虚拟仿真技术教学

虚拟仿真技术教学（精选12篇）

虚拟仿真技术教学 篇1

虚拟仿真实验教学中心是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容, 是学科专业与信息技术深度融合的产物, 旨在提高高校学生的实践能力和创新精神, 核心是共享优质实验教学资源, 重点是建设信息化实验教学资源。

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

参考文献

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[9]莫春梅, 史伟, 荣震.加强中医经典教学, 培养中医临床思维模式[J].湖南中医杂志, 2011, 27 (5) :92-93.

[10]何家恺, 高利.名老中医药专家宝贵经验的传承方式思考[J].中西医结合心脑血管病杂志, 2015 (2) .266-268.

虚拟仿真技术教学 篇2

【摘要】随着近几年来，科学技术的不断进步，在计算机科学技术的迅速发展中，虚拟技术也应运而生，在各个方面都发挥着举足轻重的作用。应用电子技术教学在教学中的运用是为了使学生的技术水平和动手实践能力得到提升。虚拟教学法是为了解决学生在实际工作中遇到的实际问题中，实践能力跟不上理论的一种心得教学手段和方法。通过多媒体技术构建仿真情景，让学生通过对虚拟情景的操作获得接近实践的认知和感受。虚拟教学在应用电子技术教学中的运用打破了传统教学的模式，开启了教学模式朝着现代化、科技化、智能化方向发展。

【关键词】虚拟教学；应用电子技术；教学方法；实践；操作能力

虚拟教学在应用电子技术教学中可以给学生创造更好的学习条件，更加直观、清晰的剖析问题，使学生在掌握知识的同时也能增强实践能力。

一、应用电子技术教学中虚拟教学的作用

（一）应用电子技术为虚拟教学提供技术支持

应用电子技术教学将理论学习和实际操作结合，课堂中口头描述困难的内容和枯燥乏味的知识等通过虚拟现实技术以动画的形式进行教学，更加直观，也具备更强的操作性。提升学生的学习兴趣和学习乐趣。在掌握知识的同时，也能增加实际操作经验。培养学生的综合能力，帮助教师达到更好的教学目的。

（二）虚拟教学能解决传统教学中存在的问题

虚拟教学的方法是将对信息技术的实际应用于虚拟画面的教学结合，改变了传统的教学中教师讲述或学生自己摸索操作的情况，将技术的教学与实际操作结合，达到更好的成效。一方面拓宽学生对知识和技术的认知，同时增强他们将知识应用到实际操作中的能力。

（三）全面提升学生理论与实际操作的能力

很多学生对电子应用技术的课程内容的学习缺乏兴趣和动力，虚拟教学能调动他们学习东西，增加学习兴趣，进而提升学习效果。虚拟教学利用虚拟技术在课堂中对技术的实际应用情况进行模拟，通过虚拟技术模拟现实的工作场景，脱离枯燥的课本文字讲解，更好的培养学生的理论与实际操作的能力。

（四）有助于教学改革和提升教学方法

很大一部分学校由于教学条件的限制，学生的.实际操作机会少之又少。庆幸的是这些难题可以通过虚拟教学解决。这就要求教师改变原有的教学模式，实施教学改革，研究新的教学方法，制定新的教学理论。在提升教师能力的同时，也有助于提升学生的能力。

二、在应用电子教学中虚拟教学发挥的具体作用

（一）提高学生的学习效率

传统的教学中，偏重于课程中对知识的讲解描述，在对学生实践和动手操作方面的培养十分欠缺，这种课程教育存在诸多弊端，在应用电子技术课程条件下，教师将理论知识与实践行动紧密结合，学生更能加深对教学内容的理解，以及明白教学内容的作用和意义。虚拟教学创建仿真环境，帮助学生获得更好的认知和感受，同时理论技术知识和实际操作能力的结合，为以后实际工作打下良好的基础。

（二）设计教学任务与试验课程，提升教学效果

在虚拟教学中，需要教师将所要教授的任务设计好，以实验课程带领学生进入知识的殿堂。与传统的教学任务不同的是，学生能在教师的新型授课方式中得到近似实际操作的引导，能有新的感悟和新的学习成效。不再是以一张图片为主，考教师口头描述，学生自己想象理解，大大提升了教学效果。

（三）提升学生的综合素质和能力

目前许多高校进行虚拟教学，仿真的学习环境让学生如同在实际工作中的场景中，在虚拟环境的学习中充当实际操作者，能感受到如在场实际操作的体验，同时也提高了教学成果。在应用电子技术课程的教学中，教师在培养学生技术和能力的同时，也不要忽视了学生之间的协作能力与工作意识，让学生在毕业后更适应工作。

（四）有助于提高设备水平及教学方法

随着时代的跟新，老的设备和教学方法可能会跟不上发展的步伐，但是当前的虚拟教学方法在技术上也存在着诸多问题，要完全取代传统的教学模式还需要诸多努力，学校要购进先进的设备，教师要培训提升自身的教学能力，改进教学方法，与学生学习时的发展特点以及能力水平保持一致。虚拟教学法是一门综合性的技术，通过计算机和专业设施带给学生身临其境的感觉，能解决很多传统教学中存在的问题。同时虚拟教学法的实施，对学校的教学设备有着一定的要求，对教师的教学方法和教学能力水平也有很高的要求。能更好帮助学生掌握技术知识及实际操作能力，为以后步入工作打下坚实的基础。

参考文献：

[1]唐忠彪.虚拟教学在应用电子技术教学中的运用[J].现代职业教育,2015(5):46-48.

虚拟仿真技术教学 篇3

【摘要】《空中领航》是一门偏重于技能培养的航理学科，因此，在实际教学中非常重视学员从理论知识到实际能力的转换。本文介绍了虚拟仿真技术在空中领航教学组织中的应用，阐述了运用虚拟仿真技术教学手段对增强学员学习的动力，提高教学质量，加强学员参与教学方面有较大的促进作用;在培养学员的综合领航能力方面，是一种行之有效的现代教育模式。

【关键词】仿真虚拟技术;空中领航

1 引言

“综合领航”能力是空军对飞行人员提出的必须具备的八种能力之一。领航技能的培养，需要一个从理论学习到实践操作的过程。课堂教学重点解决理论知识的学习，而实验室教学则重点解决实践动手操作的问题，帮助学员更好的完成知识的转化，促进学员领航技能的形成。基于数字仿真技术建设的空中领航仿真实验室，为《空中领航》课程的实践教学提供了坚实的教学条件保障。利用仿真技术开发的领航模拟训练系统，能够模拟从初教机到三代机的主要领航仪表，仿真度很高、后续扩充也非常简便。通过在空中领航仿真实验室的实验，学员能够及时验证、深入理解所学的理论知识，学会领航基本方法、熟悉领航工作程序、掌握领航设备使用方法、养成良好的领航工作作风和习惯、提高各项领航基本技能。

2 仿真技术运用在教学实践中的作用

2.1 课堂教学运用仿真技术，极大提高了教学效果

在课堂教学过程中，更多地是进行领航基本理论和原理的教学，容易使学员对教学内容感到比较抽象，缺乏真实感和形象感，对于知识的深入理解和掌握造成较大的困难。在实际教学中，教员经常通过实物演示的方法，以帮助学员更好的理解和掌握所学知识。而为了更好的进行模拟演示，在授课前的教学准备中，教员需要对演示内容进行预先的设计和演练，实际授课时还要把所需的相关设备和教具带去教室。由于某些设备和教具的结构相对较为复杂，导致在操作上不是很方便，以致在教学演示中耗时较长，有时会对教学进度造成影响。而在课堂教学中运用虚拟仿真技术，教员就可以一边讲授空中领航的基本原理，一边利用仿真模拟软件将较为抽象、不易理解的教学内容进行模拟演示，使教学内容更加形象、真实、具体的展现给学员，从而帮助学员更好地易理解和掌握知识，极大地提高了教学效果。

2.2实验室运用仿真技术，使得实践教学更加灵活和精确

对于传统实验室来说，由于实验设备、器具的使用情况存在一定差异，从而会导致学员的实验过程出现某些不确定的情况，这样就会使得学员之间的实验结果不尽相同，有时会存在较大的差异。而采用虚拟仿真技术研发的领航模拟训练系统，则完全可以避开外界其它因素的影响，杜绝由于某些不确定性因素所引起的实验误差。利用虚拟仿真技术开展的實验教学与传统的实物实验教学相比，更为突出的优点体现在，虚拟仿真技术可以根据实验科目的需求，在不变换实验设备、器具的情况下，通过变换不同的实验条件和所配套的虚拟领航设备，来观测实验结果的变化，从而帮助学员得出精确的实验结论。

2.3运用仿真技术组织教学，有效促进了学员的学习热情

空中领航仿真实验室的建设，就是为了更好的组织空中领航实践教学。通过在实验室的实验课程学习，飞行学员学员能够及时验证，并深入理解所学的理论知识;同时通过实践操作，更好的完成从理论知识到实际技能的转换。使飞行学员能够更加清晰透彻地学会常用的领航方法的实施程序;更加形象具体的掌握常用领航设备的使用方法;更加真实全面的了解空中领航工作的基本程序;逐步养成良好地领航工作作风和习惯。在虚拟仿真技术还没有被应用到空中领航的实践教学中去时，教员还是采用传统的实物演示的方法来组织教学，这样教学时间就不能准确的掌握。如果在教学过程中出现了某些特殊情况，就会拖延教学时间，从而使学员的实际动手操作时间减少，实验的开出率较低，导致学员无法加深对知识的理解和技能的形成。而运用仿真技术组织教学，则可以避免上述不良情况的发生，学员的学习效率大大增加，学习的积极性和主动性也得到大大提升，更会大幅度激发学员对实践课程的学习热情。

2.4运用仿真技术组织教学，进一步丰富了教员的教学方案

不同的飞行学员，在对知识的认知能力上是存在一定差异的，这就导致了学员对于所学知识的掌握程度和领航技能的运用水平是不尽相同的。所以，教员需要全面考虑学员的实际情况来进行教学设计和制定教学计划，争取做到因人而异、因材施教。虚拟仿真技术在空中领航教学中的应用，无疑将极大的丰富教员的教学方案和教学手段，在知识传授上能够做到更加的规范和标准，使得强化培养学员独立领航技能的教学目标更加明确，促使教员根据不同专业飞行学员的特点来设计教学方案，增强教学方案的实用性和科学性。

3 结论

虚拟仿真技术教学 篇4

关键词：GL Studio,虚拟现实技术,三维建模,X3D动态交互技术

0、引言

虚拟现实技术 (Virtual Reality) , 又称灵境技术。九十年代初逐渐为各界所关注, 在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于, 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图形构成的三维数字模型, 编制到计算机中去产生逼真的"虚拟环境", 从而使学生"沉浸"在计算机所创建的可视化的三维虚拟环境、与虚拟环境中的对象进行"交互", 主动参与, 协作动手实验, 优化实验教学过程, 完成实验目标, 提高实验教学的质量[6]。所以, 研究虚拟教学可视化设计, 对教学的发展具有重要意义。

1、三维交互技术在汽车维修教学中的应用

三维交互技术是虚拟现实的关键技术之一, 它涉及计算图形学、认知心理学等诸多领域, 交互性是实现以用户为中心的自学学习的基础, 通过虚拟现实技术可实现三维交互。一般采用如下的算法将屏幕任意的一点映射为一个三维单位矢量:[3]

假定场景使用的坐标系是y轴向上的右手坐标系, 其中sx, xy为二维屏幕坐标, width, height分别为操作窗口的宽高, radius为旋转半径, 旋转半径根据操作对象的范围确定。如果vx与vy的平方和小于1, 则vx=, 最后将矢量v单位化。当鼠标从一个点移动到另一个点时, 我们把这两个点作为旋转操作的最初点和结束点。根据公式 (1) , 算出这两个点在球面上的坐标。然后根据球面坐标, 计算出旋转四元组的四个参数。计算公式如下:[1][2]

其中q表示四元组, p1和p2表示旋转的起始点和结束点, P为p1和P2组成弧段的中点, V3＿Cross表示向量的叉积, 它记录了旋转的轴方向;V3＿Dot表示向量的点积, 它记录了旋转的角度。由于四元组和物体的旋转矩阵是对应的, 因此物体的新方位可以依靠四元组的旋转矩阵轻易地计算出来。然后将四元组转换为世界矩阵, 与场景或操作实体的世界矩阵做矩阵乘法, 将计算结果设置为交互操作对象的世界矩阵, 就可以实现旋转控制。[3]

利用可视化网络教学平台可以进行三维仿真教学, 比如汽车维修教学中, 教师可结合此仿真系统给学生讲解, 也可以给学生明确的工作任务, 使每个学生可以操作自己的电脑来学习。比如前进档离合器总成仿真教学软件的三维画面, 所有画面都是互动的, 点击后可看到每个零件的细节, 而且都是三维的模式, 也可随意的翻转、放大、缩小等操作。对于零部件, 可看到全貌, 也可点击打开。值得一提的是, 模拟装配的部分和竞速类游戏相类似, 大大提高学生的学习热情。[6]

2、GL Studio的技术在电子电路教学中的应用

GL Studio是DISTI公司为仪表仿真软件开发提供的一套系统解决方案。用户利用其图形交互界面以所见即所得的方式来完成仪表面板的制作, 通过代码编辑器来完成仪表内部逻辑仿真。其代码生成器能够将用户的编辑结果自动生成C++和OpenGL源代码, 避免了大量繁琐的底层OpenGL开发。本文中, 以电子电路课程中的万用表为例, 介绍具体的开发流程。

(1) 设计组件:双击自动生成的GL Studio开发文件, 进人GL Studio编辑环境。利用直线、曲线、矩形等图形工具可直接设计仿真界面相关部件的线条形状, 而后将相关部件进行类似于CAD中的组合等操作, 并赋予材质和纹理, 形成用户自己定制的组件。制作完成后的仪表部件如图1所示。

(2) 加入控制算法:本例中仪表的刻度范围在0-100%之间, 表盘进度指针共分为50等份, 在圆周方向的2700范围内均匀分布。在计算好指针的每一等份所对应得角度之后, 利用GL Studio的强大的API函数库, 以表体的圆周中心为中心, 构造旋转所需的算法, 在相应位置添加使表盘旋转的回调函数, 形成外部控制表针转动所用的接口函数。[5]

(3) 生成控件源代码:通过GL Studio中主面板Generation选项, 选择Component, 利用代码生成器自动编译生成ActiveX控件所需的代码, 返回至MSVC 6.0的编译环境, 在控件代码中扩展属性和方法所需的代码, 然后编译生成GL Studio所形成的ActiveX控件。[4]

3、X3D动态交互技术在教学场景中的应用

动态设计修改指参与者可以按照自己的意愿随时对设计方案进行修改, 并对修改后的效果进行主观评价。例如, 可以增减虚拟场景中的实体, 更改实体的形状、位置、色彩等各种属性, 以求达到令人满意的效果[10]。其方法是在X3D文件中定义触发器, 通过Script节点启动Java程序, 在其中构造实体, 或者通过CreatVrtnlFromURL () 方法连接到一个X3D文件, 再通过eventOut域将实体送回到场景中。下面是运用Script节点方式添加实体的一个实例。效果如图2、3所示。在X3D文件中利用Script节点连接Java程序, 定实体创建的接口, 其代码如下:

然后在Java程序中构建X3D实体, 并送回到X3D文件中, 其伪代码如下:

4、总结

如何利用新技术充分发挥虚拟技术的优势, 优化教学实验, 提高教学效果, 是个有研究意义的课题。虚拟现实技术是一项新兴的技术, 在教学实验上有着广阔的应用前景。实践证明, 尽管这种虚拟实验技术不可能完全取代实际的教学实验操作, 但鉴于教学实验的特点以及它具有的时空随意性、教学交互性、学习环境真实性等特点, 让教师在教学实验中如虎添翼, 能真正满足教育教学的需求。

参考文献

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物理教师谈虚拟仿真实验教学 篇5

随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学中的 运用越来越广泛。日前教育部批准了清华大学数字化制造 系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心，一些中学也开始建设自己的虚拟仿真实验室，虚拟实验教学得到越来越多的老师的重视。

虚拟仿真实验教学在物理、化学、医学等学科上的运用较普遍，它能部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。一些物理老师表示，现在学校提供的实验条件

有限，虚拟实验虽然不能更好地体会动手能力，但对学习这些以实验为主的学科，是一个很好的补充，尤其能反复进行实验。比如在“NB电磁学实验”软件中，灯泡烧坏了可以修复继续使用，而在传统实验中学生基本不允许体验灯泡烧坏的场景。在传统实验中，比如单摆实验，做一次，铁球就少几个，缺失了不能及时补充，导致后面的同学根本做不了，这也是为什么很多学校的实验室成为摆设的原因。

虚拟仿真技术教学 篇6

【关键词】虚拟现实技术 ； 实践教学 ； 创新模式 ； 教学质量

【注】本论文由学校教改项目资助。

【中图分类号】G42 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2015）7-0275-01

1.引言

虚拟现实技术主要是以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉以及触觉等一体化的虚拟环境，用户科技借助必要的硬件设备以自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验[1]。虚拟现实在汽车、船舶、装备制造、电子信息等产业的数字化设计、质量检测等方面均发挥着重要作用。虚拟现实已成为满足人民日益增长的精神文化生活要求的重要手段，为文化创意产业特别是数字动漫产业的发展提供了技术保障，可以大大提高数字动漫制作的想象力和创造力，提升内容丰富性和视听觉效果逼真性。

针对虚拟现实技术最新的研究热点与难点，本文首先介绍了虚拟现实技术热点关键技术的研究内容，再从教学的角度出发，探究虚拟现实技术课堂中的创新模式，重点分析在教学活动中如何做到融会贯通、学以致用、启发创新的认知与实践，最后提出如何进一步提高教学质量的几点思路[2，3]。

2.虛拟现实技术的关键技术

虚实融合技术是增强虚拟现实内容创作逼真度、增强用户沉浸感的重要手段，其致力于将计算机生成的虚拟景物与客观存在的真实景物共存于同一个虚拟现实空间，从感官和体验效果上给用户呈现虚实融为一体的逼真场景。基于虚实结合的交互策略已成为国内外研究的热点，近期进展主要聚集在：虚拟景物和真实景物的虚实三维注册与空间遮挡处理，虚拟图形物体和真实视频图像的景物颜色融合与一致化处理，基于目的光照信息的场景虚实光照融合及其阴影效果处理，面向虚实融合场景生成的图像与视频素材处理，基于虚实融合场景的界面设计与交互机制，虚实融合场景的用户感知因素分析与可信度量评价等方面。

3.虚拟现实技术课程特点

从虚拟现实技术的关键技术中可以得出，虚拟现实技术重点研究计算机应用技术、控制学、图形图像学、数据库设计、并行计算以及媒体艺术学等多学科融合的技术，学科综合且交叉性强。虚拟现实技术课程的许多理论、方法和技术包括了大量的数学概念和物理规律，例如三维建模中的数值计算、微分方程、力学公式，都要求学生有较深厚的数学功底。虚拟现实技术可以模拟和仿真真实世界中不存在的物质，并可与虚拟环境进行互动体验；在仿真的环境下进行逼真的设计、训练以及做出评价和决策，其所具有的想象性能够激发学生提出问题并产生创新思维。虚拟现实技术不但具有扎实的理论基础和方法，而且拥有众多典型算法，是由工程应用牵引的交叉学科，开发环境和工具丰富多样，硬件设备众多，工程应用中软硬件相结合的集成系统占很大比重的教学。

4.教学创新模式与思路

重视基础，融会贯通。在教学过程中，首先要做好基本概念，基本方法和基本算法的讲解。虚拟现实技术课程内容综合，通常源自不同学科和领域，理论跨度大，对于复杂的理论需要追源溯本，重视基础。在教学中，有意识的创建知识金字塔，逐层讲解，争取做到融会贯通。对于课时受限，不能深入展开的教学内容，需要有侧重的进行选取，覆盖主要内容，重点讲解国内外热点问题，研究重点。

互动教学，学以致用。互动教学是虚拟现实技术课程上达到学以致用非常有效的教学模式。它以学生为主，可有效锻炼学生分析问题，解决问题的能力。例如，根据学生的兴趣、特点采用课堂分组讨论，学生对同一问题具有不同的视角，在小组讨论中，各抒己见，可以辩论，充分调动学生的积极性，激发学生的创新思维，并促进团队协作能力。在互动教学中，教师担任互动的组织者，可不断的发出提问，促使深入讨论。

案例驱动，认知与实践。案例是考察学生掌握知识的有效途径。在虚拟现实技术课堂上根据教学内容，将教授内容融入案例中。案例可分为硬件类、建模类、渲染类、动画类、交互类等不同的类别，这些类别基本概况了虚拟现实的重点内容，通过这些案例，可将学到的理论知识应用到具体实践中，加深对理论的认知。此外，可以根据科研和工程方面的特点，将案例分为算法型和程序型。引导学生积极阅读国内外学术文献，鼓励学生改进相关算法，激发学术创新能力。

5.结论与思考

“虚拟现实技术”学科综合性强，学术理论广，创新思维多，工程应用丰富，如何教授好该课程是一个需要与时俱进、归纳总结的教学过程。在教学中首先要明确教学目标，以基础理论为本，结合其特点，可对不同性质的学生分层教学，有针对性的区别对待，实现融会贯通；采用互动教学模式，在实践教学中以学生为主，达到学以致用；以案例驱动，锻炼学生的认知能力和实践能力。对于本科生，以注重培养学生兴趣为初衷，构建扎实的理论基础，激发学生创新思维，形成良好的学习习惯。对于研究生，以学术研究和工程应用为牵引，循序渐进地掌握专业领域技能，领悟科研方法，为更深层次的知识创新和相关工作奠定扎实的基础。

参考文献

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[3]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学F辑，2009，（1）.

虚拟仿真技术教学 篇7

家畜解剖学是农业类高等学校动物医学专业的专业基础课, 本课程主要讲授正常家畜、家禽的形态、结构、器官的位置关系和发生发展规律。 本课程的特点是名词众多、结构复杂, 对于首次接触动物医学专业的学生来说学习起来比较困难, 不知道应该怎样学习。 传统课堂讲授方式难以满足现代化教学发展需要, 虚拟仿真技术正逐渐应用到各专业教学课程中, 对教育行业产生了巨大影响。

2.虚拟仿真技术的优势及其在医学教育中的应用

虚拟仿真技术是用计算机虚拟场景逼真地模拟现实世界事物的技术, 涉及计算机图形学、人工交互、人工智能和传感技术等。 具有真实性、交互性和沉浸性的特点, 逐渐成为现代教育技术领域的热点, 应用于不同专业教学过程中。 随着计算机技术的发展, 虚拟仿真技术在人类医学上得到了广泛应用。虚拟仿真技术打破了传统实验空间和经费的限制, 在充分保证教学效果的基础上, 不仅节约了实验成本, 而且大大提高了学生的学习兴趣。 使学生通过虚拟场景的人机交互, 由视觉、听觉、触觉等手段获取场景的反应, 通过学生自我组织, 制订并执行学习计划, 进行自我评价, 开展适应式学习。 很多高校、科研院开发了人体解剖虚拟仿真实训平台、虚拟动画、三维网络课程等应用于理论和实践教学, 充分发挥了现代教育技术的优势, 提高了教学水平。

1989年美国首先开展了 “可视虚拟人”的计划, 并于1994年完成世界第一例男性“虚拟人”数据采集, 1998年完成女性虚拟人数据采集, 共采集到56GB的数据。 随后, 韩国“可视韩国人”项目于2000年完成第一例韩国人标本的数据采集;2003年, 钟世镇主持的“虚拟中国人”项目完成中国人体数据的采集工作。 以这些虚拟人数据集为基础, 对人体器官进行了三维重建, 精细逼真的三维结构为人体解剖学提供了大量素材。 基于虚拟人体数据集产生了很多人体解剖三维虚拟仿真实验平台用于人体解剖学教学。 在仿真平台上可以对人体结构进行任意角度旋转、缩放、标注等操作。 便于教师教学及学生学习和课后复习。 2010年10月在上海世博会期间, 瑞典首次向公众展示了代表先进医学虚拟仿真技术的“虚拟解剖台”。 此虚拟解剖台数据来源于人体的磁共振 (MRI) 和CT成像数据, 利用计算机处理将这些数据从二维平面图变成真实感极强的三维模型, 将人体内部的精细结构完整地展示出来。 这款虚拟解剖台可用于人体解剖学教学, 学生用手指通过触摸屏进行人体器官操作, 能完整地展示骨骼、血管、肌肉等的不同形态, 还可以移除或添加内脏器官、血管、神经等结构, 从而理解各器官的形态结构和相互位置关系。

3.虚拟仿真技术在家畜解剖学的应用现状

家畜解剖学是一门实践性很强的学科, 家畜的器官标本、模型等教学材料在本课学习中有重要作用。 但是近些年随着招生规模扩大, 一般理论授课时学生人数较多, 不能发挥标本、模型的作用, 学生只能在实验课上观察标本、模型。 虚拟仿真技术在家畜解剖学中的报道较少, 由于数字人的数据采集方法投资巨大, 过程复杂, 需要多领域专业人员合作完成, 目前还没有完整的大家畜 (牛、马等) 虚拟解剖系统。 很多科研机构利用数字人的数据采集方法对猪、兔、小鼠、大鼠等动物进行了数据采集和虚拟仿真工作。Maierl等在1999年报道了第一例“可视化狗”, 但其数据不完整, 没有四肢部分的结构, 而且图像不精细。 2005年9月, 重庆理工大学、第三军医大学和重庆市畜牧科学研究院共同完成了世界第一例 “数字可视化猪”数据集的采集工作, 图像质量比较高, 能够清晰显示内部结构[1]。 2014年, 连国云[2]采集完成了“数字化新西兰兔”的数据集。 但是对于家畜解剖学重点讲授的牛、马等大家畜, 还没有虚拟解剖数据集的报道。 主要原因是牛、 马的体型比较庞大, 采用数字人运用的冷冻铣削设备无法完成铣削, 牛、马等动物只能采用其他方法建立三维模型, 虽然这些模型不如冰铣削得到的数据精确, 但是仍然能够在家畜解剖学教学中发挥巨大作用。 苏杨生[3]等报道了通过3D Max软件建立了牛的椎骨模型, 并建立了交互程序, 学生可随时随地进入程序观察解剖标本。 张蕾[4]等采用Photoscan软件对动物头骨进行了三维重建。 付大鹏等[5]采用三维激光扫描仪获得了动物股骨的三维点云数据, 进行三维重建, 得到了股骨的三维模型。 以上研究成果为虚拟仿真技术在家畜解剖学中的应用提供了思路和教学资源。

4.虚拟仿真技术在家畜解剖学的应用前景

虚拟仿真技术在家畜解剖学及相关专业有着非常广阔的应用前景。 三维模型能够形象清晰地展示动物的解剖结构和器官的相互位置关系。 虚拟仿真技术的应用能够将理论授课中教师采用图片、照片等素材难以描述清楚的概念、结构给学生以感性认识, 能够加深学生的理解程度, 帮助学生学习和记忆。 虚拟仿真技术的应用能够将抽象的结构变具体, 使枯燥的概念形象生动, 提高学生的学习兴趣和主动性, 突破传统解剖学实验空间和时间的限制, 学生可以通过网络自由地学习, 方便自学。 综上所述, 虚拟仿真技术能够将家畜解剖学的抽象教学内容形象地展示出来, 提高学生的学习积极性, 使学生由被动接受转变为主动学习, 极大增强家畜解剖学教学效果。

摘要：为了增强农业院校的家畜解剖学课程教学效果, 提高学生学习兴趣, 将虚拟仿真技术应用到教学中是家畜解剖学教学改革的新尝试。本文主要讨论虚拟仿真技术的特点、优势及家畜解剖学中应用的现状和前景。

关键词：虚拟仿真,家畜解剖学,三维模型

参考文献

[1]张建勋, 徐凯, 邱宗国.世界首个三维可视化的数字猪.重庆理工大学学报 (自然科学版) , 2011, (03) :69-73.

[2]连国云.数字化新西兰家兔的三维结构重建研究.计算机光盘软件与应用, 2014, (12) :24-26.

[3]苏杨生, 宋斯伟, 李颖, 等.牛骨骼模型三维数字化重建.黑龙江畜牧兽医, 2015, (09) :249-250.

[4]张蕾.动物骨骼三维重建的探索.四川文物, 2014, (06) :81-83.

虚拟仿真技术教学 篇8

1 三维虚拟仿真技术概述

三维虚拟仿真 (3D Virtual Simulation) 就是利用三维建模技术, 构建现实世界的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景, 响应用户的输入, 根据用户的不同动作做出相应的反应, 并在三维环境中显示出来。三维仿真的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等。该软件提供了原始数据拟合、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真的实验、对结果进行优化、生产3D动画影像文件等功能。

利用三维虚拟仿真技术教学具有以下优点:

(1) 教学内容视觉化

(2) 学习中的交互性好

(3) 沉浸感真实感强

2 三维虚拟仿真技术在物流教学中的应用

基于青海交通职业技术学院物流实训中心3D实训室的应用系统及操作流程。

2.1 开机步骤

开机顺序依次为:

AP转换器 (数量两台) :

按下电源按钮,

工作站 (数量两台)

投影机 (数量四台)

进入控制工作站, 进入中控程序, 点击投影机控制, 选择开等投影机启动完毕后再进入下一步

边缘融合机 (数量两台) :

按下电源按钮

关机顺序依次为:

立体图像工作站———边缘融合机———AP转换器———投影机———控制工作站

2.2 基本操作设置

立体图像工作站设置

2.2.1 多显示器设置

点击设置多个显示器

设置作为一个大水平桌面 (水平平移模式)

显示的结果是, 显卡双头输出两个通道的桌面。

2.2.2 分辨率设置

单屏分辨率1024×768, 重叠像素为192

整体分辨率为1856×768 (含边缘重叠区192个像素)

重叠像素设置图如下:

立体设置为管理3D设置里面, 基本设置, 选用立体启用

2.3 基本演示操作

2.3.1 立体电影

检查左右眼是否正确?

将图像移动分别移动到第一个通道和第二个通道进行检查。

如果第一个通道和第二个通道都不正常, 点击一下软件里面L/R

如果图像只在第一个通道出现左右眼反的现象?

在第一台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼

如果图像只在第二个通道出现左右眼反的现象?

在第二台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼 (绿色按钮按两次表示切换左右眼)

2.3.2 NVSG演示软件

同样观看立体是否正常, 可以通过软件切换左右眼

2.3.3 VEGA演示软件

同样观看立体是否正常, 可以通过软件切换左右眼

2.4 系统连接图如下

2.5 投影机图像不正确的调试方法

2.5.1 首先检查画面比例是否正确

再点击高级:

水平位置和垂直位置, 如图所示。

2.6 融合机出现故障处理方法

出现基本问题首先重新启动融合机来解决如重新无法解决可以采取如下步骤:

(1) 找到是那台融合机出现的问题, 并接入键盘鼠标

(2) ALT+F4退出融合服务软件

(3) 点击桌面上的blend文件夹

(4) 复制setting.cfg文件到其他地方

(5) 将备份的该文件copy到blend这个文件夹下面

(6) 双击STEREO_CAP程序

(7) 按ESC, 再点击开始扑捉、全屏幕、下一次开机启动, 保存设置、开始

(8) 重新启动

2.7 注意事项

(1) 投影机开启后遥控器上的auto、aspect两个按键不能按, 正常使用情况下不需要遥控器;

(2) 投影机机械结构不能轻易触碰

(3) 屏幕位置不能挪动, 屏幕表面不能触碰, 灰尘可用干净的柔软布沾水擦;

(4) 投影机关机后不能立即断电, 同时投影机电源需接入UPS稳压电源, UPS后备电池时间不小于10分钟;

(5) 不能随意拔插设备连接线缆;

(6) 立体工作站显卡、立体、分辨率等设置不能改变

(7) 控制工作站IP:192.168.1.10不能改变。

开机先后顺序要严格按照技术要求顺利

3 结束语

三维虚拟仿真技术软件在高职的教学中能发挥出积极的作用, 一方面能提高学生的学习兴趣, 学生在学习的过程中能够对仓储、运输、配送、生产加工等有一个感性的认识, 同时也提高了学生分析问题、解决问题的能力, 实践证明三维虚拟仿真技术软件的应用对于高职物流专业的教学具有积极的意义。

参考文献

[1]吕明哲.物流系统仿真.东北财经大学出版社, 2008.

[2]贺国先.现代物流系统仿真.中国铁道出版社, 2008.

虚拟现实技术创建教学新模式 篇9

一、虚拟现实技术简介

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，是系统仿真中新兴技术之一，实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。

二、VR系统的构成

VR系统包括VR环境系统及相关的软硬件。

VR环境系统中最重要的部分是建模。常见的几何建模技术是虚拟地景仿真中最为重要的研究领域之一。此外基于图像的建模技术近来发展迅速，它采用一组采样图像来建立VR环境的模型，从而使VR技术能在个人计算机上得到应用与推广。

VR系统的硬件部分主要包括计算机系统、计算机网络、立体显示等设备。VR系统的软件部分包括各种数据库和软件支撑环境。数据库中应包括地形地貌、地理信息、图像纹理、背景干扰及通用模型等信息，专用的VR系统中还应包含其它特定的内容。

软件支撑环境包括建立起VR系统的开发工具软件并在输入输出传感器等硬件支撑下，建立起人机交互图形的界面。例如常用的Vizard虚拟现实工具可以用来制作你需要的任何东西，比起其他的软件更容易上手，它为不具备编程经验的人提供了制作3D交互内容的机会。Vizard提取了常用3D图形领域的简单的脚本语言Python的强大的功能，可以让你快速的地制作你需要的内容。Vizard支持VRML和一些其他的3D格式，因此宜于使用大量的3D数据库。

与传统的信息系统相比，VR系统属于一种新型多维化人机和谐的信息系统。在此种VR系统内，人们感受到的最突出的特点是其沉浸性、交互性和构想性。为实现这种新型的信息处理系统，满足人们对沉浸性、交互性和构想性日趋增高的需求，在众多技术难题中至少应重点提高3项关键技术的水平。

（一）提高"身临其境"的沉浸感

（二）开发高性能的传感器

（三）研制高性能的计算机

三、VR技术应用

（一）仿真和虚拟实验

美国波音公司曾以实弹试验为例，对系统仿真作了一次效能分析：在同等的条件下，如果用3000发实弹试验，需2年的时间，耗资1亿多美元；而做同样次数的仿真试验，只需3周时间，耗资10万美元，即可达到同样的效果。另外，在航空装备研制中使用仿真技术，其成效也十分明显。

虚拟实验可避免真实实验或操作所带来的各种危险。虚拟实验与真实环境中的实验相比，有以下几个方面的特点：

1、实验设备的虚拟性。

在虚拟实验中操作的设备虽然能看到、感觉到，但它们事实上并不存在，而是由计算机所模拟的设备，依赖的是对实物的模拟，是虚拟的。实验设备的虚拟性在很大程度上能减少实验设备与空间，节约资金，改善实验条件。

2、实验环节的多目标、多层次性。

只有当虚拟实验环境能针对具体的实验者提出有针对性的实验要求、并能满足不同层次实验者的需要时，虚拟实验的生命力才能得以充分地体现，才更具吸引力。虚拟实验环节的多目标、多层次性有助于学生把科学的理性与逻辑、想象力与创造性相结合起来，有效地发挥自身的能动性，借助于实验更好地理解知识，为探索未知领域做准备。

3、实验过程的灵活性。

主要表现为：在虚拟实验的过程中，学生能方便地改变事物的条件以观察所发生的变化，有利于学生获得丰富的感性认识，便于学生根据自己的假设分析实验数据。实验过程的灵活性使得学生能从实验过程中学习，不仅知道实验的结果，而且能体验知识的发现过程，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣。另外，在虚拟实验中，评价的侧重点不仅仅是实验数据的处理和实验结果，更重要的则是学生是否发展了相关领域的概念、解决问题的基本技能以及从虚拟向真实情境迁移的能力。

虚拟实验的出现有助于培养学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。在虚拟实验中如果学生能把虚拟环境与真实的相比较、在合作的基础上进行探究等，必将产生很大的教育价值。

例如：南通航运职业技术学院根据船舶驾驶专业的特点，总结出了实践教学的三段式教学模式：第一阶段进行单项训练，把实践性教学目标要求分成若干项，对每一项都落实可操作的环节；第二阶段进行虚拟现实的综合性模拟训练，利用现代高新技术，在虚拟环境中进行技能训练（例如，借助NT-PRO3000型大型操船模拟器，学生通过操纵杆、开关、按钮、键盘、鼠标、触摸屏等界面装置输入，接受系统提供的各种感官信息，经过判断和决策对系统进行操纵和控制）；第三阶段进行实际岗位的综合性训练。

虽然虚拟仪器、虚拟实验具有传统仪器、传统实验无法比拟的优势，但是，也存在一些不足，如虚拟环境一个理想化的环境，它没有考虑分布参数的影响及抗干扰问题。此外，虚拟实验还必须与实物实验、制作及调试相结合，通过优势互补，才能够达到更好的实验教学效果。

（二）虚拟教学

为能满足学习者不受时空限制进行终生学习，以网络技术、虚拟现实技术为它的技术支撑的虚拟教师，虚拟实验室，虚拟研讨等教学活动应运而生了。这种虚拟教学与传统的定时定点教学相比拓宽大量无限的空间。

虚拟教师可指导和帮助学习者获得所需要的学习资源，防止出现"信息过载"和"资源迷向"。根据网络教学资源回答学生有关的问题，对教学课件，教学方案，教学计划进行补充、修订、整理，进行因材施教。

学生的概念得到了广泛的拓展，不同年龄阶段，不同身份，不同区域的人可以走进同一堂课进行讨论、学习。学生的虚拟化使教学面对的对象复杂化，同时对虚拟教学的因材施教提出了更高的挑战。

另外虚拟教学中的教学资源不是一本书，一个道具，一盘磁带等实物资源，而是信息资源，比如一段文本内容，一次虚拟实验，一个多媒体课件等，它是有形与无形，有限与无限的结合。

运用VR技术可使虚拟教学环境变得更加逼真，更重要的是VR技术结合具体学科，促进学生主动探索能力的培养。最普遍的运用就是虚拟实验，如纽约达顿中学六年级学生上历史课，孩子们被带进了一个虚拟的考古环境中。逼真的场景，甚至挖土时都能听到铁锹声，使孩子完全进入角色，难怪一个12岁的孩子会说："计算机上的遗址就像属于我们自己的一样，如果挖出了一个新文物，我们觉得就好像我们在这个世界上第一个发现它。"

虚拟教学的发展潜力是巨大的，显而易见的就是教学费用的降低，学习者学习主动权的提高，涉及教学过程的所有人员之间的联系的增强，自定学习进度及终身学习。虚拟教学不仅仅是告诉学生知识的结果，更重要的是让学生去体验发现知识的过程。同时现今知识和技术更新迅速，人们只有不断的学习才能使自己保持竞争能力。显然，传统的、单一的课堂教学己远远不能满足这一社会化的要求，不能满足不同年龄、不同种族、具有不同文化背景学生的需要。

但是虚拟教学也有其局限性，课堂传授教学通过面对面的交流，增进了师生的情感，减少了人与人之间的误解。同时班级授课制有利于培养学生的集体主义精神，在学生之间容易形成互相帮助，互相竞争的关系。

在未来的教学中，虚拟教学与传统教学将并驾齐驱，并进一步趋于融合。虚拟化的程度如何都必须依据现实条件而定，其中包括VR技术的成熟，网络技术的完善，网上课件的优化及参与者的具体情况。虚拟教学将运用新的技术不断克服其局限性，最大限度的展现传统教学的优势，达到与传统教学的良好兼容。

四、结束语

VR是信息科学领域中的新兴技术，它具有广泛深入研究的内涵和宽阔的应用前景。目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及。但是，随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术作为一个新型的教学媒体，以其自身强大的优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育领域广泛应用并发挥其重要作用。

参考文献

[1].林京彤虚拟现实技术漫谈http://www.images.com.cn

[2].郭建才虚拟现实技术及其在远程教学中的应用中国高职高专教育网

[3].虚拟现实技术在教育领域的应用电脑学习网 (http://www.why100000.com)

机电专业虚拟仿真实验教学应用 篇10

实验教学是高等教育培养学生获取专业知识和技能的必要环节, 随着计算机虚拟技术和仿真技术在教育中的发展和应用, 虚拟仿真实验的地位日益凸显。尤其在机电类专业中, 虚拟仿真实验突破传统实验的限制, 在液压、数控等专业课程的实验教学中发挥了重要的作用。

二、虚拟仿真系统在实验教学中的优势

机电专业课程集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合。在实际实验时, 传统实验教学中用到的实验设备种类繁多、占地面积较大, 由于实验室空间限制, 单种设备往往数量比较少, 学生想要动手实验需要分组轮流使用, 实验设备因使用频繁元件极易损坏, 更新换代缓慢, 操作也比较复杂。为了弥补这些不足, 我们通过虚拟仿真技术辅助完成实验。虚拟仿真实验是通过软件操作来模拟实验过程, 得出仿真结果。与传统实验相比, 虚拟仿真实验具有以下优势:

1. 节省实验资源, 降低实验成本。虚拟仿真实验通常只需要计算机就能进行, 同一计算机可以完成不同课程多个实验项目的虚拟仿真。因此, 能够替代或者减少实验设备, 节省场地资源。此外, 虚拟仿真实验不需要耗材, 相对于专用的实验仪器设备, 硬件设备出现故障和损坏的几率更小, 极大地降低了实验的成本。

2. 实验内容更加灵活。实际应用中的实物实验设备一般都具有体积大、易损坏、种类少等问题。将虚拟仿真软件应用于机电专业教学实验中, 给学生的学习带来了极大的方便。使用虚拟仿真软件, 学生可以根据自己的想法, 设计自己所需要的实验坏境、实验目的, 并以此为基础, 完成整个实验, 验证自己想法的正确性。

3. 安全性高。学生在没有熟练掌握操作流程的情况下, 实际操作很容易产生人机伤害。比如, 在数控机床加工中, 错误的操作可能会造成电机损伤、刀具折断甚至异物飞出, 这样就给实验室带来了极大的安全隐患。虚拟仿真实验可以避免上述问题, 虚拟的设备不会对人机造成任何伤害。虚拟系统会自动提示错误的操作, 学生在实际操作前通过虚拟过程直观的了解了一些操作上的注意事项, 在一定程度上指导了实际操作, 规范了实际操作流程。

三、虚拟仿真系统在实验教学中的应用

( 一) 液压传动与控制

1. 液压课程及仿真软件概述。液压传动与控制是研究以有压液体为能源介质实现各种机械传动与控制的学科。研究液压传动及其控制技术, 就必须了解液压系统的工作原理、工作特点。但是仅仅通过课程理论学习对液压系统的了解具有很大的局限性, 我们需要通过实验来分析验证液压系统和元件的工作特性。因此, 液压传动与控制是一门与实验结合较为紧密的课程。

目前, 我校有两套FESTO公司的液压电液压实验平台, 每年约有120 名学生进行实验。实验室利用现有的计算机设备, 将虚拟仿真技术引入课程, 开设了液压泵的性能实验、节流调速系统实验等项目。实验室以液压分析软件为平台, 采用Fluid SIM软件进行虚拟仿真, 对仿真得到的数据进行分析处理, 然后通过分组进行实验台操作, 验证仿真得到的结果, 从而提高了实验效率。

2. 液压仿真实验实例。节流调速回路的基本功能是在三位四通换向阀的不同状态下, 双作用液压缸做往复运动, 调节节流阀的开口度, 观察双作用液压缸的运动速度, 记录数据, 通过实验数据处理来验证理论知识的正确性。利用FLUID - H软件和FESTO电液实验台模拟液压系统, 具体步骤如下:

( 1) 通过FULID - H软件构建液压回路图。如图1 所示, 该回路为进油路节流调速系统, 实验中需要用到的液压元件有: 双作用液压缸、压力表、液压源、三位四通换向阀。采用虚拟仿真软件操作, 能够方便的改变实验参数, 实验效率高。

( 2) 运行仿真系统。通过调节可调单向节流阀的开口度和液压缸的负载力, 来分析在不同开口度、不同负载的情况下, 液压缸的运动速度变化, 记录仿真结果。将仿真得到的数据进行处理, 生成节流调速回路特性曲线如图2 所示, 仿真结果与理论结果一致。

( 3) 在FESTO实物平台上搭建液压回路。参考液压仿真回路的设计, 在实验台上搭建实物回路, 验证仿真结果。

( 二) 可编程逻辑控制器原理与应用

1. PLC课程及虚拟组态软件概述。 可编程控制器 ( 简称PLC) 作为工业自动化三大支柱之一, 其应用几乎覆盖了所有工业企业, 是工业现代化的一个重要标志。《可编程控制器原理及应用》课程面向我校机械本科生, 是一门实用性、工程性和综合性都很强的课程, 课程目的在于使学生学习和掌握顺序控制系统的设计方法, 掌握设计原理与应用技术, 以适应工业技术发展的状况和社会需要。通过实验提高学生的动手能力、分析问题解决问题的能力, 加深对课程学习内容的理解。

使用组态软件设计PLC虚拟控制系统时。首先, 了解需要实现的控制目标, 然后通过变量设置, 虚拟界面设计, 动画设置, 命令语言编写等来完成系统开发, 这些工作主要由教师来开发。学生在熟悉面板和I/O分配的基础上, 进行PLC指令编写, 最终完成控制目标。虚拟系统可以通过动画效果展现实际工程动作, 学生更加直观的了解PLC指令编写及运行产生的效果。

2. PLC虚拟控制实验实例。以水塔水位自动控制系统为例, 水塔水位自动控制系统的基本功能是对水塔和水池中的水位进行检测, 通过检测到的水位数据, 做出相应的反应。要求学生通过PLC编程控制阀门1、阀门2 和水泵的运行, 其中水位的变化和水的流动通过组态软件编程和动画设置实现。

虚拟仿真系统主要设计步骤如下:

( 1) 上位机与PLC建立通讯。我校实验室采用松下FP∑系列PLC, 通过RS232 串口, 选择合适的通讯设置, 即可实现虚拟软件与PLC的实时通讯。

( 2) 设计图形界面。水塔水位控制的实验面板如图所示, 面板元素及变量包括水塔、水塔水位、水罐、水罐水位、水塔出水口、水罐进水口、从水罐向水塔抽水的电机及水管、开关按钮等。

(3) 变量定义及IO地址分配;

(4) 画面属性命令语言的编写;

(5) 编写PLC程序指令并下载到PLC中;

(6) 运行调试。

系统运行以后, 画面中能够清楚的显示水塔水位、水池水位的变化, 管道内水的流动, 指示灯随着水位的变化显示不同的颜色等效果, 逼近实际工程效果。

( 三) 数控技术

1. 数控技术与YHCNC软件概述。近几年来, 数控机床在工业生产中的使用越来越普遍, 数控技术也成为机械类专业学生必须要学习的课程之一, 但是直接用昂贵的数控加工中心进行学习很难实现, 为了满足教学使用的需要, 数控机床的虚拟仿真教学系统的发展, 具有重要的理论意义和实际价值。

我校现有YHCNC数控仿真系统十套, 每年满足100 多个学生的学习使用。YHCNC数控仿真系统可进行数控编程和加工仿真, 具有很强的三维仿真功能, 它是由三个窗口组成, 每一个窗口分别执行独立的操作, 并可以像实际机床一样在三个窗口之间相互交换信号。学生能够通过仿真任意设置工件尺寸、选择刀具, 机床在切削运动过程中会有故障报警功能 ( 碰撞、超程等) , 学生可以通过这些功能了解机床操作中可能会遇到的故障问题。软件采用对话框来简化刀具和功能的设置, 切削路径和刀偏路径可以同时显示, 通过编程输入将命令传给虚拟机床加工工件, 并实时显示程序路径和三维工件图形。

2. 数控虚拟仿真实验实例。以齿轮加工为例, 数控虚拟仿真操作步骤如下:

( 1) 在使用虚拟仿真之前, 先将需要加工的模型程序写到文本文档中, 并以NC文件格式保存, 在使用虚拟仿真系统时, 先将程序文件导入, 作为加工程序待用。

( 2) 根据需要加工的模型的尺寸大小, 设置合适的毛坯工件的尺寸, 然后根据加工件的特性, 选择使用合适的刀具。

(3) 对刀, 选择合适的加工原点, 为下面的机床加工做准备

(4) 系统开始运行。

( 5) 虚拟仿真顺利完成以后, 根据虚拟操作流程, 进行实际机床加工实验。

数控虚拟仿真机床的操作流程与实际机床的操作几乎一致, 这样既达到了让学生熟悉机床操作的效果, 也让学生了解了虚拟仿真的应用, 并且能够根据自己的爱好, 设计出自己想要的模型, 并实现加工完成。

四、机电专业虚拟仿真实验体系的构建

随着计算机技术、网络技术和虚拟仿真技术的飞速发展, 我校机电专业实践教学环节中的虚拟仿真实验的比重越来越大, 除了应用于上述专业课程, 在课程设计和部分毕业设计中都使用了的虚拟仿真系统。但对比于部分高校, 我校机电专业虚拟仿真实验室建设还处在落后阶段。一方面, 虚拟仿真系统在机械基础、机械制造等专业基础课程, 以及机器人、汽车等专业特色课程中的应用还比较少, 另一方面, 现有的虚拟仿真实验开放性程度还不够。本着提高学生学习能力, 丰富教学内容的原则, 我校在现有一定数量虚拟仿真系统的基础上, 正不断发展, 为学生提供更多优秀的实验资源和平台。

五、结语

将虚拟仿真技术引入到机电专业教学中, 可以促进教学方法的现代化和教学手段的多样化, 让学生自主构建虚拟场景, 激发学生的积极性和创新思维。虚拟仿真技术的应用, 弥补了传统实验的不足, 不但丰富了实验教学内容, 而且使学生通过人机交互的方式获得逼真的体验, 从中享受到学习的乐趣, 变被动学习为主动学习, 提高了学生分析问题的能力、设计实验的能力和设计效率。可以预见, 把虚拟仿真技术应用于机电类专业课程教学, 是教学发展的必然趋势, 也为实验室的开放提供了一种行之有效的解决方案。虚拟仿真技术会不断发展, 也会不断推进实验室的发展和实验教学改革。

近年来, 我校在实验实践教学中不断引入和增加各类虚拟仿真平台, 逐步建立机电液综合虚拟仿真实验室, 极大的丰富了教学内容, 提高了教学效率。虚拟仿真实验成为实践教学和研究中的有利工具, 激发了学生的兴趣和学习主动性, 提高了学生分析和解决实际工程问题的能力, 取得了理想的教学效果。

我校正积极发展虚拟仿真实验系统的建设, 为学习实践环节提供了极大的便利, 相信在不断地探索与发展中, 虚拟仿真系统建设将日趋完善, 为我校师生教学实践活动提供更多地支持。

摘要：简述虚拟仿真系统在机电专业课程实验教学中的应用, 以液压传动与控制、可编程逻辑控制器原理与应用、数控技术等课程为例, 介绍了虚拟仿真实验在机电专业实验教学中如何被设计和实现的, 虚拟仿真实验在实践教学环节中的作用日益显著, 并取得了良好的教学效果。

关键词：虚拟仿真,机电课程,实验教学

参考文献

[1]赵玉华.基于组态技术的PLC虚拟仿真系统[J].应用科技, 2005, 32 (12) .

[2]曹玉平, 阎祥安.液压传动与控制[M].天津:天津大学出版社, 2009.

[3]顾玉萍, 郝静.自动编程及仿真软件在数控技术中的应用[J].现代制造工程, 2007, (2) .

虚拟仿真技术教学 篇11

虚拟机是在一台普通计算机上虚拟出来的独立逻辑计算机。它构造出了一个完整的计算机系统，拥有独立的CPU、内存、硬盘、适配器等。通常情况下，一台计算机上可以同时运行多个虚拟计算机系统，并且他们不会相互干扰。引进这种技术后，学生可以利用虚拟机技术模拟真实的计算机操作，不仅可以激发学生学习的兴趣，还可以避免学生无机器使用的尴尬局面，极大地弥补了教学资源的不足。

一、虚拟机有其他普通计算机不可比拟的优点

1.低廉的运营成本

虚拟机技术利用几个磁盘软件和配置文件就可以完成基本配置，而且通过简单的复制就能创造新的虚拟机，从而实现设备资源的扩大，成本远远小于传统设备建设费用。

2.提高了服务水平

虚拟机技术为师生创造了一个高效的上机环境，让机房管理员从传统繁重的机器维护工作中解脱出来，可以把更多精力放在教授操作和服务上，优化了教学。

3.高度的安全性能

虚拟机系统是由普通计算机的两个文件构成的，在虚拟机上的操作也都是在这两个文件中完成的。所以，学生的不当操作不会损坏主机的硬件系统和操作软件，而且新开发的虚拟机软件还提供了一键还原功能，让使用者没了后顾之忧。

二、虚拟机的应用主要有以下几个方面

1.系统操作模拟

信息技术课程最基本的任务就是系统操作，但是系统操作中类似格式化等操作方式会对计算机信息和硬件设施造成一定程度的损害，而虚拟机技术的应用给学生更大的权限来完成一系列计算机操作步骤，真实体验却不浪费资源，降低了设备损毁风险，提高了教学效率。

2.网络教学实验模拟

通过《网络基础》课程的学习，我们了解到实践操作在信息技术教学中的重要性，不过考虑到学生实际操作对设备数量和质量要求较高，并且实际操作过程中设备的损坏情况也十分严重，学生的实践操作总是难以顺利实施。

3.数据保护与恢复

很多学生由于缺乏足够的实践经验，经常会因为操作失误导致计算机硬件损坏和数据丢失，造成不可挽回的灾难。而在虚拟机中，用户只需要在软件的操作界面点击恢复按钮，选择要恢复的数据类型，点擊“继续”就可以对磁盘进行扫描修复，虚拟机软件既可以通过模拟数据环境来训练学生的实践操作能力，给学生提供更广阔、安全的空间，将课堂上的知识付诸实践，从而激发学生的学习主动性，促进独立思考，增强他们将知识转化为实践的能力，既精简了行政人员，节约了开支，同时又提高了教学效率，让教育质量再上一个台阶。

虚拟仿真技术教学 篇12

关键词：虚拟仿真,实作技能教学,应用

虚拟仿真又称虚拟现实技术,就是从一个虚拟系统模仿另一个真实系统的技术,它具有沉浸性、交互性、逼真性等特点,目前也被大量应用于职业技能的教学与训练当中。

1 职业院校实作技能教学的现状

装备实作技能培养是职业技能教育的重点内容,目前职业技术院校实作技能的培养主要依靠少量的装备来完成,可以进行日常操作使用、有限的拆解结合以及简单故障的分析与排除等科目,使学员能够掌握基本的操作技能和排除简单故障。但是要想通过现有的装备进一步提升中高级技术人员的实作技能水平还存在一定的困难。

一是场地和专用工具的欠缺。大型机械装备复杂故障的排除与修理往往都需要借助专用工具来完成,许多专业工具只有大型修理厂才配备,或者有些拆解需要较大的场地保障才能完成,这样导致复杂故障教学往往成为院校实作教学的难点,难以满足中高级技术人员对装备深层次技能学习的需求。

二是现有装备无法满足大批量实作教学的需求。许多大型装设备都是精密仪器,不适合反复的拆装,许多电子器件也规定不能在短时间内反复通电和断电,这样就大大限制了实作教学的开展,由于设备数量的限制,许多实作项目只能由少部分人动手操作,大部分人在旁边观摩。

2 虚拟仿真技术在实作教学应用中的优势

虚拟仿真技术是一种计算机技术,是通过构建虚拟世界并模拟自然生物行为从而实现模拟现实交互的技术,将虚拟现实技术应用到装备操作技能教学具有许多优势:

一是能较好实现复杂操作技能的教学。通过虚拟现实技术,利用计算机对实际装备进行三维建模,实现对虚拟装备的虚拟拆装,如果再和实物拆装结合起来,将形成“虚”、“实”结合的装备操作新模式。这种新的教学模式既有实物拆装的真实、互动的特点,又能克服实装操作的种种弊端,并且不受拆装时间及场地的限制,既能实现人人参与,又能增强实训的趣味性。

二是能降低装备操作技能训练所需的维护费用和耗材费用。受实装设备数量的限制,实装教学开设的课程数量往往有一定的限制,很大程度限制了学员主动学习的需要。虚拟实作训练室对设备场地要求较低,学员反复练习对装备也没有什么损伤,避免了实装损耗的同时又降低了真实环境下由于学员误操作发生装备事故的几率,任课教员还可以灵活安排实作时间和实作地点,较好地满足学员实作训练的需要。

三是能改变和丰富教员实作教学的方法与手段。教员实作教学的方式不再局限于口头教学、PPT、粉笔黑板等,教员可以将平时难以理解的装备的结构原理与动作过程通过虚拟装备中三维动画的形式进行展示,学员学习结构原理等知识的过程更加直观和简单。

四是能使实作考核方式更加科学严谨。过去实作项目考核主要依靠专家打分来完成,打分的方式主观性较强,难免使人对考核的公正性产生怀疑,而采用虚拟仿真系统进行考核,计算机自动计时并对操作的步骤进行评判,考核的结果客观公正,公信力更强。

3 虚拟仿真技术在实作技能教学中应用的实例

3.1 某型装备实作场景仿真系统构建

某型装备实作场景仿真系统基于Windows平台,采用Post Engineer(简称PE)平台开发,系统构建流程如图所示,主要包括:装备三维建模,模型装配,动作脚本编写,仿真程序开发。

3.2 三维场景的构建

某型装备3D模型在Solidwork中建立,根据各个部件之间的父子关系,采用树状结构对各个部件进行装配,建立好的模型需进行大量的优化工作,包括材质设置,颜色设置以及光泽度设置等,最终获得准确的三维模型文件,研究中使用的静态三维模型为“.vis”格式,这是Solidwork软件的一种标准3D模型格式,很适合不同模型格式之间的互相导入。

模型建立好后,将3D模型导入到虚拟仿真程序PE平台中,在此基础上进行静态场景仿真。模型导入后的效果为:

3.3 虚拟场景的变换

虚拟场景的变换又称三维漫游,当静态仿真场景搭建好以后,用户可以借助鼠标、键盘等外部设备从任意角度对场景进行观察,还可以拉近或者拉远观察的视角(如图3、图4所示),从而增强虚拟环境的真实感。三维漫游的方式主要有两种,一种是自主漫游,另一种是路径漫游。自主漫游是用户通过鼠标或键盘拖动或点击虚拟场景中的某些部位从而对视角进行任意变换。路径漫游是指以预先设定好的路径自行移动观察虚拟场景,相对于自主漫游方式,这种控制方式较为简单。其操作流程如图3所示。

3.4 虚拟仿真控制

虚拟仿真控制是人机交互的核心部分,当用户通过三维漫游,将操作视角变换至合适的位置,就能通过人机界面、鼠标与虚拟对象实现交互,实现包括虚拟操作、虚拟维修以及虚拟动作展示等功能。

虚拟仿真控制的实现主要分为三大步,第一步是将动作流程进行分解与细化,无论是装备操作还是其他实际操作都能细化为一个个细小的动作以及动作后相关部件的响应,将动作以及动画通过流程图的形式表现出来;第二步是动画程序的编写。PE平台本身自带有许多动画程序,例如零部件的旋转、移动等,开发者还能根据需要编写动画程序,这样就能将所有细化的实际动作转化为动画的形式并以父子关系树的形式存储起来以备调用;第三步是编写脚本程序,通过脚本编辑器,将动作和小动画按照一定的时序编写为格式为.xml的脚本程序,导入到PE平台,反复调试后就完成的相关的工作。具体流程图如图6所示:

脚本编写程序实例如下:

4 仿真实现实例

根据以上步骤,采用PE平台实现拆下某螺栓动作的仿真,如图6、图7所示。进入系统后,首先选择工具,工具栏内工具种类较多,有固定扳手、一字螺丝刀、小钢锯等等,只有选择正确的工具——一字螺丝刀,才能继续进行下一步操作,选取一字螺丝刀后,用螺丝刀点击对应的螺栓,就会触发动画——拧动螺栓并拆下螺栓,从而实现拆下某螺栓动作的仿真。

图7选取专业工具

图8使用工具进行操作

5 结束语

文中利用PE平台实现了某型装备维修操作过程的仿真模拟,完成了Solidwork的3D建模、3D模型导入、场景漫游、虚拟仿真控制的实现,并利用鼠标键盘等设备与虚拟仿真系统进行交互操作,可以满足职业教育中某些机械部分操作以及维修教学的需要。通过实际的3D模型的测试,该仿真系统操作简单,真实感和代入感强,对职业技能院校装备虚拟维修训练器材的开发有一定的参考意义。

参考文献

[1]杨炎,蒋科艺,李本威,等.虚拟维修仿真的研究进展[J].海军工程大学学报,2009(4).

[2]李爱娜,骆仕斌.虚拟实训在高职模具专业中的实践与探索[J].时代教育,2016(1).