基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練研究與實踐

安建強

(南京郵電大學(xué) 實驗室建設(shè)與設(shè)備管理處, 江蘇 南京 210023)

基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練研究與實踐

安建強

(南京郵電大學(xué) 實驗室建設(shè)與設(shè)備管理處, 江蘇 南京 210023)

闡述了虛擬仿真技術(shù)的概念、特征，以及在創(chuàng)新訓(xùn)練中發(fā)揮教學(xué)功能的理論基礎(chǔ)和具體體現(xiàn)，提出虛擬仿真技術(shù)在創(chuàng)新訓(xùn)練中運用的2個關(guān)鍵因素是構(gòu)建實踐共同體和虛擬環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，提出了基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練的一般模式：實踐共同體三要素循環(huán)創(chuàng)新訓(xùn)練體系。最后介紹了實踐的案例。

虛擬仿真； 創(chuàng)新訓(xùn)練； 實踐共同體

“國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃”(以下簡稱創(chuàng)新訓(xùn)練)是教育部直接推進的、面向本科生立項的科技創(chuàng)新訓(xùn)練政策，旨在探索并建立以問題和課題為核心的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以本科學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，提高其創(chuàng)新實踐的能力[1]。創(chuàng)新訓(xùn)練計劃作為教育部高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的探索，對其進行信息技術(shù)支撐下的教學(xué)與學(xué)習(xí)變革，開展理論和實踐的探索，具有較強的現(xiàn)實意義。

1 基于虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練模式

1.1 虛擬仿真技術(shù)的概念

虛擬仿真技術(shù)(virtual reality，VR)又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)、靈境技術(shù)或模擬技術(shù)，是利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動化控制技術(shù)儀器儀表與測量技術(shù)等交叉產(chǎn)生的一種現(xiàn)代信息技術(shù)，是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，能夠創(chuàng)造一種高端的人機接口,包括通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺同等的實時模擬和交互，可以獲得多維交互體驗的虛擬環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實驗之后人類認(rèn)識自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，而且正在發(fā)展成為人類認(rèn)識、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)[2]。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的特點

Burdea在《虛擬現(xiàn)實技術(shù)》一書中描述了虛擬仿真技術(shù)的4個基本特征:

(1) 沉浸性(immersion)。根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)的不同類別，使用者可以獲得視覺感知、聽覺感知以及力學(xué)感知、觸覺感知，甚至包括味覺感知和嗅覺感知等。同時,人投入到虛擬環(huán)境中操縱數(shù)據(jù)變量,可以觀察到現(xiàn)實生活中不可能觀察到的現(xiàn)象，如分子結(jié)構(gòu)的改變、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變遷等。這種觀察印象深刻，產(chǎn)生一種身臨其境、沉浸其中的感覺[3]。

(2) 交互性(interaction)。使用者對虛擬仿真物體的可操作性以及得到的反應(yīng)、反饋(包括實時性)，例如使用者用手抓取虛擬對象，手可以感受到物體的質(zhì)量、移動，甚至是體積的變化等。

(3) 構(gòu)想性(imagination)。該特征包含2個方面的含義：一方面指虛擬環(huán)境通過人的構(gòu)想而創(chuàng)造,因為虛擬環(huán)境既可以是對真實世界的模擬，也可以是主觀想象的虛構(gòu)；另一方面,人沉浸于虛擬環(huán)境中與所處環(huán)境的自然交互,多維的體驗激發(fā)人豐富的想象,突破原有思維的限制。

(4) 智能性(intelligence)。指VR系統(tǒng)具有的智能因素。虛擬環(huán)境中的物體具有認(rèn)知、推理、決策等能力，是人工智能、人工生命(artificial Life)技術(shù)和VR的結(jié)合，表現(xiàn)為人在虛擬環(huán)境中的各種感覺與真實世界是一致而逼真的。另外，虛擬環(huán)境和仿真對象對于人的動作與行為的反饋、反應(yīng)是符合客觀規(guī)律的。虛擬仿真技術(shù)的特性給我們的學(xué)習(xí)、實驗、訓(xùn)練、設(shè)計、管理提供了新的方式和途徑，可以有效地避開危險的環(huán)境，有效地降低實驗、訓(xùn)練的成本，把不可及、不可逆的客觀存在進行呈現(xiàn)，從而大大提高效率與效益。例如波音公司完全使用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計波音 777新型客機獲得成功，加拿大政府使用虛擬仿真技術(shù)進行多倫多市的城市規(guī)劃與管理取得好效果等。

1.3 虛擬仿真技術(shù)在創(chuàng)新訓(xùn)練中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義是當(dāng)代學(xué)習(xí)理論的一種革命，是信息化教學(xué)模式與學(xué)習(xí)模式的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)[4]。雖然建構(gòu)主義有很多的流派，內(nèi)涵豐富，但其一些關(guān)鍵的要素還是獲得了比較廣泛的認(rèn)同，即情境、建構(gòu)、專注、能力和共同體[5]。從建構(gòu)主義五大要素可見，虛擬仿真技術(shù)作為學(xué)習(xí)支撐和工具有其獨到之處。有學(xué)者認(rèn)為，在教育中運用虛擬仿真技術(shù)是與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論高度一致的[6]。

(1) 情境。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重基于情境的學(xué)習(xí)。虛擬仿真技術(shù)提供了多種感知的多維環(huán)境，學(xué)習(xí)訓(xùn)練的任務(wù)與現(xiàn)實條件的匹配更加優(yōu)化，使知識從一個情境到另一個情境的遷移更加直觀與高效。

(2) 建構(gòu)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為知識是認(rèn)知主體積極建構(gòu)的結(jié)果，建構(gòu)需要通過新舊經(jīng)驗的互動才能實現(xiàn)。學(xué)生在虛擬環(huán)境與仿真對象進行互動，有利于先驗知識的建立與發(fā)展，促進知識發(fā)現(xiàn)、探究與情境之間的廣泛聯(lián)系，有利于同化、順應(yīng)新經(jīng)驗，達到學(xué)習(xí)的意義建構(gòu)和心智模式的建構(gòu)。

(3) 專注。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重內(nèi)在動機的激發(fā)。虛擬仿真的環(huán)境對學(xué)習(xí)者有更直接的感受、共鳴，易于理解，富于吸引力，有助于學(xué)習(xí)者更加關(guān)注自己的學(xué)習(xí)任務(wù)，從而產(chǎn)生高效的學(xué)習(xí)結(jié)果。

(4) 共同體。學(xué)習(xí)具有社會性的特點，而在知識時代，學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、實踐、創(chuàng)新都需要多專業(yè)人群的分工、協(xié)作。虛擬仿真技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)化、分布式、實現(xiàn)性等特點，為創(chuàng)新訓(xùn)練中實踐共同體的產(chǎn)生提供了條件[7]。

(5) 能力。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論注重多元智能的發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)是多學(xué)科交叉而產(chǎn)生的，在構(gòu)建虛擬環(huán)境和對象過程中，不同的學(xué)科能力得到發(fā)展與體現(xiàn)；同時，不同專業(yè)背景組成的實踐共同體在學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過程中都得到不同程度的發(fā)展(也包括學(xué)習(xí)能力、溝通能力、組織能力的發(fā)展)[8]。

1.4 虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)功能

創(chuàng)新訓(xùn)練本質(zhì)是一種個性化的研究性學(xué)習(xí)，虛擬仿真技術(shù)在其中的教學(xué)功能體現(xiàn)為：

(1) 創(chuàng)造良好的創(chuàng)新訓(xùn)練環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)能夠構(gòu)建逼真、生動的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生是虛擬環(huán)境中探究知識、解決問題的主體，從而產(chǎn)生一種存在感和成就感。

(2) 將抽象的、深奧的學(xué)習(xí)內(nèi)容具體化、形象化，幫助學(xué)生探索那些不能接觸到的地點和事物，學(xué)習(xí)和探究變成具體的、體驗的、現(xiàn)實的、生動的、安全的[9]。

(3) 有助于激發(fā)積極的情緒和動機。創(chuàng)新訓(xùn)練是學(xué)生個性化的自主學(xué)習(xí)，虛擬仿真技術(shù)有助于學(xué)生擺脫枯燥的課本與理論，在一個可以自己控制的環(huán)境里，自由地探索新知識、新技能，這是對學(xué)生內(nèi)部需要和動機的滿足，可以較好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[10]。

(4) 為不同地域上的學(xué)習(xí)者提供交流環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)是一種信息化技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)化、跨時空、交互式、智能化、分布式的特點，為不同地域的實踐共同體開展集體的協(xié)同創(chuàng)新訓(xùn)練提供了基礎(chǔ)[11]。

2 虛擬仿真技術(shù)在創(chuàng)新訓(xùn)練中的應(yīng)用

2.1 構(gòu)建實踐共同體

Kathryn Fulton和Margaret Riel認(rèn)為實踐共同體是由一些成員組成，這些成員分享著關(guān)于某一主題或領(lǐng)域的共同旨趣，討論某些現(xiàn)象的特定方式，完成集體建構(gòu)合作知識的工具和意義生成的方法[12]。創(chuàng)新訓(xùn)練是由若干名有共同興趣與愛好的學(xué)生自發(fā)地組成一個臨時群體，就某一研究問題開展學(xué)習(xí)、討論、研究，并最終完成學(xué)習(xí)和研究目標(biāo)。他們既有分工，有各自的研究子任務(wù)，同時也有合作，具有明顯的實踐共同體的特征。

Wenger提出了實踐共同體三要素：相互介入(mutual engagement)、共同事業(yè)(ajoint enterprise)、共享技藝庫(shared repertoire)[13]。

Wenger認(rèn)為，由一組關(guān)鍵事件或問題來定義的知識領(lǐng)域形成了實踐共同體的成員所共同追求的事業(yè)，也是共同體存在的根本原因。實踐共同體不一定存在明確的組織邊界，它的存在和維系體現(xiàn)在共同體中的意義協(xié)商活動中。意義協(xié)商提供給成員互動的工具和機會，允許成員從不同的路徑進入以及不同程度地參與，共享的技藝庫是在共同體演化過程中逐漸積累并共享的一整套資源，包括慣例、用語、工具、做事的方式、故事、手勢、符號、樣式、經(jīng)歷、態(tài)度、行為、概念等。這些資源都是在共同體存在的過程中產(chǎn)生或采用并成為共同體實踐的重要部分，同時也構(gòu)成了該實踐共同體中的文化特征。

在創(chuàng)新訓(xùn)練的項目小組中，都涉及以意義協(xié)商和身份形成來詮釋知識的理解、產(chǎn)生和創(chuàng)新的過程，它隱喻著一種研究學(xué)習(xí)的社會境脈和分析工具。參與創(chuàng)新訓(xùn)練的學(xué)生，需要在實踐共同體發(fā)展的過程中合作建構(gòu)新知識，提升創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，并完成從認(rèn)知的成長走向身份的發(fā)展。

2.2 構(gòu)建虛擬環(huán)境

虛擬環(huán)境是學(xué)生開展創(chuàng)新訓(xùn)練的必要平臺，可以為學(xué)生提供非抽象的情境，在構(gòu)建中應(yīng)當(dāng)注意以下原則[7]：

(1) 支持實時交互。實時交互是虛擬仿真環(huán)境的基本要求，要求系統(tǒng)和虛擬對象能在一個很短的時間內(nèi)對各種操作或參數(shù)的改變做出正確響應(yīng)。

(2) 建模容易。創(chuàng)新訓(xùn)練是學(xué)生自主的個性化的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，虛擬平臺的易用程度和開放程度有助于為學(xué)生提供成熟的、易實現(xiàn)、可擴展的技術(shù)。

(3) 便于網(wǎng)絡(luò)傳輸。這包括2個方面內(nèi)容：一是虛擬環(huán)境的體量盡可能??；二是采用流技術(shù)來傳輸虛擬場景。這樣有助于開展網(wǎng)絡(luò)及時響應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同訓(xùn)練。

(4) 具有開放的國際標(biāo)準(zhǔn)。開放的國際標(biāo)準(zhǔn)，一是便于虛擬環(huán)境和對象資源的共享和交流，二是利用免費的開放軟件，有利于降低成本。

(5) 運行環(huán)境要求低。對學(xué)生科技創(chuàng)新而言，虛擬環(huán)境最好可以在大眾化的個人計算機上實現(xiàn)。

3 虛擬仿真技術(shù)在創(chuàng)新訓(xùn)練中的應(yīng)用

我校是以工學(xué)為主體、以信息學(xué)科為特色、理工文經(jīng)管教藝法多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展、本碩博多層次人才培養(yǎng)的教學(xué)研究型大學(xué)，立足江蘇、輻射全國、面向行業(yè)、服務(wù)社會，培養(yǎng)基礎(chǔ)知識扎實、知識面寬、實踐能力強、具有創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感的信息科技及其他相關(guān)領(lǐng)域的高素質(zhì)專門人才，在長期的人才培養(yǎng)和科學(xué)研究中建立了系統(tǒng)的人才培養(yǎng)體系和學(xué)科特色。學(xué)校較早地開展了虛擬仿真實驗教學(xué)和實踐教育的改革和研究，分別在2013年和2014年獲得2個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心稱號。近年來，在各虛擬仿真實驗平臺上開展創(chuàng)新訓(xùn)練項目，取得了豐碩成果?，F(xiàn)對一個國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(項目名稱為Robocup3D仿真競賽中雙足機器人的運動規(guī)劃與智能決策)的案例展示如下。我們設(shè)計了虛擬仿真技術(shù)在創(chuàng)新訓(xùn)練中應(yīng)用的一般模式，即實踐共同體三要素循環(huán)創(chuàng)新訓(xùn)練體系(見圖1)。

圖1 實踐共同體三要素循環(huán)創(chuàng)新訓(xùn)練體系

3.1 確定創(chuàng)新訓(xùn)練的目標(biāo)任務(wù)(即共同的事業(yè)追求)

本項目的主要目標(biāo)是：實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中機器人的全向行走和動態(tài)避障算法；在個體智能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究動態(tài)環(huán)境中多機器人的有效協(xié)作對抗策略，提高團隊的整體進攻防守效率，最終實現(xiàn)建立一支完整的并具有競爭力的類人機器人足球仿真隊伍。

研究內(nèi)容是：

(1) 采用多層結(jié)構(gòu)控制器來實現(xiàn)機器人的雙足全向行走，并利用學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練實現(xiàn)最快速度下的穩(wěn)定步態(tài)；

(2) 研究并實現(xiàn)機器人在復(fù)雜環(huán)境下基于蟻群算法的動態(tài)避障方法；

(3) 研究仿真比賽中的動態(tài)角色分配和占位策略，運用學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)多機器人之間的協(xié)作和對抗機制。

3.2 組建實踐共同體(開始相互介入)

本小組匯集了3名對機器人有著濃厚興趣的學(xué)生，并通過Apollo3D實驗室組織的機器人方面的培訓(xùn)和交流，已經(jīng)具有了一定的機器人控制方面的多專業(yè)知識和合作基礎(chǔ)，在數(shù)學(xué)和編程方面各有所長。

學(xué)生李：成績優(yōu)秀，具有自動控制方向的專業(yè)背景，同時在多項編程比賽中取得佳績，具有深厚的C/C++編程基礎(chǔ)。作為新加入Apollo團隊的一員，在培訓(xùn)和選拔中表現(xiàn)突出，贏得了其他隊員和指導(dǎo)教師的肯定。負(fù)責(zé)機器人行走避障算法的設(shè)計實現(xiàn)。

學(xué)生趙：長期在自動化學(xué)院實驗室?guī)椭處熦?fù)責(zé)管理和維護網(wǎng)絡(luò)、硬件、系統(tǒng)工作，工作能力、動手能力很強，有豐富的Linux平臺開發(fā)經(jīng)驗，思維活躍，善于與他人溝通交流。負(fù)責(zé)機器人算法總體框架的構(gòu)造和代碼整合，系統(tǒng)、平臺的維護，代碼測試工作。

學(xué)生郝：主持人，做事情認(rèn)真負(fù)責(zé)，對編程有濃厚興趣，在課余時間自學(xué)了人工智能、機器人學(xué)方面的課程，并參與過相關(guān)軟件的開發(fā)，已經(jīng)在Apollo3D創(chuàng)新實驗室參與足球機器人仿真開發(fā)工作超過1年，在此期間取得了2011年RoboCup土耳其世界杯3D仿真足球比賽季軍和2011年RoboCup中國公開賽冠軍等獎項，具備了一定的項目背景知識，有較為豐富的研發(fā)經(jīng)驗和較強的編程能力。主要負(fù)責(zé)項目總體統(tǒng)籌策劃及報告撰寫，同時負(fù)責(zé)多智能體協(xié)作方面的工作和雙足行走的相關(guān)算法設(shè)計、實現(xiàn)。

本小組成員對學(xué)習(xí)和研究有著很高的熱情，彼此之間是同學(xué)、也是隊友，能夠默契配合。團隊學(xué)術(shù)氛圍濃厚，其中不乏思維活躍、編程能力出眾的成員，在該項目研究方面，無論是理論研究還是程序的開發(fā)測試工作，都有多年的經(jīng)驗累積，能夠保障該項目的出色完成。

對于小組成員在各自開發(fā)過程中遇到的問題和測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，會一同商討解決。

3.3 構(gòu)建虛擬環(huán)境，開展學(xué)習(xí)與創(chuàng)新訓(xùn)練(循環(huán)發(fā)展共享的技藝庫)

此項目采用微軟仿真Nao平臺作為虛擬仿真平臺，其平臺上的類人機器人以法國的Aldebaran Robotics公司生產(chǎn)的Nao機器人作為仿真模型。Nao機器人身高約57 cm，重約4.5 kg。Nao機器人共25個自由度，其中腿部有12個。

項目組成員在Nao虛擬仿真平臺上開發(fā)了具有行走、奔跑、踢球等能力的虛擬Nao機器人，并組成球隊進行對抗，深入研究其運動規(guī)劃和對陣策略(見圖2、圖3、圖4)。

圖2 類人機器人的全向行走步態(tài)定義

圖3 類人機器人踢球動作設(shè)計

圖4 團隊配合的戰(zhàn)術(shù)設(shè)計

項目組成員會經(jīng)常評估項目目標(biāo)的達成情況，以便以對項目分工進行調(diào)整，對技藝庫的內(nèi)容進行利用、更新和協(xié)商，以達到更好的創(chuàng)新效果。

4 結(jié)束語

我們在虛擬仿真環(huán)境中開展學(xué)生的創(chuàng)新訓(xùn)練活動，取得了豐碩的成果。以自動化學(xué)院為例，在2010、2011、2013年的RoboCup機器人足球世界杯賽中分別獲得冠軍、亞軍和冠軍，每年在此類競賽中有30多人次獲得省級以上獎勵。創(chuàng)新訓(xùn)練是個性化的研究性學(xué)習(xí)，而虛擬仿真技術(shù)具有很強的自主、自控性和知識的自適應(yīng)建構(gòu)性，兩者存在高度的契合性。

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Study and practice of innovation training based on virtual simulation technology

An Jianqiang

(Office of Laboratory and Facility Management，Nanjing University of Post & Telecommunications, Nanjing 210023，China)

This paper introduces the concept and character of virtual simulation technology, analyzes the theoretical basis of application for innovation training, then proposes that the key factors are the structure of practice and virtual environment. This paper also structures the common mode including three factors of practical community circle system for innovation training. In the end, this paper introduces a specific case.

virtual simulation; innovation training; practical community

2015- 07- 20

安建強(1974—),男,浙江天臺，碩士，副研究員,研究方向為高等教育信息化、實驗室與設(shè)備管理.

E-mail：anjq@njupt.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)12- 0179- 04