虚拟仿真技术助力实验新方法

雷静 赵志明 高羡明 张功学

摘 要：以互联网为代表的信息和网络技术的广泛应用，使得虚拟仿真技术可以模拟真实实验场景，让学生在虚拟的空间完成实验操作，尤其对于实际难以运行的，比如高危行业、大型综合训练场景、实验条件需高温高压等极端环境等方面，虚拟仿真技术具有无法比拟的优越性。通过虚拟仿真手段搭建实验教学平台能够将新的研究理论、创新技术融入自动化实验设计中，通过虚拟仿真进行展示。文中通过不同行业实验案例阐述了虚拟仿真实验系统的构成，体现了其实验教学、实验研究和实验演示的高度设计性和互动性的特点。

关键词：虚拟仿真; 实验教学; 案例展示; 系统构成

中图分类号：TP391.9        文献标识码：A        文章编号：1006-3315（2021）5-198-002

用虚拟仿真技术模拟真实环境，让学生在虚拟的空间完成实验操作，其间，体验身临其境的真实感受。

虚拟仿真一词最早是由计算机科学家杰伦·拉尼尔在 1987年提出的[1-2]，即用一套网络虚拟系统模仿一个真实系统。通俗来讲就是利用计算机技术还原具有视觉、听觉、触觉的“真实实验室系统”。教师和学生可以在特定的三维空间里感受真实场景下难以体验的危险性实验，进行远程复杂实验[3]。

2020年，全球爆发的COVID-19疫情打乱了高校的正常教学安排。为了保证教学质量，最大程度减轻疫情对学校教学的影响，教育部号召“停课不停教、停课不停学”。不少高校积极响应教育部号召，开展线上授课和线上实验等教学活动。比如：1.理论教学充分利用“互联网+教育”的模式，以慕课的形式呈现给学生。2.实验教学做虚拟仿真实验，学生即使在家，亦可完成实验操作，达成实验要求。

一、虚拟仿真技术——《工程制图》实验

在虚拟仿真实验课堂里，抽象的知识会变得非常具体。虚拟仿真技术给课程带来了不可思议的变化。如图1中学生通过虚拟仿真平台了解圆锥齿轮传动的运转方式，图2中学生通过虚拟仿真平台完成齿轮油泵的拼装实验，掌握齒轮油泵运行原理及拼装结构。实验过程中，学生可以通过视频仔细观察齿轮的机械结构，掌握其工作原理，在此基础上进一步尝试拆装齿轮油泵，学以致用。本例说明虚拟仿真实验这种全新的教学模式能够很大程度上激发学生的学习兴趣和创造力。

目前，虚拟仿真技术正在被各行各业广泛应用。尤其对于实际难以运行的，比如高危行业、大型综合训练场景、实验条件需高温高压等极端环境等方面，虚拟仿真技术具有无法比拟的优越性[4-5]。例如：深海探测，核反应堆实验，人体解剖，大型工程操作。

二、虚拟仿真技术的特征及优势

虚拟仿真技术的主要特征是沉浸感、交互性、构想性，其优势显著。目前，已经在教学、科研和生产实践中得到广泛应用。

1.复杂、危险实验的展示和操作

帮助老师展示不可能完成的实验如复杂实验、危险性高的实验和其它无法在传统实验室完成的实验，把抽象的实验过程立体、逼真的演示，有助于学生更好地理解掌握，大幅度提升教学效果。

2.培养学生的自主学习能力

学生通过电脑操作，进入虚拟界面，可以自己独立观察，分析问题，解决问题，自主学习能力无形中大幅度提高。

3.激发学生的学习兴趣

虚拟仿真技术因是人机互动操作，尤其虚幻性、直观性、逼真性等特点，大大激发了学生学习的兴趣。

三、虚拟仿真实验教学系统的构成

一个完整的“虚拟仿真实验教学系统”通常包含服务器、数据库、网络环境、客户端运行设备、显示设备、实验交互设备等。虚拟仿真实验教学系统软硬件系统典型构成如图3所示。

服务器是系统的核心，主要运行相关虚拟仿真教学实验;而数据库则为实验提供数据存储和读写访问服务。由于虚拟仿真实验内容大多涉及三维模型和精细纹理数据，因此还需适宜的网络环境。学生进行实验时，主要通过客户端设备来实现，客户端设备包含运行设备如个人计算机、平板电脑、手机等。除了最常见的电脑显示器之外，还可选配的其他更为高端的显示设备如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）等头盔型显示终端，以及立体显示器、投影球幕、环幕、透明屏、互动式LED 大屏幕、立体投影等等，这些可供选择的扩展设备能为学生实验带来更为良好的画质体验和真实感受。实验过程中的人机互动部分由鼠标和键盘等交互设备完成。但对于一些沉浸感要求较高、交互复杂的实验，还可选配数据手套、力反馈装置，以及位置追踪、空间定位、动作捕捉、眼动跟踪、脑电交互等设备。

四、虚拟仿真实验教学案例介绍

各个学科关于虚拟仿真实验教学案例有很多，下面，我们筛选几个有代表性的案例呈现给大家：

案例1（航空航天类）：

实验项目来源：中国人民解放军空军工程大学

实验项目名称：察打一体型无人机自主飞行控制虚拟仿真实验教学项目

实验目标：通过虚拟仿真项目针对侦察、打击作战中典型的姿态、轨迹自主控制过程开展虚拟仿真实验，如图4所示，实验中，同学们可以设定不同的参数，观察无人机在不同角度下的飞行姿态。再现无人机任务飞行的真实场景，还原自主控制中姿态变换、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程，探究控制参数对自主控制性能的影响规律。

案例2（食品科学类）：

实验项目来源：浙江工业大学

实验项目名称：橙汁浓缩及其饮料生产虚拟仿真教学实验

实验目标：由于企业生产保密性以及设备、场地的限制，企业担心影响到自己的正常生产，不愿意接待大量学生的实习实践，导致学生现场实习困难，难以真实了解生产中的各类技术指标及工艺参数，如图5所示，本实验采用虚拟仿真手段，同学们可以模拟实际工艺操作，仿佛置身于实际工厂之中，熟悉工艺生产的流程，同时也可设定不同的工艺参数，系统则将按照该工艺运行，并及时反馈工艺修改之后的结果，增进了学生对食品生产场景及行业先进技术的了解。

五、展望

随着科技的发展，虚拟仿真技术已经慢慢融入到我们的生活当中，增加了不少的生活乐趣。未来虚拟仿真技术还可以应用到更多的地方，给我们的生活带来更多的变化。这样，我们可以在更多的领域实现突破性进展，提升我们的新的技术创新。

参考文献：

[1]刘振东，李晓东，马建民，等.虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J]实验室研究与探索，2017，36（3）：160-163

[2]郭燕秋，朱远征，程平，曲松，熊非，张淑平.虚拟仿真技术的应用进展[J]科技创新与应用，2020（01）：149-151

[3]许美兰，胡振锋，龙绛雪，曾孟祥.虚拟仿真技术在水污染控制工程实验教学中的应用进展[J]科技资讯，2019，17（18）：101-102

[4]林小芳.虚拟仿真技术在高校实验教学中的应用研究[J]福建电脑，2021，37（02）：52-54

[5]杨万霞.“互联网+”背景下高校虚拟仿真实验教学体系的构建与应用[J]吉林省教育学院学报，2021，37（02）：116-119