虛擬仿真技術助力實驗新方法

雷靜 趙志明 高羨明 張功學

摘 要：以互聯網為代表的信息和網絡技術的廣泛應用，使得虛擬仿真技術可以模擬真實實驗場景，讓學生在虛擬的空間完成實驗操作，尤其對于實際難以運行的，比如高危行業(yè)、大型綜合訓練場景、實驗條件需高溫高壓等極端環(huán)境等方面，虛擬仿真技術具有無法比擬的優(yōu)越性。通過虛擬仿真手段搭建實驗教學平臺能夠將新的研究理論、創(chuàng)新技術融入自動化實驗設計中，通過虛擬仿真進行展示。文中通過不同行業(yè)實驗案例闡述了虛擬仿真實驗系統(tǒng)的構成，體現了其實驗教學、實驗研究和實驗演示的高度設計性和互動性的特點。

關鍵詞：虛擬仿真; 實驗教學; 案例展示; 系統(tǒng)構成

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）5-198-002

用虛擬仿真技術模擬真實環(huán)境，讓學生在虛擬的空間完成實驗操作，其間，體驗身臨其境的真實感受。

虛擬仿真一詞最早是由計算機科學家杰倫·拉尼爾在 1987年提出的[1-2]，即用一套網絡虛擬系統(tǒng)模仿一個真實系統(tǒng)。通俗來講就是利用計算機技術還原具有視覺、聽覺、觸覺的“真實實驗室系統(tǒng)”。教師和學生可以在特定的三維空間里感受真實場景下難以體驗的危險性實驗，進行遠程復雜實驗[3]。

2020年，全球爆發(fā)的COVID-19疫情打亂了高校的正常教學安排。為了保證教學質量，最大程度減輕疫情對學校教學的影響，教育部號召“停課不停教、停課不停學”。不少高校積極響應教育部號召，開展線上授課和線上實驗等教學活動。比如：1.理論教學充分利用“互聯網+教育”的模式，以慕課的形式呈現給學生。2.實驗教學做虛擬仿真實驗，學生即使在家，亦可完成實驗操作，達成實驗要求。

一、虛擬仿真技術——《工程制圖》實驗

在虛擬仿真實驗課堂里，抽象的知識會變得非常具體。虛擬仿真技術給課程帶來了不可思議的變化。如圖1中學生通過虛擬仿真平臺了解圓錐齒輪傳動的運轉方式，圖2中學生通過虛擬仿真平臺完成齒輪油泵的拼裝實驗，掌握齒輪油泵運行原理及拼裝結構。實驗過程中，學生可以通過視頻仔細觀察齒輪的機械結構，掌握其工作原理，在此基礎上進一步嘗試拆裝齒輪油泵，學以致用。本例說明虛擬仿真實驗這種全新的教學模式能夠很大程度上激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)造力。

目前，虛擬仿真技術正在被各行各業(yè)廣泛應用。尤其對于實際難以運行的，比如高危行業(yè)、大型綜合訓練場景、實驗條件需高溫高壓等極端環(huán)境等方面，虛擬仿真技術具有無法比擬的優(yōu)越性[4-5]。例如：深海探測，核反應堆實驗，人體解剖，大型工程操作。

二、虛擬仿真技術的特征及優(yōu)勢

虛擬仿真技術的主要特征是沉浸感、交互性、構想性，其優(yōu)勢顯著。目前，已經在教學、科研和生產實踐中得到廣泛應用。

1.復雜、危險實驗的展示和操作

幫助老師展示不可能完成的實驗如復雜實驗、危險性高的實驗和其它無法在傳統(tǒng)實驗室完成的實驗，把抽象的實驗過程立體、逼真的演示，有助于學生更好地理解掌握，大幅度提升教學效果。

2.培養(yǎng)學生的自主學習能力

學生通過電腦操作，進入虛擬界面，可以自己獨立觀察，分析問題，解決問題，自主學習能力無形中大幅度提高。

3.激發(fā)學生的學習興趣

虛擬仿真技術因是人機互動操作，尤其虛幻性、直觀性、逼真性等特點，大大激發(fā)了學生學習的興趣。

三、虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的構成

一個完整的“虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”通常包含服務器、數據庫、網絡環(huán)境、客戶端運行設備、顯示設備、實驗交互設備等。虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)典型構成如圖3所示。

服務器是系統(tǒng)的核心，主要運行相關虛擬仿真教學實驗;而數據庫則為實驗提供數據存儲和讀寫訪問服務。由于虛擬仿真實驗內容大多涉及三維模型和精細紋理數據，因此還需適宜的網絡環(huán)境。學生進行實驗時，主要通過客戶端設備來實現，客戶端設備包含運行設備如個人計算機、平板電腦、手機等。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備如虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、混合現實（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、互動式LED 大屏幕、立體投影等等，這些可供選擇的擴展設備能為學生實驗帶來更為良好的畫質體驗和真實感受。實驗過程中的人機互動部分由鼠標和鍵盤等交互設備完成。但對于一些沉浸感要求較高、交互復雜的實驗，還可選配數據手套、力反饋裝置，以及位置追蹤、空間定位、動作捕捉、眼動跟蹤、腦電交互等設備。

四、虛擬仿真實驗教學案例介紹

各個學科關于虛擬仿真實驗教學案例有很多，下面，我們篩選幾個有代表性的案例呈現給大家：

案例1（航空航天類）：

實驗項目來源：中國人民解放軍空軍工程大學

實驗項目名稱：察打一體型無人機自主飛行控制虛擬仿真實驗教學項目

實驗目標：通過虛擬仿真項目針對偵察、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驗，如圖4所示，實驗中，同學們可以設定不同的參數，觀察無人機在不同角度下的飛行姿態(tài)。再現無人機任務飛行的真實場景，還原自主控制中姿態(tài)變換、飛行軌跡、運動參數、舵面偏轉的動態(tài)過程，探究控制參數對自主控制性能的影響規(guī)律。

案例2（食品科學類）：

實驗項目來源：浙江工業(yè)大學

實驗項目名稱：橙汁濃縮及其飲料生產虛擬仿真教學實驗

實驗目標：由于企業(yè)生產保密性以及設備、場地的限制，企業(yè)擔心影響到自己的正常生產，不愿意接待大量學生的實習實踐，導致學生現場實習困難，難以真實了解生產中的各類技術指標及工藝參數，如圖5所示，本實驗采用虛擬仿真手段，同學們可以模擬實際工藝操作，仿佛置身于實際工廠之中，熟悉工藝生產的流程，同時也可設定不同的工藝參數，系統(tǒng)則將按照該工藝運行，并及時反饋工藝修改之后的結果，增進了學生對食品生產場景及行業(yè)先進技術的了解。

五、展望

隨著科技的發(fā)展，虛擬仿真技術已經慢慢融入到我們的生活當中，增加了不少的生活樂趣。未來虛擬仿真技術還可以應用到更多的地方，給我們的生活帶來更多的變化。這樣，我們可以在更多的領域實現突破性進展，提升我們的新的技術創(chuàng)新。

參考文獻：

[1]劉振東，李曉東，馬建民，等.虛擬仿真技術在工程訓練中的應用[J]實驗室研究與探索，2017，36（3）：160-163

[2]郭燕秋，朱遠征，程平，曲松，熊非，張淑平.虛擬仿真技術的應用進展[J]科技創(chuàng)新與應用，2020（01）：149-151

[3]許美蘭，胡振鋒，龍絳雪，曾孟祥.虛擬仿真技術在水污染控制工程實驗教學中的應用進展[J]科技資訊，2019，17（18）：101-102

[4]林小芳.虛擬仿真技術在高校實驗教學中的應用研究[J]福建電腦，2021，37（02）：52-54

[5]楊萬霞.“互聯網+”背景下高校虛擬仿真實驗教學體系的構建與應用[J]吉林省教育學院學報，2021，37（02）：116-119