實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校人才培養(yǎng)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力有著不可替代的作用。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是高校工科專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程《材料力學(xué)》、《工程力學(xué)》、《建筑力學(xué)》的重要組成部分。通過材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生加深對(duì)材料力學(xué)基本概念、基本理論的理解和認(rèn)識(shí)，使學(xué)生牢固掌握材料性能指標(biāo)的檢測(cè)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題。材料基本變形、組合變形測(cè)量等實(shí)驗(yàn)涉及眾多電測(cè)方面的知識(shí)，如應(yīng)變片、應(yīng)變儀、力的傳感器、橋路及其連接、貼片與溫度補(bǔ)償?shù)�，是力學(xué)與電學(xué)知識(shí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。近年來，由于專業(yè)熱點(diǎn)變化，這類材料力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在高校普遍存在壓減學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模萎縮、儀器使用損壞率高、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限等問題，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片的粘貼實(shí)驗(yàn)周期長，而且因?yàn)樘撡N等操作會(huì)造成材料損耗，測(cè)量前的線路焊接、電橋搭配等的不正確操作也會(huì)造成儀器的損毀，所以實(shí)驗(yàn)中的這些步驟都在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中省略了，學(xué)生失去了動(dòng)手動(dòng)腦進(jìn)行科研訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，實(shí)驗(yàn)做完后對(duì)電測(cè)原理一無所知，教學(xué)效果很不好。

 

如何在現(xiàn)有條件下發(fā)揮有限資源的最大效率，并顯著提高材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，是廣大實(shí)驗(yàn)教學(xué)老師正在探討的課題。近年來，國內(nèi)各高校不斷嘗試將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使得教與學(xué)的方式發(fā)生了革命性的變化。

 

仿真實(shí)驗(yàn)是通過計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的模擬程序來完成實(shí)驗(yàn)過程，不受實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料的限制，因其具有經(jīng)濟(jì)性、開放性、針對(duì)性及安全性等特點(diǎn)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的一種有效實(shí)驗(yàn)手段。

 

為此，結(jié)合材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，運(yùn)用信息技術(shù)尋求一種合理、高效的仿真實(shí)驗(yàn)途徑具有非�，F(xiàn)實(shí)的意義。研制材料力學(xué)電子測(cè)量仿真系統(tǒng)，可以讓學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)通過仿真貼片、接線、加載、測(cè)量，對(duì)電測(cè)原理有個(gè)完整了解，作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，也可大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

 

 

1）材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的技術(shù)選型

 

系統(tǒng)開發(fā)選用C++ Builder， C++ Builder具有快速的可視化開發(fā)集成環(huán)境，內(nèi)置了大量完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴(kuò)展性的可重用控件，利用C++ Builder可以快速完成復(fù)雜的界面交互，讓我們將開發(fā)的重點(diǎn)放在內(nèi)部流程與算法，無需考慮界面實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)交互，從而提高開發(fā)效率。

 

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫選用比較通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Sever，采用兩層的C/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫中記錄實(shí)驗(yàn)操作人員、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)過程操作記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄等，實(shí)驗(yàn)老師可以通過系統(tǒng)管理程序查看記錄，了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況及仿真系統(tǒng)使用情況。使用通用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Sever的好處之一是可以支持網(wǎng)絡(luò)并行操作，學(xué)生可以在不同終點(diǎn)同時(shí)做不同實(shí)驗(yàn)；另一個(gè)好處是保存大量的實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)明顯變慢。

 

2）材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)構(gòu)成

 

材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要分為兩大部分：超媒體的教學(xué)演示系統(tǒng)（表1 ）和仿真模擬實(shí)驗(yàn)。超媒體的教學(xué)演示系統(tǒng)主要利用計(jì)算機(jī)將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康�、基本原理和操作步驟以文字、動(dòng)畫、聲音、視屏等方式組合展示出來，目的是使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)難點(diǎn)等。

 

仿真模擬實(shí)驗(yàn)部分主要是材料力學(xué)的五個(gè)主要電測(cè)實(shí)驗(yàn)：分別是 材料彈性常數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、材料切變模量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)、材料純彎正應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)、材料彎扭組合主應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)、材料彎扭組合內(nèi)力素測(cè)量實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)虛擬的三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景（如圖1為彎扭組合的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景），實(shí)驗(yàn)者可以通過鍵盤與鼠標(biāo)與程序交互，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

 

3）仿真實(shí)驗(yàn)過程

 

下面以材料彎扭組合內(nèi)力素測(cè)量為例來說明仿真實(shí)驗(yàn)過程：

 

①試件參數(shù)確定：選擇主界面的材料彎扭組合內(nèi)力素測(cè)量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入圖1的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，就可以選擇實(shí)驗(yàn)的材質(zhì)、尺寸，確定材質(zhì)就相應(yīng)確定了材料的彈性常數(shù)，選定尺寸就是需要輸入梁的長度、內(nèi)外徑及加力臂的大小。

 

②貼片：如果2所示，可以在放大的工作區(qū)及溫度補(bǔ)償區(qū)進(jìn)行貼片，可以在應(yīng)變計(jì)面板選擇不同型號(hào)的應(yīng)變計(jì)，

 

③橋路設(shè)計(jì)：通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)并拖動(dòng)，可以在應(yīng)變計(jì)引腳與應(yīng)變儀A、B、C、D1、D、D2等引腳間連線，不同連線方式形成不同的橋路設(shè)計(jì)。

 

④加載測(cè)量：開啟應(yīng)變儀電源，應(yīng)變儀顯示屏顯示應(yīng)變輸出，如果橋路設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，應(yīng)變儀顯示屏將顯示錯(cuò)誤“E”，這時(shí)需要回到上一步重新進(jìn)行連線操作。如果屏幕顯示隨機(jī)變動(dòng)的值，點(diǎn)擊清零后就可以恢復(fù)為零，并可以開始加載實(shí)驗(yàn)，加載過程點(diǎn)選記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)前外載荷及應(yīng)變輸出系統(tǒng)就會(huì)記錄。

 

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束，選擇打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將輸出帶全部實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)過程記錄的完整實(shí)驗(yàn)記錄報(bào)告，需要手工完成的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理。

 

4）材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要特色

 

①目前國內(nèi)有些高校在電測(cè)仿真系統(tǒng)有些探索，但主要還停留在實(shí)驗(yàn)過程的輔導(dǎo)上，如應(yīng)變片選擇、貼片、橋路設(shè)計(jì)、加載、測(cè)量等，每個(gè)過程都是最優(yōu)的單一選擇，就像一個(gè)電子教案。材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)在此方面進(jìn)行重點(diǎn)突破，提供一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，試件的材質(zhì)、尺寸可以在許可范圍內(nèi)自由設(shè)定，應(yīng)變花可以隨意選擇，補(bǔ)償片的選擇，橋路選擇都有充分的自由度，系統(tǒng)內(nèi)依據(jù)選定的參數(shù)及橋路設(shè)計(jì)、加載情況計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變儀輸出，并在輸出結(jié)果上加上白噪聲和時(shí)漂移，操作人員可以按照真實(shí)測(cè)量那樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

 

②材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)涵蓋了材料力學(xué)課程中的所有電測(cè)實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)涉及材料力學(xué)課程的所有專業(yè)因?qū)嶒?yàn)學(xué)時(shí)的原因最多只會(huì)實(shí)做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，短學(xué)時(shí)的專業(yè)只會(huì)做最簡(jiǎn)單的材料彈性常數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。由于貼片到可以測(cè)量一般需要數(shù)天時(shí)間，實(shí)做實(shí)驗(yàn)都不會(huì)涉及貼片和接線。而仿真系統(tǒng)就可以由淺入深的包含全部5個(gè)電測(cè)實(shí)驗(yàn)，并可仿真全部的實(shí)驗(yàn)過程。

 

 

材料力學(xué)電測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)是一種全新的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在這種環(huán)境下學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”，并迅速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果其方便性是實(shí)物實(shí)驗(yàn)所不可比擬的。仿真實(shí)驗(yàn)作為一種全新的教學(xué)手段，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，尤其是在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和設(shè)備受到限制的條件下，能有效地緩解當(dāng)前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，也是高等教育的大眾化發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。

 

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