虚拟仿真实验在教学中的应用

刘习军　张素侠　崔福将　周安琪

摘  要：随着虚拟仪器及计算机技术的发展，虚拟仿真实验在高等教育中已得到了广泛重视，天津大学通过建立虚拟仿真实验平台，设计了“工程振动测试技术”开放课程中的5个虚拟仿真实验，通过两个学期的应用，取得了很好的教学效果，解决了实验课程中的动手操作问题，是值得大力推广的一种新的教学模式。

关键词：虚拟实验;高校课程;实验教学;教学改革

中图分类号：G642        文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2019）26-0115-03

Abstract： Along with the development of the virtual instrument and computer technology， virtual simulation experiment has received extensive attention in higher education.Tianjin University establishes simulation experiment platform and design the five virtual simulation experiment of the open course called "engineering vibration test technology".Through the application of two semesters， the open course has obtained good teaching effect and solved the hands-on problems in experimental courses， whichshows that it is worth promoting a new teaching mode.

Keywords： virtual experiment; college courses; experimental teaching; teaching reform

一、概述

實验教学在普通高等教育中占有非常重要的地位。随着虚拟仪器技术和计算机技术的发展，虚拟仿真实验应运而生。虚拟仿真实验在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的发展方向[1]。什么是虚拟仿真实验，虚拟仿真实验是一种基于计算机虚拟技术所编制的计算机辅助教学软件，是除理论与物理实验之外的第三种教学研究手段[2]。

从教学应用角度来看，虚拟仿真实验是使得学生可以通过操作计算机来操作自定义的虚拟仪器。对实验系统进行数据采集、分析计算和数据存储等操作。它可扩展传统实验仪器的功能，是促进教学实验内容先进性展示的教学平台。

虚拟仿真实验的特点是：1. 降低实验教学的成本，减少部分仪器设备的购置。同时也不需要传统实验中易耗品的消耗。2. 不受实验和空间的限制。学生可在学习的任何时段、任何地点进行实验。3. 不受客观条件的影响，可实现实物实验难以进行的实验项目。实现完全相同条件下的重复实验等。4. 实现教育资源共享，提高实验教学质量，节省实验室设备和场地的投资[3]。

虚拟仿真实验是运用虚拟现实技术模拟实物实验的，它采用多媒体信息技术，在计算机上建立虚拟仿真实验教学环境，通过接近真实的人机交互界面完成实验。虚拟仿真实验在教学中的优势是显而易见的，是值得大力推广的一种新的教学模式[2]。

二、虚拟仿真实验的教学内容

天津大学建立的虚拟仿真实验平台，如图1所示，设计了“工程振动测试技术” 开放课程中的5个虚拟仿真实验，引入了先进的教学内容，开发了新的实验项目，以完备的实验平台为基础，虚拟仿真实验结合了软硬件的功能模块，大大提升了实验仪器设备的功能多样化和重复利用率，增强了实验课程教学平台的扩展性，促进了实验教学课程的发展。

（一）虚拟仪器

虚拟仪器是利用美国NI公司的DASYLab学生教学平台设立的，利用此平台编制虚拟仪器，可验证采样定理、频率混淆和窗函数的应用，栅栏效应曲线，滤波器的特性曲线等，图2是在此平台上所编制的验证数字分析中栅栏效应的实验框图。

（二）车桥耦合系统动态应变及冲击系数仿真实验

车辆-桥梁耦合系统动态应变及冲击系数测试仿真实验，如图3所示，它包括两部分内容：1. 动态应变测试实验。对车辆过桥时，桥梁各测点的动态应变数据进行采集分析;2. 冲击系数测试实验，设置正常跑车实验和跳车实验工况，分别采集动态应变数据，分析相应的冲击系数。通过该虚拟仿真实验，主要掌握结构系统动态应变使用方法，能够利用动态应变数据计算冲击系数[4]。

（三）桥梁实验模态分析虚拟仿真实验—传递函数法

传递函数法是在实验中同时测量激振力时间历程和响应时间历程的方法，如图4所示，实验中应用力锤激励斜拉桥模型进行测试分析。通过模态分析软件得到传递函数的幅频曲线、相频曲线、实频曲线和虚频曲线，然后通过识别模态参数，得到桥梁的若干阶固有频率、振型和阻尼比。通过该实验可以掌握实验模态分析软件的使用方法，加深对理论知识的理解[5]。

（四）桥梁实验模态分析虚拟仿真实验—环境激励法

环境激励法是在实验中不需要测量激振力的方法，如图5所示，它应用于大型结构无法进行人工激励的情况。本实验是对车辆激励作用下的斜拉桥模型模态进行测试分析，通过模态分析软件可以得到响应的自功率谱、互功率幅值谱、互功率相位谱、相干函数和传递率，通过模态参数识别，得到桥梁的若干阶固有频率和振型及阻尼比。通过与传递函数法得到的实验结果对比，测试的结果是基本相同的，可以更好的理解模态参数是结构的固有特性参数这一概念。

（五）跨海大桥力学综合测试虚拟仿真实验

本虚拟仿真实验以跨海大桥这一典型的大型工程结构物为例，针对所涉及的风场、应力场、应变场、振动模态等力学问题，综合运用多门力学基础和专业课程的知识，以现场测试场景揭示所涉及的力学规律。此实验是综合探究性虚拟仿真实验，如图6所示，旨在使学生在学习相关力学课程理论知识的基础上，拓展基础和专业力学实验教学的广度和深度，了解和掌握力学测试的实验设备、仪器和测试方法，培养实际操作能力、分析解决问题能力、研究设计和创新能力。

三、虚拟仿真实验平台的制作

虚拟仿真实验平台的制作是虚拟仿真实验教学开展的重要部分，首先由实验团队讨论制作方案，写出脚本，然后由专业公司制作，具体如下：

1. 首先对专业公司制作团队进行培训，将每一个实验进行详细的讲解并演示操作过程，使制作虚拟仿真实验的相关人员对实验内容有一个基本的认识。

2. 针对每一个实验，根据其实验内容、实验原理和涉及的知识点，将对应的虚拟仿真实验划分为几大模块（如：实验介绍、仪器连接、参数设置、数据采集、数据分析、实验总结等）。

3. 确定制作虚拟仿真实验的每个模块所需要的材料（如：文本信息、模型和仪器的实物图片、录制仪器连接过程、录制软件的参数设置和数据采集过程等等），撰写详细的脚本文件。

4. 对各模块的功能和实施过程进行简要叙述，对每个模块的实验步骤进行详细说明，并配合图片展示，并配以解说词。如：传感器的安装、参数设置，数据的采集和处理等，同时给出明确的实验结果与要求。

5. 专业公司制作团队根据撰写的脚本文件进行首次制作，双方及时进行沟通，对虚拟仿真实验与物理实验中不符的地方，并给出具体的修改意见，直至其达到实验教学的要求。

6. 依次完成每个虚拟仿真实验的制作，逐步完善虚拟仿真实验平台。

四、虚拟仿真实验的教学应用

虚拟仿真实验应用有两种方法：1. DASYLab平台法，可以通过下载软件文件安装在个人电脑上，運行相关软件就可以进行虚拟仿真实验。2. 车桥耦合虚拟仿真平台法，可以在网络上运行学习，点击有关图标即可进行有关虚拟仿真实验（车桥耦合冲击系数、桥梁实验模态分析-传递函数法、桥梁实验模态分析-环境激励法）。从这个意义上来说，虚拟仿真实验室在实验教学上的应用是多种多样的，是实验教学的突破点和转折点。

结合天津大学的MOOC“工程振动测试技术”课程，利用虚拟仪器实验，熟悉虚拟仪器技术的编程方法，运行虚拟仪器验证数字信号中的采样定理、频率混淆和窗函数的物理意义，熟悉FFT的计算方法，掌握虚拟仪器在工程上的应用。

结合天津大学的MOOC“工程振动测试技术”课程，利用车桥耦合虚拟仿真实验平台，首先熟悉测试设备的操作应用、参数设置、传感器的安装和系统之间的仪器设备连接等操作步骤，通过进行车桥冲击系数熟悉仪器的简单应用，进一步可利用两种激振方法对桥梁模型进行模态分析，这样通过虚拟仿真实验即可掌握工程测试技术课程的基本内容。

五、虚拟仿真实验教学应用的效果

虚拟仿真实验在教学中的应用，取得了很好的效果，提高了实验课程教学内容的先进性，验证了现有理论的正确性。为了能够对学生快速进行素质教育，并接触到前沿的科学知识，就必须提供先进的实验教学理念，帮助学生学习和理解，让先进的实验内容走进实验教学课堂，虚拟仿真实验为智慧前沿科学知识走进实验教学课堂提供了方便[6，7]。

虚拟仿真实验采用软硬件功能模块相结合的方式，有利于培养学生的动手能力和创新精神，有助于革新传统的教学模式，推动实验课程的创新，促进开放教育的发展。

振动测试系统虽然由于生产厂家不同，导致仪器面板设计不同、软件的菜单设计不同，但测试原理是相同的，只要掌握了一种设备的应用方法，类似设备的使用也就掌握了。

六、结束语

虚拟仿真实验是教学中的一种新模式，在讲课过程中采用统一的设备进行初步操作学习，在对操作步骤熟悉后，可根据各自单位的具体实验条件（设备）进行物理实验，解决了不同单位不同设备的教学难点问题，实现了利用MOOC学习的终身教育问题。这种利用统一的教学模式，分散的振动力学实验课程，是值得大力推广的一种新的教学模式。

参考文献：

[1]贾启芬，张素侠，刘习军.将工程教育融入力学课程教学之中[J].教育教学论坛，2010（36）：27-28.

[2]茹婷婷，石莹岩，初学峰.基于高校虚拟化学实验研究若干问题的建议[J].高教学刊，2016（12）：54-55.

[3]潘雪涛，邬华芝，蔡建文，等.创新虚拟实验教学模式培养自主学习能力[J].实验室研究与探索，2014（11）：80-84.

[4]刘习军，相林杰，张素侠，等基于小波分析的跳车对桥梁的振动影响[J].振动.测试与诊断，2015，35（05）：865-872.

[5]刘习军，商开然，张素侠，等.基于小波包变换的梁式结构损伤定位方法[J].实验力学，2015，30（3）：305-312.

[6]钟顺，贾启芬，张素侠，等.创建三维力学工程教学系统的实践研究[J].教育教学论坛，2012（36）：234-235.

[7]叶彦斐，李志华，刘久付，等.基于虚拟实验技术的单片机课程实践教学改革研究[J].科技视界，2016（8）：50-51.