（工程力学专业论文）基于Web的材料力学实验仿真软件的开发.pdf

摘要 摘要 材料力学实验课程在材料力学教学中有着非常重要的地位。开发材料 力学实验仿真软件，不仅可以用来进行远程教学以缓解当前实验教学的压 力，也可以在实际教学中作为学生的课前预习和课后巩固使用。 本文提出了如何在wi n d o w s 9 x / n t / 2 0 0 0 环境下，借助v i s u a l c 十 占 结 合面向对象技术开发材料力学实验仿真软件的设计思路，介绍了通过 o p e n g l , a c t i v e x 控件以 及数据库来模拟真实实 验的新方法， 并给出了 相应的具 体开发方案。 在力学实验的模拟上，根据实验的特点主要通过两种方式进行模拟: 其一，在实际实验中所得数据的基础上建立数据库进行实验的再现模拟; 其二，是根据理论原理建立数学模型进行数值模拟。通过以上两种不同的 模拟方法，本论文分别阐述了拉伸破坏实验、压缩破坏实验以及电测法测 定材料弹性模量和泊松比的仿真软件设计与开发的方法。同时，分析讨论 了材料塑性变形阶段的力学性质及本构关系。最后，构架了用于进行远程 教学的 “ 材料力学网络实验室”的总体框架。 本论文对基于we b 的实验教学仿真软件开发方案进行了探索研究。 材 料力学实验仿真软件的成功开发验证了新思路、新方法的可行性，为今后 其它材料力学实验仿真软件的继续开发并最终实现现代化远程教学奠定 了基础。 关键词:仿真材料力学实验本构关系a c t i v e x控件远程教学 摘要 a b s tr a c t t h e e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g o f m e c h a n i c s o f m a t e r i a l s p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e t e a c h i n g . d e v e l o p i n g e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e o f m e c h a n i c s o f m a t e r i a l s c a n m i t i g a t e t h e c u r r e n t m e s s b y d i s t a n c e e d u c a t i o n . s t u d e n t s c a n a l s o u s e t h e s o f t w a r e f o r p r e p a r a t i o n a n d r e v i e w t h i s p a p e r d i s c u s s e s h o w t o d e v e l o p e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e o f m e c h a n i c s o f m a t e r i a l s t h r o u g h v i s u a l c + + a n d o b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g , w h i c h w a s d e v e l o p e d u n d e r t h e e n v i r o n m e n t o f w i n d o w s 9 x 八t i 2 0 0 0 . i t a l s o t e l l s u s h o w t o s i m u l a t e e x p e r i m e n t s t h r o u g h o p e n g l , a c t i v e x c o n t r o l s a n d d a t a b a s e . a c c o r d i n g t o t h e f e a t u r e o f e a c h r i n d o f e x p e r i m e n t s o f m e c h a n i c s o f m a t e r i a l s , t w o s i m u l a t i o n m e t h o d s w e r e a d o p t e d : o n e i s t o u s e t h e d a t a b a s e g o t i n r e a l e x p e r i m e n t s t o s i m u l a t e t h e m . t h e o t h e r i s t o u s e m a t h e m a t i c a l m o d e l s t o s i m u l a t e t h e m , w h i c h i s b a s e d o n t h e c o n t r o l t h e o r y . t h r o u g h t h e t w o d i f f e r e n t m e t h o d s , t h i s p a p e r d i s c u s s e s h o w t o d e v e l o p t h e e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e : t e n s i l e t e s t , c o m p r e s s i v e t e s t , s t r a i n m e a s u r e m e n t o f y o u n g m o d u l u s a n d p o i s s o n r a t i o . t h i s p a p e r a l s o d i s c u s s e s m e c h a n i c s b e h a v i o r a n d c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f p l a s t i c d e f o r m a t i o n o f m a t e r i a l s . f i n a l l y , t h i s p a p e r d e v e l o p s t h e w e b l a b o f m e c h a n i c s o f m a t e r i a l s f o r d i s t a n c e e d u c a t i o n . t h i s p a p e r f i n d s a b e t t e r w a y t o d e v e l o p e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e b a s e d o n w e b . t h e s c h e m e i s v e r y u s e f u l a n d f l e x i b l e i n d e v e l o p m e n t . i t l e a v e s a l a r g e s p a c e f o r t h e e v o l u t i o n o f o t h e r e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e a n d t h e f u l f i llm e n t o f d i s t a n c e e d u c a t i o n . k e y w o r d s : s i m u l a t i o n , e x p e r i m e n t s o f m e c h a n i c s o f m a t e r i a l s , c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n , a c t i v e x c o n t r o l s , d i s t a n c e e d u c a t i o n 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 材料力学实验 实验是进行科学研究的重要方法， 也是教学活动中一个必不可少的过程。 材料力学实验是学习力学课程及工程专业课程不可缺少的一个重要环节。这 一环节，不仅使学生掌握各种材料的力学性能的分析方法，而且能够培养学 生的动手能力和工程实践的基本技能。材料力学从本质上看就是一门实验科 学，材料力学理论的建立和验证以及强度计算中极限应力的测定等，均以严 格的实验为基础。 材料力学的发展离不开实验和理论两方面，实验和理论相 辅相成，同样重要。 1 . 1 . 1材料力学实验教学的现状及发展方向 力学实验，按现行教学基本要求，在课程设置中只是一个较小的组成部 分。目 前，材料力学教与学的过程中普遍存在重理论轻实验的现象，严重影 响了材料力学的教学质量。究其原因，在很大程度上是因为受到目 前实验室 建设跟不上当前教学需求的影响。 同时， 由于教育经费的不足以 及对力学实验 的重视不够，许多高校的实验设备既陈旧又不完备，已不能满足现在教学的 需要。随着教育的发展和学生规模的急剧膨胀，普通高等院校普遍陷入了实 验室建设规模越来越满足不了教学任务需要这样一种困境。在一般的力学实 验中， 通常是七八个人一组，共用一根试件进行拉伸、压缩、扭转、冲击等 实验。由于实验条件的限制，大部分学生仅仅走了一个过程，只是被动地完 成了实验，而无法真正亲自 参与实验。这就限制了对学生的动手能力以及遇 到问题时分析问题、思考问题、解决问题的能力的培养。 因此，必须寻求新的实验教学方式，否则只能使这种局面更加严峻，导 致材料力学课程教学水平的下降。 在当前实验室建设还不可能得到实际解决的 情况下，科学技术的飞速发 展，尤其随着计算机技术、网络技术、多媒体技术以及相关软件技术的成熟 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 材料力学实验 实验是进行科学研究的重要方法， 也是教学活动中一个必不可少的过程。 材料力学实验是学习力学课程及工程专业课程不可缺少的一个重要环节。这 一环节，不仅使学生掌握各种材料的力学性能的分析方法，而且能够培养学 生的动手能力和工程实践的基本技能。材料力学从本质上看就是一门实验科 学，材料力学理论的建立和验证以及强度计算中极限应力的测定等，均以严 格的实验为基础。 材料力学的发展离不开实验和理论两方面，实验和理论相 辅相成，同样重要。 1 . 1 . 1材料力学实验教学的现状及发展方向 力学实验，按现行教学基本要求，在课程设置中只是一个较小的组成部 分。目 前，材料力学教与学的过程中普遍存在重理论轻实验的现象，严重影 响了材料力学的教学质量。究其原因，在很大程度上是因为受到目 前实验室 建设跟不上当前教学需求的影响。 同时， 由于教育经费的不足以 及对力学实验 的重视不够，许多高校的实验设备既陈旧又不完备，已不能满足现在教学的 需要。随着教育的发展和学生规模的急剧膨胀，普通高等院校普遍陷入了实 验室建设规模越来越满足不了教学任务需要这样一种困境。在一般的力学实 验中， 通常是七八个人一组，共用一根试件进行拉伸、压缩、扭转、冲击等 实验。由于实验条件的限制，大部分学生仅仅走了一个过程，只是被动地完 成了实验，而无法真正亲自 参与实验。这就限制了对学生的动手能力以及遇 到问题时分析问题、思考问题、解决问题的能力的培养。 因此，必须寻求新的实验教学方式，否则只能使这种局面更加严峻，导 致材料力学课程教学水平的下降。 在当前实验室建设还不可能得到实际解决的 情况下，科学技术的飞速发 展，尤其随着计算机技术、网络技术、多媒体技术以及相关软件技术的成熟 第一章 绪论 和发展， 使材料力学实验教学有了新的希望， 即将这些最新的技术发展成果， 用到传统的力学实验教学中来。计算机辅助实验教学作为 c a i ( c o m p u t e r a i d e d 工 n s t r u c t i o n ) 应用的一个方面， 无疑会对实验教学的内容、 方法和手 段的改革以 及实验教学质量的提高，产生积极的推动作用和深远的影响。现 阶段c a i 在实验教学领域中 应用的实践和发展趋势己 表明，c a i 在实验教学 中的应用有巨大的潜力。 由此， 可以预见到材料力学实验仿真软件在未来实验教学中的重要地位。 通过该系统，可以 将因实验条件、资金问题或出 于安全上的考虑而不能进行 的实验工作，在虚拟环境中进行，同样可以获得全面的数据和全真的体验， 突破力学教学的地域限制，并有利于力学的普及教育一。这也是当前研究计算 机辅助教学的主要目的。 1 . 1 . 2关于实验仿真软件的研究工作 在多媒体计算机辅助教学迅猛发展的今天，各高校和单位都推出了种类 繁多的以模拟为主的实验教学类多媒体计算机辅助教学软件。例如，同济大 学的李光耀、 刘剑等人用o p e n g l 实现了数控加工仿真中的图形显示 2 c ， 西北 工业大学机械系李素有、 孙智民等人研制开发出了基于o p e n g l 的机械原理实 验三维图形仿真系统2 5 ， 天津大学应用物理系的王莱等开发出用于物理仿真 实验教学的交互式c a i 软件i n t e r a c t i v e p h y s i c s 2 6 1 。 这其中，以 物理实验 仿真教学软件居多，而尤以中国科学技术大学天文与应用物理系和人工智能 与计算机应用研究室共同承担的国家九五重点科技攻关计划一 “ 大学物理仿 真实验”最为成功。该软件不仅受到了同行专家的认可和高度评价，而且目 前在国内包括香港地区，已 有上百所高校在物理实验教学中应用了这套软件 并取得了很好的教学效果。该软件在英国八大高校、联合国教科文组织及日 本应用物理学会的展示，均受到普遍欢迎12 7 1 但是至今， 国内还没有开发出一套完整的材料力学实验计算机仿真软件， 甚至连相关的研究都非常少。在这个领域中，只有清华大学工程力学系做过 一些研究并有相应的开发2 8 这主要是因为，对于材料力学实验本身来说， 第一章 绪论 和发展， 使材料力学实验教学有了新的希望， 即将这些最新的技术发展成果， 用到传统的力学实验教学中来。计算机辅助实验教学作为 c a i ( c o m p u t e r a i d e d 工 n s t r u c t i o n ) 应用的一个方面， 无疑会对实验教学的内容、 方法和手 段的改革以 及实验教学质量的提高，产生积极的推动作用和深远的影响。现 阶段c a i 在实验教学领域中 应用的实践和发展趋势己 表明，c a i 在实验教学 中的应用有巨大的潜力。 由此， 可以预见到材料力学实验仿真软件在未来实验教学中的重要地位。 通过该系统，可以 将因实验条件、资金问题或出 于安全上的考虑而不能进行 的实验工作，在虚拟环境中进行，同样可以获得全面的数据和全真的体验， 突破力学教学的地域限制，并有利于力学的普及教育一。这也是当前研究计算 机辅助教学的主要目的。 1 . 1 . 2关于实验仿真软件的研究工作 在多媒体计算机辅助教学迅猛发展的今天，各高校和单位都推出了种类 繁多的以模拟为主的实验教学类多媒体计算机辅助教学软件。例如，同济大 学的李光耀、 刘剑等人用o p e n g l 实现了数控加工仿真中的图形显示 2 c ， 西北 工业大学机械系李素有、 孙智民等人研制开发出了基于o p e n g l 的机械原理实 验三维图形仿真系统2 5 ， 天津大学应用物理系的王莱等开发出用于物理仿真 实验教学的交互式c a i 软件i n t e r a c t i v e p h y s i c s 2 6 1 。 这其中，以 物理实验 仿真教学软件居多，而尤以中国科学技术大学天文与应用物理系和人工智能 与计算机应用研究室共同承担的国家九五重点科技攻关计划一 “ 大学物理仿 真实验”最为成功。该软件不仅受到了同行专家的认可和高度评价，而且目 前在国内包括香港地区，已 有上百所高校在物理实验教学中应用了这套软件 并取得了很好的教学效果。该软件在英国八大高校、联合国教科文组织及日 本应用物理学会的展示，均受到普遍欢迎12 7 1 但是至今， 国内还没有开发出一套完整的材料力学实验计算机仿真软件， 甚至连相关的研究都非常少。在这个领域中，只有清华大学工程力学系做过 一些研究并有相应的开发2 8 这主要是因为，对于材料力学实验本身来说， 第一章 绪论 涉及到了诸多力学理论， 在仿真软件的开发过程中，必须考虑材料力学实验 木身的多样性和问题、数据处理的复杂性及其复杂的相关联性。因此，研制 材料力学多媒体实验教学软件较其它课程的实验软件来说，显得尤为困难和 复杂，开发时需要解决的问题主要有以下几点: . 实现与实验仪器设备的交互式操作， 使得学习者可以通过调整实验设 备的控制面板、设置参数或输入数据进行实验; . 对于具有明显实验现象的实验， 仿真软件要配有实时的实验现象演示 动画，使学习者可以清楚地观察实验现象; . 对于有些实验，需要动态绘制出实验曲线; . 实验完成后，学习者能够方便地采集实验数据: . 实验数据的处理。 考虑到以上诸多复杂问题， 如何在仿真软件的设计过程中解决这些问题， 通过计算机来进行材料力学实验的真实模拟还具有相当大的难度，尤其要达 到实时的逼真模拟更是一个值得探讨的问题。 1 . 2计算机辅助教学 计算机辅助教学简称 c a i ，是计算机科学、 教育学和心理学等多种学科 交叉形成的一门新兴学科。它是用计算机作为教学媒体，通过学生和计算机 之间的交互式活动达到教学 有的的一种现代化教学手段， 是现代教育 技术的 重要组成部分。 有人断言， c a i 将成为2 1 世纪教育技术的主流和发展方向1 5 1 与一般的常规教学方法相比，c a i 的优点主要有以 下几个方面p o t , t 1 ) 交互性强， 个别化教学程度高，具有因材施教的能力; f 2 )不受时间和空间的限制; ( 3 ) 融合众多教师的优秀教学方法，具有广泛的适应性; t 4 ) 创造了没有窘迫感的学习环境。 1 . 2 . 1以1 的发展及现状 世界上第一个计算机教学系统是由美国 i b m公司于 1 9 5 8年推出的用于 第一章 绪论 涉及到了诸多力学理论， 在仿真软件的开发过程中，必须考虑材料力学实验 木身的多样性和问题、数据处理的复杂性及其复杂的相关联性。因此，研制 材料力学多媒体实验教学软件较其它课程的实验软件来说，显得尤为困难和 复杂，开发时需要解决的问题主要有以下几点: . 实现与实验仪器设备的交互式操作， 使得学习者可以通过调整实验设 备的控制面板、设置参数或输入数据进行实验; . 对于具有明显实验现象的实验， 仿真软件要配有实时的实验现象演示 动画，使学习者可以清楚地观察实验现象; . 对于有些实验，需要动态绘制出实验曲线; . 实验完成后，学习者能够方便地采集实验数据: . 实验数据的处理。 考虑到以上诸多复杂问题， 如何在仿真软件的设计过程中解决这些问题， 通过计算机来进行材料力学实验的真实模拟还具有相当大的难度，尤其要达 到实时的逼真模拟更是一个值得探讨的问题。 1 . 2计算机辅助教学 计算机辅助教学简称 c a i ，是计算机科学、 教育学和心理学等多种学科 交叉形成的一门新兴学科。它是用计算机作为教学媒体，通过学生和计算机 之间的交互式活动达到教学 有的的一种现代化教学手段， 是现代教育 技术的 重要组成部分。 有人断言， c a i 将成为2 1 世纪教育技术的主流和发展方向1 5 1 与一般的常规教学方法相比，c a i 的优点主要有以 下几个方面p o t , t 1 ) 交互性强， 个别化教学程度高，具有因材施教的能力; f 2 )不受时间和空间的限制; ( 3 ) 融合众多教师的优秀教学方法，具有广泛的适应性; t 4 ) 创造了没有窘迫感的学习环境。 1 . 2 . 1以1 的发展及现状 世界上第一个计算机教学系统是由美国 i b m公司于 1 9 5 8年推出的用于 第一章 绪论 涉及到了诸多力学理论， 在仿真软件的开发过程中，必须考虑材料力学实验 木身的多样性和问题、数据处理的复杂性及其复杂的相关联性。因此，研制 材料力学多媒体实验教学软件较其它课程的实验软件来说，显得尤为困难和 复杂，开发时需要解决的问题主要有以下几点: . 实现与实验仪器设备的交互式操作， 使得学习者可以通过调整实验设 备的控制面板、设置参数或输入数据进行实验; . 对于具有明显实验现象的实验， 仿真软件要配有实时的实验现象演示 动画，使学习者可以清楚地观察实验现象; . 对于有些实验，需要动态绘制出实验曲线; . 实验完成后，学习者能够方便地采集实验数据: . 实验数据的处理。 考虑到以上诸多复杂问题， 如何在仿真软件的设计过程中解决这些问题， 通过计算机来进行材料力学实验的真实模拟还具有相当大的难度，尤其要达 到实时的逼真模拟更是一个值得探讨的问题。 1 . 2计算机辅助教学 计算机辅助教学简称 c a i ，是计算机科学、 教育学和心理学等多种学科 交叉形成的一门新兴学科。它是用计算机作为教学媒体，通过学生和计算机 之间的交互式活动达到教学 有的的一种现代化教学手段， 是现代教育 技术的 重要组成部分。 有人断言， c a i 将成为2 1 世纪教育技术的主流和发展方向1 5 1 与一般的常规教学方法相比，c a i 的优点主要有以 下几个方面p o t , t 1 ) 交互性强， 个别化教学程度高，具有因材施教的能力; f 2 )不受时间和空间的限制; ( 3 ) 融合众多教师的优秀教学方法，具有广泛的适应性; t 4 ) 创造了没有窘迫感的学习环境。 1 . 2 . 1以1 的发展及现状 世界上第一个计算机教学系统是由美国 i b m公司于 1 9 5 8年推出的用于 第一章 绪论 二进制教学的课件。从 1 9 5 8 年至今，c a i 的发展可分为以下几个阶段( 6 ) , 第一阶段:从 1 9 5 8 年至1 9 6 5 年。c a i 刚刚处在探讨和研究阶段，整体 水平很低，硬件系统主要采用小型机和大型机，课件主要由软件公司开发研 制。到 1 9 6 5年， 硬件系统已 采用大型机带终端，很多高等学校也开始研制 c a i 课件，软件系统有了很大的发展。 第二阶段:从 1 9 6 5 年到1 9 7 5 年， 研制开发单位已扩大到学会机构。当 时的c a i 主要应用于师范教学和中小学教学， 在哲学、外语、物理等基础课 中也己广泛地使用了c a i 课件。 第三阶段: 从1 9 7 6 年到1 9 8 6 年， 微型计 算机的出 现大 大地推动了c a i 的发展和推广。硬件开始出现分时的计算机控制的电视系统。软件已开始应 用人工智能技术，使用范围已普及到高校。 第四阶段:1 9 8 7 年至今， c a i 以前所未有的速度向前发展， c a i 的形式、 内容、方法不断变化，推陈出新，其地位和作用也不断巩固、深化、拓展， 相继出现7超文本 ( h y p e r t e x t )和多媒体 ( m u l t i m e d i a )以及智能c a i , 随着计算机的更新换代与迅速普及，多媒体技术、网络技术和系统软件 的问世， 计算机辅助教学有了极大发展。 8 0 年代， 大量的c a i 课件投入教学 使用，形成规模并引起了国内外有关专家的广泛关注，许多发达国家视 c a i 为重要的教学形式，作为衡量教育现代化的标志之一。 如今， c a i教学正朝 着网络化、 多媒体化和虚拟化方向发展。 在 i n t e r n e t 上研究与开发适合教学 的c a i 课件，形成有效的虚拟校园，已 成为当前国际上的研究热点之一1 7 1 o . 国外c a i 发展概况 目 前， 英、美等许多国家的普通高 校都相继建立了虚拟大学 ( v i r t u a l u n i v e r s i t y ) , c v u 是英国科林德虚拟大学 ( c l y d e v i r t u a l u n i v e r s i t y )的 缩写， 该项目由英格兰高等教育基金委员会资助并于1 9 9 6 年8 月初步建成， 共投资4 0 0 万英镑。c v u 是一个虚拟机构，它将分散的格拉斯哥 ( g l a s g o w ) 地区附近的四所大学， 通过高速区域网c l y d e n e t连接起来，集中使用这些 大学的c a i 课件及其他教学资源，实现网上资源共享和远程教学服务。加拿 大新布鲁斯威克 ( b r u n s w i c k )社区学院 ( n b c c )是一个遍布全州的包括 1 0 第一章 绪论 个分校的学院。这所学院目前正在建设一个运行于w w w 网上的、为校内外学 生提供教学课件的虚拟校园。 该虚拟校园不仪可用于对边远地区进行远距离 教育，而且可作为给学生提供更高质量的教学与训练手段川。美国佛罗里达 中央大学已开发出用于公众教育的、低成本的网络虚拟环境 e x p l o r e n e t , 学生可以在上面解决各种教学问题。每个学生的屏幕上有一个模拟像，被放 在共享世界中，网上的所有 p c显示这个世界，当一个学生执行动作时，其 他学生都能看到结果。 美国的其他几所大学也正打算用虚拟现实技术进行教 学，这将使许多难以讲述和理解的难题变得简单易解14 1 . 我国c a 工 发展概况 我国于2 0 世纪8 0 年代开始进行c a i 研究，陆续出现了华东师大的“ 微 机辅助教学系统” ，西安交大的 “ f o r t r a n语言教学系统， ，大连理工的“ 工 程力学题模拟系统”等等。但直到2 0世纪9 0 年代，c a 工 才在国内引起了各 方面的重视和兴趣。国家教委于 1 9 9 2年成立了国家教委工科c a i 协作组， 在北方交通大学投资建成国家教委c a i 软件培训中心; 各高校及公司都开始 c a i 工作，开发自己的c a i 软件 3 1 。 同时， 我国从事c a 工 工作的研究者在教 学软件的开发与应用方面也进行了大量工作，国家教委、c b e学会及各类学 会和高校开展了 许多c a i 活动， 进行学术交流， 取得了一定成就。 在该领域 的学术研究， 国际间的交流也日 益频繁， 1 9 9 8 年在北方交大成功召开了主题 为 “ 全球网络化教育”的亚太地区国际会议。 在应用领域，目 前， 我国最大的双向教育虚拟大学之一的湖南大学多媒 体学院己招收了近千名学生，提供正规的学历教育，同时，开设了各类考试 辅导班、 短训班等非学历教育。1 9 9 8 年， 清华大学、 北京邮电大学也开通了 远程教育， 并 在全国 设立了3 。 个站点川。 1 . 2 . 2计算机模拟实验教学 模拟是对某种系统现象、过程或状态的模仿，通过对对象系统的调查、 分析，可找到表示该系统特性的某种模型，通过这些模型的运动，可以找到 模拟对象的特性规律以及解决问题的方法因。计算机模拟是系统科学中的一 第一章 绪论 个分校的学院。这所学院目前正在建设一个运行于w w w 网上的、为校内外学 生提供教学课件的虚拟校园。 该虚拟校园不仪可用于对边远地区进行远距离 教育，而且可作为给学生提供更高质量的教学与训练手段川。美国佛罗里达 中央大学已开发出用于公众教育的、低成本的网络虚拟环境 e x p l o r e n e t , 学生可以在上面解决各种教学问题。每个学生的屏幕上有一个模拟像，被放 在共享世界中，网上的所有 p c显示这个世界，当一个学生执行动作时，其 他学生都能看到结果。 美国的其他几所大学也正打算用虚拟现实技术进行教 学，这将使许多难以讲述和理解的难题变得简单易解14 1 . 我国c a 工 发展概况 我国于2 0 世纪8 0 年代开始进行c a i 研究，陆续出现了华东师大的“ 微 机辅助教学系统” ，西安交大的 “ f o r t r a n语言教学系统， ，大连理工的“ 工 程力学题模拟系统”等等。但直到2 0世纪9 0 年代，c a 工 才在国内引起了各 方面的重视和兴趣。国家教委于 1 9 9 2年成立了国家教委工科c a i 协作组， 在北方交通大学投资建成国家教委c a i 软件培训中心; 各高校及公司都开始 c a i 工作，开发自己的c a i 软件 3 1 。 同时， 我国从事c a 工 工作的研究者在教 学软件的开发与应用方面也进行了大量工作，国家教委、c b e学会及各类学 会和高校开展了 许多c a i 活动， 进行学术交流， 取得了一定成就。 在该领域 的学术研究， 国际间的交流也日 益频繁， 1 9 9 8 年在北方交大成功召开了主题 为 “ 全球网络化教育”的亚太地区国际会议。 在应用领域，目 前， 我国最大的双向教育虚拟大学之一的湖南大学多媒 体学院己招收了近千名学生，提供正规的学历教育，同时，开设了各类考试 辅导班、 短训班等非学历教育。1 9 9 8 年， 清华大学、 北京邮电大学也开通了 远程教育， 并 在全国 设立了3 。 个站点川。 1 . 2 . 2计算机模拟实验教学 模拟是对某种系统现象、过程或状态的模仿，通过对对象系统的调查、 分析，可找到表示该系统特性的某种模型，通过这些模型的运动，可以找到 模拟对象的特性规律以及解决问题的方法因。计算机模拟是系统科学中的一 第一章 绪论 种重要研究方法，是在计算机的运行过程中实现某种系统的模拟。在许多情 况下，计算机模拟所使用的模型是数学模型，模型的运用实际上是对数学模 型的计算。当变化模拟程序中的参数表示系统外界环境的某些参量时，通过 程序的运行，可以对系统的运行状态、控制过程、响应特性等进行研究。 教学模拟是指用于教学的计算机模拟，在很多情况下其模型是己知的， 它就是学习者需要学习的内容。教学模拟的目的在于让学习者通过对模型及 其运动过程的观察、理解，实现对运动规律的学习和掌握。v 7 此，教学模拟 的设计重点不在于模型的设置， 而在于模拟过程的控制、 模拟结果以及模拟 过程的呈现。教学模拟主要有以下几种类型曰: ( t ) 演示型模拟:将计算机作为一种教具使用，教师将有关内容通过 计算机演示，提供给学习 者学习。演示模拟对于概念的形成、法则的理解是 非常有效的。 2 ) 实验型模拟:学习者通过计算机模拟的具体操作来替代某种实物 的实验。在这种模拟中，学习者通过亲自 操作可以加深对某些现象的认识， 通过对存在于这种现象中并支配这种现象的法则进行验证，更好地理解、掌 握这种法则。 ( 3 )问题解决型模拟:这种模拟是在计算机的支持下，通过模型的设 置、模型有效性的验证，以及利用这种模型求解问题等各种步骤来求得问题 的解决。这种模拟形态在培养学习者演绎、归纳的思维方法，分析、综合地 解决问题的能力等方面具有较好的效果。 ( 4 )探索型模拟:从教育功能看，这是一种启发式的模拟形态。为了 帮助学习者寻求支配某种现象的规律，可将寻求、发现这种规律的过程分为 若干个阶段，并逐步引导学习者，通过这些阶段来发现指定的某种规律。 模拟实验又称仿真实验。用计算机模拟实验，不仅提供了一种实验的方 法，让学习者在特定条件下观测到许多平时难以 观测到的 现象、过程，完成 许多难于进行的实验，而且这种方法在培养学习者分析问题、 解决问题以及 抽象思维能力方面具有独特的效果。对于教学而言，目的是使学生了解实验 现象，掌握实验方法，而不是教会学生如何操作实验设备。由于计算机软件 第一章 绪论 具有人机交互的特性， 学生可以自主学习， 超越了传统实验教学的时空限制 有利于发挥学生的主观能动性，从而为发展学生的创造性思维创造了条件。 1 . 3本课题的研究目的和开发环境 1 . 3 . 1研究的内容和意义 我课题组承担的 “ 基于w e b 的材料力学c a t 课件”作为国家 “ 十五”规 划电子教材重点建设项日，将成为 2 1世纪国家远程教学系统的重要组成部 分。而材料力学仿真实验就是其中的一部分。在这个远程教学系统中，学习 者可以通过i n t e r n e t 访问“ 材料力学网络实验室” ( 关于材料力学网 络实验 室见第四章) ， 在网页上选择实验项目， 学习实验原理和步骤， 然后在计算机 上完成实验全过程。实验完成后，可填写实验报告并通过网络发送给教师进 行评审，也可以通过bss 或留言的方式与教师或其他学生进行交流。 本课题的研究内容有以下几个方面: . 针对材料力学实验仿真软件在开发中需要解决的几个问题， 结合当前 较为成熟的各种计算机技术和材料力学一些基础教学实验，探索一条行之有 效的通过计算机实现材料力学实验教学仿真软件的设计原理、设计思路和开 发方法，为后续的软件开发工作奠定基础; . 在己有的仿真实验研究中， 仅仅实现了实验结果数据的显示， 并没有 实现整个实验过程的真实模拟，包括实验设备的交互式操作，实验现象的演 示，实验曲线的动态绘制，以及人机交互式的数据测量等等。本论文将在这 儿个方面做一些探索研究，并最终实现对整个实验过程和现象的模拟仿真。 . 致力于开发出拉伸破坏实验、 压缩破坏实验和电测法测定材料弹性模 量e 和泊松比at 三个材料力学实 验的仿真软件; . 根据开发的实验仿真软件， 构架“ 材料力学网络实验室” 的整体框架， 以供将来在i n t e r n e t 上进行使用，实现远程教学。 在当 前的教学环境下，开发用于教学的材料力学实验仿真软件，具有很 大的实际意义: 第一章 绪论 具有人机交互的特性， 学生可以自主学习， 超越了传统实验教学的时空限制 有利于发挥学生的主观能动性，从而为发展学生的创造性思维创造了条件。 1 . 3本课题的研究目的和开发环境 1 . 3 . 1研究的内容和意义 我课题组承担的 “ 基于w e b 的材料力学c a t 课件”作为国家 “ 十五”规 划电子教材重点建设项日，将成为 2 1世纪国家远程教学系统的重要组成部 分。而材料力学仿真实验就是其中的一部分。在这个远程教学系统中，学习 者可以通过i n t e r n e t 访问“ 材料力学网络实验室” ( 关于材料力学网 络实验 室见第四章) ， 在网页上选择实验项目， 学习实验原理和步骤， 然后在计算机 上完成实验全过程。实验完成后，可填写实验报告并通过网络发送给教师进 行评审，也可以通过bss 或留言的方式与教师或其他学生进行交流。 本课题的研究内容有以下几个方面: . 针对材料力学实验仿真软件在开发中需要解决的几个问题， 结合当前 较为成熟的各种计算机技术和材料力学一些基础教学实验，探索一条行之有 效的通过计算机实现材料力学实验教学仿真软件的设计原理、设计思路和开 发方法，为后续的软件开发工作奠定基础; . 在己有的仿真实验研究中， 仅仅实现了实验结果数据的显示， 并没有 实现整个实验过程的真实模拟，包括实验设备的交互式操作，实验现象的演 示，实验曲线的动态绘制，以及人机交互式的数据测量等等。本论文将在这 儿个方面做一些探索研究，并最终实现对整个实验过程和现象的模拟仿真。 . 致力于开发出拉伸破坏实验、 压缩破坏实验和电测法测定材料弹性模 量e 和泊松比at 三个材料力学实 验的仿真软件; . 根据开发的实验仿真软件， 构架“ 材料力学网络实验室” 的整体框架， 以供将来在i n t e r n e t 上进行使用，实现远程教学。 在当 前的教学环境下，开发用于教学的材料力学实验仿真软件，具有很 大的实际意义: 第一章 绪论 具有人机交互的特性， 学生可以自主学习， 超越了传统实验教学的时空限制 有利于发挥学生的主观能动性，从而为发展学生的创造性思维创造了条件。 1 . 3本课题的研究目的和开发环境 1 . 3 . 1研究的内容和意义 我课题组承担的 “ 基于w e b 的材料力学c a t 课件”作为国家 “ 十五”规 划电子教材重点建设项日，将成为 2 1世纪国家远程教学系统的重要组成部 分。而材料力学仿真实验就是其中的一部分。在这个远程教学系统中，学习 者可以通过i n t e r n e t 访问“ 材料力学网络实验室” ( 关于材料力学网 络实验 室见第四章) ， 在网页上选择实验项目， 学习实验原理和步骤， 然后在计算机 上完成实验全过程。实验完成后，可填写实验报告并通过网络发送给教师进 行评审，也可以通过bss 或留言的方式与教师或其他学生进行交流。 本课题的研究内容有以下几个方面: . 针对材料力学实验仿真软件在开发中需要解决的几个问题， 结合当前 较为成熟的各种计算机技术和材料力学一些基础教学实验，探索一条行之有 效的通过计算机实现材料力学实验教学仿真软件的设计原理、设计思路和开 发方法，为后续的软件开发工作奠定基础; . 在己有的仿真实验研究中， 仅仅实现了实验结果数据的显示， 并没有 实现整个实验过程的真实模拟，包括实验设备的交互式操作，实验现象的演 示，实验曲线的动态绘制，以及人机交互式的数据测量等等。本论文将在这 儿个方面做一些探索研究，并最终实现对整个实验过程和现象的模拟仿真。 . 致力于开发出拉伸破坏实验、 压缩破坏实验和电测法测定材料弹性模 量e 和泊松比at 三个材料力学实 验的仿真软件; . 根据开发的实验仿真软件， 构架“ 材料力学网络实验室” 的整体框架， 以供将来在i n t e r n e t 上进行使用，实现远程教学。 在当 前的教学环境下，开发用于教学的材料力学实验仿真软件，具有很 大的实际意义: 第一章 绪论 ( 1 )学生实验不受实验条件、实验成本限制， 只需一台计算机就可以完 成，这在一定程度上缓解了当前实验教学的紧迫局面; ( z )传统的材料力学实验只能在实验室完成，但是借助实验教学软件， 教师可以在课堂上进行理论教学并演示实验，加深学生对相关知识的理解和 记忆。 ( 3 )打破地域的限制，实现远程教学。 对于实验室建设落后、不具备实 验条件的学校， 学生可以通过i n t e r n e t 访问服务器， 完成那些在本校完成不 了的实验。 ( 4 可以有效地配合好实际的实验教学，学生可以 借助实验仿真软件做 好课前的预习和课后的巩固。 开发实验教学仿真软件，除了上面所讲的几点实际意义以外，与实际的 实验相比，同样具有不可比拟的优越性: ( 1 )学习者参与实验的主动性 实际实验中， 学生都是按照既定的实验规程， 设置仪器设备的控制面板， 调整参数进行实验。如果仪器参数设置不对，可能会损坏昂贵的实验设备。 因此对于按部就班的实验，学生缺乏积极的主动性和思考性。然而，在计算 机中进行仿真实验， 学习者具有很大自 主性， 可以 根据自己的意愿调整参数、 输入数据进行实验，错误提示的消息框或者偏差的实验结果会激发学习者主 动进行思考，这在一定程度上培养了学习者发现问题、分析问题、解决问 题 的能力。 ( 2 )实验现象的观察 实际实验中，例如拉伸破坏实验，塑性材料的颈缩阶段时间很短，学生 很难清楚地观测到实验现象。在计算机上进行仿真实验，通过虚拟的逼真的 实时动画，学生就可以 清楚直观地看到实验现象。同时，也可以重复实验， 加深理解。 ( 3 )实验材料的可扩充性 实际实验中，由于受到实验条件、实验成本或时间安排等的限制，学生 只是做了有限的几个材料的实验。在仿真实验中，可以根据需要随时添加实 第一章 绪论 验材料数据库，甚至可以 添加新型的复合材料数据库。这样，学习者就可以 在计算机上完成复合材料的拉伸、压缩等实验，使学习者对多种材料的力学 性能有所了解，在很大程度上拓宽了学习者的视野。 但是，仿真实验只是对真实实验的模拟，在虚拟现实技术还不是十分成 熟的今天，模拟实验很难让学生感受到在真实实验中遇到的仪器操作、故障 处理、错误排除等种种问题，一切实验现象都是事先设定好的，学生也难以 见到真实实验中那么丰富的实验现象。实践表明，教学设计的定位是非常重 要的， 如果没有相对明确的教学目 标， 一般而言是不可能开发出优秀的课件。 因此，目 前仿真实验是作为教育资源不足时一种行之有效的弥补手段，或作 为在校生的一种 “ 辅助学习” 工具。 1 . 3 . 2开发环境 传统上，多媒体计算机辅助教学软件的制作开发一般都遵循如下两条技 术路线: ( 1 )利用具有多媒体功能的程序设计语言，如 c + 十b u i l d e r , v i s u a l b a s i c , v i s u a l c + + , d e l p h i 等。 ( 2 )利用多媒体创作工具，如 m i c r o m e d i a d i r e c t o r , m i c r o m e d i a a u t h o r w a r e , 3 d s v a x 等。 多媒体创作工具作为一个专业性工具，能在很大程度上简化多媒体 c a i 软件的开发工作， 减少开发周期。 在已 有的研究中， 采用m i c r o s o f t d i r e c t o r 作为开发平台，很好地实 现了 人机交互式的模拟仿真。 借助a c t i v e x 控件访 问内部数据库完成实验 ( 如拉伸实验输出曲线图) ，也是个很好的设计思路。 但是，由于多媒体创作工具本身具有在数据交互方面的缺陷，因此，使用多 媒体工具进行开发，无法实现人机数据交换以及计算机对用户随机输入数据 的处理，用户也无法观察实时的实验现象和测量结果数据。 对于材料力学实 验教学来说，人机交互式的活动是非常重要的，而人与计算机之间的数据交 换，以及实验现象的演示也是必需的。 因此， 使用多媒体创作工具进行开发， 无法真i f 实现对真实实验的模拟。 第一章 绪论 验材料数据库，甚至可以 添加新型的复合材料数据库。这样，学习者就可以 在计算机上完成复合材料的拉伸、压缩等实验，使学习者对多种材料的力学 性能有所了解，在很大程度上拓宽了学习者的视野。 但是，仿真实验只是对真实实验的模拟，在虚拟现实技术还不是十分成 熟的今天，模拟实验很难让学生感受到在真实实验中遇到的仪器操作、故障 处理、错误排除等种种问题，一切实验现象都是事先设定好的，学生也难以 见到真实实验中那么丰富的实验现象