如：機械類專業(yè)對材料力學(xué)中扭轉(zhuǎn)規(guī)律的理解與扭轉(zhuǎn)實驗的應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在“材料力學(xué)”實踐教學(xué)中能夠有效提高教學(xué)效果。通過虛擬教學(xué)、虛擬實驗室能夠使學(xué)生獲得感性認(rèn)知，有利于學(xué)生理解和掌握力學(xué)中的抽象概念、掌握實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，熟悉設(shè)備的操作，通過理論學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合的方式激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新思維。虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將為教育的改革與發(fā)展注入生機與活力。