高校虛擬仿真技術應用探析

王云鵬

摘要：隨著虛擬仿真技術的不斷發(fā)展，該項技術已越來越多地用于高校教學中，本文將簡要介紹虛擬仿真技術的特點及發(fā)展，并探討高校虛擬仿真實驗室的建設及管理。

關鍵詞：虛擬仿真學科建設實驗室管理

1虛擬仿真技術及其發(fā)展

虛擬仿真也稱虛擬現實（VirtualReality，VR），是在傳統的仿真技術的基礎上，利用3D技術、傳感技術、人工智能等實現對現實的高度模擬，使用戶產生“現場感”。虛擬仿真技術可以追溯到20世紀50年代，主要用于軍事、航天、電力等領域，80年代以后，隨著微型計算機的性能不斷提升，仿真技術開始廣泛應用于民用領域，如城市規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保、企業(yè)管理、經濟分析等。2000年以后，隨著高校教學改革的不斷推進，仿真技術逐步進入高校的教學中。

從廣義上來說，虛擬仿真技術不僅包含了計算機仿真技術、多媒體技術、傳感技術、人工智能、軟件工程等計算機技術，甚至還涉及到了心理學、社會工程學相關領域，使用戶能在虛擬仿真系統中產生“沉浸感”。

2高校的虛擬仿真技術應用

高等院校早期將虛擬仿真技術應用在教學中主要是采用傳統的模擬仿真方式。使用模擬仿真軟件（EDA）將設計方案在計算機中進行仿真模擬，實現對產品性能、設計流程的模擬控制，從而使設計方案在實施前達到最優(yōu)。例如網絡設計中的tracertpacket，該軟件使用圖形界面對網絡規(guī)劃方案進行設計，并使用CLI界面對網絡設備進行程序控制，不僅能模擬整個網絡的運行過程，還能對網絡中數據流和數據處理過程進行跟蹤。再如電子電路模擬仿真軟件Proteus，可以很方便地將電路設計、PCB設計和虛擬模型設計融合在一起，配合系統配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，在計算機內部就可模擬出十分完備的產品模型。這些模擬仿真軟件都具有功能強大且價格低廉的特點，因此在高校教學中使用十分普遍。

隨著3D技術、傳感技術及人工智能等技術的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術逐步發(fā)展成為一種可模擬真實世界視覺、聽覺、觸覺的虛擬空間仿真，也稱為虛擬現實技術。因此，虛擬現實技術是傳統的虛擬仿真技術與現代IT技術的深度融合。虛擬現實技術出現后，在軍事、城市建設、產品設計、旅游娛樂等領域迅速得到應用，例如曼恒公司的飛行模擬系統，該系統對飛機駕駛艙各個部分進行了充分的模擬，并利用三維視覺仿真技術生成一個逼真的、精準的虛擬環(huán)境，可以全方位、多角度地模擬真實飛行中的各種狀況。虛擬現實技術在教育領域也同樣有著十分廣泛的應用，越來越多的教學與科研都將借助于該技術，如上海交通大學口腔醫(yī)學虛擬實訓系統、武漢大學公共安全可視化系統等，這些虛擬現實系統在學生技能培養(yǎng)方面相比于傳統的教學方法有著巨大的優(yōu)勢。

但由于這些虛擬現實系統價格十分昂貴，例如一套導游虛擬現實系統報價在100萬左右，平均每年的維護費用在10萬左右，普通高校很難承受如此高昂的采購和后期維護費用，因此并未在市場中大量推廣使用。隨著3D打印技術的興起，虛擬仿真+3D打印或許是高校更為普遍的選擇。3D打印是一種快速成型技術，這項技術可以很好地與虛擬仿真學和材料學結合起來，給用戶提供更加真實直觀的產品。尤其對于那些與設計、制造技術相關專業(yè)，使用虛擬仿真軟件在計算機中設計出模型，再通過3D打印機進行快速成型，可以很方便地實現對實物的模擬。3D打印機的價格相對較低，入門級的產品報價目前在萬元以內，后期費用不高，隨著3D打印技術的進一步普及，企業(yè)級的大型3D打印機價格將會進一步下調，這將為3D打印技術在高校中的推廣起到很大作用。目前的3D打印技術可以很方便地打印出機械零配件、動物器官和小型建筑，能打印出食物、機器人的新型3D打印機也即將問世，3D打印技術將越來越多地延伸到高校的教學科研中。

3虛擬仿真技術與專業(yè)融合

虛擬仿真技術作為一種教學方法，可以融入到高校許多專業(yè)的教學、實訓和科研中。尤其是與新興產業(yè)、交叉學科相關聯的專業(yè)，學科知識更加廣泛、技術更加前沿、學習難度更大，在教學實踐中更需要使用虛擬仿真的方式促進學生對理論知識的理解以及實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于實踐教學而言，不同層次的實踐教學可以用不同層次的虛擬仿真技術進行模擬。在專業(yè)基礎課程中的實踐教學可以使用簡單、高效、成本低廉的傳統仿真技術來完成，對于專業(yè)核心課程的實踐教學或綜合性實驗，可采用虛擬現實系統或是借助3D打印技術來實現。

以物聯網工程專業(yè)為例，該專業(yè)是典型的前沿技術專業(yè)，而且專業(yè)知識覆蓋面十分廣泛，從感知層、網絡層到應用層，涵蓋了傳感技術、網絡技術、通信技術、軟件技術等諸多領域。如果簡單地套用傳統教學模式和方法，學生不僅很難理解其中的各種技術細節(jié)，對整個專業(yè)的應用前景也會感到困惑。虛擬仿真實驗可以很好地解決這些問題。在感知層和網絡層的教學中，可以使用前文中介紹的模擬仿真軟件Proteus和tracertpacket，對物聯網的底層傳感器和網絡進行模擬仿真實訓。在綜合實訓課程中可結合具體專業(yè)面向的領域，使用各種實驗設備進行虛擬仿真教學，如智能家居、物流管理等專業(yè)領域均可使用實驗箱和綜合實訓室進行綜合虛擬仿真。一些以物聯網應用層為主要研究對象的專業(yè)則可使用沙盤模擬軟件對學生進行實訓，如物流管理沙盤、電力控制沙盤、ERP沙盤等，不僅培養(yǎng)了學生的實戰(zhàn)經驗，還可以大量節(jié)省教學成本。

虛擬仿真技術與專業(yè)結合的另一個例子是數字城市。數字城市技術是一種典型的虛擬現實技術，是將計算機技術與空間測量技術、遙感技術、虛擬仿真技術相結合的交叉技術，旨在構建一個虛擬的空間信息平臺，將城市資源（包括自然資源、社會資源、基礎設施、人文、經濟等相關信息）以數字化的形式進行存儲，以虛擬仿真的形式表現以供用戶查詢。數字城市技術覆蓋范圍廣泛，因此可以與許多專業(yè)結合，例如數字城市技術、空間信息與數字技術等專業(yè)。這些專業(yè)都有著非常相似的特點，即采用多媒體技術繪制二維或三維虛擬現實界面，使用分布式存儲技術對數據進行存儲，使用數據庫技術對數據進行管理，使用人工智能技術實現人機互動。在數字城市技術及相關專業(yè)的教學中，將大量的使用到虛擬仿真技術，并將虛擬仿真技術逐步和人體感官項融合，形成虛擬現實空間。隨著國家數字城市戰(zhàn)略的不斷推進，數字城市與虛擬現實技術必將有著更加廣闊的應用空間。

4虛擬仿真實驗室的建設與管理

虛擬仿真技術應用于高校的實踐教學與科研，主要是以虛擬仿真實訓室為載體完成的。與普通實驗室相比，虛擬仿真實驗室的建設與管理有著一些特殊性。總結起來，有以下三個方面需要注意。

4.1軟件是根本。由于長期存在“重硬件、輕軟件”的觀念，國內高校的實驗室建設經常會走入誤區(qū)，在實驗室中堆砌大量的硬件設備，讓實驗室的設備值“看得見、摸得著”。硬件的性能固然重要，但軟件才是決定實驗室設備是否符合用戶需求的根本。對于虛擬仿真實驗室而言，虛擬仿真軟件用于對虛擬仿真設備和虛擬現實設備的控制，是實現實驗室功能的最重要因素，而且這些軟件通常是專用軟件，功能無法用其他軟件替代，如果一旦軟件出現故障，實驗室的設備就成了一堆廢品。因此在虛擬實驗室的建設和管理過程中，軟件的性能指標以及軟件系統的可靠性都應引起足夠的重視。在系統采購時，集成商的軟件開發(fā)、系統集成能力應作為考察的重點之一。

4.2服務是關鍵。虛擬仿真實驗室因其較高的集成度和專業(yè)性，在使用和維護的過程中，十分依賴于廠商的后期服務。尤其是大型虛擬現實系統，軟件和硬件結構復雜，需要精確的現場調試才能模擬出較為理想的虛擬現實狀態(tài)，同時影響系統正常運行的因素較多，日常維護時需要管理人員有更強的專業(yè)性和針對性，因此廠商提供的后期服務顯得尤為重要。例如系統調試、使用和維護培訓、及時響應服務、零配件保障等，都需要在實驗室建設規(guī)劃時統籌考慮，否則花費大量財力購置的虛擬現實系統會最終成為昂貴的廢品。

4.3項目是載體。建設虛擬仿真實驗室的目的是促進高校教學與科研水平的提高，促進專業(yè)理論與實踐的融合，因此科研與學科建設是實驗室建設的重要支撐平臺。在今天的科研與學科建設中，項目化是一種普遍的選擇?？蒲械捻椖炕咽制占?，學科建設的項目化正在成為趨勢。教學內容項目化、實訓過程項目化、專業(yè)建設項目化，一層一層地帶動整個學科建設的項目化轉型。不僅如此，很多高校提出“以賽促建”的觀念，將學生競賽項目作為學科和科研建設的重要平臺。因此項目是實驗室建設和使用的載體，沒有應用項目的虛擬仿真實驗室使用價值將大為降低。

隨著高校學科和科研建設的不斷提升，各種虛擬仿真技術在高校中將會有更加廣闊的應用，本文旨在拋磚引玉，將虛擬仿真技術在高校的應用作出簡要介紹，同時希望能引起各高校對虛擬仿真實驗室建設的關注。

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基金項目：武漢商學院2014年教研重點項目《基于應用型人才培養(yǎng)的商科院校校內實驗實訓基地發(fā)展建設研究———以武漢商學院為例》，課題編號2014Z009。