本文作者：莫春美 李甜 杨汉宁 发表期数：现代职业教育 2022年12期 本文字数：2469

　　[摘           要]  虚拟仿真技术可将抽象理论知识可视化，弥补高校实验教学条件的不足。将虚拟仿真技术引进土木工程专业力学类课程教学中，建立“三层次四平台”力学类课程虚拟仿真教学体系，实现理论教学、实验实训和技能提高等多功能，同时设计了三层级递进式的实践项目，培养学生由基础性技能向实践性技能和创新性技能转变，为高校培养复合型人才的目标助力。
　　[关    键   词]  虚拟仿真;力学;课程体系;“三层次四平台”
　　[中图分类号]  G647                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2022）12-0094-03
　　 理论力学、材料力学和结构力学是高校土木工程专业重要的三门专业核心课，课程理论性强、概念抽象、与工程实践密切相关，能为土木工程专业的学生将来解决实际工程中力学问题提供科学的思路和方法，在应用型人才培养计划中占据重要地位。《教育部 国家发展改革委 财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》指出，普通本科高校要把培养目标转到培养应用型技术技能型人才上来，全面提高学校服务区域经济社会发展和创新驱动发展的能力。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术在高校教学中的应用越来越广泛。相比传统力学类课程的教学方式，将虚拟仿真教学引入土木工程专业力学类课程中，促使课程内容更具仿真性、互动性，通过虚拟仿真教学给学习者沉浸式的直观体验，带来较强的实操代入感。结合高校现有实验条件及企业对应用型人才的需求现状，建立“三层次四平台”力学类虚拟仿真课程教学体系，设计有针对性的实践实训项目，提高学生的实践技能和创新技能，对保证高校培养复合型人才质量具有重要的现实意义。
　　 一、国内外研究现状
　　 随着计算机技术不断进步和学科专业的发展，虚拟仿真技术可利用仿真计算软件和计算机平台，既可以再现传统实验室中的经典实验，又可以展开传统实验室难以开展的高成本、高危险、高难度试验[1]，因此得到了国内外学者的青睐，纷纷将虚拟仿真技术引进课堂教学中。美国大学在力学系列课程中引入MATLAB、Excel、ANSYS等软件，在课堂上不仅讲解软件辅助解题过程和验证力学知识，甚至学生的作业也是利用计算机完成，加深了学生对抽象力学知识的理解，也为将来解决工程实际问题打下扎实的基础[2]。从2006年开始，英国开放大学基于互联网的三维虚拟世界“第二人生”（Second Life）开展教学，构建与课堂平行的三维虚拟环境[3]。在我国，虚拟仿真技术广泛应用于力学类课程的实验教学环节，有研究学者将虚拟仿真技术引进工程力学实验教学中，建设工程力学基础实验虚拟仿真平台，对实验室实验进行补充，弥补高校实验条件的不足，同时实现实验教学资源共享[4]。也有学者在材料力学课程的实验中引入Unity 3D程序，开发材料组合变形虚拟仿真实验系统，模拟真实实验的操作过程[5]。力学课程具有概念性强的特点，将CAE软件应用于力学课程教学中，可将典型力学知识可视化[6]。在力学课程的教学中增加ANSYS软件上機训练，加深和提高学生对理论力学基础知识的理解和软件的操作能力[7]。
　　 二、力学仿真教学的必要性
　　 伴随人工智能时代的到来，在新工科背景下社会对应用型人才的能力要求更高，土木工程专业本身具有较强的应用性和实践性，传统的力学类课程教育和培养模式已经不再适应时代的发展，也不能满足学生技能性创新的需求。
　　 （一）将抽象理论知识可视化
　　 力学类课程具有理论性强、概念多、知识系统庞大等特点，将虚拟仿真教学引入土木工程专业力学类课堂教学中，可以通过虚拟仿真软件对构件、结构进行建模和分析，模拟结构的变形、破坏情况，将内力、应力、变形等抽象的概念以直观、形象的变形图和应力云图等形式展示给学生，提高学生的学习兴趣和课堂学习效率。
　　 （二）破解“重理论、轻实践”问题
　　 传统课堂教学中，教师更偏重于讲授每道题目的计算方法和步骤，重理论、轻应用，久而久之，学生只重视最终计算结果，并不知道如何利用力学知识解决工程实际问题。力学模型实验多为破坏性实验，耗材多，破坏过程短暂，学生很难察觉整个破坏的过程，实验过程中不可控情况多且具有一定的危险性，破坏性实验是不可逆的，，由于资源有限，并不能保证每位学生有足够的动手操作机会。将ABAQUS等仿真软件引入实验教学环节中，学生利用仿真软件，对工程结构进行力学简化、建模、内力分析和结构优化，强化学生理解基本概念的同时还提升了对工程结构的分析能力。
　　 （三）提高创新技能
　　 实际工程结构分析具有多样性，包括受力分析、变形分析和优化结构分析，在力学类课程实践环节中，增设一些开放性、设计性实践项目，学生利用虚拟仿真软件对结构进行自主设计、分析及优化，培养学生的创新意识和提高创新技能。
　　 三、建立基于虚拟仿真的“三层次四平台”力学类课程体系
　　 将理论力学、材料力学和结构力学三大力学内容进行重新整合，根据内容特点建立基于虚拟仿真的“三层次四平台”土木工程专业力学类课程教学体系，四大仿真平台可分为基础仿真、过程仿真、实训仿真及技能竞赛，实现教学、实验、实训和技能鉴定等多功能，培养学生由基础性技能向实践性技能和创新性技能转变。“三层次四平台”的虚拟仿真教学体系如图1所示。

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