虚拟仿真技术的发展篇1

【关键词】虚拟仿真技术高职机电教学应用

虚拟仿真技术在实际训练教学过程中有明显优势，能够保证学生得到充分的锻炼和培训，在机电专业教学中引入仿真技术，还可以使原料、设备和工具等做到节约，降低操作能耗和环境污染，还能避免设备的损坏。虚拟仿真技术不仅不会对操作设备造成严重损害，也不会对操作人员的失误造成伤亡。虚拟仿真技术在高职机电专业中的应用在本文中还会有进一步分许和阐述，供高职院校参考。

一、高职机电专业教学面临的困境

高职学校在学术实际训练方面的设施设备部完善。当前，各个高职学校大都面临着硬件资源不充分，教育经费不足的情况，没有能力购买更多的实际训练实验器材和场地。面对这种情况，高职机电专业应该通过计算机虚拟仿真技术的使用替代实际操作，这样既能保证学生的锻炼，达到实验的效果，还不至于浪费资源，污染环境。

实际训练场地开放过少。场所开放太少，高职院校作为面向社会，用人单位和学生的服务单位，主要是开展科研和培训等业务，但是却受训练场地的约束，开放时间不足以满足社会和学生的需求。学生很难有足够的时间到实验室进行训练，影响了学生的动手实践能力的提高，目前的高职学生，使用电脑已经得到普及，通过虚拟软件的运用，能够让学生即使不到实验室也能得到实验训练。

高校在实验设备和器材上的维修和保护都需要一笔不小的经费。硬件设施很容易损伤，而且高额的维修费用学校不一定负担得起，而设备又必须经过多次的实训耗材，为实训带来了沉重的代价，并加大了实验室管理人员的压力。通过虚拟仿真技术的利用，不但不用维修设备，还能为实验训练节省许多实验耗材。

二、在虚拟技术的使用下构建虚拟实验室

课堂教学和实验中仍然存在很多问题：首先，当前的教学仍然存在理论教学为主的情况，实验实习只是作为教学辅助；其次，学生的实验操作存在问题，受场地和时间的限制，学生只有在上课时间才可以实验室，平常几乎没有时间和机会进行操作锻炼；最后，实验设备不足以满足学生在实验上的需求，硬件设施落后，且维修成本高。虚拟仿真技术主要为了提高学生的技术操作能力，有构想性、交互性和多感知性的等特点，有利于教师开展实训教学和专业训练，在解决高职教育的就业和实习方面具有重要意义。

目前，大多数课程都能通过虚拟仿真技术得以实现实验教学，建设虚拟仿真实验室能够降低高职学校的办学成本，并促进虚拟仿真技术和有关人才的发展，在解决教育资源匮乏上有十分重要的理论现实指导意义。高职院校在引进虚拟仿真技术时需要结合本校实际情况，创设仿真资源，合理选择，不同的高职院校针对机电专业的教学内容，就业定位等不完全相同，市场上的虚拟仿真软件不可能面面俱到，因此，应该扩宽引进渠道，为虚拟仿真技术的购置要选取多种方法，建立仿真资源，在教学上为机电专业提供支持和帮助。

三、虚拟仿真技术在高职机电专业教学中的运用

弥补设备不足的问题。保障实训教学的完成，并节省成本的使用。为使实践教学项目的效果得到彰显，过去落后的实践教学方法急需一笔巨大的资金，投入到教学设备的购买和置办方面，而且在教学过程中很容易消耗大部分原材料，传统的设备和仪器都将被淘汰，不能适应当前的教学需要。站在教学资源的情况来说，虚拟仿真技术实际上减少的资金投入总共包括占地面积、建筑、设备、原材料和教师等方面，据考察，大致能够降低3/10-4/5。还能减少实训带来的环境污染，让学生在良好的环境下学习，得到实践，提高教学效果。

替高职院校节省出一笔不小的经费。信息技术的迅速发展，高职教育中的传统媒介具有较强的信息滞后性。科学技术的发展不断进步，传播也需要有一定的载体，例如硬件设施和教学资源的配置等。随着知识经济时代的到来，信息技术的发展更加迅速，传统的硬件教学模式和实训教学设备不久就可能因为技术落后而从社会上淘汰，然而，设备的改造和更新又存在困难，只能购买先进的设备设施来解决这一教学困难。当前我国的教学资源本就不足，不但使得教学资源更加减少，还可能因为教学过程中没有使用相应的设备而陷入停滞状态，更不利于学校的发展。运用虚拟仿真技术建设实验室就能有效解决这一问题，可以让实训次数有所增加，促进软件的升级和改良，不用把硬件资源全部更换。虚拟仿真技术最有特点的就是不用消耗任何原料，而且可以多次重复实训的教学内容。虚拟仿真技术以其先进和容易改善的特点备受教育界青睐，不但减少了教育经费不必要的使用，让教学内容不断的在虚拟条件下更新进步，还能使实训教学与技术发展相适应，在变化的教学中满足学生和社会的需求。

提高学生学习兴趣。虚拟仿真技术是教学中优秀的辅助工具，能适用于教学交流和实训情景多个教学活动，虚拟的教学环境更容易让学生激发学习兴趣。虚拟仿真技术形象生动，直观和互动性较强，也能及时对学生情况做出反馈，学生学习过程中的假设模型都能以虚拟仿真技术进行虚拟，优势十分明显，学生通过观察虚拟假设得出的结果，还利于培养学生的创造性思维。因此，虚拟仿真技术利于学生较早熟悉实训环境，尽快掌握专业知识与技能，调动学生学习热情。

四、结束语

虚拟仿真技术在解决高职教育的实训问题上具有重要意义，解决了设备不足，器材落后，硬件更新慢等困难，把虚拟技术运用到机电专业教学中，提高教学效果，解决面临的实际问题，有利于推动高职院校机电专业的教学内容和课程改革，促进了虚拟仿真技术在高职院校中的运用与发展。

参考文献：

[1]熊淑平.虚拟仿真技术在高职教学中的应用探析[J].黄河水利职业技术学院学报，2013.

虚拟仿真技术的发展篇2

【关键词】医学信息虚拟仿真实训方法图像分割

1引言

随着我国对医学技术的要求逐步增高，传统的医疗实训方法已经无法满足如今的医疗人力资源的匮乏，因此越来越多的医疗中心选择用虚拟仿真技术来对医护人员的实训进行训练。目前，在国内，虚拟仿真技术已经逐步受到我国医学界和科学界的重视和研究兴趣。虚拟仿真技术具有模拟手术场景复杂，人机沟通力强，手术现场多元化等特点。其所包含的技术领域也十分广泛。虚拟仿真技术通常包含传统的计算机技术，计算机图像处理技术，现代生物技术，现代医学信息技术，仿真技术和科学计算技术等。基于医学信息技术的虚拟仿真实训不仅可以对医疗人员的临床实验进行仿真模拟训练，同时也可以在医生手术过程中，全程对医生操作进行实时指导，是目前医学界一项炙手可热的培训技术。

2基于医学信息技术虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是指利用计算机技术对临床手术进行模拟训练的一种医疗培训技术。它包含了许多医学技术领域，包括现实手术的培训技术，计算机全程指导手术技术，医学图处理技术，医生通过图像引导进行手术技术，手术导航技术，医疗图像重建和虚拟手术技术等。伤口切割处仿真是指在虚拟仿真手术中模拟外壳手术的伤口切割技术，该技术可以训练外科医生的伤口切割手法与技能熟练度，虚拟仿真技术充分的模拟了手术时伤口切割的效果，以及医疗人员切割伤口的平滑程度。

在进行伤口切割仿真技术的试验中，伤口切割时间和伤口切割效果是制约模拟实验真实性的保障。手术碰撞仿真是指在进行虚拟仿真手术过程中，患者器官与手术器械的碰撞至关重要，在外科手术中，手术器械与患者器官的碰撞往往会决定一场手术的效果或是一个人的生命，因此，对手术器械碰撞的模拟实验是医学仿真试验中十分重要的板块。由于患者的软组织器官，与模拟的医疗器械都呈现不规则形状，因此，在进行模拟实验时，针对不规则几何体是否会发生碰撞的实验，是确保模拟实验的真实性和仿真高效性的关键。医学图像处理技术是指对于医学图像技术的模拟和数据分析模拟等。包括三维，X光，血液流动等的图像模拟。对于手术场景的仿真包括对手术时的灯光，器械，设备，手术室的背景颜色，手术器材材质的模拟等。为医疗人员在进行培训时提供一个较为真实的手术场景。仿真系统配置内核则包括仿真模拟板块的监测与更新，手术资源配置的维护，操作板块的模拟等。

3虚拟仿真实训方法研究

为了验证虚拟仿真实验的有效性，我们对其实训方法进行了深入的分析和研究。根据目前仿真系统的开发形式，我们对其系统按照功能性的不同，进行了模块划分。模块划分后，我们开始对系统实训方法进行研究。首先，我们需要构建一个虚拟仿真实验的程序编程，该编程包括虚拟实验数据，虚拟实验对象，虚拟实验图像和虚拟实验场景。虚拟实验的程序编程是整个虚拟仿真实验的基础。对虚拟仿真实验进行编程后，需要对实验的硬件设备进行选择。通常我们所采用的实验硬件设备包含瑞士公司生产的Pmryer力度触觉反馈设备，该力度触觉反馈设备包括有7个力度反馈度，可以对模拟手术过程中的手术力度进行全方位的模拟。包括挤压力，拉扯力，摩擦力，抓取力等。硬件选择完毕后，我们就可以对虚拟仿真实验的具体任务进行设计。仿真实验的具体任务包括一，虚拟医学图像处理技术，我们需要对虚拟的医学图像进行处理，保证其频率波动的稳定和二维，三维图像的识别。二是建立三维的软组织模型，对手术过程中软组织可能发生的变化进行模拟，以保证模拟实验的真实性。三是对实验力度反馈数据进行处理。在手术进行过程中，医护人员的手术力度有着至关重要的作用，因此，我们需要对手术过程中的力度进行模拟。四是对手术时的血液流动进行模拟。手术时，医护人员需要随时对患者的血液流动进行控制，因此对血液流动进行模拟在虚拟仿真实验中是十分重要的。随着我国医疗技术的发展，虚拟手术仿真系统在医疗领域的应用将越来越广泛。

4结论

基于医学信息技术的虚拟仿真实训是一个包含着众多复杂技术的一款医疗手术模拟实训系统。本文对其实训方法进行了深入的分析和研究。首先我们对仿真实验系统进行了系统编程，之后对其硬件设备进行选择，最终确立仿真实验任务。系统实验包括了模拟软组织模型的建立，保障了虚拟实验时，能够了解手术过程中患者软组织结构的变化情况。模拟图像处理技术，对医疗图像进行二维，三维的建模，并对其图像数据进行分析。模拟手术力度反馈，更好帮助医疗人员在进行手术时的力度控制进行训练。虚拟仿真系统不仅可以对医疗人员的手术经验进行培训，同时也可以利用仿真模拟系统，在真实手术操作时，进行手术实时的引导。基于医学信息的虚拟仿真实训不仅为我国医疗人员的手术经验提供了训练的平台，也为我国医学技术的发展奠定了基础。

参考文献

[1]吴奇，程薇曦.虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J].重庆医学，2008（21）：2489-2491.

[2]王勇军，吴鹏，郭光友，谭珂.支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统[J].系统仿真学报，2001（03）：404-407.

[3]许旺蓓.针刺软组织有限元仿真及实验研究[D].天津：天津大学，2009：4-5.

[4]N.FamaeyandJ.V.Sloten.Softtissuemodellingforapplicationsinvirtualsurgeryandsurgicalrobotics[J].ComputerMethodsinBiomechanicsandBiomedicalEngineering，Aug2008，11（04）：351-366.

作者简介

李晓莉（1980-），女，河南省西华县人。硕士学位。副教授。主要研究方向为临床医学。

虚拟仿真技术的发展篇3

关键词：虚拟仿真；森林保护学；实验教学体系

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）21-0268-03

实验教学体系是与理论教学有机结合，以“拓展式实验教学”为主导，以能力培养为核心，多层次、多模块、衔接紧密的科学系统，虚拟仿真实验教学体系与教学内容建设是虚拟仿真实验教学中心建设的核心[1]。广西大学自2014年入选国家首批卓越农林人才教育培养计划试点高校以来，根据卓越农林人才培养计划目标，加强学生实践能力培养，强化实践教学环节。其中，广西大学林学院林学专业作为国家首批复合应用型农林人才培养模式改革试点专业，积极推进实验教学改革和实验手段创新，把虚拟仿真技术应用于实验教学，构建了虚实融合的森林保护学虚拟仿真实验教学体系，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

一、森林保护学实验的特点

森林保护学是以保障林业植物健康和森林生态安全为目标，研究病、虫、草、鼠等林业有害生物的生物学特性、发生危害与灾变规律及其防治理论和防治技术的学科。它主要由森林病理学、森林昆虫学、病原真菌学、病原细菌学、病毒学、植物化学保护、林业有害生物预测预报学和林业植物检疫学等多学科组成的综合性学科。森林保护学的功能主要是预防和持续控制林业有害生物的发生和危害，减少灾害损失，保护森林资源和生态安全，促进林业经济可持续发展。森林保护的学科性质和功能决定了森林保护学实验具有以下特点：

（一）实验对象的鲜活性

森林保护学实验的对象往往是鲜活的生物体，如昆虫发育有效积温的测定、昆虫的人工饲养、林木病原菌的分离与鉴定等实验的对象均是鲜活的生物体，实验过程需要确保这些生物体正常的生活环境。

（二）实验事件的偶然性

森林病虫害、火灾等是一种灾害，具有偶然性，也是现实中不希望发生的，当它发生的时候也只有在教学进度和时间合适、实验经费允许的条件下可以安排学生去进行防治实验。相反，当按照实验教学日历要进行森林病虫害防治实验以及森林防火等有关实验的时候却很难找到大片发生病虫害或火灾的森林进行防治和灭火实验。

（三）实验过程的危险性

森林病虫害的化学防治是森林病虫害防治的一种常规技术，但是此类实验由于需要使用具有较大毒性的化学农药，该实验过程及其实验废物的排放均对人体健康造成威胁而不能开设。

（四）实验时间的季节性

森林保护学实验对象的鲜活性决定了森林保护学实验具有季节性。病虫害的发生往往具有明显的季节性，高温高湿的季节发生比较严重，冬季和春季发生比较轻，森林火灾则在干旱的秋冬季较易发生。

（五）实验场所的开放性

森林保护学的一些综合性实验（包括探索性实验、生产性实验和研究性实验），如林业有害生物普查测报、林业有害生物灾害监测预警、林业有害生物综合防治、农药药效试验、重大林业有害生物灾害的应急处置、森林火灾隐患排查、森林火灾扑救、森林可燃物类型的划分、森林火险等级预测预报等实验需要在广阔的林间进行。

二、森林保护学实验虚拟化的必要性

虚拟仿真实验教学是对传统实验教学在思想体系、实验内容、实验方法和手段等颠覆性的变革。它综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术，通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[2-5]。虚拟实验具有沉浸感、模拟性、交互性、感知性和构想性等特点[6]，有利于提高实验教学的效果，培养学生创新能力和解决问题的能力。采用虚拟仿真技术于实验教学，可以为学生营造“自主实验”的氛围，具有实验成本低、无污染、突破现实实验中时空的限制等优点[7，8]。

因此，将森林保护学实验中一些由于受到场地、时间季节、实验成本、危险性以及不可再重现等方面的限制，难以在传统实验教学中实施的实验开发成虚拟仿真实验是非常必要的。虚拟仿真实验作为真实实验的补充和扩展，具有仿真性、参与感、安全性等特点，与传统实物实验结合，可以使学生获得全面的训练，对培养学生动手能力、观察能力、独立思考能力和创新能力具有重要意义。

三、森林保护学虚拟仿真实验教学体系的构建

广西大学林业科学与工程虚拟仿真实验教学中心根据“虚实结合，能实不虚，以虚扩实”的建设原则，建了“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系（如图1所示），即“森林昆虫、森林病理、化学保护和森林防火”4个模块，每个模块包含“基础实验、专业技能和综合创新”3个层次。形成了虚实融合，以综合创新为特色，以能力培养为核心，多层次、多模块、衔接紧密的森林保护学虚拟仿真实验教学体系。

（一）虚拟仿真实验的四模块

1.森林昆虫虚拟仿真实验模块。本模块主要针对森林昆虫的个体发育、行为习性、危害调查与综合防治等方面的实验进行虚拟仿真。如在森林昆虫多样性调查虚拟仿真实验中，采用虚拟仿真技术虚拟仿真实验背景，制作调查样线及3D化的智能昆虫模型，每种模型昆虫的数量参照当地森林中的丰富度来设定。开展多样性调查时，可将各种昆虫在树林中出现的限制因子设定为季节，以便在不同季节进行多样性调查时得出的结果与自然界相吻合。对调查到的每一种昆虫，配以真实照片，以便学生进行鉴定，做到虚实结合。

2.森林病理虚拟仿真实验模块。本模块主要针对森林病原物的分离鉴定、病害发生发展与综合防治等方面的实验进行虚拟仿真。如桉树青枯病菌主要通过根部和根颈部伤口入侵，在植物体内繁殖，沿着维管束蔓延全株发病，植株失水萎蔫枯死。但这一过程无法在常规的实验课中让学生观察到，也难以让学生理解和掌握。通过虚拟仿真技术，把桉树青枯病症状诊断、发病规律、侵染循环以及防控技术直观呈现，提高学生对桉树青枯病的诊断和防控技术水平。

3.化学保护虚拟仿真实验模块。化学保护的核心是如何科学地使用农药，根据农药、有害生物与环境之间的关系合理使用农药。农药往往具有较大毒性，实验过程及其实验废物的排放均对人体健康造成威胁。本模块主要包括农药的毒力测定、药剂室内药效筛选、林间小区药效试验、农药对植物的药害作用、除草剂的选择作用及防除效果、农药残留分析等仿真实验。

4.森林防火虚拟仿真实验模块。真实森林火灾发生与控制实验具有极其危险性与不可重复性。通过虚拟仿真技术，可以模拟森林火灾场景，通过调整参数输入设置不同火灾发生发展过程，针对不同火灾发展阶段调用不同控制火灾策略和技术，直观展示火灾控制效果。本模块主要包括火灾发生过程的仿真演示、森林火灾隐患排查、森林可燃物类型的划分、森林火险等级预测预报、森林火灾发生与控制技术等仿真实验。

（二）虚拟仿真实验的三层次

1.基础实验层次。该层次主要是演示性试验，让学生了解掌握森林保护学的基础知识和基础技能。

2.专业技能层次。该层次主要是专业技能实验，让学生了解掌握森林有害生物的调查与防治、森林植物检疫、物理防治、生物防治、森林火灾隐患的排查与扑救、农药的配制与使用等专业技能。

3.综合创新层次。该层次主要面向学科前沿和林业生产第一线，让学生参与教师的科研项目，将科研项目研究成果转化为虚拟仿真实验教学资源。此外，森林保护学是一门应用性很强的学科，常常需要解决林业生产上有害生物防治的实际问题。如天敌昆虫的人工饲养及其应用仿真实验可以结合生产实践开展花绒寄甲人工饲养并用于防治松褐天牛。

四、结语

虚拟仿真技术在实验教学中的应用，极大地拓展了实验教学的内容和时空，一些在传统实验条件下难以安排的实验得以全面的开展[9]。但是虚拟仿真实验不能完全代替真实实验，只能作为真实实验的补充和扩展，虚拟仿真实验必须与传统实验相结合，使学生获得全面的实验训练。

多层次、多模块、衔接紧密的森林保护学虚拟仿真实验教学体系把各种森林保护学实验有机串联起来，注重纵向知识体系和横向知识的相互浸透，注重森林保护的基础知识、专业技能和综合创新各个方面的衔接。该体系把实验教学、专业能力培养和科研综合创新有机结合，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

参考文献：

[1]陈国辉，刘有才，刘士军.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：169-172.

[2]张敬南，张H钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.

[3]刘亚丰，吴元喜，苏莉，等.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J].实验技术与管理，2015，32（9）：120-123.

[4]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[5]李平，毛昌杰，徐进.开展部级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[6]谭珂，潘新华，高原.医学虚拟仿真教学环境的构建[J].中国医学教育技术，2012，26（5）：535-538.

[7]张红宾，赵二刚，张颖.虚拟仿真在电子类实验教学中的应用探讨[J].实验室科学，2015，18（3）：44-46.

虚拟仿真技术的发展篇4

1虚拟仿真技术的概念

虚拟仿真技术也叫做模拟技术，是利用计算机系统模拟出另一个系统，可以与人们进行交互，虚拟仿真技术是一种遵循自然界发展规律的高新技术。虚拟仿真技术可以对工程施工方案进行虚拟验证和优化，极大程度上降低了施工安全事故的发生机率，实现了的建筑工程施工成本的有效控制。虚拟仿真技术具有交互性，而且非常的逼真，它可以结合图形技术、仿真技术以及传感技术建立起虚拟的信息空间，进行人性化的模拟仿真互动，虚拟仿真技术是一种对系统动态模型的试验方法，在建立数字城市、室内设计、建筑工程施工等很多方面都应用的非常广泛。

2虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用意义

虚拟仿真技术可以对建筑工程的施工过程进行模拟，在工程正式施工之前，就可以对建筑工程结构构件的位置和相对关系进行验证，准确的计算出建筑工程相关结构的应力情况，以便可以及时的对建筑工程施工方案进行优化。在选择建筑工程施工方案时，需要有一定的施工经验，这种优化方式需要建筑工程施工开始之后才能进行优化，具有一定的局限性。应用虚拟仿真技术可以在建筑工程施工之前就展现出施工效果，以便有效的选择施工方案，实现建筑工程施工的最优化。虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用有助于施工技术的创新，同时缩短了建筑工程的施工周期，降低了建筑工程的施工风险。虚拟仿真技术可以对建筑工程的施工全过程进行模拟，发现建筑工程存在的施工质量问题，同时也帮助施工人员对整个施工流程进行了解，可以保证施工人员的人身安全。虚拟仿真结果可以帮助设计人员对不合理的施工结构进行改进，使这个建筑工程的施工流程更加规范。

3虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用

3.1虚拟仿真施工技术在建筑工程中的应用

虚拟仿真技术可以在虚拟模型上完成建筑工程的虚拟施工，对建筑工程的施工方案合理性进行验证，确定具体施工环节的进度。传统建筑工程的施工需要根据设计人员的工作经验来制定详细的施工方案，这种根据经验制定的方案很容易产生施工漏洞，造成建筑工程的施工进度或者施工质量出现问题，施工方案存在一定的局限性。在建筑工程中应用虚拟仿真技术可以提前建立起建筑工程的仿真模型，对设计完成的施工方案进行验证，寻找施工方案中存在的漏洞，以便制定更加完善的施工方案。建筑工程中应用虚拟仿真技术有效的降低了工程施工的成本，并保证了建筑工程的施工质量。虚拟仿真技术还可以根据施工现场的具体情况，对建筑物周边的道路、场景等进行渲染处理，并利用计算机对建筑工程的具体环境进行实时交互，也可以深入到整个建筑模型当中，对建筑物的内在环境进行观察，有利于建筑工程设计人员对建筑图纸进行有效的修改。设计人员可以感受到自己设计的成果建设完成后的景象，并对建筑结构的相关功能进行检测，使设计者可以更加精确的了解建筑工程中各个结构部件的位置以及相对关系，使设计人员对建筑工程设计的更加全面，实现了对建筑工程施工过程的全面控制。某建筑工程在施工之前制定了三种围护结构方案，通过虚拟仿真技术对三种围护方案的能耗进行分析，最终可以选择出最佳的节能围护方案。

3.2虚拟仿真技术在复杂钢结构施工中的应用

建筑工程中的复杂钢结构是整个施工过程中最为关键的环节，因为建筑钢结构是单独的钢制构件拼接在一起，不同钢结构的受力情况和承载力都是不同的，在不同的施工阶段钢结构的平衡性也是不同的。钢结构的特殊性就需要保证安装过程的严谨，一旦钢结构的设计或者安装出现差错，会导致建筑工程的整体受力情况受到影响。钢结构的精准施工可以实现对建筑工程的施工指导，避免增加无效的施工成本。在对复杂钢结构进行施工时，仅依靠施工人员的经验是不可能完成的，但是虚拟仿真技术弥补了复杂钢结构施工中存在的不足，可以对复杂钢结构的构件位置进行精准定位，并实现对钢结构施工的全过程跟踪，实现施工过程的有效控制，降低建筑工程施工事故的发生机率，有效提高建筑工程的经济效益。在对复杂钢结构进行施工时，虚拟仿真技术可以使建筑工程实现最优化施工。

3.3建筑工程施工过程中三维动画技术的应用

传统的建筑工程施工，施工进度只能依靠施工人员的经验进行判断，不能对施工过程进行针对性指导。而在建筑施工过程中应用三维动画技术，可以将施工全过程利用高仿真动画的形式展现出来，并着重体现出施工过程中的重点和难点，使施工人员在建筑工程施工之前就可以了解到施工过程中的每个细节，注意到施工过程中的注意事项。三维动画技术在虚拟仿真技术中属于比较低端的技术，可以降低建筑工程的施工成本，避免了建筑工程的重复更改和修理，加快了建筑工程的施工进度，使建筑工程的施工质量得到有效的提升。中央电视台新址以及上海环球金融中心在施工过程中都应用了三维动画技术。

3.4模拟仿真技术在建筑工程施工安全中的应用

模拟仿真技术可以实现对建筑施工方案的最优化控制，传统的施工安全控制不能对施工方案进行优化分析，所以不能发现施工方案中存在的问题，但是通过虚拟仿真技术可以对建筑工程的施工方案进行模拟演练，发现施工过程中可能出现问题的部位，并利用三维动画技术对问题部位进行动画演示，以便制定有效的安全预案和相关的应急措施，以便发生安全事故时可以将建筑工程的损失降至最低，避免造成严重的施工安全事故。施工人员也可以借助虚拟仿真技术进行安全演练，增加施工人员的安全防护能力，进一步提高了建筑工程的安全水准。

4虚拟仿真技术在建筑工程施工中的实现

在建筑工程施工中应用虚拟仿真技术首先要建立起虚拟场景，并各具各个结构部位的不同特征，建立起相应的细节模型。在所有的细节模型建立完成后，通过内部联节点将所有的结构部件拼接成一个整体，并将地物造型与原有的地形结构紧密结合在一起，完成整体效果图的建立。虚拟仿真场景中，为了增加建筑工程虚拟模型的真实感，可以对虚拟模型进行交互设计，通过不同的指令，设计人员可以在模型中进行自由移动。设计人员可以在虚拟方则仿真平台内对建筑工程相关结构的施工轨迹进行定位，例如在对复杂钢结构进行施工时，仿真模型可以对吊装过程进行交互仿真，将各种二维数据全部输入到三维模型中，实现复杂钢结构的虚拟施工。这种方法提高了建筑工程施工的可视化效果，使相关施工方案可以更加直观的表达出来，同时也可以对施工过程中重点位置进行分析，制定针对性的施工措施，有效保证建筑工程施工项目的顺利进行，让建筑工程的技术交底更加全面，促进了建筑工程施工的发展。

5结论

虚拟仿真技术的发展篇5

基于虚拟仿真技术和计算网络技术的实验教学方法已经成为不可或缺的实验教学手段。虚拟仿真实验教学体系的构建，将促进教学资源的科学规划和持续发展。以学科发展为依托、以培养具有综合实践能力和创新能力的人才为目标，本着能实不虚、虚实结合的原则，在实体实验的基础上，打破原有实验教学环节和专业内容所固有的界限，探索构建了三平台、三层次、一体化的三三一”虚拟仿真实验教学体系。三三一”体系的构建既丰富了专业实验教学内容，又为学生在基于虚拟仿真技术的跨专业大型综合实验教学资源中，提供更多的应用技能、综合能力和创新能力训练的机会。

关键词:

电气工程;自动化;虚拟仿真

天津大学电气与自动化实验中心承担着面向全校10个专业、47门课程的本科生实验教学工作，其中包括课程实验、课程设计、生产实习、毕业设计等多种教学实验环节。近年来，实验中心为了解决大型综合实体实验项目在建设、运行、维护等工作中受场地或经费等条件限制、阻碍学科建设与发展的问题;为了满足学生创新训练的需要，积极促进科研成果向教学资源的转化，在实体实验教学环境不断完善、发展的同时，对部分专业课实验教学内容进行了虚拟实验环境及仿真系统的开发与建设。先后建设了智能电网仿真实验教学平台”、多相流虚拟仿真实验教学系统”、高电压虚拟仿真实验教学系统”、机器人及自主系统虚拟仿真实验教学平台”、工业生产线虚拟环境”等一批虚拟仿真实验教学资源［1－2］，并全部应用于实验教学中。2012年9月为了更好地管理和优化教学资源，学校成立了电气工程与自动化虚拟仿真实验教学中心。按照培养具有综合能力、实践能力和创新能力的高素质人才的需要，本着相互补充、互融互通”的原则，构建了三平台、三层次、一体化”的三三一”虚拟仿真实验教学体系。经过5年的时间，依照能实不虚、虚实结合”的原则，完成了15个虚拟仿真实验教学项目的建设工作。虚拟仿真实验教学体系为实验资源开发提出了明确的目标。

1虚拟仿真实验教学的特点

充分发挥虚拟仿真实验教学的特点和优势，是构建一套科学、高效、可持续发展的虚拟仿真实验教学体系的关键。其特点如下。

1．1丰富的教学内容

基于互联网的虚拟仿真技术为实验教学带来了不受时间、空间限制的特点，它可以将学生带入未知的科学世界。相比传统实体实验课程的内容，虚拟仿真实验项目可以是千变万化的［3］。学生不仅可以利用所学知识灵活地解决问题，还可以按照自己的兴趣爱好设计问题，探索未知的世界。例如:传统的电机学实验，学生只能观测电机外特性结果，无法从根本上理解电机的内部磁场分布、不同运行工况下的磁场变化。而虚拟仿真实验利用电机电磁场有限元分析软件，使学生能通过虚拟仿真环境，了解电机内部磁场分布及性能特性曲线。同时，虚拟仿真技术打破了不同专业实验室的隔墙，为跨学科的交叉应用提供了广阔的实践天地。

1．2灵活的教学环节

为体现以人为本”的教育、教学理念，适应个性化学习需求，有利于创新能力的培养，实验教学体系应该包含多层次的实验教学环节，学生可以选择适合自己知识水平、兴趣爱好的实验内容。并且随着学习进度的变化，可以跨越教学层次提升(或回顾以往)实验内容［4］。这在实体实验教学活动中是很难实现的。灵活的虚拟仿真实验资源建立了不同教学环节之间的知识链接，使学生在夯实基础知识的前提下，有更多接触专业实验和创新实践的机会。

1．3不可及和不可逆过程的实现

在涉及高危或极端环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时［5］，虚拟仿真技术提供可靠、安全和经济的实验手段。例如:在高电压虚拟仿真实验教学系统”中学生可以随时观察高压放电的模拟场景。

1．4无处不在的实验室

基于互联网的虚拟仿真实验教学资源不仅可以为学生在任何时间和地点开展实验提供条件［6］，同时也可以将优秀的实验教学资源开放，为兄弟院校、企业、社区提供教学服务。

2虚拟仿真实验教学体系的构建

虚拟仿真实验教学体系在教学大系统中，与实体实验教学体系相互补充，同样需要遵循实验教学的客观规律和基本准则［7－8］。通过利用互联网思维”和虚拟仿真技术”对现有实体实验教学活动中的内容和环节进行了全面的、系统的再设计，形成了科学的和可持续发展的虚拟仿真实验教学系统。首先将基础实验、专业综合实验和创新与实践训练的三个虚拟仿真实验教学平台按照理论应用、综合设计、系统构建划分三个教学层次;然后利用虚拟仿真实验教学的特点和优势，将不同平台(教学层次)的实验项目进行互联互通、相互融合，形成了教学体系的一体化。

2．1以教学环节为导向的实验教学平台

以教学环节为导向的实验教学平台包括基础实验教学平台、专业综合实验教学平台以及创新与实践教学平台，如图1所示。

2．1．1基础实验教学平台

该平台侧重基础知识的教学工作。通过验证基础科学和技术原理，使学生切身体验科学发现与工程技术的发展历程，进而内化为其自身的工程意识与素养［9］。虚拟仿真实验教学可以为学生提供不受限于时间、地点的实验环境，无处不在的实验室”有助于提高学生做实验的兴趣、培养独立思考问题和解决问题的能力。

2．1．2专业综合实验教学平台

专业综合实验平台主要包括课程设计、综合实验、工程设计综合训练等集中教学环节。由于部分综合类实体实验受实验设备功能的限制，学生可以选择的实验内容有限，尤其是一些大型、高风险、高能耗、高成本、不可及或不可逆的项目根本无法对本科生开放。构建虚拟仿真专业综合实验教学平台，将不可能变成可能，不仅可以开设大型综合实验项目的仿真环境，还可以实现跨专业的综合实践训练。为学生提供贴近实际的工程应用，对解决现实条件无法满足专业综合实验教学需求的矛盾有着不可替代的作用。实现了实验室与生产现场的无缝对接”。

2．1．3创新实践教学平台

科学的创新实践教学方案需要良好的教学平台支撑。利用虚拟仿真技术针对电气工程及自动化专业的学科特色，结合智能电网”、航空航天”、机器人”、工业自动化”以及新型传感器”等专业领域前沿技术建立虚拟仿真系统，从实验教学环节加强学生对相关学科前沿成果的深入理解。

2．2以教学目标为导向的三层次

在三个教学平台中学生可以循序渐进的完成知识学习和技能训练。但是，由于学生在专业方向、学习进度、兴趣爱好等方面存在个性差异，所以在学习过程中就会需要在不同的教学平台之间进行广泛的联系，尤其是学科交叉的教学资源中，需要横向的、跨平台的知识融合。每个虚拟实验教学平台分别按照理论应用、综合设计、系统构建三个层次进行划分，充分发挥虚拟仿真技术的优势，建立实验教学平台之间相互补充、互融互通的横向链接。如图2所示。

2．2．1理论应用层

理论应用层重点突出的是围绕基础理论知识，利用虚拟仿真技术为学生提供丰富的实验内容，包括一些看不见、摸不到的物理现象，基础理论在实际工程应用的案例等。更为重要的是，通过互联网虚拟仿真技术的应用，学生可在任何时间和地点直观形象的完成本专业科学理论与科学技术的基础性实验，有助于学生夯实理论知识。

2．2．2综合设计层

综合设计层是将相关专业基础知识交叉综合应用。着重培养学生运用专业基础知识、实验技术和实验手段、分析问题、解决问题的能力，使学生不论在知识的积累上还是实验技能的提高上都有较大的飞跃。通过虚拟仿真技术的应用，实验场景可以更加贴近工程实际，有效解决以往受实验设备或场地限制［10］，用抽象的示意模型代替复杂受控对象的问题;在大幅度提高实验项目丰富程度的同时，通过互联网技术的应用也可以提高教学资源的共享率。

2．2．3系统构建层

系统构建层是让学生在虚拟环境中将所学到的工程研究与创新方法得到应用和训练。让学生体会利用掌握的知识和技能在复杂工程实践中解决问题的快乐，真正做到学以致用［11］。该类实验可培养学生从事科学研究和技术开发的综合能力，为培养具有创新能力的高素质专业人才提供训练条件。虚拟仿真教学体系中的系统构建层实验教学资源有效的解决了生产实习、毕业设计等环节与工程实际脱节的问题。

2．3互融互通、互为补充的一体化理念

虚拟仿真实验教学体系如图3所示，其中教学平台的教学资源根据教学目的而设计，课程内容贯穿资源;教学层次是以培养应用能力为目标，将不同平台教学资源横向连接。在注重专业培养、因材施教的同时，教学平台之间互融互通，教学层次之间相互补充［12］，是虚拟仿真实验教学中心一体化”建设核心。虚拟仿真实验教学体系一体化建设打通了学科专业界限，是培养创新型人才的新机制。

3结语

虚拟仿真技术的发展篇6

1.1虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的研究现状

虚拟现实是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，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术、思想上有了质的飞跃[1]。

虚拟现实仿真技术目前在国内外发展较快，广泛应用于高校实践教学、企业生产加工、医学研究、军事等领域，美国的虚拟现实仿真技术代表着行业领先水平[2]。

我国许多高校和研究机构也已经利用虚拟现实仿真技术，开展教学和实验实训方面研究与开发，广泛应用于高校的实践教学，将会对其教学模式改革起到极大推动作用[3]。国内的一些高职院校，将仿真技术软件广泛应用于三维造型设计、数控模拟加工等实践教学环节，收到了较好的教学效果。

1.2虚拟现实仿真技术在高职实践教学中应用研究的意义

利用虚拟现实仿真技术构建一个虚拟的实训场所和学习场景，可减少高职院校因实训设备不足而产生的影响因素。通过进一步整合教学资源，提高实训设备的利用率，提高学生学知识、练技能的浓厚兴趣，提高实践教学效果和学生的实践应用能力，具有深远的意义。

2虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的研究内容

2.1虚拟现实仿真技术进行虚拟设计实践教学的应用研究

传统设计是设计者根据产品用户的需要，将所设计产品的结构通过图纸表现出来，经过计算或者经验认证后，再投入生产试制中进一步检验其结构设计的正确性与合理性。而虚拟现实仿真技术在实践教学应用研究中主要体现在以下几个方面：

2.1.1利用虚拟现实仿真技术开展UGCAD模块实践教学的应用研究

对于工业用户，EONProfessional带有高端的CAD和3D数据格式转换模块，它通过优化，快捷地把各种CAD和3D数据转换成EON格式。其基本模块支持30多种格式，如AutoCAD，CADKEY，KGES，Maya，3dsmax，LightWave，SOFTIMAGE3D和SolidWorks等。此外，它还支持关键帧（key-frame）、自动常规校正、顶点缝合、几何/平面削减、保持UV贴图和纹理的情况下任意调节的组合贴图。

我院机械类专业实施实体建模、特征建模和自由形状建模三个模块的实践教学，使学生能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、进行布尔运算及建立表达式。掌握圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等命令的操作。能采用逆向工程，通过曲线/点网格定义曲面，通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数，引入数学方程控制、编辑模型。

2.1.2利用虚拟现实仿真技术开展MoldWizard模块实践教学的应用研究

实施MoldWizard注塑模具设计模块的实践教学研究，要求学生能进行中等复杂程度的注塑模具和冷冲模设计。掌握UGMoldWizard（注塑模具设计向导）的操作界面，熟练掌握数字化装配，中等复杂产品的分模、添加模架、镶块、滑块、电极、浇注系统、冷却系统以及选用各种标准件等有关内容。

2.1.3利用虚拟现实仿真技术开展产品分析模块实践教学的应用研究

以UG软件为平台，开展UG产品分析模块的实践教学研究，分析与探索产品模型受力、受热后的变形。以模具企业设计岗位的岗位知识、能力、情感要求为课程目标，以模具产品为项目载体，以Moldflow模流分析软件为工具，按工作过程来设计教学活动、组织教学。使学生掌握基本CAE分析方法的基本过程，为将来工作中实际应用提供必要的理论基础。

通过模拟塑料的成型过程，可以找出产生这些缺陷的原因，再采取相应的措施来避免。塑料在模具中的成型性能也因模具的浇注系统的设计、塑料的性能、成型的压力和温度不同而不同。通过使用CAE软件分析，有助于让学生懂得如何优化其模具设计，使生产出来的塑件避免出现各种质量缺陷，优化产品设计及选取合适的注塑工艺等。

通过模流分析软件的模拟，可以很容易看到是否出现困气问题，然后根据以上改善方法，拟定初步改善方案，用模流分析进行模拟验证，得出模流分析结果，对其进行分析比较，这样就能充分利用模流分析的虚拟模拟仿真，大大节省了试模成本，这就是模流分析之所以能够得到越来越多人认可的原因。

2.2虚拟现实仿真技术进行虚拟制造实践教学的应用研究

利用虚拟现实仿真技术，了解UGCAM的加工类型和特点；掌握UG软件在铣削加工方面应用知识；熟练掌握UG自动编程的常用命令和基本操作；掌握零件自动编程的一般步骤，并能根据零件特点选择合适的加工方法。

在CAM自动编程和数控加工中，运用UG软件的仿真功能对后处理程序进行模拟，用UG数控仿真软件对加工过程进行仿真，检查优化其加工工艺的合理性，有效地提高机床的加工效率和模具加工质量。

2.3虚拟现实仿真技术进行虚拟装配实践教学的应用研究

在虚拟仿真实训室开展模具虚拟拆装和装配的实践教学研究，包括进行产品装配建模、装配路径与顺序的设计、零件装配过程运动分析等内容。

通过虚拟实训室，开展模具结构的拆装实验，模具成型过程的运动仿真，模具知识的索引等实践教学环节的教学研究。对UG软件进行二次开发，开发出模具结构认知与虚拟拆装软件系统，完成典型模具的虚拟装配等实践环节的教学。

3虚拟现实仿真技术在实践教学中拟解决的关键问题

3.1虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，有效地避免了高校实验实训设备不足的影响因素。学生通过虚拟实验项目的学习与训练，减少其真机操作时出现许多失误问题。

3.2虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，教师利用虚拟现实仿真技术教学时，与实训室技师经常切磋技艺、探讨操作问题，提高了教师的实践教学水平。

3.3虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，改变了学生被动学习的方式，提高了学生学习兴趣、综合实践能力和高职实践课堂教学效果。