沈振輝 楊拴強

（福建江夏學(xué)院，福建福州 350108）

基于智能虛擬實驗系統(tǒng)的實驗教學(xué)新模式研究

沈振輝 楊拴強

（福建江夏學(xué)院，福建福州 350108）

本文研究基于人工智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學(xué)新模式，探討構(gòu)建智能虛擬實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，提出智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，在開發(fā)智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上驗證新教學(xué)模式在提高實踐教學(xué)效益和質(zhì)量、提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力方面的可行性和有效性。

智能；虛擬；實驗系統(tǒng)；實驗教學(xué)；教學(xué)模式

1 引言

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、提高學(xué)生動手能力的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)高素質(zhì)工程人員的重要平臺，是實現(xiàn)高等教育培養(yǎng)復(fù)合型和應(yīng)用型人才目標(biāo)的有效途徑。同時，實踐教學(xué)也是高校教學(xué)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，一直以來都是高校教學(xué)改革的重點。實驗教學(xué)是實踐教學(xué)的重要組成部分，其教學(xué)質(zhì)量對人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)影響甚大。然而，大部分的實驗設(shè)備費用昂貴，設(shè)備規(guī)模難以與日益增長的學(xué)生規(guī)模相匹配，導(dǎo)致實驗教學(xué)規(guī)模難以滿足高校教學(xué)發(fā)展需要。信息技術(shù)和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為實驗教學(xué)的改革提供了契機。基于信息技術(shù)和虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)，深化了實驗教學(xué)改革，提高了實踐教育質(zhì)量工程，成為高校教學(xué)改革的一個重要內(nèi)容。

現(xiàn)有虛擬實驗系統(tǒng)研究中，文獻[1]介紹了牛津大學(xué)、赫爾辛基大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)等大學(xué)的虛擬實驗系統(tǒng)，論證了虛擬技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的可行性和有效性。文獻[2]構(gòu)建的虛擬煉鐵實驗室被歐洲4所機構(gòu)采用，且效果顯著。文獻[3][4]創(chuàng)建的虛擬工程實驗室，解決了遠程教育中難以開展實踐教學(xué)的難題，驗證了虛擬實踐教學(xué)實驗室的可行性和有效性。文獻[5][6]建設(shè)的機械裝備拆裝虛擬實驗系統(tǒng)，文獻創(chuàng)建的基于網(wǎng)絡(luò)的集成機械設(shè)計、機械制造、工程材料及技術(shù)測量的機械工程虛擬實驗系統(tǒng)，文獻[9]開發(fā)的集成減速器拆裝實驗、帶傳動性能實驗及數(shù)控加工實驗的綜合虛擬實驗系統(tǒng)，均在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量。雖然虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)的研究已取得一定成效，但是目前虛擬實驗系統(tǒng)難以充分利用已有的教學(xué)經(jīng)驗指導(dǎo)虛擬實驗過程，無法最大限度地提高實驗教學(xué)的質(zhì)量。同時還存在人機界面不夠友好，模型不夠直觀等不足，交互性、沉浸性較差等不足。

針對以上不足，有必要充分結(jié)合人工智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，探討智能虛擬實驗教學(xué)機制，構(gòu)建智能虛擬實驗系統(tǒng)框架，獲取、表達和處理實驗教學(xué)經(jīng)驗知識，引導(dǎo)虛擬實驗過程，深化實驗教學(xué)改革，充分提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

2 智能虛擬實驗教學(xué)機制

構(gòu)建智能虛擬實驗系統(tǒng)要所需解決的關(guān)鍵問題是探討智能虛擬實驗系統(tǒng)的教學(xué)機制，研究人工智能技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的集成機制，獲取、表達和處理教師教學(xué)經(jīng)驗知識，解決現(xiàn)有虛擬實驗系統(tǒng)難以利用已有的教學(xué)經(jīng)驗指導(dǎo)實驗過程的問題；通過開發(fā)操作友好的人機界面及真實感強的實驗設(shè)備模型，解決現(xiàn)有虛擬實驗系統(tǒng)交互性、沉浸性較差的問題；開發(fā)教師教學(xué)經(jīng)驗知識庫和模型庫的組織、管理和維護模塊，實現(xiàn)知識庫和模型庫的可選擇、可調(diào)整、可擴展。

智能虛擬實驗系統(tǒng)的教學(xué)機制如圖1所示。學(xué)生通過自己的賬號、密碼登錄智能虛擬實驗系統(tǒng)，選擇所要進行的實驗項目后根據(jù)教師要求設(shè)定相關(guān)實驗初始參數(shù)。進而通過互動性強的用戶交互界面開始進行實驗。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生選擇的實驗項目和設(shè)定的相關(guān)初始參數(shù)進行案例推理，在給定的相似度條件下尋找匹配系統(tǒng)內(nèi)部存儲的類似實驗過程數(shù)據(jù)。若給定相似度條件下的實驗過程數(shù)據(jù)存在，表明已經(jīng)成功進行過相似類型的實驗，則系統(tǒng)調(diào)用所存儲的實驗過程數(shù)據(jù)，并從實驗過程數(shù)據(jù)中提取經(jīng)驗知識，對學(xué)生的實驗操作過程進行指導(dǎo)，以便及時在學(xué)生誤操作時結(jié)合實驗項目所涉及的相關(guān)理論知識和經(jīng)驗知識給出相應(yīng)的誤操作提示及其產(chǎn)生原因，使學(xué)生能夠進一步消化理論知識，掌握操作經(jīng)驗知識，實現(xiàn)學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。如此反復(fù)調(diào)用相似實驗過程數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生操作直至實驗過程結(jié)束。若在實例推理過程中，無法找到給定相似度條件下的歷史實驗操作過程數(shù)據(jù)，則表明不存在類似實驗過程的成功實例，則在學(xué)生的每一步操作中重復(fù)根據(jù)系統(tǒng)存儲的符號性知識進行推理判斷學(xué)生的操作是否正確，若操作錯誤則給出錯誤原因和提示，并給出正確操作建議，直至實驗操作過程結(jié)束。實驗過程結(jié)束后，學(xué)生根據(jù)實驗教學(xué)要求提交相應(yīng)的實驗報告后，退出系統(tǒng)，完成實驗。

圖1 智能虛擬實驗教學(xué)機制

3 智能虛擬實驗系統(tǒng)框架

構(gòu)建智能虛擬實驗系統(tǒng)，深化實驗教學(xué)改革的目標(biāo)是將人工智能技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，在構(gòu)建智能虛擬實驗系統(tǒng)系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)教師教學(xué)經(jīng)驗知識對虛擬實驗過程的引導(dǎo)，同時建立有效獲取、表達和處理教師教學(xué)經(jīng)驗知識的機制，開發(fā)知識庫和三維模型庫的組織、管理和維護模塊，實現(xiàn)教師教學(xué)經(jīng)驗知識庫和三維模型庫的可選擇、可調(diào)整、可擴展，并通過構(gòu)建三維零件模型庫和機器模型庫，實現(xiàn)交互性、沉浸性良好的實驗?zāi)Ｊ?，達到提高實踐教學(xué)效益和質(zhì)量的目標(biāo)。

智能虛擬實驗系統(tǒng)是一個基于知識的實驗系統(tǒng)。知識的獲取、表達和處理需要知識庫、推理機、解釋機制和人機接口的支持。隨著知識處理技術(shù)的日趨成熟，目前構(gòu)建基于知識的系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是知識獲取、綜合集成和知識庫維護等方面。因此，智能虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)該是一個開放的系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）智能虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)嶒灲虒W(xué)的經(jīng)驗知識、領(lǐng)域知識、規(guī)范知識進行組織、管理和維護，同時實現(xiàn)知識的可選擇、可調(diào)整、可擴展，以達到不斷豐富和不斷實用化。

（2）智能虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足外部系統(tǒng)的可嵌入功能，并支持外部系統(tǒng)的調(diào)用功能，使之能夠調(diào)用外部系統(tǒng)的子模塊，擴展系統(tǒng)的功能，從而達到系統(tǒng)可擴展的目標(biāo)。

基于智能虛擬實驗教學(xué)機制，圍繞智能虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)，針對知識的獲取、表達和處理機制，為實現(xiàn)知識的可選擇、可調(diào)整、可擴展和可重用，構(gòu)建智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)框架如圖2所示。智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)主要包括CAD/CAE仿真、解釋機制、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、推理機、知識庫、知識庫管理、知識獲取、人機界面等模塊。

圖2 智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)框架

3.1 CAD/CAE仿真

CAD/CAE仿真模塊主要實現(xiàn)實驗環(huán)境、實驗過程的可視化，以直觀、交互性強的用戶界面呈現(xiàn)實驗過程，從而提高學(xué)生實驗過程中的沉浸性和體驗性。CAD/CAE仿真主要包括三維建模、運動仿真、結(jié)構(gòu)分析等部分。三維建模和運動仿真主要由Pro/Engineer的二次開發(fā)工具箱實現(xiàn)，集成MFC開發(fā)環(huán)境和Pro/ Engineer實體建模環(huán)境，實現(xiàn)實驗過程的三維仿真。結(jié)構(gòu)分析主要集成ANSYS有限元分析環(huán)境，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的靜力、動力仿真。

3.2 解釋機制

解釋機制用于向用戶解釋系統(tǒng)的行為，包括對實驗操作步驟規(guī)范性的推理過程、經(jīng)驗知識引導(dǎo)實驗操作的推理過程等。

3.3 動態(tài)數(shù)據(jù)庫

動態(tài)數(shù)據(jù)庫用來記錄實驗操作過程中所需的控制信息、中間假設(shè)和中間數(shù)據(jù)。為避免數(shù)據(jù)信息膨脹，動態(tài)數(shù)據(jù)庫模塊還應(yīng)具備及時刪除歷史信息的機制。

3.4 推理機

推理機模塊用于有效的處理智能虛擬實驗系統(tǒng)中的符號性知識和實例知識，根據(jù)符號性知識或?qū)嵗R推理判斷學(xué)生操作步驟的規(guī)范性。同時，在學(xué)生操作步驟錯誤時推理得到錯誤原因并根據(jù)經(jīng)驗知識引導(dǎo)學(xué)生糾正操作。

3.5 知識庫

知識庫模塊用于存儲符號性知識、實例知識。由于符號性知識和實例知識在組織結(jié)構(gòu)上、表達形式上各有特點，為了更加簡便有效地組織、管理和維護這兩種知識，將兩種知識分開存儲、管理和維護。

3.6 知識庫管理

知識庫管理主要實現(xiàn)知識的組織、管理和維護。知識的可選擇、可調(diào)整、可擴展是壯大知識庫的必要條件。同時，知識庫難免出現(xiàn)矛盾、冗余等問題，有必要對知識庫進行補充、優(yōu)化和校驗，以得到高質(zhì)量的知識庫。

3.7 知識獲取

知識獲取是開發(fā)智能虛擬實驗系統(tǒng)的瓶頸問題和最大挑戰(zhàn)。知識獲取的目標(biāo)是提煉相關(guān)的領(lǐng)域知識、經(jīng)驗知識、規(guī)范知識。知識獲取采用人工獲取的方式進行，由知識工程師通過人機界面進行。

3.8 人機界面

人機界面為學(xué)生、教師、知識工程師及外部程序與智能虛擬實驗系統(tǒng)之間提供良好的交互界面，用于識別學(xué)生、教師、知識工程師及外部程序的命令、數(shù)據(jù)等信息，以及對智能優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的過程信息和結(jié)果信息反饋。

在智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，可開發(fā)智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)，促進機械類實驗教學(xué)改革，充分利用已有的教學(xué)經(jīng)驗指導(dǎo)實驗過程，最大限度地提高實驗教學(xué)質(zhì)量。同時，解決現(xiàn)有實驗系統(tǒng)存在的人機界面不夠友好，模型不夠直觀，交互性、沉浸性較差等不足。

4 結(jié)論

4.1 研究了基于人工智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學(xué)新模式，探討了智能虛擬實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)建技術(shù)，給出了智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，開發(fā)了智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)。

4.2 智能虛擬機械類實驗系統(tǒng)使“創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)研究，深化教學(xué)方法與教學(xué)手段改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量”得到了體現(xiàn)，解決了現(xiàn)有實驗設(shè)備規(guī)模滯后于學(xué)生規(guī)模的問題，有效提高了實踐教學(xué)效益和質(zhì)量，提高了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

4.3 智能虛擬實驗系統(tǒng)為應(yīng)用型高校在課程與課堂中學(xué)生實踐能力培養(yǎng)方式的探索提供理論和實踐的借鑒，為促進教師更新教育教學(xué)理念，推動教學(xué)組織形式及方法的改革奠定基礎(chǔ)。

[1]Dr.KamalikaBanerjee．UtilisingtheVirtualLaboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education．http://www.c-ol.org/pcf6/fp/zIN4150.doc，2012.2.15．

[2]AlexanderBabich，KonstantinosMavrommatis．Virtual Laboratory Concept for Engineering Education[C]．International Conference on Engine-ering Education and Research"Progress Through Partnership"．Ostrava，2004．

[3]He man Mann，Michal ev enko．Simulation and Virtual Lab Experi-ments across the Internet[C]．International Conference on Engineering Education．Valencia,Spain，July 21-25,2003．

[4]TanujaSheorey，VijayKumarGupta．EffectiveVirtual Laboratory Content Generation and Accessibility for Enhanced Skill Development through ICT[C]．2011 5th International Conference on Distance Learning and Education．Singapore，2011．

[5]吳緯緯，范建蓓，蔡娥等．裝備認知虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19(9)：117-120．

G712

A

1003-5168(2014)04-0271-02

沈振輝（1985.4—），漢族，畢業(yè)于福州大學(xué)機械制造及自動化專業(yè)，碩士研究生，助教，研究方向：CAD/CAE。