淺析高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

【摘要】在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)是高職教育中的應(yīng)用熱點(diǎn)，本文通過分析虛擬仿真技術(shù)的比較優(yōu)勢說明了虛擬仿真教學(xué)在高職實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用的巨大潛力，提出虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方法以及虛擬仿真教學(xué)實(shí)施中應(yīng)注意的問題。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；應(yīng)用方法

虛擬仿真技術(shù)在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實(shí)體。虛擬仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用于教育領(lǐng)域當(dāng)中，形成一種新的教學(xué)模式——虛擬仿真教學(xué)，即利用實(shí)物或計(jì)算機(jī)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的虛擬環(huán)境或工具，并模擬真實(shí)事例進(jìn)行操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、運(yùn)行等實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方式。

1.背景分析

教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中指出：高職教育“人才培養(yǎng)模式改革的重點(diǎn)是教學(xué)過程的實(shí)踐性、開放性和職業(yè)性，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)是三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)”，加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)基地建設(shè)是高職院校改善辦學(xué)條件、突出辦學(xué)特色、提高教學(xué)質(zhì)量的重點(diǎn)，高職院校在各個(gè)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中開設(shè)足夠的實(shí)訓(xùn)實(shí)踐課程是對(duì)上述要求的積極響應(yīng)。

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程大多圍繞硬件實(shí)物，在實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)室或企業(yè)車間等場所中實(shí)地展開實(shí)施，因其直觀易感和接近生產(chǎn)實(shí)際，向來都是高職實(shí)踐課程的主流教學(xué)方式。然而這種教學(xué)方式存在先天不足，投入大、適應(yīng)性差且難于開放等問題，往往使實(shí)踐教學(xué)進(jìn)程面臨窘境。充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬工藝，是許多高職院校尋找行之有效的技術(shù)手段來緩解傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式所帶來的壓力的努力方向。虛擬仿真教學(xué)技術(shù)具有多感知性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)有益于教師的實(shí)訓(xùn)教學(xué)和學(xué)生專業(yè)技能的訓(xùn)練，為解決高職教育面臨的實(shí)訓(xùn)難、實(shí)習(xí)難和就業(yè)難等問題開辟了一條新思路，因此迅速發(fā)展起來的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)必然成為高職院校的最佳選擇。

2.虛擬仿真技術(shù)的比較優(yōu)勢

目前高職院校很多專業(yè)，如數(shù)控技術(shù)、焊接技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、應(yīng)用化工技術(shù)等專業(yè)都引入了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式。虛擬仿真技術(shù)非常適合高職院校的人才培養(yǎng)模式，高職教育采用虛擬仿真技術(shù)具有必要性、可行性和優(yōu)越性。虛擬仿真軟件在企業(yè)中也得到了廣泛應(yīng)用，很多企業(yè)都采用虛擬仿真軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如芯片設(shè)計(jì)采用的Tanner EDA軟件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用的OPNET、NS2軟件等。因此，學(xué)生在學(xué)校使用虛擬仿真教學(xué)軟件所獲得的實(shí)踐技能，同樣可以應(yīng)用到以后的工作之中。

與傳統(tǒng)的實(shí)物形態(tài)實(shí)踐教學(xué)不同，虛擬仿真技術(shù)教學(xué)是通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式相比，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐課程教學(xué)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 節(jié)約教學(xué)成本，具有高效性

基于計(jì)算機(jī)軟件的虛擬仿真技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式與實(shí)物教學(xué)模式相比，設(shè)備和資金投入少，更新、維護(hù)方便。學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)上，無需完成實(shí)物教學(xué)中的許多重復(fù)性工作，縮短了學(xué)生完成工作任務(wù)的時(shí)間。同時(shí)，針對(duì)存在的問題還可進(jìn)行反復(fù)的操作訓(xùn)練，也不用考慮設(shè)備的損壞和材料的消耗，極大地節(jié)約教學(xué)成本，提高了學(xué)習(xí)效率。從教學(xué)資源規(guī)劃、建設(shè)和使用的全過程質(zhì)量管理角度看，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式的綜合運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的實(shí)物操作教學(xué)模式。

2.2 廣泛的適應(yīng)性和適用性

傳統(tǒng)實(shí)踐課程教學(xué)模式的適應(yīng)性較差，虛擬仿真技術(shù)不受課程、學(xué)科門類和專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域限制，是一種普遍適用的技術(shù)手段，具有廣泛的適用性。

（1）通用性、兼容性強(qiáng)

虛擬仿真技術(shù)具有極強(qiáng)的教學(xué)功能兼容性，適用于從教學(xué)設(shè)計(jì)直到考核測評(píng)的實(shí)踐教學(xué)全過程。對(duì)于工科實(shí)踐教學(xué)，多數(shù)通用型應(yīng)用軟件兼具仿真功能，通常一款軟件可以同時(shí)支持多門課程的仿真教學(xué)，一門課程的教學(xué)也可以由多款軟件來實(shí)現(xiàn)，并且凡能以實(shí)物方式展開的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，理論上虛擬仿真技術(shù)都可以做到。比如電類各專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)，都能用通用型EDA軟件（如Multisim或Protel等）的仿真功能實(shí)現(xiàn)，化工類專業(yè)實(shí)訓(xùn)則可用化工仿真DCS操作系統(tǒng)的單元級(jí)、工段級(jí)仿真軟件實(shí)現(xiàn)。

（2）打破時(shí)空限制，具有靈活性，易于改進(jìn)升級(jí)

虛擬仿真教學(xué)可以擺脫傳統(tǒng)現(xiàn)場教學(xué)地點(diǎn)固定、時(shí)間有限、設(shè)備不足和內(nèi)容難改的局面，學(xué)生只要在計(jì)算機(jī)中安裝了虛擬仿真軟件，就可以把虛擬仿真教學(xué)延伸到教室、宿舍甚至家庭，隨時(shí)隨地的運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索，突破了時(shí)間和空間的限制，也不受場地等外界條件的限制，使學(xué)習(xí)變得更加靈活。

虛擬仿真技術(shù)的改進(jìn)和升級(jí)在很大程度上就是軟件的改進(jìn)與升級(jí)，速度快、風(fēng)險(xiǎn)小，利用網(wǎng)絡(luò)信息資源能夠緊隨技術(shù)進(jìn)步，更能切中時(shí)需，保證實(shí)踐教學(xué)的動(dòng)態(tài)有效性，也更能彰顯出對(duì)實(shí)踐類課程教學(xué)的催化作用。

（3）容錯(cuò)功能強(qiáng)

生源不理想、學(xué)生基礎(chǔ)較差是高職院校中普遍存在的實(shí)際問題，學(xué)生對(duì)一些偏深的理論知識(shí)點(diǎn)常常一知半解，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)過程中出現(xiàn)操作失誤在所難免。以實(shí)物為操作對(duì)象的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)，某些情況下誤操作有可能導(dǎo)致教學(xué)事故，危及儀器設(shè)備甚至是人身安全?；谔摂M仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)操作對(duì)象是計(jì)算機(jī)軟件，教師盡可設(shè)置各種正常、故障甚至極端故障狀態(tài)以便“虛擬”地歷練學(xué)生，學(xué)生也盡可按部就班地執(zhí)行各種規(guī)范操作去“證明”或者嘗試誤操作去“證偽”，完全沒有損壞儀器設(shè)備或危及人身安全的顧慮。仿真可以通過參數(shù)控制模擬真實(shí)設(shè)備的機(jī)械性能，實(shí)時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)各種指令的正確性，通過反復(fù)練習(xí)達(dá)到操作練習(xí)的目的。

3.虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 樹立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)理念

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)有助于學(xué)生理解實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，并在一定程度上提高學(xué)生的動(dòng)手能力。不過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)只是模擬真實(shí)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，實(shí)訓(xùn)過程缺少“實(shí)物感”，并不能完全代替實(shí)物實(shí)訓(xùn)。因此，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與實(shí)操實(shí)訓(xùn)各有特點(diǎn)，二者優(yōu)勢互補(bǔ)，不可相互取代。如在網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目中，用到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括路由器、交換機(jī)等種類、型號(hào)很多。采用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，學(xué)生雖然也能使用到這些設(shè)備，但仿真設(shè)備與實(shí)物還是有一定的區(qū)別，到真正的實(shí)操實(shí)訓(xùn)中可能會(huì)無從下手。因此，應(yīng)該注重將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與實(shí)物實(shí)訓(xùn)結(jié)合起來，相得益彰。在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上，有目的地安排一些實(shí)訓(xùn)內(nèi)容在真實(shí)環(huán)境中操作，這樣學(xué)生會(huì)對(duì)實(shí)訓(xùn)的設(shè)備有親身的體會(huì)，更能加深實(shí)訓(xùn)的印象，提高實(shí)訓(xùn)的效果和質(zhì)量。在實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的安排上，可以讓低年級(jí)學(xué)生先進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，在學(xué)生完全掌握實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容和流程之后，再進(jìn)行實(shí)物實(shí)訓(xùn)，這樣就能夠達(dá)到事半功倍的效果。

3.2 根據(jù)實(shí)訓(xùn)要求建立仿真模型

仿真模型既包括電子裝備外觀、結(jié)構(gòu)的三維物理模型，也包括揭示其內(nèi)在工作機(jī)理及行為的數(shù)學(xué)模型。對(duì)三維物理模型的建立，主要依據(jù)裝備本身的物理狀態(tài)，其原則是在盡量減小面數(shù)的同時(shí)提高逼真度。對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，則需要視系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)行取舍和優(yōu)化，本著夠用為度的原則，盡量減小運(yùn)算量。建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)調(diào)整。

3.3 創(chuàng)建仿真裝備的虛擬場景并驅(qū)動(dòng)

對(duì)于虛擬場景的驅(qū)動(dòng)，應(yīng)根據(jù)使用方式的不同，采用不同的方式。如果進(jìn)行的僅是裝備外觀、結(jié)構(gòu)的展示，可使用EON進(jìn)行動(dòng)作的編輯和驅(qū)動(dòng)；如果需要對(duì)裝備進(jìn)行虛擬操作仿真，則使用GLStudio軟件先進(jìn)行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用Vega Prime驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的交互操作。

3.4 整合教學(xué)仿真軟件要素、系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成就是將上述做好的模型、場景按照教學(xué)軟件所需的形式其有機(jī)地整合在一起，使之成為一個(gè)完整的、規(guī)范的教學(xué)軟件。系統(tǒng)集成可以使用目前常用的軟件開發(fā)平臺(tái)（如VB、vc++等）。由于上述虛擬現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)軟件（如EON、GLStudio及VegaPrime等）均以ActiveX控件方式提供了可用于常用軟件開發(fā)平臺(tái)的運(yùn)行插件，因此，系統(tǒng)集成變得十分方便。編寫程序時(shí)，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。在進(jìn)行系統(tǒng)集成時(shí)，還需要將系統(tǒng)行為仿真的結(jié)果通過視景仿真表現(xiàn)出來，即用行為仿真的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)三維物理模型的動(dòng)作。由于系統(tǒng)行為仿真采用了專門的運(yùn)行平臺(tái)，與視景仿真處于不同的系統(tǒng)進(jìn)程中，因此這種驅(qū)動(dòng)是通過兩進(jìn)程間的實(shí)時(shí)通信（需考慮進(jìn)程間的同步）來完成的。

4.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)注意的問題

4.1 注重虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和教學(xué)人才隊(duì)伍的建設(shè)

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，離不開高素質(zhì)高技能人才隊(duì)伍的支撐。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)科學(xué)合理設(shè)計(jì)和有效使用，需要教師在教學(xué)理念和教學(xué)能力上都達(dá)到一定的水平。目前，國內(nèi)各高職院校都有信息管理中心或者信息類專業(yè)，可以此為依托，培養(yǎng)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)隊(duì)伍。與此同時(shí)，可考慮與企業(yè)合作進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)人才隊(duì)伍的建設(shè)，聯(lián)合培養(yǎng)虛擬仿真教學(xué)軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)人才。

4.2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)操作與現(xiàn)場操作的區(qū)別

仿真操作是模擬真實(shí)的生產(chǎn)裝置，再現(xiàn)真實(shí)生產(chǎn)過程的一種教學(xué)方法。其操作的模擬性和程序化與現(xiàn)場操作的靈活性和不可預(yù)見性還有距離。

仿真操作中的參數(shù)控制調(diào)節(jié)反復(fù)訓(xùn)練，與實(shí)際生產(chǎn)中的參數(shù)嚴(yán)格準(zhǔn)確控制相違背。這些問題在學(xué)生訓(xùn)練過程中一定做出正確的指導(dǎo)和說明，以使學(xué)生適應(yīng)實(shí)際的工廠現(xiàn)場操作。

4.3 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)

虛擬仿真教學(xué)環(huán)境能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)信息資源，緊隨技術(shù)進(jìn)步，保證實(shí)訓(xùn)教學(xué)的動(dòng)態(tài)有效性。如Flash mx等工具可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上虛擬實(shí)訓(xùn)，由于可以在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽，因此其教學(xué)覆蓋面較廣，是一種具有發(fā)展前景的輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段之一。采用信息技術(shù)建設(shè)遠(yuǎn)程服務(wù)中心，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的共享，是虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的努力方向。

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作者簡介：王祖析（1965—），男，湖南雙峰人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)供職于湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，主要研究方向：計(jì)算機(jī)教育及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與管理研究。