虚拟实验技术在力学实验教学中的应用与探讨

［摘 要］ “力学”是土木类和机械类专业本科阶段首先联系理论与实际工程应用的课程，实验教学更是课程实践的核心。基于虚拟实验技术设计了一种力学实验翻转教学模式，针对目前“力学”课程实验教学的现状与问题，有效地通过“虚实结合”形式，发挥虚拟实验技术的优势，提升力学实验教学的质量与效果。通过课前虚拟实验预习、课中实操结合研讨、课后总结与拓展3个环节，把虚拟实验作为力学实验教学的补充，并以“纯弯曲梁的正应力测定实验”的实施过程中虚拟实验技术的应用为例，展示力学虚拟实验的设计及与实物实验相结合的实施要点。通过实验实施，学生更好地掌握力学实验的基本原理和操作流程，加深对实验的认知，同时创造了培养学生创新实践能力的条件。

［关键词］ 力学；实验教学；虚拟实验；虚实结合

［基金项目］ 2021年度海军工程大学教学发展基金项目“以理实结合为牵引的工程力学‘微实验’应用探索”（2021A08）

［作者简介］ 胡年明（1989—），男，湖北武汉人，工学博士，海军工程大学基础部力学教研室讲师，主要从事固体力学、冲击动力学研究；吴 菁（1981—），女，湖北咸宁人，工学博士，海军工程大学基础部力学教研室副教授，主要从事复合材料力学研究；吴林杰（1987—），男（土家族），湖北宜昌人，工学博士，海军工程大学基础部力学教研室讲师（通信作者），主要从事爆炸力学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）07-0001-04 ［收稿日期］ 2023-12-12

对于土木类和机械类专业而言，“力学”课程是架起理论学习与实际工程应用之间的桥梁。实验教学作为“力学”课程的重要组成部分，旨在培养学生的创新意识和实践能力，促使他们深入理解知识并构建坚实的知识框架。特别是培养学生“理论与实践相结合”思维模式，实验教学发挥着不可替代的作用［1］。然而，当前部分力学实验课程仍沿用传统的“理论讲解—实验操作—实验报告”模式，实验内容主要围绕验证型实验展开，与工程实践的关联较为薄弱，缺乏创新性探究的空间，无法完全满足同时培养创新意识和工程实践能力的复合型人才的目标要求。

信息技术和网络技术的快速发展有效加快了“智能+教育”“线上线下融合”以及“虚实结合”教育领域的发展。众多教育工作者开始探索将虚拟仿真技术应用到实践教学中，以解决实验教学中存在的一些问题［2］。在力学实验教学中，虚拟实验技术的应用为实验教学的“线上线下混合”和“翻转式教学”等教学模式的改革创造了良好的机遇。这些进步不仅与未来教育的发展趋势一致，还有助于培养具备工程实践能力和思维创新性的人才。

一、力学实验教学的现状与挑战

在新形势下，面对新的教学要求和人才培养目标，“力学”课程的实验教学面临以下挑战［3］。

（一）教学组织限于实验环境，缺乏“自主空间”

力学实验课程的实验设备数量和场地要求是限制实验教学的关键因素，学生在课前接触实验设备机会较少，无法提前预先熟悉实验设备、掌握实验流程，更无法在此基础上进一步设计实验进行创新。

（二）实验内容限于验证型实验，缺乏“两性一度”

实验内容主要集中于金属材料的拉伸、压缩、扭转、弯曲、正应力测定等，缺乏设计和创新的实验内容，实验结果通常为已知的结论，不具备专业背景，无法激发学生的研究兴趣。

（三）教学模式限于“复刻式”实验教学，缺乏“探究质疑”

在实验教学中，大量的课堂教学时间被用于理论讲解和演示，导致学生的亲身实践时间被大幅压缩。在有限的实操时间内，学生往往仅能“机械”地模仿教师的操作，缺乏深度的探索和设计过程，缺乏对实验结果的思考和质疑，无法培养学生的实验设计能力和创新思维。

（四）考核方式限于书面报告，缺乏“能力评估”

验证型实验的实验结果多为预期的结论，缺乏开放性。将此作为主要考查内容，往往不能全面评估学生的实验操作能力和设计创新能力。同时，会对学生输出一种错误的实验价值导向，妨碍了学生认识实验的核心目的。

二、虚拟实验技术的潜力与优势

虽然虚拟实验存在诸如实验环境理想化、教师无法实时指导、持续吸引学生的兴趣等问题，但其在成本、超越时空限制、交互性和安全性等方面的独特优势为力学实验教学带来了前所未有的可能性［4］。针对上述的力学实验教学问题，虚拟实验不仅能够胜任传统实验的大部分教学目标［5］，还展现了以下显著的优势。

（一）时空灵活性

相比于传统实验需要安排实验设备和实验时间，虚拟实验借助数字化平台允许学生随时随地接入实验环境，根据自己的时间表自主学习，熟悉实验原理和操作流程，且可以在不消耗实验耗材的情况下重复操作，以加深对实验原理和流程的掌握，降低实验教学成本。

（二）内容多元性

虚拟实验既可以是低碳钢的拉压扭实验等验证型实验，又可以是受时间、场地、设备等实际条件限制不易开展的实验，如耗时较长的疲劳实验等；同时也能承担扩展性实验，比如材料成本相对较高的铝合金、有机玻璃的材料力学性能实验，作为实验教学的重要补充。

（三）主动探索性

在没有教师现场指导的环境中，学生必须自主操作虚拟实验，不仅锻炼了学生的实验操作能力，还通过主动探索促使学生深化对实验原理和步骤的认识，有助于学生在掌握基础实验原理和操作后开展进一步的探究式、创新式的实验学习。

（四）趣味引导性

虚拟实验有助于将教学环节设计得更富趣味和引导性，进而提高学生的参与度。例如，通过闯关模式的原理测试来加深学生对理论知识的理解，降低单一理论测试的枯燥感，使实验数据处理更加图像化，使单调的数据转换为丰富的图形，提高学生的整体学习体验，培养其新技术应用意识。

（五）评价全程性

虚拟实验系统可以在整个实验过程中，从实验操作前的理论测试到操作过程中的评分，以及最后的结果分析，提供全方位的评价体系，这样的反馈机制有助于及时纠正操作中的错误，并加强过程中的学习，实现对学生虚拟实验全过程的考查评价。

三、基于虚拟实验技术的力学实验翻转教学模式设计

针对现阶段力学实验教学面临的挑战，结合虚拟实验技术的独特优势，虚拟实验成为补充传统实验手段，既能让学生熟悉实验流程、掌握实验技术、达成自我检验，又能让其体验传统实验难以实施的内容，从而促进实验教学效果的整体提升，达到“1+1＞2”的效果。未来力学实验教学的发展有望趋向于一个虚实结合、先虚后实的发展方向。

基于“以学生为中心”的教学理念，虚拟实验的教学设计应根据学生对实验课程的认知过程，结合实验教学的目标和内容，充分利用虚拟实验的优势，实现那些现实中难以做到的实时互动和即时数据反馈，基于虚拟实验技术的力学实验翻转教学模式，可按图1所示设计理念开展。

（一）课前虚拟实验预习

教师根据理论课程的进度，安排学生通过虚拟实验软件结合教材、在线微课进行预习，学生应明确实验目的、认识实验设备、理解实验原理、模拟实验操作并思考实验问题。模拟实验操作是虚拟实验的主体内容，能够真实模拟实验情况且不存在安全性和成本问题，能为学生提供试错机会，发现实验中容易出现的问题。通过测试模块对实验中的重要原理和易错问题进行测试，检验预习效果。教师通过收集和分析虚拟实验过程和测试的数据，发现学生实验过程中存在的问题，作为课堂教学过程的依据和支撑，形成实验课堂教学重点。为进一步培养学生实验设计能力，可要求学生根据虚拟实验自行拟订实验的初步方案，明确实验目的，确定须借助实验获得的数据及数据处理方法。

（二）课中实操结合研讨

凭借虚拟实验的操作和学习，学生对实验目的、原理、设备、步骤已经有了初步的认识，教师可依据学生的预习数据，针对实验原理中的重点、难点进行深入剖析，加深理解。组织学生开展实验研讨，发掘通过拟开展的实验可以完成的研究内容，互相交流并改进实验方案，发现实验过程中的潜在问题，并提出问题和应对措施。

在形成完善的实验方案后，组织学生按照实验方案开展实物实验。在此阶段，教师的角色转变为问题解答者而非操作示范者，为学生解答实验过程中提出的问题，并根据学员操作过程中的正确性及科学性为学生评定实验操作分数。

（三）课后总结与拓展

完成实验后，学生根据自身实验方案和结果撰写实验报告，探究实验中遇到的问题，思考如何进行实验延伸与拓展，促进学生深层次的思考并培养其创新意识。教师可根据学生的反馈，梳理问题，将数据反馈纳入虚拟实验的持续改进，为后续教学中虚拟实验的完善提供支撑。鼓励学生提出创新实验设想，教师对创新实验方案给予可行性评估与反馈，对于实验设想合理、实验方案完备的实验可安排学生在课外时间自行完成，进一步为创新能力较强的学生提供实践机会。

在翻转教学模式中，学生是学习过程的主体，实验课程从“模仿”式实验转变为自主性更强的“探索式”实验，虚拟实验使学生在实验理论较为缺乏的情况下对实验进行摸索成为可能，在开展实验前完成虚拟实验，对实验的目的、原理、设备已经有基本的认识，从而可以对实验进行简单设计。在完成实验后，学生验证了自身的理解和知识的可靠性，以虚拟实验作为传统力学实验的补充，不仅满足了学生对知识探索的渴望，还为他们打开了增强创新思维和实践能力的大门。

四、基于虚拟实验技术的力学实验实施实例

“纯弯曲梁的正应力测定实验”是学生首次接触电测法，对掌握电测法的原理和应变测量方法有重要的意义。基于虚拟实验技术，该实验可按如下流程实施：（1）通过“实验基础”模块，学生将对“纯弯曲梁的正应力测定实验”的实验目的、静态电阻应变仪、电测法原理和电测法测量纯弯曲梁正应力的基本步骤4部分内容进行自主学习，完成对实验理论部分的基本认识，教师在课堂应针对该部分的知识难点测量电桥与桥臂系数进行深入的讲解与探讨。（2）通过“理论测试”模块，检验学生对实验理论部分的基本认识的预习效果，强化学生对基础理论中重点问题的认知，对无法通过理论测试的学生，将重新学习实验原理，直至通过理论测试才能进入实验操作模块。（3）通过“实验操作”模块，学生将完成静态电阻应变仪与试验台的连接、应变片接入测量单臂测量桥路、实验过程中应变片与测量通道对应关系、试验加载、试验数据的记录与处理等五项主要内容的学习。经过虚拟实验学习，学生能够自主完成“纯弯曲梁的正应力测定实验”的基本操作，在实践课堂中，教师能帮助学生深入了解实验仪器与设备，如应变片的灵敏度系数，开展不同测量桥路的实际测量等在实际应用中非常重要，是限于学时无法深入讲授的内容。若条件允许，可组织学生开展“桁架结构的应力与内力测定”等电测法拓展型实验，提高学习内容的创新性和挑战度。（4）通过“实验报告”模块，可以将学生的实验结果形成数字化结果，能够更形象生动地展示实验结果，教师也可以通过电子化的实验报告，分析学生的学习情况和所得数据的准确性，提高教学效率。

在融合了虚拟实验技术后的力学实践教学中，学习数据的反馈以及教学比对结果显示，虚拟实验对学生的实验技能有显著的提升作用，学生在进入实物实验环节时，能够更迅速地适应实验流程，对于实验原理和步骤的理解更为明晰。学生能够在课上自行探索并成功实施如“半桥桥路”测量“纯弯曲梁的正应力”等更具有“高阶性”和“挑战度”的实验方法。

学生普遍反馈有了虚拟实验的基础，在实验过程中能够投入更多的精力和时间进行深入思考。这种深度思考不止步于完成实验操作和获取数据，而是使他们能够更深刻地从实验过程和结果中理解相应的实验原理。这反映了虚拟实验作为教学辅助工具的价值，在帮助学生构建知识框架和促进深度学习方面发挥了重要作用。