基于虚拟仿真的材料力学机械实验教学改革

［摘 要］实验教学是人才培养的重要环节，文章分析了目前材料力学机械实验教学中存在的问题，提出利用虚拟仿真实验教学平台，通过建立网络实验教学资源、开展虚拟仿真实验、完善实验数据库等方面进行材料力学机械实验教学改革，进一步优化了实验教学体系，提高了实验教学效果，激发了学生的创新意识。

［关键词］虚拟仿真；材料力学机械；实验教学改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）23-0074-04

实验教学是高等学校工科专业人才培养不可缺少的重要环节[1-2]，材料力学机械实验是高等学校工科力学基础课程必修课内实验，其主要任务是使学生在理论学习的前提下进行巩固操作，加深对材料拉伸、压缩受力过程的了解，提高对力学基本概念、基本理论的认识，牢固掌握材料性能指标的检测方法，锻炼实际操作和动手能力，培养分析问题、解决问题的能力，对于学生实验操作能力、工程协作意识和创新能力的培养有着重要的作用。

材料力学机械实验是实物破坏性实验，实验项目具有不可重复性。然而，在长期的教学实践中发现，部分学生在做实验之前，对实验中所涉及仪器设备的操作原理、操作规程及整个实验过程不够了解，导致不能很好地完成实验项目，甚至损坏仪器设备。此外，现有实验教学多局限于用实验验证基本理论，并进行实验数据处理、分析，学生做完实验后收获不大，难以完全掌握实验中所涉及的技术和方法，不利于学生实验动手能力及创新能力的培养。同时，现有的机械实验教学往往局限于单一材料、单一尺寸、单一实验数据结果，不能有效地激发学生的实验兴趣，学生的创新能力培养往往大打折扣。材料力学机械实验设备昂贵，每次实验的材料消耗较大，为了保证设备在学生使用时不受到意外损坏，不得不增加师资进行监督，这样在一定程度上造成了物力及人力资源的浪费[1-5]。

为了解决现有材料力学机械实验教学存在的问题，项目组根据河南城建学院（以下简称我校）材料力学机械实验教学情况，设计实验脚本，建设金属材料机械性能测试虚拟仿真实验，将虚拟仿真[5]引入材料力学机械实验教学，通过正式实物实验前的虚拟操作，帮助学生了解、掌握实验仪器设备的原理和使用方法，熟悉实验操作流程，在现有条件下最大限度发挥资源的价值，充分调动学生的实验积极性，提升学生的动手操作能力，提高材料力学机械实验教学效果。

一 、虚拟仿真实验脚本设计

项目组主要依据材料力学低碳钢、铸铁等金属材料的拉伸、压缩以及牛展实验，基于我校力学实验教学示范中心仪器设备资源情况，构建虚拟仿真实验模块，设计实验脚本。虚拟仿真实验脚本的构成主要包括多媒体教学、虚拟仿真实验、结果分析、实验报告、综合测评模块（见表1）。

二、材料力学机械实验教学改革的主要内容

（一）建立网络实验教学资源

以低碳钢、铸铁金属材料机械性能测试实验为例，实验中包含实验机原理和操作规程、弹性模量的测定、观测弹性和塑性变形规律、材料应力—应变全程曲线的特征分析。通过该实验，学生能直观地了解并掌握低碳钢、铸铁类金属材料的变形特征。

项目组建立了实验课程网站，并将其应用于材料力学机械实验教学中，实验教学流程如图1所示。建立了实验项目资料库，录制了完整的实验教学视频，包括实验原理、实验目的、实验设备工作原理、操作规程等。完善了实验说明、实验指导书、实验预习报告、实验教学大纲、仪器设备介绍等相关实验资料，丰富了课程教学资源，帮助学生在实验前了解实验仪器设备的原理和使用方法、熟悉实验操作流程，激发学生学习热情，降低实验失败率。

（二）开展虚拟仿真实验

以金属材料单轴受力、金属材料扭转实验为例，按照实际的实验设备和实验装置开展虚拟仿真实验，使之与实际实验近似相同。将标准实验与实验管理平台进行对接，学生可以对金属材料机械实验的整个过程进行虚拟操作。利用虚拟仿真实验脚本对材料力学拉伸、压缩等机械实验进行虚拟仿真实验研发，将虚拟仿真实验分为多媒体教学和实验演练两个部分（见图2）。其中，多媒体教学模块主要为力学实验室和金属材料拉伸、压缩实验的项目简介，在模块中设置了部分思考题和相关的力学实验竞赛题，学生可通过查阅文献、分组讨论等方式开展研究，引导学生对实验内容进行拓展性思考，提高学生的学习兴趣。实验演练模块主要包括实验操作和实验报告撰写，是对材料力学机械实验操作原理和实验操作过程的具体模拟，在实验的虚拟仿真操作过程中，针对我校学生实际实验中容易发生错误或者需要学生思考的地方设置了小测试（见图3），有针对性地强化学生的实验关注点并有效引导学生思考实验要点，提升了实际实验效率和实验预习效果。

（三）完善实验数据库

为进一步解决现有材料力学机械实验研究对象的局限性问题，项目组基于ANSYS有限元数值模拟软件，对金属材料轴向拉伸机械实验进行数值模拟（见图4），通过数值分析方法，对力学实验进行重现。根据数值模拟分析结果，在实验数据库中进行实验数据完善，在现有低碳钢、铸铁材料机械实验基础上，增加钢纤维、纤维水泥板等部分结构用高性能材料，使力学实验研究对象与实际工程相结合，与专业发展趋势相一致。对于同一材料，修改命令流相关参数，记录直径、长度等相关参数不同时材料受力特性的变化趋势，完善实验数据库，使学生了解不同参数对材料受力性能的影响特点，引导学生思考实际结构中不同构件尺寸材料强度的变化。

同时，建立数据链接，将数值模拟结果进行整理并与实验课程学习平台对接，实现在学习通平台输入不同的实验材料、任意的构件截面尺寸等实验材料参数，就可以生成不同的实验结果和实验曲线，丰富实际实验内容，引导学生思考实验误差及实际工程中强度取值依据，培养学生的创新思维。

三、教学效果与成效

（一）优化实验教学体系

根据我校人才培养方案和课程教学大纲要求，材料力学机械实验主要包括课内必修实验和课外选修实验，实验内容主要涵盖基础性实验、综合性实验、研究创新性实验以及基于科研成果转化的设计性实验。虚拟仿真实验在实验教学中的应用体现了三个实验教学层次：多媒体教学和实验演练主要帮助学生构建知识体系和培养专业兴趣；实物实验主要培养学生的实践技能、协作能力及综合素质；实验的数值模拟部分以研究性和创新性为特点，丰富实验资源，重点引导学生进行思考，培养学生发现问题、探索问题的能力。同时，虚拟仿真在实验教学中的应用可以为学生的课前预习和课后复习提供有效支撑，提升实物实验的效率，利用节约的实验试件可以在现有的实验教学体系中增加综合性实验，增加研究性和创新性实验，形成递进式实验教学体系，满足不同层次学生的实验需求。

（二）提高实验教学效果

虚拟仿真实验作为正式实物实验前的虚拟操作，可以帮助学生了解、掌握实验仪器设备的原理和使用方法、熟悉实验操作流程，在实验教学中引入虚拟仿真实验，具有以下优势。

1.节约实验学时。学生在仿真实验的基础上能够尽快掌握实际设备的工作原理和操作方法，通过虚拟仿真实验，在进入实验室之前进行充分的预习，实验过程中可以节约实验时间。

2.降低实验失败率。材料力学机械实验主要为破坏性实验，如操作不当会造成实验失败，甚至可能导致设备或配件损坏。虚拟仿真实验中对实验关键点加以说明和提示，加深了学生的认识，能够降低实验失败率，进而降低实验成本。

3.降低实验的危险性。实验室进行铸铁金属材料压缩实验时，加载过快可能会出现铁屑飞出的情况，低碳钢压缩实验时，观测不到位可能会出现损毁压盘等情况。通过虚拟仿真实验提高学生的预习效果，可以降低实验危险性，确保实验人员和仪器设备的安全。

4.提升学生的实验能力。基于虚拟仿真实验，通过构建实验教学平台，实现了实验课程课内与课外结合、虚实结合、线上与线下结合，拓展了实验教学内容的宽度和深度，提高了学生完成实验的积极性和参与度，实验过程中学生的动手操作能力和团队协作能力均有明显提升。

5.完善实验教学方式。利用实验教学平台实时统计出学生的虚拟仿真实验完成情况和主要错误点，帮助实验指导教师及时掌握学生的实验预习和课下学习情况，提高实验教学的针对性。通过精简部分实验教学过程，使得学生的实验学习兴趣、学习主动性和创新意识得到较大提高。

（三）激发学生的创新意识

项目组建立了课程网络资源平台，通过对实验进行有限元数值模拟，完善了现有实验数据库，学生可以较为灵活地输入土木工程中常用的材料及不同的实验参数，得到相应的实验曲线和实验测试结果。丰富的实验数据库可以提高学生的学习兴趣，激发学生进行实验探索的欲望。教师在学生完成基础实验的前提下，可以适当引导学生进行综合性和创新性实验，引导学生思考实验的进一步研发方向，从而提高学生的创新意识和参与实验的积极性，为学生的进一步学习打下良好的力学实验基础。

四、结论与展望

项目组基于材料力学拉伸、压缩实验，开展了虚拟仿真实验，并基于有限元数值分析软件完善了实验教学数据库，建立了实验课程网站并应用于我校材料力学机械实验教学，取得了一定的教学效果。基于项目现阶段的实际实验教学应用情况，今后可从三个方面进一步开展相应的实验教学工作。

一是实验教学资源的共享。基于网络课程平台和学校服务端，对现有实验教学资源进行整合，建立共享端口，使学生可以在线进行多层次、多方面虚拟仿真实验，可弥补单一课程资源的不足，实现资源共享，提高教学资源的利用率。

二是课内选修实验的开放。与学科竞赛、教师科研等内容相结合，进一步研发适合我校学生现有实验水平的创新性、综合性实验，提升实验的工程应用价值；与科研项目相结合，提高学生的实验兴趣，培养学生的创新能力。

三是进一步完善数值模拟实验资源库，特别是加入土木工程高性能材料、绿色材料等内容，使力学实验能够紧跟专业发展趋势，进一步完善传统材料力学机械实验，优化课程体系，提高学生的专业认知。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 石培蕾，朱坚民. 工程力学实验教学改革初探[J]. 实验室科学， 2015， 18（4）： 92-95.

[2] 代树红，宋维源. 新工科建设中力学实验教学内容体系的优化设计[J]. 教育教学论坛， 2018（22）： 276-278.

[3] 黄涛，胡佳恒，付佩. 虚拟仿真实验在材料力学课程教学改革中的应用研究[J]. 实验科学与技术， 2022， 20（1）： 34-38.

[4] 王曰国. 力学实验教学改革的探索与实践[J]. 西南交通大学学报（社会科学版）， 2023， 24（S2）： 71-73.

[5] 樊久铭，刘彦菊，刘伟，等.新工科背景下力学实验教学改革与实践[J].西南交通大学学报（社会科学版），2023，24（S2）：134-138.

［责任编辑：苏祎颖］