虚拟仿真技术特点(6篇)
时间：2024-09-11
时间：2024-09-11
【论文摘要】将虚拟仿真技术引入教学领域后对传统教学手段产生了强烈冲击。本文针对航空电子装备教学中如何应用虚拟仿真技术给出了应用方法和体会。
1．引言
自20世纪9O年代以来，以计算机仿真技术、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现，并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段，虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击，并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明，虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验，探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。
2．虚拟仿真技术简介
虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。
2．1虚拟现实技术
虚拟现实技术就是利用三维建模技术，构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景，并能响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实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等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真，也称为视景仿真，它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。
在航空电子装备教学中，大量用到对装备的外观、结构、组成、连接、机安装位置的展示，传统教学大都采用实物展示的方法。近年来随着大量航空电子装备的更新换代，因受经费、场地及使用寿命等因素的限制，传统教学方法已远远不能满足要求，而采用虚拟现实技术的展示方法则以其廉价、无场地限制和效果良好得以广泛应用。
目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿真的开发，主流平台CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虚拟现实数据库OPENFLIGHT已经成为了工业标准，在军事、航空航天等领域应用都比较成熟。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用rVegaPrime、GLStudio和EON作为视景仿真开发的技术平台，解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级的视景仿真效果．同时采用嵌入OPENGL技术来解决物理模型的交互问题。
2．2系统仿真技术
系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科．它通过建立实际系统的数学模型，利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式的仿真，也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
在航空电子装备教学中，对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述，配合一些静态的图形帮助学员理解．教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧。近年来．我们尝试将系统仿真技术应用到航空电子装备教学中，根据被仿真装备的工作原理，建立系统的数学模型，并根据装备的不同工作状态，对模型进行动态运行．结合虚拟现实技术实现的逼真场景．较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用．也可供学员自学，并达到了较好的教学效果。
目前，有许多成熟的系统仿真开发平台软件．如Simulink、SystemView等，这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎．但价格较为昂贵，且大多未提供对外的仿真数据接口．仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。
3．虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤
3．1建立仿真模型
这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型，也包括揭示其内在工作机理及行为的数学模型。对三维物理模型的建立，主要依据装备本身的物理状态，其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立，则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化，本着够用为度的原则，以尽量减小运算量。建立数学模型时，还应考虑到系统运行时的参数调整。
3．2创建仿真装备的虚拟场景并驱动
对于虚拟场景的驱动，根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示，可使用EON进行动作的编辑和驱动；如果需要对装备进行虚拟操作仿真，则使用GLStudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作，然后再利用VegaPrime驱动以实现更复杂的交互操作。
3.3系统集成
系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起，使之成为_个完整的、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用软件开发平台的运行插件，因此，系统集成变得十分方便。编写程序时，只需考虑软件功能的安排，注意程序间的兼容性即可。
系统集成时，还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来，即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台，与视景仿真处于不同的系统进程中．因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。这里还需要考虑进程间的同步问题。
关键词:虚拟仿真;高职教育;建筑工程;实训教学
我国正处于社会信息化深入发展阶段，传统建筑业也在进行自我革新，朝着工业化、信息化以及智能化发展，衍生出工业装配式技术、BIM信息模型技术等。高职教育也在不断探索新技术新方法，2006年，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》(教高［2006］16号)中就实训基地建设方面提出了要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。2017年，国务院印发《国家教育事业发展“十三五”规划》中明确指出我国教育进入高质量新阶段，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。高职建筑工程技术专业需适应时代的变迁与行业的发展。对此，本文将结合南京城市职业学院建设中的虚拟仿真实训体系探讨这项技术在建筑工程专业中的应用。
一、虚拟仿真技术在建筑工程专业实训体系中的应用
(一)高职建筑工程技术专业实训的困境简单来说，建筑工程技术专业培养的是基于施工员岗位的“懂建筑、精施工、会管理”的高素质技术技能人才，实训体系在整个人才培养方案中具有非常重要的地位。但由于建筑行业的特殊性，校内外实训基地的建设都普遍存在困难。校内实训基地受限于场地和经费，难以重现建筑过程中各项技术，即使一些条件较好、投入较多的学校，建设的一些实训项目也是以展示观摩为主，动手实践部分较少;采购的设备数量有限，难以满足全部学生的操作需求;一些操作难以反复，不利于学生探究性学习。在校外实习基地方面，由于建筑项目周期长并且具有一次性特征，工程进度难以和课程学习相匹配。此外，考虑施工现场的安全隐患和企业自身的经济效益，企业难以多次接待学生短期的参观学习。基于以上困境，不少高职院校建筑工程专业更像是简配版本科土木工程的“学科型”教学体系，工学结合不紧密，学生难以将学到的理论知识运用到实际工作岗位中去。
(二)虚拟现实技术的分类基于以上因素考虑，有必要将虚拟仿真技术融入专业的实训体系建设。虚拟仿真技术主要有以下三种类型:1．桌面虚拟仿真系统利用平面显示器呈现立体的虚拟环境，通常将施工二维平面图纸转换为三维模型，学生可通过鼠标等设备与虚拟环境进行交互，可以在环境中进行观察，将抽象的平面概念具象化，也可模拟某项施工技术过程，将书本枯燥生涩的理论知识转换为更容易接受的立体影像。这项技术成本较低，目前也使用得较为广泛。2．全沉浸式虚拟现实系统使用头盔、机械手柄、身体动作追踪等仪器设备将使用者完全沉浸在虚拟的三维环境中，使用者可以精确的与虚拟环境进行交互，视觉、听觉、触觉与实际环境完全隔离，完全置身于虚拟环境中，在虚拟环境中进行操作、体验。这项技术成本较高，很多高职院校虽有投资，但数量有限。3．分布式虚拟系统通过互联网构建一个多用户的虚拟环境平台，采用统一的结构、标准、协议和数据库将不同时间空间的虚拟终端整合，多名用户之间可以自由交互协同工作。这项技术目前在国外使用较多。
(三)构建三阶段虚实结合的实训教学体系建筑工程技术专业学生应具备识读工程施工图纸、查阅相关图集、测量放线的基础技能，参与工程施工、编制施工组织计划及专项施工方案、工程预决算的核心能力以及BIM技术相关的拓展能力。南京城市职业学院建筑工程技术专业根据人才培养目标，以施工员、资料员典型的工作任务、职业标准为依据，构建三阶段虚实结合的实训体系。校内构建虚实结合的实训体系:实训项目较为容易实现的，一般以实体操作为主，例如钢筋加工、绑扎钢筋、全站仪测量等;实训项目周期长，不易反复操作的，以虚拟仿真技术为主，如建筑工程项目施工———专业岗位仿真训练平台。同时，还配有建筑工程项目管理、招投标沙盘实训项目，大型施工现场布置实体模型。虚拟仿真技术填补了核心课程实训的空白，完善了校内实训体系。校外构建三阶段的实习体系。第一阶段认岗。该阶段主要在基础技能的第一学年，学生通过工程制图，建筑结构等课程的学习后，进入一线施工现场，与已学知识进行匹配，对专业和岗位进行感性认知活动。第二阶段跟岗。学生在第二学年学习了核心课程后，在校外实习基地进行为期两周的跟岗实习，在工程施工现场对已学习的核心技能进行验证和反思。第三阶段顶岗。学生在完成学校的所有学习、获得职业资格证书后，真正进入一线，成为一名工作者，用专业技术解决实际问题，完成学生到专业从业人员的过渡。三阶段的实习可以将校内不同阶段虚实结合的专项实训项目整合起来，体会各工序之间的联系，将不同课程融会贯通，提升学生对知识的掌握和技能的运用。
二、虚拟仿真技术在教学中的应用
(一)现有教学方法与学生不匹配随着高考招生制度的不断改革，高职生源不断多样化，学生素质参差不齐，理论基础薄弱，学习主动性不高。传统的课堂教学，即便配合了多媒体资源、信息化教学平台的使用，也很难集中学生的学习注意力。一方面，这样的教学方法本质上还是以教师的灌输为主，学生是被动的接受知识，知识还是被填到大脑中去，一旦填鸭的过程中出现了不理解、听不懂的环节，后面的学习全部崩塌。另一方面，高职学生的学习生涯很少出现学习的高光时刻，学生对自己的学习能力持否定态度，从内心排斥学习，畏难情绪严重，自信心不足。因此，不少学生在社团活动时候大放异彩，在上课学习时，大脑就停止思考。
(二)虚拟仿真技术下的情境化教学根据建构主义学习理论，学生是学习的中心，是知识信息的加工主体。由建构理论衍生出的情境化教学、探究性学习、问题导向等教学方法能够不断挑战学习者已有的知识架构和经验，从而在交互的过程中形成新的知识。学生在活动中主动学习，而教师是建构过程的引路人。虚拟仿真技术下的三维立体虚拟环境，具有沉浸性和交互性特征，学生置身其中，有很强的临场感，促使学生主动获取知识信息。同时，三维具象化的事物降低了学习的难度，增加了学生学习的自信心。以建筑施工组织中的施工现场布置为例，传统的教学中，教师会引用工程案例将场布中涉及的规范进行罗列。由于施工现场涉及多种对象，罗列的规范很多，注意事项琐碎，学生的上课效果较差，难以完成课程目标。在引入了桌面虚拟仿真技术的三维场布软件后，场布理论课程就转变为场布实训项目。项目源自真实施工案例，在教师的指引下，学生依据施工工程所处城市位置、周围道路环境，考虑风向和天气因素，借助软件中已有的各种施工现场的模型(如在建建筑、围挡、道路、临时设施、工程车辆、大型机械等)，对施工现场进行搭建和布置。搭建施工现场的过程就是学习施工现场规范的过程，同时，在搭建的过程中，学生对规范的理解运用各不相同。虚拟环境允许学生按个人理解对学习对象进行操作，观察不同操作下不同的结果，来验证自己对知识信息的接收加工是否正确，这是一个主动学习和修正过程。虚拟仿真技术下的情境教学，大大提高了学生学习的参与度与主动性，提升了学习效果。
(三)虚拟仿真竞赛由于专业的特殊性，高职建筑专业竞赛总体主要集中在建筑工程识图、CAD软件类等，如省级和部级的技能大赛就有此类赛项。此外，还有一些工程测量和建筑模型类的比赛。而针对专业核心技能的施工技术、施工组织设计以及工程项目管理类较为少见。虚拟仿真技术的出现，降低了这类竞赛的举办难度，只需电脑和网络便可开展。如某BIM施工项目管理应用技能大赛，包含施工组织设计、三维建模及建筑工程项目策划等。以赛促教的同时也为专业营造出浓厚的学习竞争氛围，走出去多比赛也拓宽了学生的眼界，增强了学生的自信心。
三、虚拟仿真技术的困境和发展
(一)虚拟仿真实训室投入成本过高虚拟仿真实训室虽然能够支持建筑工程技术专业不少实训项目，但是建设成本很高。以一款全景沉浸式虚拟仿真系统为例，虽然该设备可以模拟仿真全站仪测量各种不同地形，但建设投入达两百万。同时，随着建筑行业新技术、新工艺的不断发展，虚拟仿真实训项目也面临软硬件的升级改造，后期的运行维护也需要学校持续的投入。
(二)虚拟仿真对空间想象能力的影响虚拟仿真技术利用信息化手段将抽象的符号具象化，建筑工程专业同样要求学生具有将二维图纸转换为三维立体建筑物实体的能力。由于高职学生空间想象能力较差，所以虚拟仿真技术有助于学生的学习，降低学习如建筑构造等课程的难度。但是如果过分依赖虚拟仿真，学生的空间想象能力反而得不到锻炼和提高。这就要求教师在教学时合理使用虚拟仿真这个工具，教学时需要安排学生进行空间转换的思考过程。
(三)虚拟仿真对注意力的影响虚拟技术打造的虚拟环境通过视觉、听觉、体感向学生传递图形、文字、声音等信息。打造沉浸式体验学习的同时也传递了大量丰富的信息，学生会对情境中某些信息产生更强的临场感，投入更多的注意力，而对其他信息的注意力减少，无法实现学习的目的。例如，安全生产课程通过虚拟现实(VR)技术让学生体验了高空坠落、脚手架坍塌等情境，模拟情境很真实，但学生体验到的是坠楼的刺激，反而忽视了安全的意识、课程的目的。所以，在虚拟仿真的学习过程中，教师要加强引导，同时合理设计虚拟仿真学习的脚本和内容。
(四)多用户虚拟仿真环境“ActiveWorld”平台是国外广泛使用的一款多用户虚拟环境。多名不同地点学习者可以在同一个虚拟环境中自由交互、协同工作。目前，国内使用的虚拟仿真项目多为单人、单项。学习者只能与计算机虚拟的环境交互，实训的内容也是较为单一的观察性学习或是操作性学习。虚拟仿真技术应朝着多用户平台发展，虚拟的环境更综合、更完整，学习者彼此之间以虚拟身份共同探索、观察、讨论和分析，开展更富有效果的合作式学习，特别适合远程教学。同时，参与学习的各方可以共同建设虚拟环境，做到共建共享，节约资源，降低成本。
1工程机械虚拟仿真实验教学平台的总体架构
本文设计的基于互联网和计算机虚拟仿真技术的实验教学平台，将理论分析与实验教学融合于一身，能够从理论和实践的双重视角分析工程机械运动的原理，利用虚拟仿真实验平台实现工程机械理论与实践的统一，为工程机械专业教学活动提供了一个动态化、智能化、交互性的教学与实验环境[8-9]。该虚拟仿真实验教学平台能够通过视频、图像等方式将机械设备的工作过程进行动态化展现，产生更加直观和生动的教学效果，使学生更容易掌握工程机械运动的原理。
依托于互联网和大数据的计算机仿真平台的突出特点是智能化，可以提供更多种类的教学模式和实验模式；在交互性的表现方面具有强大的AI性能[10-11]，易于教师与学生的互动和交流，学生在选择性学习方面有了更大的自主性。由于虚拟仿真实验教学平台的教学资源由网络和大数据平台提供，一方面可以保证所提供的工程机械模型的科学性、时效性和多样化，能够应对不同方向的教育教学任务；另一方面也提高了教学资源网络的共享性和开放性，节约了教育教学成本。
本文设计的基于网络与计算机虚拟仿真技术的工程机械实验教学平台，是在工程机械设计与机械运动原理的基础上，结合计算机仿真技术和多媒体技术，以更为直观和透彻的方式展现工程机械设备的工作原理。它改变传统实验教学平台中过于抽象和单一的表现方式，具有更好的交互性和实验教学效果。计算机虚拟仿真实验教学平台作为一种新型教育教学系统和媒介，为工程机械实验教学提供了一个高效、稳定和经济的教学方式。该虚拟仿真实验教学平台的最大特点是以虚拟3D的方式呈现，可以在虚拟与现实之间进行转换，是多媒体VR技术在教学中应用价值的体现[12]。学生和教师都可以以用户的身份登录该平台，基于输入/输出设备向虚拟实验平台传达指令并获取相关的结果，反馈的结果包括视频输出、图形输出和文字输出等不同的形式。平台还能够依据登录者的要求提供更加完整的实验数据、实验图形及工程机械各种参数变化曲线拟合等。
工程机械虚拟仿真实验教学平台总体框架主要由平台信息导入模块、实验教学虚拟交互系统和平台信息导出界面等3部分构成。工程机械虚拟仿真指令从输入界面导入，用户的指令需要转换为虚拟的计算机语言并进入虚拟仿真实验教学系统。虚拟交互系统是虚拟仿真实验教学平台的核心模块，按照用户的指令提供平台控制功能、场景虚拟功能、场景选择功能及各种指令操控功能。平台信息导出模块将实验教学虚拟交互系统模块计算和处理过的数据信息、仿真模型以图像或视频的模式显示出来，从理论和实践两个视角展现工程机械运动的过程和基本原理。
2虚拟仿真实验教学平台的基础硬件设计
工程机械虚拟仿真实验教学平台由硬件系统和软件系统两个部分构成，其中硬件部分是实现虚拟仿真系统基础功能的前提和保证，也是软件功能得以实施的实物载体。
用于工程机械虚拟仿真的实验教学平台核心硬件模块包括虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真运动平台、信号感应模块和LED显示模块。当用户开始操作平台时，信号模块会将用户的要求和信息以控制信号的模式导入驱动模块，同时虚拟上位机系统参与协同控制，共同控制虚拟仿真平台的工作与运行。虚拟仿真实验教学平台除了具有必要的电机结构、联轴器结构、台体结构、电控装置及运动结构之外，还通过编码器、光栅尺、传感器等与上位机系统连接，以虚拟现实技术为依托，实现工程机械实验教学平台系统的更新与变革。工程机械虚拟平台系统依靠编码器、传感器等读取用户的指令信息，再利用信息控制模块及平台的电控装置，传导信号、输出指令和导出实验教学用的相关数据和虚拟模型。
3实现流程与关键技术
工程机械虚拟仿真实验教学平台的系统软件程序设计，与系统整体框架设计及硬件模块设计相匹配，平台的各软件模块都围绕着工程机械设计的基本理论展开。平台软件的实现流程包括系统用户时域信号的分析和系统频域特征的分析，最终通过对用户需求的分析和平台虚拟程序的运转，输出各类工程机械工作原理视频或图片，以达到提高教育、教学效果的最终目的。
平台启动后，用户按照自己的教学需求和平台使用规则载入原始数据，并开始进行数据转换，提取符合工程机械标准的性能指标值及相关数字信号的空间坐标值。系统的软件模块和软件实现流程能够以程序的方式写入平台系统，也可以按照用户的需求及工程机械的基本原理进行修正，以呈现出不同的信号频域特征和工程机械模型。
虚拟仿真实验教学平台信号的响应速度是衡量平台软件系统功能性的主要指标之一。平台系统在数据信号和系统本身固有特性共同作用下，可以将用户的实验目的及实验要求转化为最终的工程机械虚拟仿真实验结果，并在显示模块中显示出来。初始阶段由用户数据转换过来的信号为阶跃信号，阶跃信号可以直接调动系统平台的资源，但受到虚拟仿真实验教学平台硬件兼容性的限制。当信号无法调动系统平台资源时，就需要将阶跃信号转变为脉冲信号。平台的响应信号实质上由系统内部软件程序的微分方程及其全部的解构成，在系统平台开始进行仿真实验的过程中，基于对仿真信号的传递、识别和处理，能够得到实际的工程机械仿真模拟输出，但在绘制信号的仿真输出曲线时会出现一定程度的系统误差(t)，影响微分方程正确解的总体数量，因而需要对信号传输误差进行有效控制。系统信号输出误差的控制可以通过调整系统硬件参数设定或更新软件程序的方法实现。虚拟仿真实验教学平台的频率响应效率是影响平台信号谐波输入及系统稳态响应的一个重要因素，输出曲线的正弦波相位变化及幅值的变化，是显示虚拟仿真平台基础性能的重要指标之一。当进行虚拟仿真实验时，可以通过修改信号频率的模式，得到若干组数据信号输出值，使虚拟仿真实验教学平台的误差最小化，得到结果最为真实、准确。
在工程机械虚拟仿真实验教学平台的实际应用中，本文采用的UGNX虚拟技术，能够导入各种3D模型制作软件，具有更加良好的适配性和兼容性。在虚拟仿真实验教学中，软件程序的设计主要基于UGNX虚拟技术来实现，包括3D建模、3D渲染和仿真教学模型的优化。利用UGNX虚拟技术进行工程机械仿真实验教学，基于UGNX技术优化虚拟仿真实验教学平台的系统属性和软件实现流程，并按照用户的需求模拟真实的工程机械设备进行场景的选择与设定，添加各种属性和行为。
虚拟仿真软件程序在UGNX内创建并内嵌于虚拟仿真实验教学平台之中，实现工程机械的3D建模。创建仿真程序需要对原始的数据信号进行标准化处理及虚拟场景的交互，导入机械设备模型的三维数据，其中工程机械设备的格式是以系统插件的形式完成的，在数据信号格式的转换中，基于网络和校园内部浏览器向平台输出相关的实验教学数据，确定虚拟仿真实验教学的实施路径，并将最终的虚拟仿真结果以视频或图像的形式更为直观地展现出来。
在工程机械虚拟仿真实验教学中，为了提高三维展示的直观性，工程机械内部零件都具有一定的透明度，并可以利用UGNX技术将不同的零件辅以不同的颜色，在实验教学中有助于使用者更为细致地观察工程机械的运行原理，认识各个内部零件之间及与设备整体的逻辑关系。与传统的工程机械类实验平台相比，本文设计的仿真实验平台，在仿真的直观性、准确性、交互性及实验课堂教学效果方面都具有较大的优势。特别是在平台系统交互性能方面，利用UGNX技术平衡虚拟仿真平台总体的架构与节点安排，使工程机械设备结构的各种特性都能够全面地展示出来，显著提高教育教学的交互性与智能性。
4实证结果与分析
4.1虚拟平台的功能性验证
首先验证虚拟仿真实验平台的功能性。采用问卷调查的方式对使用了平台的师生进行问卷调查，对于文中提出平台设计的满意度问卷调查统计情况问卷调查结果显示，各专业教师和学生对于虚拟仿真平台的满意度均在95%以上，说明文中提出的虚拟仿真平台相对于传统平台具有良好的功能性和实用性，能够获得更好的实验教学效果。
4.2虚拟仿真平台的性能验证
教学实验平台的信号响应值是衡量系统平台性能的重要指标，信号响应值越小则证明实验平台的信号响应越快速、性能越强。本文以车辆工程专业教学中的底盘设计为例，分析传统实验教学平台和虚拟仿真实验平台的信号传输响应值分布情况。该基于互联网和大数据的工程机械虚拟仿真实验教学平台的信号响应值被控制在±1.0之内，最高值和最低值分别为0.65和–0.65。从实验结果可知：本文设计的虚拟仿真实验教学平台在系统响应时间上更有优势，尤其是在复杂三维建模中可以提高仿真教学的效率和效果。
关键词：虚拟样机技术；人才培养；机械工程类；仿真分析；创新
作者简介：路永婕（1981-），女，甘肃靖远人，石家庄铁道大学机械工程学院，讲师；陈娜（1979-），女，辽宁辽阳人，石家庄铁道大学信息学院，讲师。（河北石家庄050043）
基金项目：本文系石家庄铁道大学教育教学改革研究项目（项目编号：110408、110326）的研究成果。
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0033-01
在20世纪80年代，随着计算机科学技术的进步与发展，导致了虚拟样机技术（VPT，virtualprototypingtechnology）的出现，从而加快了工业发展的步伐。虚拟样机技术以自身的优势大大提高了工业产品的设计和研发的效率，极大地缩短了产品的生产和制造周期。目前虚拟样机技术在各领域的企业和研究机构里已经取得了良好的经济效益，得到了广泛的应用。因此各企业单位对熟练掌握虚拟样机技术的人才需求不断增长，这就势必要求在高等教育过程中更加注重培养大量的此类人才，以满足人才市场的巨大需求，进一步促进我国工业水平的提高。
虚拟样机技术作为一种先进的技术，在推动工业发展的同时也为高等教育培养高质量、高水平的人才提供了良好的手段和思路。在机械工程类本科教学实践中充分应用虚拟样机技术将会有力地促进工科类教学方式和教学体系的改革，会大幅度地变革旧的教学模式，实现大学生学习的多元化和主体化，使学生跟随工业技术发展的步伐，牢固夯实知识要点，掌握学科体系。
一、虚拟样机技术的理论依据与应用前景
虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，该技术结合了先进的建模技术、仿真技术、信息技术、优化技术、制造技术和先进的信息管理技术，涵盖了工业产品的概念、设计、实验、生产和制造的各个环节。可见，虚拟样机技术重点强调了工业产品的系统观，它针对产品的全生命周期，对产品进行全方位的测试、分析与评估，实现了不同领域的虚拟化的协同设计。
总之，虚拟样机技术是以虚拟样机为主体，可视化为界面，仿真分析为主要手段，三维造型软件为工具，建立起的多学科、多领域、多角度的协同设计平台。在机械领域中，虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学、传热学和控制理论为核心理论，几乎涵盖了机械工程体系中的各个子系统。目前基于虚拟样机技术，涌现出来了大量成熟的商业化软件，大体可以分为几何建模（SolidWork，UG，Pro/E）、结构分析（ABAQUS，ANSYS，NATRA）、多体动力学（SIMPACK，ADAMS，DADS）、液压与控制（AMESIM）、振动与噪声（SYSNOISE，AUTOSEA）等几个范畴，在机械工程、航空航天、国防和医学等各个领域发挥越来越重要的作用，在企业中已经得到了普遍的应用，获得了很多的成功案例。
因此在运用虚拟样机技术进行工业生产时，需要具备扎实的计算机、运动学、动力学和控制学多个学科的知识，这就对高等教育人才的培养提出更高的要求。从上述虚拟样机技术的内涵和理论依据可以发现，该技术具有很强的实践性强、可重复性和操作直观的特点，所以这些特点既是学生最终学习的目的，也为教师提高教育水平提供了很好的手段。
二、充分发挥虚拟样机技术在机械工程类教学中的作用
1.培养学生的仿真分析意识
在计算机技术高速发展的今天，基于虚拟样机技术的仿真分析已经日趋完善，分析的结果可靠、逼真，在工业生产中已经被广泛认可。所以，在教学过程中应引导学生积极掌握和利用仿真分析的技巧，在学习和吸纳新知识时充分应用仿真的手段进行分析和验证，提升对知识的理解程度，提高对专业知识的认知水平，形成良好的仿真分析习惯。
由浅入深地让学生在学习过程中随时借助虚拟样机技术对书本中的例题、课程设计中的案例和毕业设计命题从仿真的角度预演解题过程，树立起良好的仿真意识，这不仅提高了学生分析、解决问题的能力，而且在反反复复的仿真实践中对虚拟样机的综合应用能力得到提高，对专业知识的准确应用也会有一个比较深刻的认识。
2.注重理论与仿真实践结合
在机械工程相关专业的学习中，“机械原理”、“机械设计”、“机电控制”、“测试技术”等都是必修的专业基础课程，在以往的教学中，学生在掌握这些课程时比较头疼，教师在教授过程中诠释概念、分析原理时也比较吃力。分析其中的原因，主要就是学生在认知这些专业知识之前，相应的背景知识比较欠缺，对难懂的知识点存在很大的陌生感，教学的效果差强人意。然而虚拟样机技术恰恰可以弥补这一点，可以在教学的各个阶段都发挥不同的效用，在每门课程学习之前，教师可通过基于虚拟样机技术的成功工程案例的展示，激发学生对本专业知识求知的欲望，对课程设计的过程产生浓厚的兴趣，以最短的时间融入到课堂中。
因此在学习理论的过程中，对于那些晦涩难懂的理论就可以通过结合虚拟样机的仿真分析实践的方式，以鲜活的仿真现象直观揭示理论的真正内涵。例如，对于“机械原理”教学可以通过多体动力学的仿真软件建立机构的虚拟样机模型、定义部件的约束、动态仿真运动的轨迹、获取各构件的运动学特性曲线等等就可以清晰展现机械原理的整个理论体系，让学生轻松享受学习的过程。
关键词：虚拟仿真实验；实验教学；土木工程；实验室建设；
作者简介：徐明(1972—)，男，黑龙江大庆，博士，研究员级高级工程师，实验教学中心副主任，主要研究方向为实验教学及实验技术
1土木工程专业的实验教学特点
土木工程专业的实验与实践教学具有行业的特殊性。
(1)空间体量巨大。土木工程的服务对象是建筑物、桥梁、隧道，一般体量巨大。现在世界最高的建筑物高度超过800m，桥梁的最大跨度达1991m，超高层建筑物的单根柱子、单根桩基的承载能力上万吨。进行这些结构或构件的实体实验几乎是不可能的，即使是缩尺实验，也存在实验构件及加载设备体量大、实验环境恶劣、实验费用高的问题，限制了学生的参与。
(2)施工周期长。土木工程的建设周期一般比较长，世界最高建筑物———迪拜塔的建设历时6年，通常一幢普通的住宅楼施工工期也需要1年以上。由于时间的限制，学生的认识实习和生产实习无法得到工程建设全过程的体验。
(3)工程参与方多。土木工程存在不同的建设参与方(建设方、设计方、施工方、监理方等)，在学生认识实习和生产实习过程中，往往只能体验其中某一方的工作，无法从不同参与方的视角去感受和经历工程。
(4)危险性高。土木工程实验很多是破坏性试验，并且是脆性破坏，具有一定的突然性，学生在实验过程中的安全问题十分突出。同时，由于施工现场工序复杂、人员众多，而很多学生又缺乏施工经验和对危险源的判别能力，这使得很多施工单位在安排学生的认识实习和生产实习时存在顾虑。
(5)实验难度大。在土木工程的实验中，灾害环境(如台风、火灾、地震、滑坡和泥石流等)的模拟设备造价高(大型地震模拟振动台的造价上亿元、大型风洞的造价几千万元)。灾害环境实验难度大、危险性大、费用高。
为解决土木工程传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾，拓展实验及实践教学的深度和广度，提高实验教学的实效，实现理论教学与实践教学的紧密结合，特别是进行灾害环境对土木工程影响的分析、解决重大工程的防灾问题，尽可能减少实验成本和潜在危害，东南大学在课堂理论教学、原有实体实验、认识实习和生产实习的基础上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通信平台，构建了具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟仿真实验教学平台，作为实体实验及实践教学的有益补充和创新［1－5］。
2实验教学资源建设
早在2005年“工程结构设计原理”与2006年“建筑结构设计”国家精品课程建设期间，东南大学就开始组建土木工程计算机辅助结构设计实验室，此后结合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“结构力学”及“工程结构抗震与防灾”几门国家精品课程和其他相关课程的建设，又相继成立了土木工程施工虚拟仿真实验室、土木工程管理信息化等实验室。2013年通过资源整合，依托部级土木工程实验教学示范中心，成立了东南大学土木工程虚拟仿真实验教学中心。
中心面向土木工程、建筑学、交通工程及其他相关专业，形成了“三层次、四模块、五结合”的教学体系。
(1)三层次：按照人才培养需求与教学规律，将实验教学内容划分为基础训练、提高训练和创新训练；
(2)四模块：按专业知识体系与工程实践规律，搭建土木工程设计、施工、管理、创新实践4个虚拟仿真实验平台；
(3)五结合：与理论课程相结合、与实体实验相结合、与科研项目相结合、与实际工程相结合、与企业实践相结合。
其中，四模块的18门实验课程支撑8门专业主干课程与12门实体实验实践课程，辐射其他16门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课。
2.1土木工程结构分析与设计虚拟仿真模块
模块主要包括：(1)基本构件虚拟仿真、楼盖设计虚拟仿真及单层工业厂房设计虚拟仿真等基础训练层次的虚拟仿真实验项目；(2)建筑结构抗震虚拟仿真、高层建筑结构设计虚拟仿真、大跨空间结构设计虚拟仿真及桥梁结构设计虚拟仿真等提高训练层次的虚拟仿真实验项目；(3)复杂结构虚拟仿真、基于MTS混合实验、大跨桥梁抗风虚拟仿真、结构构件抗火虚拟仿真等创新训练层次的虚拟仿真实验项目，是“工程结构设计原理”、“建筑结构设计”与“工程结构抗震与防灾”这3门部级精品资源共享课的重要建设内容。
结构分析与设计虚拟仿真实验项目充分体现了CDIO(conceive-design-implement-operate)的工程教育理念［6－7］，是从工程的构思到概念设计，再进行仿真分析，根据仿真分析结果对概念设计进行优化调整，最后按优化后结构进行施工图设计的全过程虚拟仿真实验，实现虚实结合的实践教学。
以特色实验项目“基于MTS系统混合模拟实验平台”为例，传统的建筑物抗震防灾实验大多数是对整个结构进行的，由于整体实验成本较高且实验项目较多，导致实验场地和实验时间安排紧张。为了提高实验项目的实际效果和设备的有效利用，将结构的大部分替换为数值子结构并采用计算机进行仿真，而只有小部分结构在实验室进行足尺实验(见图1)。仿真实验具有参数可调、实验方案可扩展、不存在硬件损耗的特点，能够加深学生对实验的理解；实体实验具有真实可靠、直观性强的特点，能够提高学生的动手能力和观察能力。采用计算机仿真实验与实体实验相结合的手段，可以有效提高学生综合应用所学知识的能力。同时，实时混合实验作为目前最先进的抗震防灾实验手段之一，有助于培养学生的创新意识，提高学术水平。
2.2土木工程施工虚拟仿真模块
该模块主要包含基本施工技术虚拟仿真、复杂工程施工技术虚拟仿真及关键施工技术仿真分析3部分。基本施工技术虚拟仿真主要包括土方、桩基础、模板、钢筋工程等施工过程的虚拟仿真，是模块的基础训练部分；复杂工程施工技术虚拟仿真主要是针对超高层建筑结构、大跨空间结构、大跨桥梁结构等典型工程施工全过程的虚拟仿真，向学生介绍最新的施工技术和复杂工程的施工组织，它是模块的提高训练部分；关键施工技术仿真分析部分主要针对全新的施工技术，通过对施工过程中关键部分的仿真分析，确保施工的顺利和安全，它是模块的创新训练部分。
以典型实验项目“大跨桥梁结构施工虚拟仿真”为例，该实验项目以铜陵长江大桥工程为案例，与中铁大桥局集团和柳州欧维姆机械股份有限公司合作完成。对该工程的施工全过程进行了虚拟仿真，包含桩基础施工、沉井施工、主塔施工、钢桁梁吊装施工、斜拉索施工等子系统(见图2)。通过该项目的学习，学生可以了解大跨斜拉桥施工的主要步骤、施工工艺、技术措施等。
2.3土木工程管理虚拟仿真模块
该模块包含工程项目管理、工程造价管理、工程合同管理和工程管理BIM综合4个部分。传统的信息技术类课程教学模式比较注重信息系统管理知识的介绍和基础软件操作，但是存在信息技术类知识体系在不同部分之间的割裂问题，使学生难以形成结构化、模块化的专业信息技术能力和素质。土木工程管理虚拟仿真实验平台对传统课程设置模式进行了改革，根据多学科对信息技术的应用需求，注重学生专业核心能力的培养，形成信息技术类实验课程平台。
以典型实验项目“工程管理BIM综合虚拟仿真”为例，该项目根据给定的工程项目设计(包括建筑、结构、设备等)方案、相应的城市规划条件以及有关的地理环境数据，从施工单位、设计单位或咨询单位的角度进行项目建筑设计方案的多维可视化仿真(见图3)，并利用BIM模型进行辅助施工管理，包括项目的日照分析、建筑能耗分析、绿色建筑评价、建筑体量计算等。
2.4土木工程创新实践虚拟仿真模块
本模块主要分为基于创新训练计划的虚拟仿真和基于学生参加科技竞赛的虚拟仿真两部分，以满足学生课外研学课程的需要，在实验项目的设计上充分体现CDIO的工程教育理念。学生根据项目的要求，利用已学的专业知识，对结构进行概念设计，然后运用仿真分析软件进行模型计算分析，根据仿真分析结果对模型设计进行优化，完成实体模型的制作，将制作好的模型进行加载或让其完成特定功能。通过本模块实验项目的训练，可以加深学生对各类结构体系、设计分析的理解和认识，使学生在知识运用能力、创新能力、动手能力、团队协作精神等方面得到全面提升［8－9］。
以典型实验项目“创新结构体系虚拟仿真实验”为例(见图4)，要求学生设计并制作创新结构模型，以反映学生的力学概念、结构概念和创新思维。实验项目鼓励节能减排、循环经济的创新思路，旨在通过指导学生对结构概念设计、基本构件受力状态、空间结构体系及特点、典型工程案例分析等内容的学习，培养学生勤于观察与思考，并动手制作结构模型的能力，使学生能够从结构整体上把握建筑物的结构体系及受力特点，并通过学习报告、制作模型及加载体验的方式提高学生的动手实践能力和创新意识。
3教学特色
3.1依托优质教学资源建设虚拟仿真实验平台
土木工程虚拟仿真实验教学中心长期坚持实体实验项目建设和虚拟仿真项目建设相结合，通过部级教学团队的规划，完善了实验教学体系，并将学生实验训练的学时数比例由总学时的19%增加到25%。中心依托部级土木工程实验教学示范中心，与理论教学紧密结合，进行虚实结合的实验教学资源建设，有力地支撑了6门国家精品课程、5门部级精品资源共享课程和1门部级视频公开课的建设，提升了课程建设和专业建设的水平。2013年，土木工程专业以优秀成绩第4次通过住建部高等教育土木工程专业评估委员会的评估，在2012年的全国学科评估中，东南大学土木工程学科名列全国第三。
3.2来源于科研项目，面向创新能力培养
中心依托“国家预应力工程技术中心”、“混凝土与预应力混凝土教育部重点实验室”等国家和部省级科研基地，不断地将最新科研成果转化为虚拟仿真实验项目。通过把科研成果转化为实验教学内容，把科研方法融入实验教学活动，向学生传授科研理念、科研文化、科研价值，使学生了解科技最新发展和学术前沿动态，激发科研兴趣，启发科研思维，培养科研道德，提升学生科学研究和科技创新能力。
3.3来源于工程实践，面向工程实践能力培养
中心的大量虚拟仿真实验项目来自于真实的工程实例，是以实际工程为背景，解决工程实际问题为目标的“实战型”项目。通过真实项目的演练，指导学生综合运用专业知识，进一步培养学生的工程素质和实践能力，为社会输送合格的“来之能战”的毕业生。
已将典型重大工程转化为实验项目的实例有：
(1)山东博物馆屋盖薄壁箱型结构虚拟仿真；
(2)广州南站大跨空间结构温度应力虚拟仿真；
(3)广州白云机场复杂铸钢节点虚拟仿真；
(4)润扬长江大桥大跨桥梁抗风虚拟仿真；
(5)深圳大运会体育馆钢结构安装施工虚拟仿真；
(6)沪通长江大桥桥梁沉井施工全过程虚拟仿真。
3.4面向防灾减灾，开展灾害虚拟仿真
现代土木工程的最大威胁来自于各种自然灾害和人为灾害———地震、台风、海啸、火灾、爆炸、泥石流等。各种灾害因其巨大的时空尺度而难以再现，因其复杂的生成原因而无法重复，所以要借助现代虚拟仿真技术进行演示。中心依托云计算中心每秒37万亿次峰值浮点计算能力，运用大型虚拟仿真分析软件，开展地震、台风、火灾及爆炸等灾害的模拟，提升学生防灾意识和减灾水平。
计算机虚拟仿真技术、高职院校、强电、实训教学
【中图分类号】G434文献标识码：B文章编号：1673-8005（2013）02-0289-02
随着我国社会主义市场经济和自动化行业的迅速发展，社会及企业对技能人才的知识与技能结构提出了更高的需求，要求高等职业院校学生既要有一定的理论知识又要有很强的实际操作能力。为了完成这一任务，高职院校将计算机虚拟仿真技术引入到实训教学中来。以强电方面教学为例，它的教学内容大部分都涉及到动手，而对电本身来说它是具有一定危险性的，因此在学校的教学过程中，学生不会真正接触到强电，那么在真正的工作中势必要遇到一些问题。
1传统强电实训教学方式的弊端
传统的强电实训课程过程中我们会发现一些问题。首先，强电的操作台实习设备昂贵，设备数量是永远无法满足学生实际需要的，即使是进行了分组合作的方式。其次，教材所涉及的设备系统和型号是多元与广泛的，而实验实习设备的系统无法配齐。再次，真实设备的作用给初次接触实验和实训的学生操作带来很大的压力和人身安全隐患，特别是在通电的情况下这样的问题就更明显了。
2计算机虚拟仿真技术的特点与在强电实训教学中的应用
计算机虚拟仿真技术是借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人可以通过一定感知方式所感受到的虚拟环境，提供给人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效地扩展了人类的认知手段和领域。在通过多个阶段的强电虚拟仿真软件教学应用实践和思考后。我认为其对现实教学可以产生以下几个方面的积极影响。
2.1计算机虚拟仿真技术建立了全新的学习情景--彻底打破了空间、时间的限制。任何强电实验设备的原理和结构，学生开始基本都不具备相应知识基础，在利用虚拟现实技术后，不但可以将设备外部信息直观地展示给学生，甚至可以进入设备的内部进行观察，生动直观的感受与学习。
2.2计算机虚拟仿真技术节约了教育成本--实现低耗、高效与环保、可持续发展。传统的操作培训中，强电方面的教学都是在尽可能的利用真实的设备。这些设备种类型号繁多，价格也比较贵，因此不可能准备太多。计算机虚拟现实技术引入后，从现实意义上节约了成本，从长远看更是有利于整个行业的环境保护和可持续发展，意义重大深远。
2.3计算机虚拟仿真技术建立绝对安全环境--实现文明、安全操作。计算机虚拟仿真系统引入后，不会因为学生的错误操作而损坏操作台，更不会造成人身伤害，学生可以大胆地独立进行学习。这样使学生可以进行自主学习，具有一定的学习趣味性，也相应提高了学生的学习积极性，降低了教师的工作强度。
2.4计算机虚拟仿真技术便于教学--合理组织教学与标准化考核。虚拟仿真技术使得教师可以以广播的方式在每个学生的屏幕上演示其教学内容，使所有学生均能看清楚每个动作细节并进行模仿。
3计算机虚拟仿真技术应用中的注意事项
3.1要结合学校条件与教材实际，选择合理、系统、功能完善的仿真软件，明确虚拟与现实的差异，特别是对系统欠缺和不完善功能的了解，教学中做到避免系统、型号与功能混乱。
3.2应该合理安排虚拟仿真学习阶段，一般情况安排在强电学习的初学阶段，学习完线路焊接后为好。
3.3要在仿真系统学习过程中按实际操作的规范要求严格进行，且不可因为虚拟而不负责任地进行野蛮随意操作，养成不良习惯。
总之，随着计算机技术的发展，必将推动着虚拟仿真技术的不断完善，计算机虚拟仿真技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展，并且与互联网的有机结合将是必然趋势。计算机虚拟仿真技术作为一种新型的教学媒体，它的性能更通用，功能更齐全，成本更低廉，更加逼真的逼真的还原了强电实践应用中场景，这种新的教学媒体必将广泛应用于强电和相关专业的教育教学中来，最终在现代化技术教育领域中发挥其重要作用。
参考文献
[1]贺雪晨等.《虚拟现实技术应用教程》清华大学出版社，2012-06-01
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