殷復鵬 王立群＊

（山東建筑大學<管理工程學院>，山東 濟南 250101）

0 引言

學科之間的交叉融合和管理創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是高校發(fā)展的重要途徑[1]，實驗室作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、實踐能力的重要場所越來越被高校重視[2]。傳統(tǒng)的實驗室內(nèi)難以完成施工過程或生產(chǎn)過程的模擬，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)受到限制。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與成熟，建設虛擬仿真平臺成為工程管理和工業(yè)工程類專業(yè)實驗室建設的主要內(nèi)容之一[3]。然而受虛擬仿真資源的限制，大部分虛擬仿真實驗教學平臺資源單一，內(nèi)容簡單，可擴展性差，實驗形式多以演示和驗證為主，無法發(fā)揮學生的自主性，在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面存在一定的缺陷[4]。將信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合，開展虛實結(jié)合的實踐教學新方法研究，將實體模型與虛擬仿真模型相結(jié)合，能夠豐富虛擬仿真教學資源，發(fā)揮學生創(chuàng)新主動性[5]，對培養(yǎng)管理類創(chuàng)新人才具有積極的促進作用。

1 創(chuàng)新實驗平臺架構(gòu)

虛擬仿真技術(shù)已成為人們認識世界、分析問題和解決問題的重要手段，以仿真驅(qū)動創(chuàng)新的理念在各行業(yè)中逐漸建立起來，一些高?；谔摂M仿真技術(shù)建立了相關(guān)創(chuàng)新實驗平臺。對于工程管理和工業(yè)工程類專業(yè)來說，實驗教學的主要目的是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)并解決工程或生產(chǎn)中存在的現(xiàn)實問題，因此，現(xiàn)實問題是虛擬仿真模型的來源?；谔搶嵞Ｐ偷奶摂M仿真創(chuàng)新實驗平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于虛實模型的虛擬仿真創(chuàng)新實驗平臺架構(gòu)

首先從認識現(xiàn)實問題出發(fā)，構(gòu)建能夠反映工程實例的靜態(tài)實體模型；其次通過對抽象的問題，構(gòu)建虛擬環(huán)境下的動態(tài)系統(tǒng)模型和仿真模型，實現(xiàn)對現(xiàn)實工程系統(tǒng)的動態(tài)仿真；實體模型與虛擬模型之間通過先進識別、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進行實時關(guān)聯(lián)；最后通過對仿真結(jié)果與現(xiàn)實問題的對比分析，解釋導致現(xiàn)實問題的因素并予以解決，從而支持認知驗證、綜合設計、開放創(chuàng)新等不同類型的實驗。

2 創(chuàng)新實驗平臺組成

2.1 實體模型子平臺

對于復雜的動態(tài)研究對象，難以在實驗室環(huán)境下進行完全呈現(xiàn)，有些院校通過建立小型現(xiàn)實物理環(huán)境的方式為學生的實習和實驗提供認知環(huán)境，但這種方式投入大，占用空間大，且僅僅呈現(xiàn)部分現(xiàn)實問題，難以讓學生從整體上對研究對象進行綜合把握。實體模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)按比例進行縮小制作而成的物理模型，是現(xiàn)實系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)之間的有效銜接，具有體積小、投入少、制作簡單、占地面積少等優(yōu)勢，在一定程度上能夠滿足學生對研究對象的感性認識，與虛擬仿真模型進行交互，則能夠?qū)崿F(xiàn)對研究對象運行過程的展現(xiàn)。實體模型子平臺為師生提供了研究現(xiàn)實系統(tǒng)、制作實體模型的環(huán)境和技術(shù)。

2.2 仿真資源設計子平臺

基于現(xiàn)實系統(tǒng)創(chuàng)作的實體模型僅能從結(jié)構(gòu)和外觀上對現(xiàn)實系統(tǒng)進行反映，卻不能展現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的動態(tài)過程，只有借助虛擬仿真模型才能實現(xiàn)對現(xiàn)實系統(tǒng)的動態(tài)呈現(xiàn)。仿真資源設計子平臺通過特定的系統(tǒng)仿真和虛擬現(xiàn)實資源創(chuàng)作軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)由實體模型到虛擬仿真模型、由現(xiàn)實環(huán)境到虛擬仿真環(huán)境的轉(zhuǎn)變。平臺所用軟件系統(tǒng)根據(jù)專業(yè)學科的需求確定，所創(chuàng)建的模型包括系統(tǒng)仿真模型和虛擬現(xiàn)實模型。系統(tǒng)仿真模型對所研究對象從結(jié)構(gòu)或行為過程方面進行描述，為系統(tǒng)的運行仿真提供資源；虛擬現(xiàn)實模型是基于現(xiàn)實系統(tǒng)所建立的一種逼真的、虛擬的、交互式的三維空間環(huán)境，用于虛擬現(xiàn)實的模擬。系統(tǒng)仿真模型、虛擬現(xiàn)實模型和實體模型之間通過二維碼、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)信息交互。

2.3 虛擬現(xiàn)實與仿真子平臺

虛擬現(xiàn)實和仿真子平臺基于VR/AR/MR等虛擬現(xiàn)實技術(shù)和相關(guān)系統(tǒng)仿真軟件，對虛擬模型進行仿真，并輸出仿真結(jié)果。常用的系統(tǒng)分為系統(tǒng)仿真系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真系統(tǒng)基于系統(tǒng)仿真模型，對所研究對象進行仿真模擬，以獲取系統(tǒng)的運行和動態(tài)演化過程，為現(xiàn)實系統(tǒng)的控制與決策提供依據(jù)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬現(xiàn)實軟硬件設備構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中的再現(xiàn)，支持人機交互操作，完成類似真實環(huán)境的體驗。平臺通過所建立的虛擬仿真模型與現(xiàn)實系統(tǒng)形成交互，支持多專業(yè)實驗教學與科研，為師生提供了一種創(chuàng)新的實驗手段，可用于收集和積累信息，對現(xiàn)實系統(tǒng)進行預測、分析與評價，并基于仿真結(jié)果啟發(fā)新思想，提出改進系統(tǒng)的新方案。

3 基于創(chuàng)新實驗平臺的實驗體系

實驗教學體系的建立應遵循以學生為中心，以現(xiàn)實系統(tǒng)出現(xiàn)的問題為先導，以開放項目為驅(qū)動，以創(chuàng)新為核心的實驗教學理念。創(chuàng)新實驗平臺以創(chuàng)新實驗為主，同時也支持課程綜合實驗，包括認知驗證型實驗、綜合設計型實驗和開放創(chuàng)新型實驗。認知驗證型實驗是針對某一門課程或某個知識點開設的實驗項目，可以是課內(nèi)實驗，也可以由學生課外自主完成；綜合設計型實驗是對專業(yè)知識的綜合運用與驗證，如課程設計、畢業(yè)設計等；開放創(chuàng)新型實驗是本平臺的核心實驗，具有開放性、創(chuàng)新性、綜合性和應用性等特點，包括各種學科競賽、課外開放創(chuàng)新實驗以及由教師科研項目引出的科研實驗等。

虛擬仿真創(chuàng)新實驗體系不斷迭代更新，注重知識的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性，實現(xiàn)學科的交叉融合，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才提供指導綱領，面向相關(guān)行業(yè)發(fā)展新趨勢，實現(xiàn)了“教—學—練—用”的實驗目的。

4 結(jié)語

隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，如何發(fā)揮虛擬仿真實驗室的優(yōu)勢，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力成為高校迫切需要解決的問題。針對工程管理和工業(yè)工程類專業(yè)，集成傳統(tǒng)物理環(huán)境實驗室與虛擬仿真實驗室，以現(xiàn)實問題為導向，以項目為驅(qū)動，以實體模型和仿真模型為基礎，以虛擬仿真為方法，建立基于虛實模型的創(chuàng)新實驗平臺，能夠充分發(fā)揮學生積極性和創(chuàng)新能力，對高校培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要作用。建立創(chuàng)新實驗平臺還需要借用物聯(lián)網(wǎng)、三維打印、人工智能等先進技術(shù)。