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力学与多物理场虚拟仿真实验室建设的探讨 摘 要：虚拟仿真试验教学可以有效地补充传统试验在试验条件、试验费用、交互性和平安性等方面的不足，体现时代特色和创新的教学观念。文章结合东北高校力学与多物理场虚拟仿真试验室的建设实践，深化探讨了虚拟仿真试验教学在虚拟仿真网络试验平台建立、基础力学虚拟仿真试验室、力学与多物理场耦合虚拟仿真试验室等方面的问题，总结了该试验室建设的阅历和存在的一些问题。 关键词：力学与多物理场；虚拟仿真；试验教学 中图分类号：G640 文献标记码：A 文章编号：2096-000X20-0185-03 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 高校開展试验教学的时候，试验教学项目便是其最基本的单元，其建设的实际水准会给试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，能够让试验教学和信息技术更好的结合在一起，能够让试验教学深度和广度更深，从而对试验教学空间进行延长，切实提高试验教学的实际水平和质量1。2022年，教化部发布了2022-2022年示范性虚拟仿真试验教学项目建设方面的通知，统筹规划到2022年认定1010项左右示范性虚拟仿真试验教学项目，全面的考虑到高校专业类试验室建设的实际状况以及信息化发展的相关要求，依据力学类专业的当前布局和发展状况，规划至2022年进行10个示范性虚拟仿真试验教学项目的建立。利用力学虚拟仿真试验教学项目进一步提高试验教学效果，从而切实提高学生对于试验的爱好和自主学习方面的实力，从而切实提高学生实践创新方面的实力。 东北高校理学院力学试验中心为省级教学示范中心和辽宁省高校生创新训练基地，担当理论力学、材料力学、工程力学、振动力学、试验力学、流体力学、转子动力学以及力学综合试验等8门本科生试验教学课程，以及高校生创新安排任务。本文以该中心力学与多物理场虚拟仿真教学试验室的建设实践为例，总结和探讨建设过程中的一些阅历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试验室建设的一些设想。 一、虚拟仿真试验中心的基本状况 目前中心用房运用面积达到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、虚拟试验室条件、师资队伍与试验改革等方面的建设。虚拟仿真试验教学中心在发展的过程中遵循“客观试验与虚拟仿真并重”、“科学探讨指导教学实践”的试验教学理念。中心拥有一支结构合理、教学与工程实践阅历丰富的高水平虚拟仿真试验教学团队和管理队伍。中心常设试验项目44个，试验课程面对全校19个专业，年试验班级89个，3750人次。以国家级试验教学示范中心的建设为导向，中心组建了力学虚拟仿真试验室，搭建了网络信息化管理平台，开发了大量虚拟试验项目和教学资源，渐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，提高了学生的学习爱好和试验学问的魅力。 二、虚拟仿真试验中心建设内容与成果 随着计算机技术的迅猛发展，为力学试验供应更为先进的教学理念，可以实现困难环境、多物理场耦合状态下材料力学行为的仿真试验，完成传统试验手段无法实现的任务2。针对传统试验教学的不足，建立虚拟仿真教学试验室，对于提高学生的创新实力，理解力学基本概念与工程设计思想，驾驭理论学问，提高试验教学的趣味性以及产学研有机结合具有重要的意义3。 虚拟仿真试验教学平台 试验教学的现代化建设始终是教学改革和试验教学示范中心的重要内容。中心建设始终坚持以实践实力和学生的创新意识的培育为宗旨，以建设内容丰富、针对性强及手段先进的虚拟仿真试验为重点，不断推动试验教学改革与创新、试验教学多元化建设。东北高校力学与多物理场虚拟仿真试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，中心的虚拟仿真试验教学平台可为本科生开设材料力学、理论力学、工程力学教学相关试验仿真分析、虚拟试验与虚拟测量、仿真计算、虚拟工程实践训练等课程。虚拟仿真试验教学中心面对全校师生开放，开设各类虚拟仿真试验20多个涉及各类课程近30门，每年教学工作量6000学时以上。虚拟仿真试验中心以校内网为依托，各试验室实现网络互通，试验项目、管理和设备等试验资源网络共享。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，保障了老师和学生在线沟通，提高了教学和学习的效果。中心的人员开发了基于网络的试验教学管理软件，可实现网上选课、进程查询、试验预约、试验进程规划、学期成果管理等功能。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爱好的试验项目、支配试验时间。学生用手机即可完成试验，同时系统记录学生登录与试验内容，老师可通过试验系统权限查询并打印学生成果。 基础力学虚拟仿真试验室 中心目前设有6个基础虚拟仿真试验室，分别为材料力学虚拟现实技术试验室、理论力学虚拟仿真试验室、工程力学虚拟仿真试验室、大规模并行计算技术试验室、岩石裂开过程数值试验室及工程数值仿真设计试验室。 例如，岩石裂开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试验过程的模拟，和模拟各种采场、边坡以及巷道等一些比较困难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困难现象来进行了再现，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视察，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，激发学生爱好参加老师的科学探讨，参与学术沟通，发表学术论文等。又如，材料力学虚拟现实技术试验室，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试验过程模拟，以及各种困难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困难过程的不足。 多物理场耦合虚拟仿真试验室 材料和结构在多物理场作用下的力学行为是一个极其困难、难度特别大、同时也具有重要实际意义的问题，由于其载荷和环境的困难性，传统的试验设备、试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试验再现。虚拟仿真试验具有通用性强、便利敏捷、成本低的特点4。通过虚拟仿真试验，不仅可以视察困难物理场作用下构件的力学行为演化过程，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试验室，它们分别为力-热耦合虚拟仿真试验室、力-磁耦合虚拟仿真试验室、流-固耦合虚拟仿真试验室、力-热-流耦合技术试验室和力-声耦合虚拟仿真试验室。 虚拟仿真试验中心建设成果 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试验为基础、前沿试验为特色的近20个虚拟仿真试验项目，同时积累了丰富的试验教学资源，诸如多媒体课件、影像资料、课堂录像，达到了科学探讨和仿真试验资源转化相结合、基础试验和应用创新相结合、试验项目与教学资源建设相结合的明确目标。力学是很多工程学科的基石，而在各门力学课程学问的学习中，客观条件限制了试验项目的广泛开展。而基础扩展型虚拟仿真试验项目，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试验教学范例，实现了已有基础科研设备的优化利用，也为虚拟仿真试验教学的开展供应了丰富的工程背景和内容补充，提升了设备的利用效率，提升了设备的运用价值，同时也延长了虚拟仿真试验教学的范围。东北高校虚拟仿真试验项目已经面对全校师生免费开放，多年的教学阅历表明这种创新模式下的教学，深受学生宠爱和支持。经过反复修订，中心编著的力学虚拟仿真试验教程将由东北高校出版社正式发行。虚拟仿真教学资源的合理共享有效提高了学生的学习爱好，激发了学生的学习热忱，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养和创新实力具有明显的效果，达到了虚拟仿真试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、虚拟仿真试验中心建设存在的问题及分析 虚拟仿真试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试验教改项目多建立于Flash、Director和Matlab等通用开发技术平台上，而近期的前沿型试验教改项目，对专业技能要求更高，采纳的计算机技术更加先进，比如增加试验场景的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，这些改变确定了两个阶段的工作整合在同一平台上变得特别困难。2. 教学资源开放与共享度须要提高。试验中心的虚拟仿真试验教学资源与项目主要是面对东北高校在校师生免费开放，部分教材通过出版推广进行共享。面对对象的局限和传播途径的狭隘导致了虚拟仿真试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。根据国家级虚拟仿真试验教学中心的基本要求，试验教学资源和项目的开放共享程度须要大力提高，在更大的范围发挥示范和引领作用。 在虚拟仿真试验室的规划与建设中，应当主见逐步推动长远规划的科学建设方法，促进虚拟仿真试验室建设项目的顺当开展与持续发展5。1. 全面整合试验教学资源。为推动虚拟仿真试验室建设与日常管理工作的有条不紊，应当将虚拟仿真试验室与传统试验室紧密结合；主动组织试验教学活动，整合试验教学资源，确保学生精确驾驭教学内容，驾驭试验技巧，了解试验的步骤，通过软件共享虚拟资源仪器、共享虚拟试验和远程限制虚拟试验3方面的有机融合，真正实现资源的合理利用、提高虚拟仿真试验教学整体水平6。2. 组建优秀试验团队，提高虚拟仿真试验室开展程度。在虚拟仿真试验室建设过程中，探究有效措施来提高虚拟仿真试验室的开展程度与适用范围，面对更多专业的师生和社会群体，主动面对虚拟仿真试验室开展过程中所遇到的问题，努力推动虚拟仿真试验室的合理建设和快速发展。 四、结束语 虚拟仿真试验教学是试验教学示范中心建设和高等教化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试验室建设的合理性和持续性，应当以优质试验教学资源共享为核心，以试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试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.力学虚拟仿真教学试验室建设的探讨J.试验技术与管理，2022：95-101. 2亢一谰.2022试验力学发展战略研讨会介绍J.力学进展，2022：475-477. 3战宇，刘均.基于Blackboard平台的试验力学网络课程建设J.中国科教创新导刊，2022：1673-10195. 4蔺海曉，岳高伟，杨大方.材料力学虚拟演示试验的应用与教学J.试验技术与管理，2022，29：124-126. 5苏珉，于明灏.军校虚拟仿真试验室的建设J.试验技术与管理，2022：155-157. 6马敬峰，鲁保富，陆开宏.基于学生创新精神和实践实力培育的试验教学内容改革与实践J.中国高教探讨，2022：92-93. 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页