雷靜 趙志明 高羨明 張功學(xué)

摘 要：以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，讓學(xué)生在虛擬的空間完成實(shí)驗(yàn)操作，尤其對(duì)于實(shí)際難以運(yùn)行的，比如高危行業(yè)、大型綜合訓(xùn)練場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)條件需高溫高壓等極端環(huán)境等方面，虛擬仿真技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)越性。通過虛擬仿真手段搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠?qū)⑿碌难芯坷碚?、?chuàng)新技術(shù)融入自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，通過虛擬仿真進(jìn)行展示。文中通過不同行業(yè)實(shí)驗(yàn)案例闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成，體現(xiàn)了其實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)演示的高度設(shè)計(jì)性和互動(dòng)性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真; 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 案例展示; 系統(tǒng)構(gòu)成

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）5-198-002

用虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬的空間完成實(shí)驗(yàn)操作，其間，體驗(yàn)身臨其境的真實(shí)感受。

虛擬仿真一詞最早是由計(jì)算機(jī)科學(xué)家杰倫·拉尼爾在 1987年提出的[1-2]，即用一套網(wǎng)絡(luò)虛擬系統(tǒng)模仿一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)。通俗來講就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)還原具有視覺、聽覺、觸覺的“真實(shí)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)”。教師和學(xué)生可以在特定的三維空間里感受真實(shí)場(chǎng)景下難以體驗(yàn)的危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)雜實(shí)驗(yàn)[3]。

2020年，全球爆發(fā)的COVID-19疫情打亂了高校的正常教學(xué)安排。為了保證教學(xué)質(zhì)量，最大程度減輕疫情對(duì)學(xué)校教學(xué)的影響，教育部號(hào)召“停課不停教、停課不停學(xué)”。不少高校積極響應(yīng)教育部號(hào)召，開展線上授課和線上實(shí)驗(yàn)等教學(xué)活動(dòng)。比如：1.理論教學(xué)充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的模式，以慕課的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生即使在家，亦可完成實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)成實(shí)驗(yàn)要求。

一、虛擬仿真技術(shù)——《工程制圖》實(shí)驗(yàn)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂里，抽象的知識(shí)會(huì)變得非常具體。虛擬仿真技術(shù)給課程帶來了不可思議的變化。如圖1中學(xué)生通過虛擬仿真平臺(tái)了解圓錐齒輪傳動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，圖2中學(xué)生通過虛擬仿真平臺(tái)完成齒輪油泵的拼裝實(shí)驗(yàn)，掌握齒輪油泵運(yùn)行原理及拼裝結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以通過視頻仔細(xì)觀察齒輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步嘗試拆裝齒輪油泵，學(xué)以致用。本例說明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這種全新的教學(xué)模式能夠很大程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。

目前，虛擬仿真技術(shù)正在被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。尤其對(duì)于實(shí)際難以運(yùn)行的，比如高危行業(yè)、大型綜合訓(xùn)練場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)條件需高溫高壓等極端環(huán)境等方面，虛擬仿真技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)越性[4-5]。例如：深海探測(cè)，核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)，人體解剖，大型工程操作。

二、虛擬仿真技術(shù)的特征及優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)的主要特征是沉浸感、交互性、構(gòu)想性，其優(yōu)勢(shì)顯著。目前，已經(jīng)在教學(xué)、科研和生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

1.復(fù)雜、危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的展示和操作

幫助老師展示不可能完成的實(shí)驗(yàn)如復(fù)雜實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)和其它無法在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)，把抽象的實(shí)驗(yàn)過程立體、逼真的演示，有助于學(xué)生更好地理解掌握，大幅度提升教學(xué)效果。

2.培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

學(xué)生通過電腦操作，進(jìn)入虛擬界面，可以自己獨(dú)立觀察，分析問題，解決問題，自主學(xué)習(xí)能力無形中大幅度提高。

3.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

虛擬仿真技術(shù)因是人機(jī)互動(dòng)操作，尤其虛幻性、直觀性、逼真性等特點(diǎn)，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成

一個(gè)完整的“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”通常包含服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、客戶端運(yùn)行設(shè)備、顯示設(shè)備、實(shí)驗(yàn)交互設(shè)備等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)典型構(gòu)成如圖3所示。

服務(wù)器是系統(tǒng)的核心，主要運(yùn)行相關(guān)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn);而數(shù)據(jù)庫(kù)則為實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀寫訪問服務(wù)。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多涉及三維模型和精細(xì)紋理數(shù)據(jù)，因此還需適宜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要通過客戶端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，客戶端設(shè)備包含運(yùn)行設(shè)備如個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等。除了最常見的電腦顯示器之外，還可選配的其他更為高端的顯示設(shè)備如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）等頭盔型顯示終端，以及立體顯示器、投影球幕、環(huán)幕、透明屏、互動(dòng)式LED 大屏幕、立體投影等等，這些可供選擇的擴(kuò)展設(shè)備能為學(xué)生實(shí)驗(yàn)帶來更為良好的畫質(zhì)體驗(yàn)和真實(shí)感受。實(shí)驗(yàn)過程中的人機(jī)互動(dòng)部分由鼠標(biāo)和鍵盤等交互設(shè)備完成。但對(duì)于一些沉浸感要求較高、交互復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，還可選配數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置，以及位置追蹤、空間定位、動(dòng)作捕捉、眼動(dòng)跟蹤、腦電交互等設(shè)備。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例介紹

各個(gè)學(xué)科關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例有很多，下面，我們篩選幾個(gè)有代表性的案例呈現(xiàn)給大家：

案例1（航空航天類）：

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來源：中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：察打一體型無人機(jī)自主飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：通過虛擬仿真項(xiàng)目針對(duì)偵察、打擊作戰(zhàn)中典型的姿態(tài)、軌跡自主控制過程開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們可以設(shè)定不同的參數(shù)，觀察無人機(jī)在不同角度下的飛行姿態(tài)。再現(xiàn)無人機(jī)任務(wù)飛行的真實(shí)場(chǎng)景，還原自主控制中姿態(tài)變換、飛行軌跡、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、舵面偏轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)過程，探究控制參數(shù)對(duì)自主控制性能的影響規(guī)律。

案例2（食品科學(xué)類）：

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來源：浙江工業(yè)大學(xué)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：橙汁濃縮及其飲料生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：由于企業(yè)生產(chǎn)保密性以及設(shè)備、場(chǎng)地的限制，企業(yè)擔(dān)心影響到自己的正常生產(chǎn)，不愿意接待大量學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)困難，難以真實(shí)了解生產(chǎn)中的各類技術(shù)指標(biāo)及工藝參數(shù)，如圖5所示，本實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真手段，同學(xué)們可以模擬實(shí)際工藝操作，仿佛置身于實(shí)際工廠之中，熟悉工藝生產(chǎn)的流程，同時(shí)也可設(shè)定不同的工藝參數(shù)，系統(tǒng)則將按照該工藝運(yùn)行，并及時(shí)反饋工藝修改之后的結(jié)果，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)食品生產(chǎn)場(chǎng)景及行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的了解。

五、展望

隨著科技的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)慢慢融入到我們的生活當(dāng)中，增加了不少的生活樂趣。未來虛擬仿真技術(shù)還可以應(yīng)用到更多的地方，給我們的生活帶來更多的變化。這樣，我們可以在更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性進(jìn)展，提升我們的新的技術(shù)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振東，李曉東，馬建民，等.虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用[J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（3）：160-163

[2]郭燕秋，朱遠(yuǎn)征，程平，曲松，熊非，張淑平.虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J]科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（01）：149-151

[3]許美蘭，胡振鋒，龍絳雪，曾孟祥.虛擬仿真技術(shù)在水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展[J]科技資訊，2019，17（18）：101-102

[4]林小芳.虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]福建電腦，2021，37（02）：52-54

[5]楊萬霞.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與應(yīng)用[J]吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，37（02）：116-119