虚拟仿真实例（共7篇）
虚拟仿真实例 篇1
机械工程测试技术课程是面向机械类本科专业的专业基础必修课,隶属于信息技术。课程主要内容包括传感器技术、信号分析与处理技术、计算机技术等,是一门理论性和实践性都很强的课程,是机械与自动化技术连接的桥梁。传统教学中,理论教学所占比重远远超过实践教学,其主要原因在于学时分配不合理和学校资源不到位。[1]借鉴美国高校的人才教育:高校的实验教学与课堂教学时常融合在一起[2],同时,考虑到不同高校的实验环境不同,开展了基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究,将课程重要的应用:力的测量、振动测量、温度测量以及位移测量依附于工程实践,进行虚拟仿真测试,由主讲教师依据具体的讲课进度和内容设置与之配套的工程实践虚拟测试环节,培养学生解决工程实际问题的能力,增加学生对专业学习的热情和积极性,启发学生对工程实践中相关事例与情境的深入观察与思考。[3]
1 Cult3D功能简介
Cult3D是一种全新的Web3D技术,一个跨平台的3D引擎,虚拟现实技术在互联网上的一种应用,运用该技术制作的具有交互功能的3D课件。[4]利用C u l t 3 D技术可以使网页设计者制作出3 D立体的产品,同时可以用视觉的方式显示不同事件和功能的交互性,并且放置在网页中用鼠标控制3D产品的旋转、移动以及放大、缩小。由于Cult3D本身并没有自己的建模工具,所以常常要借助于其他软件完成建模工作,因此就需要Cult3DExporter插件,利用它可以将3DS Max或者Maya等三维软件中的文件导入Cult3D。[5]Cult3D中还有Cult3DDesigner插件和Cult3D player插件,其中Cult3DDesigner为Cult3D主要的设计平台,通过这一平台可建立具有交互性能的对象;Cult3Dplayer主要用于Cult3D文件的网络发布,使浏览器可以播放Cult3D对象并展示其交互功能。
2 汽车变速器振动与噪声测试的网络虚拟技术实现
2.1 虚拟化工作流程
Cult3D基于面对对象的思想进行开发。三维物体作为一个对象,模型下每个节点都可以作为一个对象,每个对象具有一定的属性(如颜色、纹理等)。对象可进行一定的动作(如运动、旋转、放大缩小、粒子特效、动画播放、声音播放、粒子系统、复位等)。事件发生在对象身上,可触发对象的某个属性或动作的改变。
一个完整的Cult3D例程可以通过以下步骤实现,流程如图1所示。[6]
2.2 汽车变速器三维模型的构建
采用专业三维建模软件(如3DS Max,Pro E,Solid Works等)制作物体的三维模型,然后利用插件Cult 3D Exporter for 3D MAX导出文件,输出Cult3DDesigner的.c3d格式文件。若采用其他建模软件(如Solid Works,Pro /E等)可在软件中另存为.stl格式文件,然后在3DS Max中导入,再导出.c3d文件,或者采用Poly Trans模型转换软件将文件格式变换为3DMax可读出的格式,作为中转,转化为.c3d格式。本次汽车变速器建模,首先采用Solid Works软件进行三维模型的构建,然后将其保存为.stl格式文件,导入3DS Max进行渲染或剖切等操作,最后将其输出为.c3d格式文件,此文件格式可直接载入到Cult3D软件中进行虚拟。汽车变速器三维模型构建的流程如图2所示。
2.3 三维模型交互设置
启动Cult3D Designer,点击“fi le”按钮,选择添加Cult3D Designer文件,将之前保存好的.c3d格式文件导入,为三维模型加入互动效果、事件和声音等。Cult3D Designer已经将很多基本的命令模块化。即使不懂编程语言也可以很方便地制作出不错的效果。Cult3D中为了提高用户的交互体验,使用了面对对象的开发方法。可以按照用户动作、事件、浏览对象三方面去设计浏览过程中的交互环节,触发对象完成某种动作。动作的完成主要有以下两种实现途径。
2.3.1 开发平台中自带动作
对象运动有绕xyz轴旋转、平移、缩放、复位、动画播放、动画停止等动作。交互运动有鼠标球运动、鼠标扩展、鼠标和键盘导航。可选择不同摄像机进行视角跳转。可进行图形窗口的渲染设置,例如更改背景、隐藏对象、显示对象、双线性过滤等。可使用粒子系统进行特效模拟。用于触发的事件包括世界启动、世界停止、鼠标左键点击、鼠标右键点击、键盘按键按下、键盘按键弹起等。也可自定义事件。
本次实例的大多数动作都是通过此途径实现的,所以在这里主要介绍一下此途径的一些核心操作和注意点。
(1)对于载入的.c3d文件,首先建立一个虚拟物,将其作为一个整体,与事件启动、控制球组成一个最简单同时也是最有效的事件控制,通过此设置,可以实现对整体结构的旋转、移动以及放大、缩小,便于设计者对整体场景有比较好的把握,同时有利于形成对后续事件的设计思路。就交互性而言,这一步操作至关重要,同时也是后续事件设计的基础。
(2)在进行交互功能的设计之前,设计者需要做一个大概的流程规划,流程规划在一定程度上直接影响交互体验的感受,而且好的流程规划更节省内存。
(3)在交互功能的设计过程中,事件窗口和演示窗口要同时进行,以便及时发现问题进行改正,否则到最后发现问题时,又要从头开始找,降低了设计效率。对于设计的交互控制,最好能做到易读性,这样不仅便于自己的修改,而且也便于其他人的阅读和改正。此实例的交互设计过程如图3所示。
2.3.2 利用Java自编程动作
由于Cult3D是使用Java语言开发,所以借助J a v a使用C u l t 3 D可以获得更强大的交互功能。为Cult3D编Java类,必须使用Cult3D专用类包C u l t 3 D D e v e l o p . j a r ,这个文件一般放在C u l t 3 DDesigner的安装目录下。
编写好Java类并用编译工具生成*.class文件后,就可在Cult3D Designer中通过拖拉操作使用Java类的功能了。具体在Cult3D Designer中,点击View JavaAction打开对话框,添加要用的Java类。
2.4 导出.c3p和.co格式文件
交互设计完成后,将其保存为Cult3DProject文件,文件格式是.c3p,便于以后的修改,然后利用file菜单下的Save Internet f ile,把3D模型导出为.co格式文件。
在Cult3D Designer演示窗口的汽车变速器虚拟物体如图4所示(将此虚拟物在Cult3D中保存得到.c3p格式文件,可在Cult3D中进行反复修改)。
2.5 发布.co格式文件
发布.co格式的文件,插入到Html文件中在网上发布。
3 结束语
基于Cult3D技术的网络虚拟测试技术,将Cult3D技术有机地融入多媒体教学资源和教学情境的设计、开发之中,可以为学生创建更多、更好、更真实的操作环境,其生动、逼真的感性测量可以增加学生学习兴趣,打破硬件设备的限制,完成机械工程测试技术工程实例的测试任务,真正做到无硬件支撑环境下的实践教学,同时在不用增加实验学时的情况下培养学生工程实践能力和创新能力。
摘要：以理论教学为主导的传统教学模式使机械工程测试技术课程脱离工程实践。针对这一情况,提出了基于Cult3D技术的工程测试技术实例虚拟仿真研究,将教师的工程项目整合为虚拟测试环境,使学生跨越硬件设备资源的限制,通过交互性工程实例的测量过程,提高学生的工程实践能力、动手能力以及知识运用能力。
关键词：工程测试技术,工程实例,Cult3D技术,虚拟仿真
虚拟置入技术的应用实例解析 篇2
近年来, 另一种虚拟技术——虚拟置入技术开始出现在电视制作中, 比如中央电视台科教频道《2011中国记忆》的直播中, 在实景演播室背景中, 出现在《簪花仕女图》前面的可左右移动的放大镜就是虚拟置入技术的应用。2011年浙江卫视推出的《直播钱江潮》节目中, 在实景演播室拍摄中置入虚拟三维物体和图文也是虚拟植入技术的应用实例。虚拟置入技术最引人关注的一次闪亮登场当属《2012年春节联欢晚会》, 歌曲《万物生》中的冰雪融化、种子萌发, 《因为爱情》中飘洒而下的花瓣, 零点钟声时升腾而起的红灯笼等, 这些都受益于虚拟技术的置入。
今天的虚拟置入技术是从类似抠蓝像的纯虚拟演播室系统移植过来的。它是在节目录制过程中, 将计算机制作的虚拟元素实时、完美地融入真实场景中, 它往往和真实舞美效果、大屏幕视觉元素等共同作用, 形成更加丰富和立体的视觉效果。生动直观的虚拟元素带来了全新的节目形式, 受到了电视创作者的青睐。
虚拟技术在中国的应用已经有十几年的时间了, 而虚拟置入技术却是从2008年的央视春晚才开始的。通过实景拍摄中央电视台的方楼, 圆楼、梅地亚中心, 再用虚拟置入技术在方楼外墙贴上了动态的现场视频以及一些图案, 在圆楼顶上做了一个可以打开的莲花, 在梅地亚大楼外墙做了一个弧形大屏幕。真正大规模使用虚拟置入技术是在2010年世界杯转播, 从那以后, 这项技术为各种文艺晚会所青睐, 也积累了很多成功的案例, 在专题晚会中, 如何使用虚拟技术, 还没有太多可借鉴的案例。但是在2012年三四月间先后在CCTV-1播出的《感动中国》和《中华慈善奖颁奖盛典——大爱中华》等专题性晚会上, 我们看到了虚拟置入技术营造的立体的舞台效果。本文就以《感动中国》和《大爱中华》这两台专题晚会中应用虚拟置入技术的实例, 分析该技术对于增强视觉表现力的贡献, 以及实际操作与使用的经验。
一用虚拟置入技术制作宏大的开场效果
现在的晚会多以文艺节目开场, 对于可能没有文艺表演参与的专题晚会如何开场一直是创作者的一个课题。
2012年播出的《感动中国》也是第十届《感动中国》, 十年来它走出了一条不寻常的道路, 对于“十年”这个概念在开场的视觉元素中要得到充分的体现:在一条红色的路上, 矗立着十块代表时间历程的里程碑, 碑上镌刻着十个年份。在舞台当中竖立起的屏幕上显示“感动十年”。在舞美设计图中, 舞台上有一条实景道路, 大约20多米长, 它实际上是为嘉宾出场而设计的, 如何在这条路上均匀地、符合透视关系地立起十块里程碑呢?创作者决定用虚拟置入技术来实现这个创意 (见图1) 。
首先在制作之前, 针对舞美设计图, 创作者准确了解了实景装置的位置和尺寸, 之后, 在电脑里设计了十块金色的里程碑, 上面镌刻着《感动中国》从2002年到2011年这十年间的年份数字。在电脑制作里程碑的时候, 按照真实环境, 参照真人的比例去确定尺寸。
在制作三维软件里面, 建立三维的空间——即XYZ轴, 在演播室现场的摄像机拍出来的画面系统里也规定一个XYZ轴的坐标系。通过摄像机上的跟踪器将这两个坐标系连接并重合起来。
制作的时候, 我们在演播室现场设定一个原点, 这个原点我们就定义在舞台的中间, 树立丰碑的地方。同时在电脑图形里边的同样位置也有原点, 这两个原点是重合的。
之后就是在电脑中把十块里程碑摆放在红色道路上相应的位置, 摆放的要求是, 以丰碑的原点为零点, 在实际舞台上测量出从原点到每块里程碑的距离是多少米, 在三维制作软件中的XYZ轴里按同样的米数确定十块里程碑位置, 此刻, 从电脑的屏幕上看, 虚拟的里程碑就被设置在了红色道路上。但是, 这个图形非常假!因为, 虚拟置入技术中最重要的工作还没做, 这就是从多角度试图与真实舞台的结合:透视关系——近大远小;光线的变化——里程碑在地面的投影;色彩的融合——金色里程碑与红色道路等周边环境的协调;曲线的弧度——弯曲的道路上里程碑与之弧线的重合。总之, 此道工序制作得越细致, 出现在屏幕上的舞台视觉效果越真实。
在拍摄的时候, 镜头设计是这样的:摇臂从第一块2002年里程碑开始向后面的里程碑推去, 镜头向前运动, 道路向前延伸, 里程碑上的年份数字在变化, 最后, 镜头摇到丰碑大屏幕上的字幕“感动十年”。
这个开场使得《感动中国》十年的概念被充分诠释出来, 而且形式新颖, 视觉冲击力强大, 寓意深刻。被看作是这台晚会的创新点之一。
2012年4月CCTV-1播出了《大爱中华》专题晚会, 舞美创意为:慈善是爱心接力, 这个爱心铺就一条路, 能够通向天空, 走向光明。创作者希望用云开雾散来象征团结一致、克服困难、迎来曙光。于是“天梯”的视觉形象出现在创意中, 开场的设计被确定为“云中日出”, 它同样需要大屏幕画面和虚拟置入技术来共同完成 (见图2) 。
晚会开场的整体设计是这样的:在黑色的天空中, 一条红色的天梯伸向远方, 在远方的天空中, 乌云渐渐打开, 阳光透出云缝射向舞台, 太阳喷薄而出, 光芒四射, 一片彩云飘过舞台, 似有“云中漫步”的视觉效果。
在这几个视觉元素中, 天梯和彩云最终是用虚拟植入技术完成的。
我们在电脑中制作了近大远小的红色的天梯, 用虚拟定位的方法“安装”在现实环境的上方, 摄像机配合运动, 天梯从头顶前方延伸到舞台的里面, 镜头则90度垂直从天空向下摇, 随着天梯逐渐向远处展现开来, 镜头也成平视, 舞台上的大屏幕开始展现云开雾散的画面。最后在同一个机位, 画面下方飘过一片彩云 (彩云为虚拟画面) 。此时画面里既有顶上的天梯, 又有彩云从脚下飘过, 似有“云中漫步”的效果。
两场晚会的开场视觉秀都成为晚会的亮点, 富有独特性的创意, 以及虚拟置入技术赋予这种创意的神奇效果, 给人留下了深刻的印象, 同时又赋予主题深刻的寓意。
二用虚拟视觉画面强化人物性格
在《感动中国》的十位获奖人物当中, 朱光亚、杨善洲、刘伟、白方礼的颁奖段落, 创作者都使用了虚拟置入技术。
朱光亚是中国核事业的领航人, 他一生只做一件事, 不用浮名绊此生。他生命的大部分时间是在大漠、戈壁中度过的, 创作者把他的精神提炼成大漠深处的胡杨。
杨善洲, 从地委书记岗位退休后, 到深山中种树22年, 绿了荒山, 白了头发。他的精神就像枝叶繁茂的大树, 福荫百姓。
刘伟, 身残志坚, 励志青年, 心像大海般辽阔, 创作者给他设计了一棵海边的椰树, 来衬托辽阔胸怀。
白方礼, 节衣缩食, 靠蹬三轮车资助众多儿童上学。创作者希望用红色的枫叶来衬托白方礼, 枫叶落下铺满大地。象征一个老人厚重博爱的情感。
而在实景的舞台上, 不可能制造这么多的场景, 创作者还是借助了虚拟置入技术。用虚拟的视觉元素来刻画主人公的性格 (见图3、图4) 。
在这四个段落虚拟置入的制作上, 视觉的真实性是创作者所刻意追求的。
朱光亚的胡杨, 在设计虚拟视觉效果的时候, 没有追求大片胡杨林, 而是以少胜多, 用几棵胡杨作为视觉的前景, 再加上背景大屏幕上呈现的沙漠胡杨的画面, 使整个舞台立体起来。观众有如身临其境, 看到了沙漠中挺立的胡杨。
杨善洲的森林, 创作者更着重于舞台当中丰碑屏幕与树的结合关系, 在设计的时候两侧是虚拟的参天的大树, 中间是丰碑。好似在一片森林当中为杨善洲树立起了一座丰碑。
刘伟, 创作者只选择了一棵虚拟的椰树, 和背景大屏幕上辽阔的大海画面相结合。在富有诗意的情景中, 放置一台白色的钢琴, 在一首《希望》的钢琴曲中映衬此时此刻刘伟的心境。
白芳礼的红枫树, 在一棵茂盛的红枫树下, 有一条红色的路, 一群孩子推着白芳礼的三轮车缓缓地走出来。在这个场景中, 道路等元素都是实景, 只有这棵抢眼的枫树是虚拟置入。大树和孩子的对比是创作者追求的视觉效果, 在这里, 虚拟的枫树占了画面的四分之三, 而孩子从画面的左下角出走来。这样的视觉效果含义不言而喻。
在以上四种虚拟图形的置入中, 创作者特别重视的是最后的调整, 主要调整以下几种关系:虚拟图形与舞台实景的关系——背景上的大屏幕的画面与前景虚拟图形的比例, 人物与虚拟图形的比例;色彩关系——大屏幕画面上景物的色彩与虚拟图形的色彩要一致, 并且要暗一些, 这一点特别重要, 只有前景暗后景亮的画面才能有深度, 才符合视觉规律;演播室灯光的影响——虚拟图形上的光线要看上去像是现场灯光照明的效果, 而不是太阳照明的效果。
除了设计, 保证虚拟视觉效果的真实性是创作者处理虚拟画面最重要的标准。从屏幕效果看, 四个人物的虚拟视觉元素非常真实, 不仅增加了视觉的丰富性, 而且为刻画人物性格、调动观众情绪起到很大作用。
三颁奖典礼形式感的虚拟设计
在《大爱中华》的颁奖仪式中, 虚拟置入技术的应用为强化仪式感加分。
根据舞美设计, 创作者对颁奖仪式进行了这样的创意构想:与开场呼应, 要有天梯, 所不同的是, 上面镌刻了所有获奖者的名字。虽然实景的舞台上没有大门, 但是播出的效果是门打开, 嘉宾要举着鲜花从大门里面走出来。在大门一侧的舞台上要竖立一个大的奖杯。这一切都要用虚拟置入来实现 (见图5) 。
这里的难点是舞台上的大门, 根据舞美设计, 舞台中间有一个圆圈, 要在这个圆洞上用虚拟的方法安装一个能够开合的门。在确定了原点, 建立了三维坐标系后, 就要在电脑图形当中做一个跟舞台上实景圆圈一模一样的一个洞, 除洞之外的其他地方全部用透明的材质覆盖起来, 这样的目的是, 透明材质透过的还是原来的景物, 只遮挡中间虚拟置入的大门, 当虚拟的门打开到圆圈之外时, 就自然到舞台的实景圆圈后面了。中间制作的虚拟大门像真实的门一样, 关上就看不到后面, 打开人物就可出来了。
在舞台的前面, 放上一座虚拟的奖杯, 在三维坐标中确定位置, 让奖杯与大门形成远近关系, 再用摇臂进行拍摄, 奖杯是前景, 大门是后景, 形成舞台的立体结构。
实现创意关键在于以下几个要素:
第一, 与舞美的实景的结合。在这个颁奖环节里, 两扇半圆的对开红色大门打开后, 刚好就藏在了中间景的背后。这就要求虚拟图案与实景的边缘咬合要严丝合缝, 如果有些许的重合都会穿帮。
第二, 与人物的结合。获奖人什么时机走出这个大门是成败的关键, 走早了会出现人的脚走在大门外, 而人的上半身却被关在大门里。走晚了, 打开大门空荡荡没有人。所以严格计算出场的时间非常重要。
第三, 与镜头的结合。颁奖环节的展现是用两个机位完成的, 一个是全景的机位, 另一个是舞台一侧的摇臂机位。先用全景机位从空中摇向舞台, 展现一条红色的天梯, 上面镌刻着获奖者名字, 向远方援伸。之后接摇臂, 虚拟的奖杯作为前景, 镜头划过, 看到圆形大门打开, 获奖人从门里走出来。
从实际效果看, 这个颁奖环节非常圆满, 虽然操作比较复杂, 但是最终实现了人、景、机三位一体的完美结合。在这里, 天梯、奖杯、大门等虚拟的效果, 大大丰富了舞美元素, 为颁奖仪式增加了庄严感。而且延伸了舞台的纵深感和空间感, 实现了以假乱真的三维立体效果。
虚拟仿真实例 篇3
随着电子技术与计算机技术的飞速发展,各种计算机仿真辅助工具也被广泛应用,比如Auto-CAD,FPGA,CPLD等等[1]。本文介绍了专门针对微控制如单片机,emu8086等的另一种软件如Proteus仿真软件。
2 Proteus仿真工具介绍
Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件,是一个基于Pro SPICE混合模型仿真器的,完整的嵌入式系统软、 硬件设计仿真平台[2,3]。该软件不仅具有一般EDA软件的仿真功能, 还能仿真单片机及其外围器件,所以深得师生们的青睐。具备如下功能模块[4]:
(1)智能原理图设计(ISIS);
(2)完善的电路仿真功能;
(3)独特的单片机协同仿真功能(VSM);
(4)实用的PCB设计平台。
其中Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面,包括:标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口等。
3 Proteus环境下的电路设计与仿真实例
与Protel,EWB仿真工具类似,首先需要打开Proteus操作界面, 在“File”菜单中选择“New Design”即可打开空白文件;其次,选择 “P”按钮,在弹出的Pick Device串口中的“Keywords”里输入8086, 74LS273等,可从元件库中提取需要的元器件(选中双击),选择完点击OK按钮。再次,在编辑区画电路图,修改元件参数,如单击绘图工具栏中的导线标签按钮,使之处于选中状态。将鼠标置于图形编辑窗口的欲标标签的导线上,跟着鼠标的指针就会出现一个“×” 号,表明找到了可以标注的导线,单击鼠标左键,弹出编辑导线标签窗口。 在“string”栏中,输入标签名称,单击“OK”按钮,结束对该导线的标签标定。同理,可以标注其它导线的标签。但在标定导线标签的过程中,相互接通的导线必须标注相同的标签名。最后,保存文件。这样,原理图的绘制就完成了,如图1所示,实现了8086控制流水灯。
结合Proteus环境的emu8086仿真,编写汇编程序源代码如下:
由于8086一般做汇编用的是汇编软件生成的文件.EXE,.bin, 或.com扩展名的文件,且8086没有内存贮器,故应用KEIL生成相应文件时,需要设置内存启始地址,内存的大小和外部程序加载到内存的地址段。仿真一定要设置内存,时钟默认是1MHz,设置好后添加由MASM32或其他软件生成的扩展名为com,bin,exe的文件。Proteus自动加载到设置好的内存段中。如可配置方式为:如可设置内存大小10000H,程序下载到内存段为0200H,BIN入口为02000H,停止在int 3选择Yes。适用各种扩展名(.BIN .COM .EXE)的代码文件。
通过运行下载后的程序,确实看到16盏LED灯轮流显示。
4结语
Proteus虚拟仿真工具的应用,使得在具体的工程实践中,降低了实验开发成本,提高了实验效率。在实验教学中,不仅激发了学生的积极主动性,提高了学生的实验兴趣,还在毕业设计的应用中收到良好的效果。
摘要：随着计算机辅助仿真工具的发展,利用电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)进行的电子电路的设计与仿真已是现代电子技术系统的设计发展趋势,并且逐步得到许多电子爱好者的青睐。本文介绍了Proteus仿真工具的功能与基本操作方法,并结合流水灯控制电路实例说明如何用Proteus实现电子电路的设计与仿真。
关键词：EDA,Proteus仿真,调试
参考文献
[1]刘邹,丁青青.基于Proteus的硬件在回路仿真[J].计算机仿真,2009,02:312-314+328.
[2]王威,刘佳,张志雄,王挺,杨平.基于Proteus和Keil的单片机虚拟仿真平台的设计[J].上海电力学院学报,2009,06:607-610.
[3]代启化.基于Proteus的电路设计与仿真[J].现代电子技术,2006,19:82-84.
实例化技术在植物仿真中的应用 篇4
植物虚拟仿真是计算机领域近几年来一个热门且极富挑战性的课题。在三维视景仿真中,画面的更新必须达到人眼觉察不到闪烁的程度,通常为每秒20~30帧。同时虚拟环境也要求随人的活动及时产生相应的画面,即对于人产生的交互动作,系统的图形生成必须能立即做出反应并产生相应的环境和场景,其间的动作延迟不应大于0.1s,最多不能大于0.25s。虽然高速发展的CPU和专用图形处理器使得现在的图形工作站性能得到很大的提高,但是距离仿真可视化的需求仍相当遥远,所以,图形生成速度是仿真可视化的重要瓶颈。[1]在森林的仿真中,由于需要实时绘制大量三维的具有真实感的树木,场景生成的计算量很大,因而影响了其实时性,所以如何提高场景生成和绘制速度就成为森林仿真中的一个关键问题。为了提高仿真速度,研究者提出了许多用于实时图形生成和显示的技术,包括可见性判定和消隐技术、细节层次技术(LOD)、实例化技术等,首先将讨论实例化技术,并在树木的仿真中进行应用。
2 什么是实例化技术
一个复杂的三维模型通常是由许多个简单对象所构成,而这些简单对象中又有很多是具有相同几何形状的物体,它们的区别仅仅在于位置、角度或大小不同。在一个森林里面,有很多树的形状、树干的纹理都是一样的,如果所有的对象就存储完整的信息,则内存就有较大的浪费,实例化技术因此被提出。
实例化技术就是利用了这个特点,因为他的形状都是一样的,只是位置大小方向不同,所以相同形状的树木,在内存里面只存放一个模型,然后对这个模型进行平移、旋转、缩放,就可以得到其他的树。从而节约模型表示的内存空间,加快渲染速度。
实例化技术中涉及到两个概念:对象和实例。实例是由对象经过平移、旋转或缩放后生成的。但是由于根据某个对象生成的实例,又可用来生成其他实例,所以有时同一个成份既是对象,又是实例,所以在此对这两个概念不作严格区分。
在图1中所示的图形就比较适合用实例化的方法来进行表示。整个图形由9个三角形所构成,而这9个三角形又可以分成3个结构相同的部分,每个部分由3个三角形所构成,如图1左边图形所示。由于这3个部分结构相同,任何一个都可以作为其他的两个的实例。
3 L系统及海龟图
3.1 什么是L系统
L系统(L-system)是生物学家Aristid Lindenmayer于1968年提出的。它的功能是用形式语言的方法来描述植物形态的发生和生长过程。L系统的本质是一个重写系统,它通过一条公理和几条产生式,进行有限次迭代,并对产生的字符串进行几何解释,就能生成非常复杂的图形。因此L-系统非常适合描述植物的形态结构。
L系统是一个定义为G=
V——字符表(alphabet)。存储三元组中出现的所有字符。
W——公理(axiom)。V+中的一个字符串,是迭代过程的初始。
P——产生式(productions)的集合。
D0L系统是最早期的L系统,它是确定性的,其中的“0”表示它是上下文无关(context free)的。由公理开始,用产生式集合中符合的产生式对公理进行有限次的迭代。它的迭代形式可以表示为:
Predecessor→successor
predecessor表示前驱,successor表示后继。以下就是D0L系统的一个简单的例子:
V={F,+,-}
w=F
P:F→F+F——F+F
该系统前3代生成的字符串如下所示:
G1:F
G2:F+F——F+F
G3:F+F——F+F+F+F——F+F——F+F——F+F+F+F——F+F
3.2 海龟图的解释
引入L系统,主要是为了建立各种不同的生物生长模型,尤其希望能够真实地模拟现实世界中各种形态的植物,由Seymour Papert开创的“龟图”系统,能够将字符序列转换成“海龟”在二维平面上移动的动作,因此“龟图”是将L一系统用几何图形进行表达的理想方法。
龟图的基本字符含义:首先要确定海龟的“步长”d,然后用δ表示给定的角增量(360/n,n为某一整数),而且要规定一些基本字符的含义:
F:以当前方向,向前移动一步;+:逆时针转动δ;-:顺时针转动δ:[:将当前状态压入堆栈;]:从堆栈中弹出一个状态作为当前状态。
对前述L系统产生的G1、G2、G3字符串使用海龟图解释后结果如图2。
4 D0L系统的转换规则(实例化技术在树木仿真中的应用)
提出一种将L系统转换成实例表示的方法。通过对D0L文法的分析可以发现,迭代时,第n步产生的字符串中如果两个字符相同,则他们在后续步骤中产生的字符串也是一样的,即如果这个字符串代表了一棵树,那么它们代表的树或树枝的结构是一样的,这样就可以用其中一个来代表另一个,进行实例化。如在下面的L系统中,P1产生式右端有两个A,这两个A,在下一步时,被相同的字符串F[+A][-A]替换,在此基础上再应用P1和P2产生式进行迭代,得到的字符串仍然是一样的,所以两个A实际上代表了相同的树的结构,所以可以把一个A作为另一个A的实例。
ω:A
P1:A→F[+A][-A]
P2:F→FF
经过以上分析,提出了如下将L系统转换为实例表示的规则:
a.步数是0的时候就是公理,不存在实例。
b.假设现在已经得到第n步时的实例表示(有一些产生式表示),把用来表示实例的原产生式中每一个终止符A用An代替,如果A→a是原L文法中的产生式,就把An+1→a添加到b文法中。
将此规则应用到上述L系统中,即得到如下结果:
a.第0步,即迭代次数为0时就是公理:
ω:A
b.第1步在第0步基础上产生,应用规则b,A在原D0L文法中不是终止符,但是实例的表示中,属于终止符,因此将A改写为A1,并增加产生式A1→F[+A][-A],得到如下结果:
ω:A1
P1:A1→F[+A][-A]
c.继续应用以上规则,可以到第2步、第3步时的实例表示。
第2步:
ω:A1
P1:A 1→F2[+A2][-A2]
P2:F1→F2F2
P3:A2→F[+A][-A]
P4:F2→FF
ω:A1
P1:A1→F2[+A2][-A2]
P2:F1→F2F2
P3:A2→F3[+A3][-A3]
P4:F2→F3F3
P5:A3→F[+A][-A]
P6:F3→FF
根据第3步的实例表示,可以发现A1最终可以由其他4个实例表示(A2、F2、A3、F3),而若不采用实例化的表示方法,则A为FFFF[+FF[+F[+A][-A]][-F[+A][-A]]][-FF[+F[+A][-A]][-F[+A][-A]]],共需12个对象,由此可见,采用实例化的方法,有效减少了需要存储的对象个数。
5 结论
将前面描述的方法应用到如下的D0L系统中,将原L系统转换为实例表示。经过分析发现,原L系统字符串中包含的圆柱体为35310个,转换后实例个数为77,压缩比达到了459:1。
n=10,δ=30
ω://A
P1:A→[&BA]////[&BA]////[&BA]
P2:B→F
P3:F→FB
参考文献
[1]吴家铸,党岗,刘华峰,程志全,阳明.视景仿真技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.
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虚拟仿真实例 篇5
如何在中医药院校实现具有中医特色的虚拟仿真实验教学是当前需要思考的问题。本文从临床实践与中医理法方法关系切入, 探讨在中医院校实现虚拟仿真实验教学的方法, 旨在为中医药人才培养提供一些参考。
1 虚拟仿真实验教学
由计算机产生一种人为虚拟的环境, 这种虚拟的环境是通过计算机构成的三维空间, 或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”, 并通过多种专用设备让用户“投入”到该环境中, 从而使得用户在视觉、听觉、触觉、味觉等多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的技术[1], 是学科专业与信息技术深度融合的产物。
2 虚拟仿真技术的特点和优势[2,3]
2.1 多感知性
在教学中, 教师在传授抽象概念原理、重点和难点时可以应用虚拟现实技术将抽象概念原理、难点真实的实验过程等形象生动地表现出来, 对于中医学生而言虚拟仿真实验教学可以给予学生“真实”实践学习情境, 帮助学生更好地学习和实践, 辅助教师更好地教学。
2.2 虚拟仿真实时互动
虚拟环境中操作人员能像在现实生活中一样和人、环境等进行无阻碍的信息交互。在虚拟环境中操作, 学生能够做到身临其境的实验效果。
虚拟仿真无阻碍信息交互特征能够打破学生进行实验时间和空间上的限制, 比如“中医四诊仿真模拟训练”“中医方剂学实验中典型案例、常规案例、特殊案例的辨证-治法-组方情景学习”等这些耗时较长的实验, 可以让学生发挥自主能动性提高学习效率。
2.3 虚拟仿真可重复操作
虚拟实验室能满足学生自己设置实验条件和自创模型观察不同条件下的实验现象, 通过正、反对比实验现象增加学生对实验的认识, 调动学生学习的主动性, 培养学生的创新意识和思维。
虚拟仿真实验室可为学生提供虚拟场景、贵重仪器实验耗材可反复使用从而节约费用, 真正意义上为学生提供“实践-认识-再实践-再认识”的反复训练, 使中医学生形成稳固而正确的中医临床思维习惯。
3 传统实验教学的局限
近几年来, 随着学校新入学人数大幅增加, 而传统的实验教学又受限于课堂以及实验室的安排, 实验教学场地及资源极其匮乏;从而导致学生动手机会减少。
中医学是一门实践性强的临床学科, 而中医药院校缺乏针对临床思维能力培养的实践课程, 临床课程教学中的实践课大多附属在理论课教学之中。
中医学实践教学零散并缺乏融会贯通的训练, 加之医学实践教学基地缺失和不稳定, 实验室环境与医院实际医疗环境的差异, 学生对实训课程主观重视不够等, 这些因素直接影响了实践教学效果, 导致学生中医思维锻炼的机会减小、中医思维的片面、被动和混乱, 进而限制了中医学生临床能力的提高[4]。
4 培养学生的中医思维
目前西医基础理论课程虚拟仿真实验平台模式较完善和成熟, 而中医学课程虚拟仿真实验平台尚在探索初期。
“怎样传承中医, 怎样更好地培养中医大学生临床思维能力, 教学中如何让中医大学生在牢固掌握中医学理论的同时熟诸中医学的自然观与方法论, 从而培养出具有较高中医思维能力和临床水平的优秀中医人才”是所有中医药院校建设和申报国家级虚拟仿真实验平台必须思考和面临的问题。
通过对大量关于“培养中医大学生中医思维、思辨能力和临床选方用药能力教学改革”文献调研发现, 中医药院校在建设基础医学虚拟仿真中医实验教学平台过程中可以从以下几方面来体现中医思维方法。
4.1 构建中医四诊合参虚拟
在线虚拟学习平台, 选择临床典型病例、标准化病例将每一案 (病) 例包含患者的主诉、现病史、既往史、体格检查、实验室检查等完整内容。
在病例中附有图片 (显示该患者的神态、面色、舌苔、体征) 、音频资料或视频资料 (反映病人就诊时声音、病态、就诊过程) , 综合展示直观而形象的模拟诊疗环境, 然后指导学生采用辨证-治法-组方三部曲方法[5,6,7]。
从四诊资料开始入手, 分析证候, 提炼证候信息, 分析问题的主次轻重, 得出辨证结论和治疗方案, 使学生对组方的依据有明确的认识。使学生渐渐建立中医思维模式和提高临床辨治能力。
4.2 构建中药种植产地重现
在平台专栏中构建能够反映每味中草药从种植、采收、炮制、使用方法、功能主治、配伍禁忌等“真实”情景, 尤其是道地药材的产地种植、采收、炮制的情景, 让学生认识到自己不仅仅是个中医师也是中药师。
4.3 构建中医名方配伍规律
方剂中药物的核心关系是配伍, 而配伍是以中医理论为基础, 方剂配伍的核心内容是理、法、方、药。在虚拟仿真中医学平台中可以采用方剂配伍规律挖掘系统[8], 运用Apriori算法挖掘组成中药方剂的单位药之间的关联信息, 寻找新药对或药组从而进一步揭示中药方剂配伍规律。学生可以登入系统首先进行信息抽取模块, 经查询模块 (查询信息可按名方、主治、出处分别或同时查询) , 最后经关联规则挖掘得到相同或相似功效的药组、药对或新的组方。
4.4 构建中医名医经验传承
中医院校学生专业技能的培养, 除了理论学习, 终究还是要走进中医临床, 让学生及早实践中医, 感悟中医, 强化中医独特的思维方式。
通过整理并将本校本地名老中医的经典病案挂靠在虚拟仿真实验教学平台上供学生翻阅参考, 通过对名老中医病案的学习, 强化学生坚持中医整体观念, 并采用虚拟仿真实验平台学生以人机对话形式与虚拟病人互动交流, 模拟临床诊疗过程, 培养中医学生的思辨能力、选方用药能力[9,10]。
5 结语
虚拟实验教学与传统的实验教学相比其优势在于彻底打破时空限制, 学生可以随时随地通过校园网络登录虚拟仿真实验教学实验室反复操作实验, 从而调动学生的学习积极性, 培养高质量的中医人才, 同时避免了资源浪费。
2014年4月26日, 教育部高教司有关领导表示, 今后每年约有100个国家级示范中心名额, 在2020年之前会持续推进虚拟仿真实验教学的建设工作。以“理法方药”为核心, 以“临床应用”为方向, 具有中医传承特色的基础医学虚拟仿真实验教学基地, 可能会为中医药院校建设虚拟中医实验室教学平台提供一些有益帮助。
摘要：教育部提出高校教育信息化的战略, 虚拟仿真教学正是这一战略的重要体现。中医药院校如何将中医思维融于其中是我们需要思考的问题。从虚拟仿真的技术特点入手, 将中医基础理论、中医四诊合参虚拟、中药种植产地重现、中医名方配伍规律、中医名医经验传承融于一体, 旨在构建以“理法方药”为核心, 以“临床应用”为方向的, 具有中医传承特色的基础医学虚拟仿真实验教学基地, 以期为中医药事业发展及中医人才培养提供一些有益的借鉴。
关键词：虚拟仿真实验教学,中医思维,虚拟重现
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虚拟仿真技术的应用 篇6
1 使用虚拟数控仿真软件数控教学装置,设备,处理的三维显示
传统工艺一本书或活动挂图来查看图形数控设备或组件,或在现场教导学生观察实际的教学设备,以获得各种感性的形状。利用虚拟现实技术建立一个计算机用同一种,如Pro/E的建模使用3D零件或3D机床,数控设备和虚拟化,以及这些对象存储在仿真三维的课堂,只要我们进入虚拟空间,从不同的角度,可以在任何时间和场合,了解这些设备,还能够观察各部分的内部结构,甚至单独的设备,可以帮助学生理解设备的组成,结构和工作原理,提高学习效果。
2 使用虚拟数控仿真软件仿真,模拟训练教学
教学数控车床或铣床价格比较昂贵,一般的机床也要十几到二十几万不等,而企业的加工数控机床,从几万几千百万不等。然而,财政困难,许多职业学校数控设备严重缺乏,教师的教义教导学生独立动手操作,真正动手操作的机会很少,只能在黑板上讲课与进行书本知识的描述,“有些职业学校数控设备的数量是非常有限的,只有学生做示范试验,不能满足实践教学,每个学生将在数控机床操作独立稍加培训时间和培训重点,只能够进行简单的数控机床的操作,学校的培训严重脱离生产实际,培训效果不佳。使用虚拟数控仿真软件建立一个虚拟实验室,学习者可以进入虚拟实验室,身临其境的虚拟仪器,如虚拟数控设备的故障检测维修的各种虚拟数控系统的连接和组装,安装虚拟数控设备,这个虚拟的实验既不是消费设备,不受场地和其他外部条件,可重复操作,直到你来到一个满意的结果,虚拟实验室,将不会导致操作失误和事故所造成的
3 利用虚拟数控仿真软件实现的数控加工仿真教学系统
虚拟数控仿真软件的核心是虚拟数控机床,数控机床操作和过程的三维仿真环境,虚拟数控机床数控机床来完成大部分的教学功能,弥补了课堂上的理论教学不足的差距,利用虚拟仿真软件,内容丰富,各种类齐全的数控铣床,数控车床,数控加工中心,其中包括在国内和国外的先进的数控产品,以及各种常用的机床操作面板和软件系统。虚拟的教学中所涉及到的数控机床的知识包括:定义坐标系,面板的安装,工件的夹紧,安装盗具,基准的选择,机床手动操作。虚拟数控仿真软件来模拟部分的过程中,你可以测试NC程序指令正确,可以提供实时的机器的操作面板完全相同,NC程序的调试,编辑,修改和跟踪执行功能也是一应俱全。学生在身临其境的虚拟经营各类数控机床的数控仿真软件,可以充分发挥数控加工的常用操作,如操作模式选择,编辑操作的刀,刀具补偿确定和输入和输出操作程序,修改,保存和检索操作。数控学习者需要动手练习,学生机床操作培训时间。
4 实现虚拟数控仿真教学与真实生产加工的联系
虚拟数控仿真软件不仅可以独立运行在一台计算机,也能实现在本地区域网络(LAN)网络上运行。数控加工仿真系统的硬件设施,独立操作计算机模拟的虚拟数控机床模拟操作面板的电脑显示器,以及部分虚拟数控机床的切削过程三维动态图形演示。虚拟数控仿真系统,运行在本地区域网络(LAN)系统通过网络传输的真机上的虚拟数控仿真验证程序连接到学生通过与计算机的实际,五金零件切割工艺,那么除了操作仿真面板操作,与实际机器的真实情况。
5 可实现网络数控培训及考核
职业教育自成立以来,所采取的测试已经基本通过了在小学和中学基础教育的测试模式选择筛选和分级的目的形式单一,封闭的书面考试,学生在考试时只需要知道,理解,记忆,掌握的内容。这种考试制度只是对学生能力知识的检测,没有解决问题的能力,缺乏动手能力,知识转移与创新,导致可怜的职业学校毕业生的操作能力和整体素质低的现象,严重影响了职业教育的使命,阻碍了职业教育向高层次的发展。虚拟数控机床强大的网络功能,远程教育和培训,不仅仅是有一个双向的互动教学功能仅在区域网络,也有基于互联网的双向互动远程教学,卫星,宽带数据传输可以使用方式。这使得数控培训远程学习名副其实,采用远程网络学习,作业,考试等功能,被测验者能自动保存成绩查询和分析等功能,方便了无纸化考核和评价。
虚拟仿真实例 篇7
物流仿真是针对物流系统进行系统建模, 并在计算机上编制相应应用程序, 模拟实际物流系统运行状况, 并统计和分析模拟结果, 用以指导实际物流系统的规划设计与运作管理。作为一门课程, “物流仿真”课在教学目标上不同于其他物流理论课和实训课, 教学内容也不能局限于软件公司提供的相关模型。它是结合了物流学科相关知识和计算机操作技能的综合性课程。因此, 其教学设计和教学方式需要教师精心准备, 大胆创新。据此, 笔者设计了一堂主题为“实体仓库的模型创建与改进”的物流仿真课。下面对该课程进行简单介绍。
课程内容简介
本课主题为“实体仓库的模型创建与改进”, 主要内容是要求学生建构学校实训教室内的实体自动立体仓库的仿真模型, 然后提出扩建要求, 要求学生在原有模型基础上进行扩容设计。
本课使用仿真技术的必要性体现在: (1) 学技术:弥补工位限制。实体仓库内的参数设置更改困难, 场地有限、设备种类有限, 仓库类型相对单一, 且工位有限, 要让学生了解更多的仓库类型与控制方式, 需要应用仿真技术。 (2) 增兴趣:突破教学难点。三维动态场景对于帮助学生理解仓库结构、认识设备属性、理解设备逻辑关系具有直观、形象、多样化的作用, 仿真对于突破这一教学难点具有不可替代的作用。 (3) 提素养:对专业的持续关注。中专学生学会仿真软件的使用能够拓展其视野和能力, 提升其职业素养, 对其将来的职业发展有益。
本课定位为: (1) 通过完成一个综合性的任务项目, 检验学生对于仓库结构和仿真部件的认知。 (2) 通过创建三维立体的、动态的、图像化的模型, 即时获得系统的运行效果, 相比静态的图片或文字, 仿真能够最大限度地引起学生兴趣。 (3) 通过完成一个身边的较为熟悉的任务项目, 让学生进行边缘性的参与, 获得专业学习的信心和成就感, 并对本专业产生持续的关注。
ASSURE模式简介
ASSURE教学设计模式, 是由Heinich、Molenda、Russell与Smaldino四位学者于2002年提出的, 是围绕在教室环境下怎样使用媒体和资源而设计的一套模式, 着重于在实际教学情境下, 善用多媒体工具来帮助达成教学目标, 并鼓励学生互动参与。ASSURE取其六个步骤名称英文动词的首字母, 以表达“确保教学成功有效”之意。这六个步骤为:分析学习者;陈述教学目标;选择教学方法、媒体和材料;使用媒体和材料;要求学习者参与;评价与修正。利用ASSURE模式进行教学设计, 需要教师分析自己对于媒体、方法的选择, 以及对使用情形加以评估, 在教学行动反思之后加以调整改善, 作为下一次改进教学的依据。
基于ASSURE模式的教学设计过程
(一) 分析学习者
一般特征
教学对象为中专物流管理专业二年级学生, 年龄在16~17岁之间, 易受社会不良风气影响, 诸如实用主义、拜金主义等。在学习方面也表现得比较功利, 自认为有用的就用心学, 自认为将来用不上的就不学。心理特征表现为自我意识强、独立性强, 希望得到他人的承认和尊重, 但同时又表现出自信心缺乏, 需要在与教师和同伴的交往互动中获得肯定。中专学生在学习方面往往缺乏正确的态度和方法。在智力因素方面, 如记忆力、注意力的持久性等稍显欠缺。他们对课程知识掌握的程度, 在很大程度上取决于自身的非智力因素, 如求知欲、自信心、责任感等。因此, 教师需要在这些方面多下工夫, 使学生用非智力因素弥补智力因素的不足。
入门能力
我校二年级学生的先修课程包括国际贸易、电子商务、现代物流基础、叉车驾驶等, 在相关的课程中接触了一些专业常识, 如各种物流基本设施的名称和作用。在学校自有的实训教室内有三种类型的仓库, 包括自动立体库、电子标签库和平置库, 还有传输设备、搬运设备等。学生观察过仓库的运行, 有的甚至在仓库内进行过操作, 对此较为熟悉。在技能准备方面, 学生前期已熟悉了乐龙仿真软件Ra LC的操作界面, 学会了基本的设备创建和编辑操作, 如传送带系统的生成、货架的生成、部件之间的连接等。
学习风格
中专学生不喜欢理论灌输, 也不屑于单调的、系统的知识传递, 但他们对于色彩、动态等视觉刺激感兴趣, 对于需要自己动手操作的内容则参与积极, 表现出极大的视觉偏好。这是教师可以利用的学生优势。大部分学生愿意与同伴合作, 喜欢宽松的教学氛围, 希望教师不是高高在上, 能随问随答。学生在适当的激发下能够有活跃的表现, 尤其是对三维动态的仿真模型, 因其能够即时显示运行效果, 学生积极性非常高。
(二) 陈述教学目标
教学目标不是限制学生应该学习什么, 而是表示学生应当达到的最低学习目标。在ASSURE模式对教学目标的陈述中, 包含教学对象、行为、条件、程度四个要素, 结合四个要素陈述的教学目标为:
知识目标
(1) 能够说明自动立体仓库的基本结构。 (2) 能够归纳自动立体仓库货物出入库的大致流程。
技能目标
(1) 能运用仿真软件根据实体仓库正确选择所需部件。 (2) 能将实际的物流设备转换为仿真模型。 (3) 能为各种部件设置参数, 并正确对部件进行连接, 完成货物入库和出库。 (4) 能灵活运用所学知识, 根据要求对既有模型加以改进和设计。
情感目标
(1) 能积极参与师生互动, 交流心得。 (2) 在模型制作过程中能够主动探索, 分析差异, 自我提高。
(三) 选择教学方法、媒体和材料
选择教学方法:任务引领, 搭建脚手架
选择教学方法最重要的原则是要服务于特定的教学内容。建构主义认为, 首先要有完成有意义任务的动机或意图, 才能引发有意义的学习;能够引发有意义学习的最富有意义的任务就是问题解决, 进行问题解决才能帮助学生获得更好的理解和实际能力。因此, 在这堂课上, 首要选择的教学方法就是任务教学法。为学生选择一个实际的、有意义的任务是上好一堂课的前提。对于“物流仿真”课程而言, 既要让学生理解自动立体库的布局结构, 又要运用仿真软件把模型构建出来, 这是有一定难度的。因此, 最好为学生选择一个他们比较熟悉的、可以随时加以观察的仓库原型, 所以在此设计了学校实训室的仓库作为原型。学生对身边的仓库, 既熟悉又好奇。因此, 仓库是引起学生学习兴趣的切入点。有了需要解决的问题, 还要为问题建构内部表征, 这是解决问题的最重要技能之一。学习者对问题的描述越全面越精确, 解决问题的方法就越好。要设计扩容方案应该从何入手呢?在教师的活动设计中应该体现出解决问题的思路, 帮助学生搭好构建认知的脚手架, 在教学设计时需要将递进的任务设计成指引框架, 使学生在活动过程中不仅能逐步达到完成总体任务的目的, 还能体会到类似任务的完成步骤和途径。教学主线设计思路如图1所示。
选择媒体和材料
要完成模型的创建和设计, 需要熟练运用仿真软件。因此, 上课准备的材料包括Ral C操作指南、校本教材《物流系统仿真项目》、演示文稿, 准备了计算机、投影仪、Ra LC仿真软件等。为了动态地展示自动立体仓库的货物入、出库流程和原理, 当场请两名操作较熟练的学生运行仓库管理系统, 并进行货物的存取、条码的扫描等工作。但学生的理解能力、学习进度不尽相同, 不可能随时调用两名学生进行演示。因此, 我们将他们操作机械的动态过程制作成视频, 作为媒体材料提供给每一个学生, 以备他们随时调用查看。
(四) 使用媒体和材料
学习环境的设计
多数学生愿意与同伴合作交流, 在学生之间的讨论中同样会产生新奇的想法。本次课的内容需要学生之间取长补短, 因此教室布置为图2所示的形式。将学生分为四个小组, 激励学生在建模过程中在小组内部相互交流和帮助, 在小组之间则采取竞争的激励方式。在教学形式上, 结合现场教学和仿真教学。现场教学侧重学生的观察和教师的讲解, 仿真教学则注重引导和学生的操作, 指导学生遵循设计规律, 发挥自身的主动性和创造性完成学习任务。
教学流程设计
设计的教学流程如表1所示。
(五) 要求学习者参与
中专学生对于课程和教师的偏好是十分明显的。如果希望学生在课堂上积极参与、产生良性互动, 就需要在平时的课堂教学中与学生建立起民主、平等的师生关系, 尊重学生个性和差异, 多进行正面的鼓励和表扬, 尽量给学生自我发挥的空间, 使学生习惯于在课堂上很快活跃起来, 进行创造性的思考和真正的心理参与, 达到对设备的创造性运用。
进行小组竞争, 并给优胜小组一定的奖励, 能够激发学生参与的积极性。本课结束时教师为竞争获胜小组分发了小小的即时贴。学生特别高兴, 说这奖品“好有爱”, 有的学生甚至产生了更为深入探究的欲望, 为日后的分层教学打下了基础。
此外, 在本次课上还采用了作品交流和让学生汇报创作思路的方式, 给予学生展示的机会, 使他们能产生成就感, 更能在学习共同体中产生正面效应, 以少带多, 使更多学生得到启发, 突破教学难点。
(六) 评价和修正
学生的设计各有利弊, 但评价作为教学的一个重要部分, 仍旧是需要精心设计的。教师要让学生学会自我反思, 成为评价的主体。让学生根据给出的评判标准, 找出不足并加以改进和提高才是评价的主要目的。在此, 本课的教学评价分为学生自评和教师评价两部分:学生自评要求在课堂内评价, 简单易操作;课后要求学生上传作业, 教师完成综合评价。如表2和表3所示。
教学设计的创新与特色
一是精心选择独特的任务。选择的任务难度应处于学生认知发展的“最近发展区”, 学生利用已学的知识和技能, 通过努力是可以完成的。如任务具有一定的现实意义, 学生会给予更多关注, 在完成任务时能够获得较多的学习成就感。
二是预留空间鼓励创新。教学设计时预留了较大的创意空间, 让学生充分发挥创造力, 从货物码上托盘开始, 就有学生使用了新的设备, 直到设计扩容方案, 学生的最终作品是多样的、具有差异性的, 能使学生个性化的想法得以展现。
三是适时渗透职业态度培养。在教学过程中不断地给学生以职业态度的影响, 比如在制作仿真模型阶段, 强调模型要尽量与实体仓库一致, 这样不仅是对真实环境的模拟, 也体现了严谨的工作态度和职业要求;在扩容设计阶段, 则要求学生大胆创新、勇于尝试。
四是教学效果丰富多样。学生作品多样化, 充分发挥创意, 设计多种扩容方案。
中专学生在学习专业知识的时候, 可以说没有丝毫专业基础, 这给教师的教学带来很大困难。心理学家杰尔姆·布鲁纳 (Jerome Bruner) 认为, 当学习者缺乏相关的经验背景的时候, 教学遵循从实际经验到形象性表征, 再到符号性或抽象表征的顺序, 能够促进学习。遵循这样一个规律, 有效地借助媒体和材料, 按照ASSURE模式为学生精心设计教学过程, 不仅能够提升教学效果和学生的学习成就, 也是能反映教师教育教学能力的一个重要指标。ASSURE模式是一个能够完成系统化设计主要步骤的教学设计模式, 但也需要教师根据教学对象的实际情况, 充分思考学生能做什么、怎么做, 选择正确的方法、媒体和材料, 加以灵活运用。只有这样, 才能搭建起从教学起点到终点的桥梁。
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