虛擬仿真應(yīng)用到力學(xué)類基礎(chǔ)課程的研究和實踐

杜鵬飛　陳世嵬

摘 要 傳統(tǒng)的力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)重點放在各種假設(shè)的理論推導(dǎo)和求解上，由于缺乏面對工程實際對象的研究教育，造成力學(xué)課程難度高、實用性低、學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度主動性不強的局面。對于以應(yīng)用教育為主的應(yīng)用型大學(xué)來說，培育學(xué)生的實踐能力是人才培育的重點，將虛擬仿真技術(shù)融入到力學(xué)類基礎(chǔ)課程中具有很強的現(xiàn)實意義。文章以應(yīng)用力學(xué)專業(yè)為例，分析了傳統(tǒng)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題，介紹了虛擬仿真應(yīng)用于教學(xué)的一些具體措施及成果。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 應(yīng)用教育 力學(xué)基礎(chǔ)課程 教改

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.028

1 背景分析與現(xiàn)狀

1.1 背景分析

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010- 2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》，教育部設(shè)立了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”重大改革項目，是促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。對于卓越工程師教育培訓(xùn)計劃高校來說，旨在培養(yǎng)造就出一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程應(yīng)用型技術(shù)人才。①

1.2 力學(xué)發(fā)展下的時代背景

從力學(xué)發(fā)展來看，主要分為三個主要階段。（1）理論研究階段，19世紀(jì)到20世紀(jì)的前半期，這一時期的力學(xué)主要研究連續(xù)體力學(xué)，是從宏觀角度對其分析，并通過實驗分析與理論分析，研究物體的各種性質(zhì)。（2）瓶頸階段，到20世紀(jì)初，由于數(shù)學(xué)工具的缺乏，求解一些運動偏微分方程的精確解十分困難，因此力學(xué)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。（3）高速發(fā)展階段，20世紀(jì)末至今，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)建立在經(jīng)典力學(xué)和數(shù)值仿真方法基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量的描述固體場的數(shù)值解，隨著ANSYS、ABAQUS等一系列基于數(shù)值仿真技術(shù)的商用軟件的出現(xiàn)，大大提高了工程力學(xué)的求解范圍和精度，使虛擬仿真技術(shù)在車輛、橋梁、船舶、大型機(jī)械、資源開采等行業(yè)中占有舉足輕重的地位。

綜上，從宏觀發(fā)展的角度來看，國家政策積極引導(dǎo)高校走工程化應(yīng)用教育的道路；②從力學(xué)發(fā)展的角度來看，時代背景對現(xiàn)代學(xué)生提出了新的要求，一個學(xué)生是否熟練掌握數(shù)值仿真技術(shù)（建模，計算，分析），決定了該學(xué)生的就業(yè)前景。

2 傳統(tǒng)力學(xué)基礎(chǔ)課程教育的問題

對于當(dāng)前各專業(yè)的力學(xué)類基礎(chǔ)課程（主要包括工程力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)）教育，國內(nèi)大部分普通高校還在一遍遍地重復(fù)著理論公式的推導(dǎo)，演練著與工程實際相差極大的例題，無論是應(yīng)用性、時效性、創(chuàng)新性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于最新的教學(xué)育人計劃。

2.1 應(yīng)用性低

針對傳統(tǒng)的力學(xué)教育的教學(xué)大綱仍放在各種假設(shè)下的各類桿、梁構(gòu)件的理論推導(dǎo)和求解上，而對工作就業(yè)有用的虛擬仿真技術(shù)幾乎未做介紹。由于缺乏面對工程實際對象的研究教育，造成了力學(xué)課程難度高、實用性低，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不強。即使對于完成考核后的學(xué)生，學(xué)生沒有獲得力學(xué)的最新知識，仍不知道如何對具體的工程實際力學(xué)問題進(jìn)行模擬和分析。因此，在一些實際的工程項目中，缺乏對問題的跟進(jìn)能力，也就造成了力學(xué)類基礎(chǔ)課程的應(yīng)用性低的問題。

2.2 時效性差

從力學(xué)的發(fā)展階段來看，現(xiàn)在的力學(xué)教育仍處在初級的理論學(xué)習(xí)階段，距離當(dāng)今應(yīng)用性很強的虛擬仿真技術(shù)差距較大。對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的應(yīng)用型大學(xué)來說，傳統(tǒng)的力學(xué)教育遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時代的發(fā)展。根據(jù)傳統(tǒng)力學(xué)教育培育出的大學(xué)生進(jìn)入工作單位后，不能很好地將所學(xué)知識與實際應(yīng)用相對接，影響了企業(yè)的工作效率，降低了企業(yè)對大學(xué)生的期待，進(jìn)而影響了社會的發(fā)展。③

2.3 創(chuàng)新性不足

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，能夠很好地解決工程實踐問題，而傳統(tǒng)的力學(xué)教育缺少對實際工程對象的研究教育。由于傳統(tǒng)的力學(xué)教育缺乏激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新力的工程實例，減少了他們在應(yīng)用上的創(chuàng)新性。創(chuàng)新性不足，給社會帶來的是科技進(jìn)步緩慢，進(jìn)而影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。

針對以上傳統(tǒng)的力學(xué)類基礎(chǔ)課程教育問題不能適應(yīng)時代的發(fā)展和社會的需求，將虛擬仿真技術(shù)融入到應(yīng)用型大學(xué)的力學(xué)類基礎(chǔ)課程中具有重要的現(xiàn)實意義。④

3 虛擬仿真技術(shù)融入力學(xué)基礎(chǔ)課程的實踐

針對傳統(tǒng)的力學(xué)基礎(chǔ)課程教育的應(yīng)用性低、時效性差、創(chuàng)新性不足的問題，如何將虛擬仿真技術(shù)有效的融入到力學(xué)基礎(chǔ)課程中，就需要合理地制定教育改革方案，并將其應(yīng)用在實際的課堂中。

將虛擬仿真技術(shù)融入到力學(xué)基礎(chǔ)課程中，本研究制定教學(xué)改革方案如圖1所示。

從教學(xué)改革方案圖中可以看出，將代表性例題轉(zhuǎn)化為工程實際問題，通過虛擬仿真的數(shù)值解與理論計算的公式解相互驗證，有效提高了學(xué)生遇到問題時解決問題的能力。從文獻(xiàn)的查找，實際問題的轉(zhuǎn)化，虛擬仿真的驗證，都需要同學(xué)們的參與，提升了學(xué)生的活躍參與度，進(jìn)一步提高了課堂的學(xué)習(xí)效率。因此，將虛擬仿真技術(shù)融入到力學(xué)類基礎(chǔ)課程中具有可行性。

除教學(xué)改革具有可行性之外，還具有以下主要特點：

（1）針對性強，教學(xué)改革方案針對力學(xué)類的基礎(chǔ)課程，選取結(jié)合專業(yè)背景的工程實際問題作為例題，旨在降低力學(xué)類基礎(chǔ)課程的教學(xué)難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及該課程的工程應(yīng)用性。

（2）實用性高，在力學(xué)基礎(chǔ)課程教育中添加數(shù)值仿真技術(shù)，學(xué)生通過課程教學(xué)掌握了仿真工具。由于能夠解決實際問題，學(xué)生可以把自己對專業(yè)方面思考的問題用虛擬仿真軟件解決，因此提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生熟悉了一門就業(yè)技能，提高了就業(yè)幾率。

（3）主次明確，在強調(diào)應(yīng)用性的同時，也不能完全放棄對學(xué)生公式推導(dǎo)能力的教學(xué)，采取理論聯(lián)系工程實際相結(jié)合的方式，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的同時，提高學(xué)生對理論的認(rèn)知。

（4）可推廣性強，可將這種教學(xué)改革思路推廣至其他專業(yè)基礎(chǔ)教育課程中。

4 階段性成果

以重慶科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)為例。自2009年開設(shè)此專業(yè)以來，逐年增加了虛擬仿真技術(shù)在人才培養(yǎng)總學(xué)分中的比例，如MATLAB與工程數(shù)值方法、力學(xué)建模CAD訓(xùn)練、工程分析軟件及其應(yīng)用、計算流體力學(xué)仿真課程設(shè)計等一系列課程的開設(shè)，使實踐教學(xué)資源占據(jù)總學(xué)分的21.1%。

通過改善課程結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，增強了所培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，本專業(yè)學(xué)生在歷屆全國大學(xué)生周培源力學(xué)競賽中斬獲諸多獎項，由最初2009年的4位全國獎到2015年的9位全國獎，獲獎比例從13.3%增加至26%。

學(xué)生實踐能力的提升，得到了就業(yè)單位和考研目標(biāo)院校的認(rèn)可，近三年，本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率高達(dá)92%以上，考研率高達(dá)40%以上。

將力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革付諸實踐，走教學(xué)與科研相結(jié)合、理論與應(yīng)用相結(jié)合的道路，進(jìn)一步證明了力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革在實踐上的可行性和有效性。

5 進(jìn)一步思考

虛擬仿真應(yīng)用到力學(xué)類基礎(chǔ)課程盡管取得了不少的進(jìn)步，但由于經(jīng)驗積累不足，仍有較大的提升空間，需進(jìn)一步加強和完善，重點表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）虛擬仿真結(jié)合實物實驗，進(jìn)行專題教學(xué)。在未來繼續(xù)推動的過程中，可進(jìn)一步采用與實物實驗相結(jié)合的方式，實行專題教學(xué)，將理論計算上的東西真實地體現(xiàn)到實物中去，讓同學(xué)們真實體驗到所學(xué)知識的價值，提升他們的認(rèn)識。

（2）將虛擬實驗平臺與MOOC相結(jié)合。現(xiàn)階段移動終端設(shè)備比較普遍，同學(xué)們可以結(jié)合MOOC更好地學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù)，提高了教學(xué)的成效，實現(xiàn)理論與實踐的深度結(jié)合。