生物力学与仿真技术(6篇)

生物力学与仿真技术篇1

关键词：GMP仿真系统；药物制剂技术；职业教育

《药物制剂技术》培养目标是适应药品生产、质检及管理一线的技术应用型人才，该课程具有牵涉面广、实践性强、与生产实际相联系等特点。从事职业教育的教师不仅要传授理论知识，更要注重学生的观察技能、操作技能和应变技能的培养。药物制剂GMP仿真系统整合了数字技术与教学素材，建立新型的综合化教学资源，已经成为现代制药技术类职业教育的重要手段。该软件满足了教师授课、学生自学和综合考评的多项要求，开创了“统一资源、多向仿真”的新模式。因此，该仿真教学系统应用在《药物制剂技术》课程中是非常有必要的。

一、有利于推进教学改革，更新教育观念

职业教育要推进教学改革，更新教育观念，确立以能力为本位的教学指导思想，就要建立有利于调动教师搞好教学工作积极性的有效机制，采用各种先进、有效的教学模式和教学手段，发挥学生的主观能动性。根据职业教育的特点，应加强创业精神教育，把增强学生的职业技术能力和就业能力放在突出位置，使职业教育教学更好地适应经济发展和劳动就业需要。因此，职业教育教学改革要促进“以教师为中心、以书本为中心”的传统教育教学模式向“以学生为中心、以信息交流为中心”的现代教育方式转变，使被动教育转为主动教育。以教师为中心的“一块黑板、一张嘴、一支粉笔”传统教学模式，显然不能适应现代职业教育教学的需求，特别是实训教学的开展。药物制剂GMP仿真系统图、文、声、像并茂，形象、直观、生动，使课堂教学由静态的灌输变为动态的传播，有助于学生对教学知识点的理解和掌握，并因此产生学习兴趣，由“要我学”转为“我要学”，从而激发学生的求知欲，大大地提高教学及实训质量。

二、学生一人一机，实现理论与实践的结合

药品的生产要严格按照GMP（《药品生产质量管理规范》）进行。

许多医药职业院校开展药物制剂GMP实训课程，部分院校还投巨资建造了实训车间或基地。由于班级和学生较多，实训车间里的设备资源有限，因此，在有限的时间内不能保证每一名学生都严格按照GMP要求熟练每台设备及岗位的操作。建设实训基地可以从硬件上解决学生GMP实践的问题，但是耗资巨大，不可能满足教学所需的全部要求，而且进行实践需要模拟正式的药品生产，造成巨大的浪费。药品生产企业实施GMP管理，鉴于企业机密和管理方面的原因，一般不欢迎学生参观实践。即使到企业实地学习，也只能浮光掠影地参观一些厂区和设施的布局以及一些无关紧要的工艺流程，基本不可能进入洁净区进行实地操作。此外，药物制剂技术与设备更新较快，还会导致学生技能的滞后性。药物制剂GMP仿真系统可以解决以上问题，它具有很强的资源整合能力。传统的多媒体教学模式，仅仅是图像、文本、视频、3D模型的演示，而该系统将以上资源有效的整合在一起，并且能够使这些要素按照设计要求合理地运行。学生仿真练习汇总了片剂、胶囊剂、小容量注射剂以及工艺用水系统、净化空调系统的三维仿真操作，为实践教学环节提供了车间场景，克服了实践教学安排与生产之间的矛盾，为学生进入工作岗位打下良好的基础，缩短了学生理论学习与生产一线对接的时间。同时，整个系统连接网络运行，因而具有快速升级、更新的功能，弥补了课本内容滞后的不足。

三、丰富教师教学内容，方便教学工作

药物制剂GMP仿真系统起到了一个学习包的作用，为教师授课提供了丰富的素材，同时为学生预习、复习和自学提供了多元化的内容。仿真考核系统大致可以分为三个模块：理论知识培训模块、各环节动手操作练习模块和实战考核模块。系统允许教师通过服务器进行考卷、案例、场景的设定，可对学生进行理论与仿真操作的测验，达到教考分离的要求，极大地方便了教学工作。

四、采取有效手段，加强学生管理

药物制剂GMP仿真系统运行需要网络支持，因此可能会出现某些学生在学习过程中通过网络上网、聊天、看电影、玩游戏等问题，这就要求教师采取有效手段，加强学生管理。可以利用适当的屏蔽软件防止学生做与学习无关的事情，还可以利用学生对网络的兴趣，布置学生利用网络查询与医药相关的知识的任务。或者采取奖励措施，比如在规定时间内出色完成实训考核以后允许学生自由上网，从而使学生寓学于乐，提高学生仿真实训的兴趣，提高教学及实训质量。

生物力学与仿真技术篇2

关键词仿真技术高职土木工程施工技术教学应用

中图分类号：G424文献标识码：A

ApplicationofSimulationTechnologyinHigherVocationalCivil

EngineeringConstructionTechnologyTeaching

ZHUXiange

（YanglingVocational&TechnicalCollege，Yangling，Shaanxi712100）

AbstractCivilEngineeringConstructionTechnologyisthecorecourseofsecuritytechnologymanagementprofessionalcourses，asthecoursecontentisrich，widerangeoflarge，closelyintegratedwithpractice，andstudentslackofrealunderstandingandimagination，traditionaltextbook-basedteachingmethodsarenotsuited，aftertenyearsofteachingtechniquesandconstructionmethodsexploration，thepracticalapplicationofsimulationtechniquescanbefoundtoeffectivelysolvetheproblemsofconstructiontechnologylearningdisadvantages.

Keywordssimulationtechnology；highervocationalcivilengineeringconstructiontechnology；teachingapplication

土木工程施工技术是安全技术管理专业的核心专业课程，根据安全技术管理专业人才培养方案要求，土木工程施工技术课程主要讲述水利水电工程、建筑工程、路桥工程中典型建筑物施工过程中所涉及的主要工种的施工方法、施工工艺流程以及相应用到的施工机械的学科，也是一门实践性、独立性、综合性较强的应用学科。通过对本课程的学习，培养学生综合应用所学的基础理论知识能力，从而提高专业知识水平和实际工作能力，以适应市场经济条件下用人单位对高职学生知识结构与能力水平的需求。由于本课程内容丰富、量大面广，与实践紧密结合，而学生又缺乏对实物的认识与想象，故传统的以教材为主的教学方法已经不适应，经过十多年的施工技术课程教学方法摸索与实践后发现应用仿真技术可以有效地解决以往施工技术学习中的弊端。

1仿真技术概述

仿真技术是以计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术为支撑的综合叉科学。仿真技术以其高效率、低成本、内容丰富和富有有效性、安全性等优势得到越来越多的应用和推广。仿真技术为注重实践教学环节的高职教育提供了一个理想的教学手段，随着仿真技术在高职土木工程施工技术教学中的应用，极大地加快了教学现代化的进程，提高了教学水平和教学质量。

2仿真技术在高职土木工程施工技术教学中的应用

2.1充分利用仿真技术，合理组织教学内容

教学内容的组织充分考虑到安全技术管理专业的岗位要求和高职高专学生的特点。在对水建、民建、路桥等多家施工企业和施工现场各项目部走访，调研的基础上，根据安全技术管理专业的岗位要求组织编排土木工程施工技术课程内容，课程内容分为基础知识（包括地基处理、爆破工程等工种施工）、水利水电工程典型建筑物施工（包括土石坝施工、混凝土重力坝施工等）、民建典型建筑物施工、路桥典型建筑物施工四大部分，故本专业土木工程施工技术课程的内容呈现出面大、量广，独立性很强。在学习中高职学生呈现出的基本特点是性格开朗，但自信心不足；动手能力强，但主动性不足；求知欲强，但底子薄，学习方法不当。基于高职学生的这一特点，利用网络技术、计算机技术、图形图像技术等仿真技术收集、整理、组织课程教学内容。在教学过程中，通过动画、施工视频等仿真技术进行施工工艺流程、施工机械等的演示，如讲到隧洞钻爆施工时，采用动画模拟了隧洞光面爆破实施的整个过程；讲到土石坝反滤层部位施工时，采用现场施工视频和动画模拟相结合；讲到塔机时，采用动画模拟了塔机安装，自升的整个过程。学生在对实物缺乏认识的情况下，仿真技术使的土木工程施工技术课程的教学更加形象、生动、直观、简单，使学生对于施工技术更容易理解、掌握。

2.2充分利用仿真模型，加强实践教学环节

教育部、财政部联合的《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》指出：“加强实训、实习基地建设是高等职业院校改善办学条件、彰显办学特色、提高教学质量的重点。”在这一思想指导下，我校非常重视实训、实习基地建设，已经建成并使用的有水工大厅（如水利枢纽工程模型等）、施工工种实训中心（如粘土心墙土石坝、面板堆石坝、混凝土重力坝、隧洞半实物仿真模型、民建房屋半实物仿真模型等）和土木工程施工中常用的各种类型的施工机械（如混凝土搅拌机、灌浆机、塔机、自卸汽车等）。根据土木工程施工技术课程教学特点和需要，将仿真技术与工程实际问题相结合，充分利用实训基地的半实物仿真模型，进行现场教学并积极开发课程实训项目，模拟工程实际情况，要求学生能够自己根据所给出的工程资料，整理编写施工方案并进行现场模拟操作。如楼梯模板的安装与拆除，手脚架工程、钢筋配料单的编制、钢筋加工、砌筑工程、大坝、隧洞等典型建筑物施工方案的编制等。

2.3利用仿真技术教学，激发、提高学生的学习兴趣

心理学家认为：动态刺激远大于静态刺激，给人留下的印象也最深刻。教学中，以静态方式存在的教学材料，通过仿真技术可恢复其鲜活的面目，使之变得有声有色。仿真技术为学生提供生动逼真的教学情境、丰富多彩的教学资源、为学生营造一个色彩缤纷、声像同步、能动能静的教学情景，从而激发学生学习土木工程施工技术的好奇心、兴趣点。“兴趣是最好的老师”，兴趣对学习产生的影响，远远超过教师的督促和简单的说教。仿真技术教学能使学生的注意力很快集中到课堂教学的内容上去，达到预期的教学目的。

3仿真技术在教学应用中的体会

3.1授课内容须进一步完善

在土木工程施工中不断有新技术、新工艺、新材料、新机械等的出现，为了实现学生零距离上岗，在教学中，教师要随时关注学科发展新动向，积极收集、整理资料，根据社会、工作岗位及学生学习需求进一步完善授课内容，并用适合授课内容特点的仿真技术教学辅助工具进行相应的教学内容编排。

3.2掌握仿真技术教学方法的使用技巧

仿真教学方法的最大特点就是在教师的引导下提供逼真的教学情境，让学生在接近真实的环境中完成课程的学习，从而实现提高学生知识、技能和能力的目的。仿真技术是计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术等相关技术的融合，但不是所有的技术都要在同一时段一起使用，也不是每一种技术和所有的内容都适合。这就要求教师必须根据每一种技术的特点和适用要求，再根据不同的课程内容、不同的授课对象、不同的施教场所等进行优化组合才能达到良好的教学效果。

3.3注重学生学习效果的反馈

教与学不是一对矛盾体，而是一对有机的契合体。教的目的是为了更好的学，因此教学的效果如何要及时听取学生的意见，通过走访，座谈，问卷调查等方式清楚地了解学生的学习状态，及时调整授课内容和仿真教学方法，调动学生的学习积极性和主动性，从而顺利实现教学目的。

4结束语

仿真教学是对传统教学的一个补充。可以完成现实中很多由于各种条件限制而无法完成的教学内容，从而弥补传统教学中的缺陷。通过学生与用人单位反馈的信息来看，仿真技术在土木工程施工技术课程教学中多年的实际应用取得了良好的效果，有效地提高了学习效果和效率，培养了学生的创新和动手能力，同时，活跃了课堂气氛，充分调动了学生自主学习的积极性，有效地保证了施工技术课程教学的质量。

当然随着计算机技术的快速发展，随后我们还需要继续收集、整理土木工程施工现场的资料，结合实际工程案例，根据高职学生的特点，不断补充与完善土木工程施工技术课程仿真教学系统，为培养出更加适应用人单位需求的优秀人才而继续努力。

参考文献

[1]教育部.关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见[DB/OL].[2012-12-26].

[2]周运金.虚拟技术在高职实训中的应用研究[J].企业科技与发展，2009（24）.

[3]黄翠柏.计算机仿真技术在电子技术教学中的应用[J].科技教育创新，2011（1）.

生物力学与仿真技术篇3

生物学科是一门实验性较强的学科，其实验教学对学生知识体系建立、能力发展的重要性不言而喻。但是有些生物实验时空跨度大、有些涉及有危害的材料和试剂，因此难以在目前本科生实验教学中实施。此外，还有一些实验需要使用昂贵、精密仪器，其台件数往往不能满足本科生实际操作需要。因而现有的生物学真实实验教学体系并不完整，影响了学生全面掌握生物学实验技能、制约了学生综合创新能力的发展。

随着现代教育技术发展，采用虚拟仿真技术、计算机图形图像技术等生成逼真的实验场景，可以在虚拟情境中完成真实情况下难以甚至不能实现的实验内容。因此，虚拟仿真实验教学资源的开发顺应而生，虚实结合的新实验教学体系为培养现代生物学创新人才提供保障。

一虚拟仿真实验教学资源建设的紧迫性

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2022年）》指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。《教育信息化十年发展规划（2011-2022》>要求推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。发展规划还明确了建没各级各类优质数字教育资源的工作目标，提出要遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统。

教育部在建设部级实验教学示范中心加强实验教学基础上，进一步提出建设部级虚拟仿真实验教学中心，这一举措具有重大意义。虚拟仿真实验教学中心重点开展资源、平台、队伍和制度等方面的建设，形成持续服务实验教学，保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。特别对虚拟仿真实验教学资源的建设提出了具体要求：即以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等优质教学资源，推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法改革。

二生物学虚拟仿真实验教学资源开发的必要性

生物学是21世纪自然科学的重点学科之一，对人类社会的可持续发展具有重大影Ⅱ向。生物学也是一门实验性学科，通过实验教学，提升学生的观察能力、发现问题和解决问题的能力，激发学生对生命科学研究的兴趣和灵感，培养学生的创新能力和实践能力。

然而，由于生命科学前沿理论和技术发展迅速、生物学实验系统性强、时空跨度较大、操作较为繁复、某些实验材料存在一定危险性以及某些实验需要昂贵仪器等，造成目前本科生真实实验教学资源的局限性，具体表现在：

因生物材料的生命特质原因，有些生物学实验往往周期较长，如动植物的发育实验、生态学的种群互做实验、生物进化实验等。在有限的实验课时内，现有的真实实验往往是片段的、不连续的，大尺度时空跨越的实验内容基本没有，造成学生知识体系和实验技能的不完整。

目前的生命科学研究已经深人到在分子水平揭示生命现象的本质，相关的实验过程往往是微观的、抽象的，在本科生实验教学中开展相关真实实验一方面成本高、消耗大，一方面传统实验手段无法帮助学生直观了解微观抽象的实验过程，从而影响实验教学效果。

现代的、先进的实验技术推动了生命科学发展，然而有助于学生理解前沿理论的实验内容难度大、复杂程度高、往往需要使用昂贵的大型科学仪器设备，在本科实验教学中难以广泛实施，使得学生不能及时了解、跟进先进的实验技术和理论知识。

生物实验可能涉及伤害的、危险的、污染性的实验内容，因为现有本科生真实实验教学条件有限而不能实施。例如致病菌、病毒、血液样品、同位素等等，涉及这些实验材料和试剂的实验内容在目前的本科生真实实验教学中常常都是回避的，导致学生的知识结构不完整、不系统。

生物技术工艺实验系统化程度高、周期长、成本大，在以往有限课时的本科生真实实验教学中，仅能安排个别常规技术，难以完成完整的工艺流程。学生在工厂车间的实习也往往无法接触企业的核心技术和工艺，只能粗略的浏览生产过程，没有落实学生应用能力的培养，造成学生理论和实践的脱节。

总之，现有的真实生物实验的局限性在一定程度上限制了学生现代生命科学的视野、影响了学生对先进理论本质的认识以及系统知识体系的形成、制约了完整生物学实验技能和综合能力的培养、不能更好的促进学生科研创新能力和实践能力的培养。

随着生物科学的迅猛发展和人才培养要求的不断提高，生物实验教学的内容愈来愈丰富，要在有限的实验教学课时内扩大教学量、提高教学质量和效率，必须对传统生物学实验教学内容和方法进行改革。虚拟仿真实验作为真实实验的重要补充和扩展，既有仿真性、经济性、安全性的优点，又能保证生物学实验的系统性、综合化，与传统真实实验有机结合，可以使学生开拓视野，获得更为全面的技能训练，掌握完整的生命科学知识体系，对培养学生观察能力、独立思考能力、创新能力和实践能力具有重要意义。

三虚实结合的实验教学新体系在综合创新人才培养中的重要性

根据我校生物科学、生物技术专业人才培养目标，结合我校生物学学科特色，我校开发的虚拟仿真实验教学资源可以概况为4个模块：秦岭生物学野外实践能力培养模块、现代生物学综合创新能力培养模块、生物学教师实验教学能力提升模块以及生物技术工艺仿真实训模块。虚拟仿真资源与现有的实际操作实验教学项日相互融合和互补，搭建了较为完备的“分层次、多模块、系统化”的本科生生物学实验教学体系，使学生视野得到开拓，对生命现象过程认识更全面，对知识体系的掌握更系统，同时课题式的仿真实验项目能点燃思维、激发兴趣，加强了本科生的创新精神和实践能力的培养。

陕西师范大学理科（生物学）基础科学研究与野外实习基地被批准为部级实践教学基地，每年对全国甚至海外高校开放。然而因环境承载能力、后勤保障能力等因素限制，进入基地进行实习的学生有限。我们充分利用秦岭资源，依托部级野外实践教学基地，对生物学宏观性、时空大尺度实验进行仿真，为学生提供了新的实验资源和学习模式，学生可以在这个虚拟环境中开展现实中无法实现的大型野外生物实验、生态系统实验等。同时这些教学资源还可以共享给更多的来自全国各地的学生。

生命科学研究早已深入到分子水平。我们将细胞、分子水平的微观生命反应可视化，将抽象的前沿理论和技术形象化，为学生提供了形象逼真的新型实验教学资源，提供了以计算机为载体、信息技术为手段的新型学习方式。我们开发的虚拟仿真实验教学资源运用现代信息技术、教育技术，将学科前沿、研究热点及学院教师的科研成果引入实验教学中，将真实的生物学实验过程中极为迅速、经典技术难以跟踪、肉眼甚至现代科学仪器无法观察到的分子变化以及相互作用，借助计算机模拟实现其可视化，形象地描述以往无法给学生展现的微观生命世界，使学生能更直观的深刻理解产生生物实验现象的本质与详细过程。

生物技术、生物工程是生物学在人类社会的实际应用，有突出的价值和发展空间。以往学生进行生物技术、生物工程实训需要进入药厂、食品厂、酒厂等等的车间、工厂。因企业经济效益和技术保密等，学生只能参与部分生产过程。运用现代信息技术将真实的生产过程引入实验教学中，借助计算机模拟实际生产中昂贵的各种器械、成本高的运行过程，学生通过模拟操作和控制，直观的体验生物技术、生物工程的实际应用。我们为学生提供的生物技术、生物工程实训新平台，可以对学生系统进行产品研发、生产工艺的训练，解决生物技术应用人’才实践技能与生产实际脱节的瓶颈问题。

师范生的培养是我校的特色，生物学专业师范生因生物学这一个实验性学科的特殊要求，必须在掌握生物理论教学能力的同时锻炼实验教学能力。而目前的现状是我国54.4%的中学没有专职生物实验员，实验前材料和仪器准备不充分；因生物实验室和仪器设备短缺，能开出10个以上实验项目的中学很少；还有11.8%的学校一直没有开设生物实验课程。师范生在进行教育实习的时候基本不会进行实验教学的课程设计、课堂教学等实习内容。中学生物教学经典实验的虚拟仿真，给生物学专业师范生搭建了中学生物学实验室的真实情境，可以进行中学生物实验课的模拟教学训练，锻炼了师范生的实验教学技能。特别是基于这样的虚拟平台，多名学生可以同时在任何时间、任何地点、面向任何受众进行教学模拟，并可以反复演练，充分反映了虚拟仿真实验教学的高效性、便捷性和经济性。同时，该平台可以共享给在职中学教师进行继续教育培训；电可以共享给很多没有实验条件的中学，供中学生远程登录完成实验内容等，重复发挥“虚拟仿真实验中心”的开放共享特色。

四虚实结合的实验教学新体系的优点

我校生物学虚实结合的实验教学体系的优点体现在：第一，紧紧结合我校生物科学、生物技术专业学生的培养目标和生物学各类实验的特点，可以选择特定的实验模块作为必修、或者选修的内容，发挥虚拟仿真实验可视化、虚拟操作的功能，突破传统实物生物实验教学的固有局限性。第二，以传统实验的亲历性巩固学生的事实经验，以虚拟仿真实验提升学生获取科学事实的能力、拓展科学思维、锻炼实践能力，有效解决了现有生物学实验教学资源局限性问题，为培养学生全面、系统的知识体系和合理、前瞻的技能体系开辟了新途径。第三，虚拟仿真实验所具有的普适性，使其辐射面广、受众广泛。除我校生物学相关专业在校本科生、研究生以外，我校承担的国家教师教育、西部教师培训计划等均可受益。同时，对在中学任教的生物学教师开放，提高其业务素质，服务我国基础生物学教育。

生物学虚拟仿真实验教学中心是我校生物基础实验教学中心的重要组成部分，以虚拟仿真的技术手段完成不可及、不可逆等实验内容，以新型知识载体的形式和真实实验相互补充，从而实现虚拟实验与真实实验协同育人、课内课外一体化的实验教学新体系，探索了虚实结合的生物学实验教学新模式，为培养现代生物学综合创新人才奠定了基础。

参考文献

[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室．国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2022年）[Z]．2010．

生物力学与仿真技术篇4

关键词：职业教育；虚拟仿真教学；虚拟仿真师资队伍

现代信息技术的不断发展为职业教育虚拟仿真教学的开展创造了前所未有的机遇。2012年，教育部颁布的《教育信息化十年发展规划(2011—2022年)》中指出，职业教育信息化是“教育信息化需要着重加强的薄弱环节”，要“加快建设职业教育信息化发展环境”“有效有效提高职业教育实践教学水平”，并针对教育系统的不同需求提出了开发“1500套虚拟仿真实训实验系统”的发展目标［1］。《教育信息化2.0行动计划》指出，虚拟仿真实训实验系统是教育信息化数字资源的重要组成部分，具有“突破时空限制”“快速复制传播”“呈现手段丰富”的独特优势，是提高教育质量的重要手段［2］。虚拟仿真教学资源的有效应用、虚拟仿真教学的大力开展，对于实现信息技术与教育教学的深度融合，引领教育信息化从而引领教育现代化具有重要的意义。

一、虚拟仿真教学的内涵、特征及开展原则

（一）虚拟仿真教学的内涵虚拟仿真教学是以依托虚拟仿真教学资源的教学活动。虚拟仿真教学资源是在仿真技术和虚拟现实技术的基础上共同开发的数字化资源，主要涉及基础设施及设备、实验材料、实验软件和实验系统等，通常包括仿真硬件、仿真软件、仿真数据及仿真平台［3］。仿真技术在20世纪初就得到了广泛的应用，虚拟现实技术更加注重人机交互的体验和虚拟空间的感受［4］。虚拟仿真教学和传统教学的最大区别在于教学中融合了虚拟现实技术和仿真技术的优势，提升了教学的信息化水平。

（二）虚拟仿真教学的特征虚拟仿真教学具有情境性、交互性、开放性和共享性的特征。情境性是指开展虚拟仿真教学的虚拟环境是实际工作环境或者工作案例的模拟，学员可以在虚拟环境中进行技能的模拟训练和知识的巩固学习，例如极地特种医学的虚拟仿真教学，将极地极寒、极夜、极昼、强磁场的环境模拟出来，展现常规实验中无法实现的工作环境，为有效开展极地环境下的人体及动物的医学研究提供了重要的环境条件［5］。交互性是指利用虚拟仿真实验系统具有人机交互功能，在教学中用户可以获得更好的学习效果。例如在煤矿虚拟仿真实习培训系统中，学员可以通过键盘的按键来控制井下人物的运动，达到安全实习培训效果，并能实现多人同时在线互动，提高多人合作的能力［6］。开放性是指虚拟仿真教学为学生提供了一个开放的学习平台。在液压与气动实验的教学中，通过发挥网络技术、数据库技术及虚拟仿真技术的优势，开发相应的虚拟仿真网络课程，学生在网络平台中可以完成课程项目的学习和成绩评定，也能在线与教师探讨，且根据学生反馈和实际需要，虚拟实验项目的数量也可不断增加，满足不断变化的教学需求［7］。共享是构建一体化的“互联网+教育”大平台、发挥虚拟仿真数字教育资源优势的重要途径。虚拟仿真教学的共享性特征表现在，通过资源共享不断提高虚拟仿真教学资源的利用率，让更多的学生享受到通过虚拟仿真教学带来的知识、技能的提升，从而不断提高职业教学的质量和水平。

（三）虚拟仿真教学的开展原则开展虚拟仿真教学应遵循“能实不虚、虚实互补、虚实互促”的原则。虚拟仿真教学为学生的个性化情境学习和交互操作提供了重要的虚拟化学习环境，开放、共享的学习平台为多人交互、共同完成某项学习任务提供了可能，但学生利用真实的实训实验设备、材料进行技能训练和知识巩固学习的作用是不可替代的，如果以虚代实过多，会造成学生在学习时眼高手低、避实就虚，不利于学生的技能培养。虚拟仿真教学任务为真实设备上完成任务提供了重要的参考［8］。在教学中，可先利用虚拟环境具有强大的容错功能，使学生多次尝试获得一定的操作经验，再转向实物的操作，从而在一定程度避免材料的浪费以及对设备的损坏；对于教学场地不能提供的教学场景和操作任务，开发相应的虚拟仿真教学资源，能够丰富课堂教学，弥补实验实训条件的不足；要充分发挥虚拟仿真教学和实物教学的优势，使虚拟的环境更接近于真实的教学场景，真实的教学场景更贴近于实际的工作岗位，实际的工作岗位指导虚拟环境的构建，通过“虚拟-真实-实际”的循环促进，不断提高学生的岗位技能。

二、开展虚拟仿真教学的重要意义

（一）打破教学时空的限制，提升学习效果职业教育主要是以提高学生技能为培养目标，部分技能的训练对教学环境的要求比较高，比如极地环境下的医学实验、煤矿专业的井下操作等，普通的教学场景不能达到技能训练的要求。利用虚拟仿真技术创设的虚拟环境，可以有效丰富教学环境，为学生的技能训练创设条件，为以后进入真实的工作环境、走向现实的工作岗位奠定理论和实践基础［9］；虚拟仿真教学资源的共享为学生提供了课外学习平台，学生可以利用共享的教学资源在课后加强训练，不断提升自己，教师也可以在线上对学生进行指导。教学环境的虚拟构建、“线上+线下”的多元教学使得虚拟仿真教学打破了传统教学时间和空间的限制，有效提升了学生的学习效果。

（二）突破教学条件的约束，降低教学成本职业教育传统实训教学的开展需要满足相关教学条件才能开展，比如建立实训室、购买实训设备等，某些技能的训练还需要大量的教学耗材提供给学生进行练习。比如在实训室里进行模拟电子线路的教学，学生操作的过程是利用各种电子元器件比如二极管、三极管、电容等在电路板上搭建相应电路进行安装调试的过程，这些元器件在一次安装完成后基本上不能再次使用，且电子元器件安装的时候极易由于操作不当损坏造成损失，当电路安装完成后需要多种仪器（仪表）比如万用表、示波器进行测量或者读取实验结果。实训室的建立、元器件的损耗、仪器（仪表）的购买这些都需要大量的教学成本。采用电子电路虚拟仿真软件可以有效降低教学成本，虚拟的元件库和仪器（仪表）库为电路的设计、搭建、调试和分析提供了便捷的途径，实验中不需要消耗任何元器件，节能环保且安全可靠［10］。

（三）冲破能力培养限制，提高人才质量传统的教学实验，内容比较单一且固定，且绝大多数是验证性实验，学生只需按照操作步骤完成实验即可，不利于培养学生的实践能力和创新能力。虚拟仿真教学突破了传统教学的诸多限制，是专业教学和信息化技术深度融合的重要产物，是提高学生科学的思维能力、大胆的实践精神和勇于创新的重要手段。学生可以在虚拟环境中进行自我探索，思考并设计符合要求的实验方案，获得不同形式的实验结果并进行分析，有利于学生构建属于自己的知识体系，激发学生的学习兴趣，激励他们不断创新［11］。

三、职业教育虚拟仿真教学问题分析

虚拟仿真教学对于提升学生的学习效果、降低教学成本、提高人才培养质量具有重要的意义，在职业教育的文化、旅游、医学、工科及农林检测等课程中，虚拟仿真教学的开展也比较广泛［12］，但在虚拟仿真教学实施的过程中也发现了一些问题。

（一）虚拟仿真教学的信息化程度不够虚拟仿真教学的信息化主要表现在两个方面，一是虚拟仿真教学资源的共享，二是虚拟仿真教学有利于实现学生的远程自主学习。许多职业院校都开展了虚拟仿真资源的建设和教学工作，但如何建设、如何教学、如何共享及共享覆盖面绝大多数是各院校的自主行为，没有统一的建设标准，缺少可遵守执行的技术规范，缺乏沟通协调，造成了虚拟仿真资源的重复开发和零散建设，资源的质量难以保证，并且因没有统一的开发平台和技术支持，虚拟仿真资源的共享性和可移植性差，造成教学资源的浪费；学生能进行远程自主学习是虚拟仿真教学的优势，但传统的以教师为主的课堂教学，不利于学生培养学生自主学习的能力，且大多数虚拟仿真实验系统突出功能的实现，对学生的学习评价功能不够完善，教师也不能很好地掌握学生学习的情况，这些不利于学生的自主学习，降低了虚拟仿真教学的信息化程度。虚拟仿真教学资源的共享性差，学生远程自主学习困难，这严重阻碍了虚拟仿真教学的信息化进程，不利于虚拟仿真教学的开展。

（二）虚拟仿真教学资源的构建力度不够虚拟仿真教学资源是实现虚拟仿真资源从功能实现到教学应用的桥梁，是实现“虚实结合”教学的重要教学参考。目前虚拟仿真教学资源的构建着重于虚拟仿真软件、硬件、数据及平台的建设，但对开展虚拟仿真教学所需教学资料的建设力度不够。虚拟仿真教学资料所包含的内容应该是多方面的，除了包括教材、实训指导书、虚拟仿真系统等的使用说明、课程项目的实现过程外，还应包括“虚实结合”教学衔接与实施的教学参考。虚拟仿真教学资料的缺失不利于虚拟仿真教学的开展，也就无法有效地指导教师的“教”和学生的“学”，尤其在学生课后自学的时候，没有任何可参考的学习资料，学习效果不佳。

（三）虚拟仿真教学教师的参与程度不够虚拟仿真教学是专业教学和信息技术结合的产物，企业有技术的优势，依靠校外企业开发或者校企合作是虚拟仿真资源开发的首选。但是完全依靠企业或者简单的校企合作，很难实现虚拟仿真教学的可持续发展。企业对教学的了解不多、学校教师的参与度不够，开发的虚拟仿真实验系统不一定能够完全满足教学的需求。要深入发挥虚拟仿真的信息化优势，离不开具有先进技术及教学实践经验的教师参与。信息技术的不断发展与更新，使得虚拟仿真资源的开发变成了一项长期的、不断革新的实践性工作，因此需要有专门的教师从事此项工作。

四、虚拟仿真教学实施的策略

（一）加强虚拟仿真教学的信息化建设加强虚拟仿真教学的信息化建设，一方面要改革教学模式，在教学活动中以学生为主，培养学生独立思考和解决问题的能力，提高学生自主学习的能力，同时需要完善虚拟仿真教学资源中的评价功能，为学生更好的完成虚拟仿真课程任务,及时获得学习反馈奠定基础；另一方要加强虚拟仿真资源的共享和推广，这是信息化资源建设任务的要求，也是实现信息技术与职业教育深度融合的重要途径，虚拟仿真资源的共享离不开院校间的交流与合作，要建立实时、开放、共享的信息数据库，为更好地发挥虚拟仿真教学的优势创造条件。从培养学生学习能力出发，到虚拟仿真资源功能的不断完善，再到虚拟仿真资源的开放、共享，将不断提升虚拟仿真教学的信息化水平。

（二）完善虚拟仿真教学资源构建为了更好地发挥虚拟仿真教学的优势，要完善虚拟仿真教学资源的构建，不断加强虚拟仿真平台、虚拟实验系统等建设，丰富和强化虚拟仿真的教学功能和评价功能，及时有效地提供教学反馈；要开发和编写满足虚拟仿真教学、注重学生能力培养的教学资料和学习资料，为更好地开展虚拟仿真教学做准备；要探索适合虚拟仿真教学以及虚实结合教学的方法，引导学生循序渐进地学习，提升教学效果。

（三）重视虚拟仿真师资队伍培养重视虚拟仿真师资队伍的培养，必须提高教师的信息化水平，提升教师的专业实践能力。虚拟仿真资源的开发周期较长，离不开学校的政策支持和资金投入，学校应在保障研发过程的顺利进行的前提下，通过激励方式提高教师参与的积极性和热情；必须要认识到企业在信息化技术上的优势，教师要参与企业实践，掌握先进的技术，找到发挥企业技术优势和学校教学优势的契合点，开发虚拟仿真实验系统，编写相关的教材，服务于教学；教师能力的可持续发展是实现虚拟仿真教学可持续发展的重要保障，只有更多优秀的教师参与到虚拟仿真资源的建设中来，才能实现虚拟仿真教学的可持续发展。

生物力学与仿真技术篇5

1计算机仿真技术产生的背景

1.1传统技术的缺陷

传统批量产品的开发过程通过单件产品的模型试验来获取信息，然后再制造物理样机来核查设计要求是否达到。要加快设计周期，满足市场需求，可以采用“并行设计”的思想，但是产品有实质性变化时设计需要反复试验和修正，影响了并行设计的效果。要有效地加快设计进程，最合理的方法是加快样机的试制。由于物理样机的试验和改进延长了设计周期，多个样机的制造更导致成本高昂，可见传统的基于物理样机的产品开发设计模式有待改进。

1.2市场竞争的需要

随着世界经济和科学技术的飞速发展，企业为了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发，降低产品的研发成本，进行创新性设计.计算机仿真技术就是在这种迫切需要的驱动下产生的。

1.3仿真技术实现的可能性

计算机软硬件的发展，为计算机仿真技术的实现提供了良好的支持和技术环境。仿真技术的产生和发展与cad技术的成熟及大规模推广应用分不开。此外，机械系统动力学建模理论的计算机实现使得参数化机械系统动力学数学“软模型”得以很好实现。计算机硬件的发展，加上数值算法的进步，加快了复杂的数学模型仿真运算速度，促进了计算机可视化技术及动画显示技术的提高，为虚拟样机技术提供了良好的用户交互界面。

2计算机仿真技术发展趋势

虽然现有的仿真工具可以有效辅助产品某个功能单元的设计开发，但随着产品规模和复杂程度的不断增长，分系统问的关系也越来越复杂。仅靠传统的单领域仿真已经很难满足对整个产品或其某个复杂子系统的功能和行为分析。目前，有不少商用仿真软件本身里边有好多模块，它既可以对一个产品进行联合仿真，同时也提供了与其他仿真软件之间的接口。通过这些接口，实现多领域建模，并提供联合仿真运行功能。

3联合仿真技术的特点

传统的设计思想是串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前至后的顺序进行。在整个过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上而忽略了整机性能，最终产品集成后存在冲突缺陷。

联合仿真技术采用数字仿真的形式进行虚拟产品设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，虚拟样机因为参数修改方便，相比物理样机而言是“软模型”，能轻易地实现原型的多样化，柔性好。无需制造实物样机就可预测产品的性能.节省了物理样机制造时间，降低了开发成本，减少了风险。

4仿真技术与液压挖掘机开发

4.1复杂产品仿真技术研究现状

复杂产品通常涉及众多学科领域，其每个子系统都可能是由各学科领域的零部件组成。众多的子系统相互作用，组成一个有机的整体，展示出产品的外观和功能。

仿真通过对所要研究系统模型的开发，帮助人们了解系统的行为，使人们在产品设计阶段即可对产品行为进行全面的分析，并有可能根据产品行为进行优化设计。复杂产品由于自身的复杂性，开发难度大、时间长、成本高，因此要求将仿真应用于其设计中，使企业能以更短的时间、更好的质量、更低的成本推出自己的产品。在过去的10—20年内，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，仿真技术已在复杂产品设计中得到大量应用。

4.1.1系统动力学仿真现状

虚拟样机是一种新型的设计、开发和评估手段，其在工程中的应用是通过商业化软件实现的。由于系统仿真技术能够满足真实产品设计要求，通过建立机械系统的虚拟样机。使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能，因而其日益受到国内外机械领域的重视。目前，国际上有20多家公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的有美国msc.soflware公司的adams、比利时lms公司的dads等。

4.1.2液压控制系统仿真现状

从20世纪70年代初开始，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究，经过几十年的研究开发，液压仿真软什的性能实现了从原先的精度低、速度慢，发展到精度高、速度快：从只能处理线性系统发展到能处理非线性系统；从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等。随着计算机技术的发展，液压系统仿真技术得到了迅速发展，近几年来，各款老牌的液压仿真软件公司纷纷推出了面目一新的版本，例如，英国的bathfp、瑞典的hopsan等。

4.1.3联合仿真现状

目前。人们已经开始将机械、控制、电子和软件等多领域的联合仿真应用于汽车、铁路车辆、作战系统等复杂产品的设计中，例如：福特公司将整车多体动力学仿真和汽车姿态控制系统仿真集成，通过机械、控制的多领域联合仿真，使机械设计人员和控制系统设计人员能够更好地进行通信和协同工作，极大地缩短了产品开发时间。

虽然联合仿真已经在很多领域得到应用，但目前的应用还存在诸多局限，主要体现在：通常只能做到机械、控制和液压等少数领域的联合仿真。通常只能局限于单台计算机上集中进行，分布式协同建模和分布式仿真运行几乎不可能。

4.2仿真技术在液压挖掘机领域的应用

4.2.1国内应用现状

国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比仍存在许多不足，设计水平与发达国家相比有较大的差距。国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了设计软件，他们的研究基本上局限于某些问题的解决，关于工作装置设计参数分析和在cad上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能用于挖掘机一些通用问题的解决，对液压挖掘机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。

4.2.2国外应用现状

仿真技术在国外工程机械的很多方面都得到应用，如车辆悬架设计、发动机设计和冲击特性预测、驾驶员行为特性仿真、挖掘功率预测及工作效率预测等多方面都成功地应用了仿真技术。

生物力学与仿真技术篇6

【关键词】仿真技术；体育教学；应用研究

随着计算机技术的进步，计算机模拟仿真技术在多个领域都取得较快的发展。仿真技术的大量应用，提高了生产和生活的效率。对于体育领域来讲，仿真技术的应用使体育科研人员对体育技术动作有了更科学的认识，对于发挥运动员最大的动作优势和训练结构提供了有益支持。它可以创造相似的模式训练或实战环境、模型化的物理环境与用户融为一体，使运动员产生身临其境的感觉。这种人机和谐的仿真环境的探索已广泛展开，诸如可视仿真、多媒体仿真、虚拟现实等等。在实际应用中，这些仿真技术互有偏重，又互为补充。在体育教学中，往往以多媒体仿真和虚拟现实技术的应用更为广泛。

1仿真技术概述

仿真技术是利用计算机技术建造被研究的真实系统的模型、进行模拟实验研究的一种方法。它是建立在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术与控制工程基础上的一门综合性很强的实验科学技术。应用到体育领域，就是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价的一种实验技术学科。仿真技术的关键技术主要有数学建模和运动数据的获取。

虚拟现实及其仿真技术日益发挥出越来越大的作用，为高科技在竞技体育领域的应用提供了更加广阔的空间。作为大自然和人类社会的主宰，人体自身的建模处于一个非常重要的位置，已成为人类工程学、计算机图形学、人工生命及生物力学研究的热点。

国内外的很多学者进行了大量的研究和探索，建立了人体的数学模型，对人体运动分析提供了很大的帮助。代表人物有德国的R??Gawtonski和波兰的B??Macukow，他们采用经典的分析力学的理论基础，推导出人体的二阶非线性拉氏方程；美国斯坦福大学的Kane建立了一套新的建模理论，主要基于内坐标与外坐标转换的方法；美国的Roberson德国的Wittenburg采用了图论中理论，建立了树形多体系统的建模方法；南非的Hazte采用了优化结合同步测量方法，模拟了人体的运动。

1??1建立模型

建立仿真模型是一个复杂的过程，模型的有效性直接影响着仿真的效果。我们常见的有二维模型和三维模型。他们都是用抽象的数学方程来描述系统内部变量之间的关系，从而建立起来的模型。体育运动中运用较多是人体模型，要显示二维或三维的人体效果，首先要建立人体模型。用计算机进行三维建模是目前比较流行的，真实感和逼真度都较好，且可以多角度展示。

人体是由多个旋转关节组成的复杂形体，普通的三维摄像机量即多姿态角不能模拟真实的人体运动，完整人体仿真技术需要提供所有的关节数据。因此运动仿真技术要远复杂于一般的刚体。运动仿真的要素，首先利用相关设计软件建模，即建立三维人体模型，其次是根据生物力学和物理学相关知识产生模型各关节运动的驱动数据。

建模的类型根据不同的需要有不同的设计方案。以曲面建模为例，曲面是把人体骨架围绕起来，曲面由小平面组成，可以表现运动中关节处曲面的变化。曲面模型由于计算方便，运算规则较为成熟，显示三维效果较好。建模完成后，基本的仿真效果已经具备，但是，为了使三维图像看上去更加真实，最大程度地展现动作轨迹或模拟比赛、教学场景，还必须对教学环境进行设定，例如地理、气候、教学设备、场地等效果。

1??2运动数据的获取

运动仿真系统是将文字、图像、声音、动画和视频等素材进行综合分析，那么这么多的数据是如何获取的？那就需要专业的摄像设备和分析系统。专业的摄像设备是捕获运动数据的重要工具，它可以给我们提供第一手真实运动的数据资料，这些资料包含了丰富的时间信息，使得人体的运动变化更加逼真。一般都要先对相机参数进行标定，通过场景几何模型建立获取相机内部参数以及旋转矩阵、平移矩阵等外部参数。然后我们通过三维人体运动参数，根据人体关节点的三维位置信息，并经过数据转换，从而得到人体的关节在各个局部坐标系的旋转角度信息，人体姿态的关节角度数据可以直接输入到三维虚拟模型，进行行为驱动。

在人体图像运动过程中，关节点三维位置会跟随着运动，把这些点连接起来就会形成人体连续的、平滑的运动曲线。我们可以根据运动曲线的连续性和平滑性来预测和修改数据。如果捕获的数据帧中有关节点缺失，可以利用曲线的连续性对关节点位置进行估测，如果关节点位置偏移较大，在运动曲线上会表现为一个突变，可以根据运动曲线的平滑性对关节点位置进行调整。

2运动仿真技术在体育教学中的作用

运动仿真系统可以实现体育训练方法的进步和转变。即利用高精度视频捕捉设备与分析系统相结合，更精确地测量人体运动的轨迹，再利用人体运动仿真模拟分析改进运动的训练方法，使训练更加有效。运动仿真系统常见的功能主要有动作对比、动作分解和技术分析。