虚拟仿真现实技术篇1

【关键词】虚拟现实技术；高职教育；数控教学；应用

我国高职院校中，数控加工技术教育伴随着机械制造业的发展而越来越重要。传统的数控操作培训在机床上实际操作，这种实际上机的训练方法有很多弊端：如受机床数量和实习场地的限制、使用和维护的费用较大、师资投入不足、操作失误导致机器和人员的损伤等等。以上问题促使我们必须寻求一种新型的教学方式：虚拟现实技术。

1.虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境，可与环境交互体验的虚拟世界。它综合了计算机图形学、图像处理和模式识别、智能技术、传感技术、信号处理技术、网络技术等多门科学，将计算机获得的数字化信息变为人能感受到的具有各种表现形式的多维信息。虚拟现实环境是由图像、图形识别与生成系统，声音、触感的识别与生成系统，网络通信系统，人工智能系统和传感器系统等不同功能、不同层次的系统所构成的集成系统。以轴的结构为例，其中轴的轴向和周向定位方式多种多样，我们可以在软件中把相关的定位零件都制作出来，例如轴、轴肩、轴环、弹性挡圈、轴端挡板、键、花键等，然后在软件中进行定位，并且可以进行装配检查，让学生看到错误的结，这样形象而且具体。

虚拟数控系统的功能：（1）虚拟数控机床与真实机床有完全相同的界面风格，能模仿真实机床的任何功能，不会因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失。（2）形象的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能与其他CAD/CAM软件接口。（3）刀具库。应包括一台数控机床所需的刀具，能模拟任何一种数控机床的换刀形式。（4）仿真平台。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等，从中获得相关的加工数据。

2.高职院校在数控教学中的虚拟现实技术

2.1在数控教学的设备、仪器、产品展示中应用虚拟现实技术

学生在传统课题中，只能通过书本和图片学习数控实物的图片和图形，不够立体的平面展示限制了学生的空间想象思维。如在现场实际观察设备，组织起来费时费力。而虚拟现实技术的应用较好的弥补了上述不足，通过虚拟现实，我们可以设计一个模拟实物的三维物体，将各种教学产品和工具实物进行虚化，把它们以立体的形态放在虚拟教室中。师生进入虚拟空间后，可形象的学习和观察这些设备的外观及内部构造，教师可以在学生形象思维充分展开时精心点拨，师生互动，答疑解惑，从而增强数控技术教学的效果。虚拟现实技术不但突破了空间的制约，而且还能将数十年乃至百年才能观察的过程，在多时间内集中系统的展示给学生。构造一个穿越时间和空间的开放的学习环境。

2.2在实验和教学中应用虚拟现实技术达到仿真效果

众所周知，机械行业教学离不开实验操作，而不是所有学校都用财力和空间具备全部实验和培训的设备。利用虚拟现实技术，建立虚拟实验室可以解决上述难题。在虚拟实验室中，学生可以仿真操作虚拟的仪器，进行各种虚拟的数控系统的练习。迷你实验不是真的消耗机器设备，可多人反复操作。同时能避免学生因操作不熟练或失误造成事故。虚拟仿真技术还可以应用在制作软件上，在计算机上模拟训练或实验，节省实验空间和成本。

2.3数控加工教学系统中应用虚拟现实技术实现仿真效果

计算机仿真加工系统，是模拟实际数控机床加工条件和状态的系统，它借助计算机功能，通过实验者控制计算机的操作，研究数控加工的全程。它的作用是可以模拟真实零件加工的全过程，提供完全仿真的操作面板，学生可以充分熟练各个调试、执行等环节，同时系统能检验各种数控设置的准确性。既解决了机床设备不足和时间的问题，又可避免可能造成的磨损和事故。

2.4虚拟仿真教学与实际成产加工相统一

加工仿真教学系统既能单机系统独立运行，又能实现在线运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台计算机，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型通过三维动画演示。在线运行即机床工作方式，在这种方式下，教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。由于数控加工仿真教学系统具有完善的图形和标准数据接口，用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数。

2.5虚拟现实技术使数控教学的考核和培训网络化

通过远程教育培训，师生双方可以打破地域限制互动。虚拟技术教学可在互联网上进行，包括教师布置作业和考试、观察实验、系统自动评析试卷等全部环节都可实现无纸化，具有高效、简单、节约等诸多优点。

2.6虚拟现实技术使数控教学方法优化

虚拟现实技术通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用，可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。虚拟现实系统可以进行实物虚化，虚拟各种人物，创建虚拟课堂，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学。运用虚拟现实技术，还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，通过学生自我组织，制定并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。还可通过小组或团队的形式，组织学生进行学习，成员间共享成果，开展协作式教学。

2.7虚拟现实技术营造开放性的网上探索

学习运用虚拟现实技术，突破传统教科书的限制，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便的时间从互联网上自由地选择适合的学习资源，按照适合于自己的方式和速度进行学习，这种探索性的学习，有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体隋境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。

3.虚拟现实技术在教学中还存在着不足

（1）虚拟现实技术的仿真效果还待改进。虚拟现实在物理、行为模型等方面不逼真，听觉和触觉的仿真设计较少，真实性不足。虚拟技术相关的设备使用不方便，有时难以达到系统要求。（2）虚拟技术成本较高，相关设备价格较贵，要想大面积推广，只有将其改进和降低成本。（3）虚拟教学不能完全替代真实操作。生产不同于虚拟训练和实验，真正动手操作机器设备是我们的教学目的，也只有真正的操作才能让学生理解机床，合格就业。综上，虚拟现实技术水平的提高离不开计算机技术的发展，相信在全体科技工作者和教育工作者的共同努力下，虚拟现实技术在数控教学中的应用和前景越来越广阔。

【参考文献】

虚拟仿真现实技术篇2

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

虚拟仿真现实技术篇3

关键词：电子技术行业虚拟仿真技术应用

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

电子技术行业的各类设备产品必须具备良好的设计方案才能够保障其工作状态的理想。电子行业具有产品更新快研发周期短的特点。为了满足不断发展的市场需求，加快产品结构的升级，在核心技术领域取得重大突破，电子行业必须采用新的研究方法和技术。虚拟仿真研究是目前电子行业所广泛采用的一种新的方法和技术。本文即以直流稳压电源以及数控机床为切入点，对虚拟仿真技术在上述两个领域中的应用要点及价值进行分析与探讨。

1虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术即虚拟现实技术，也可称之为模拟技术，技术核心是用一个完全虚拟的系统对另一个真实存在的系统进行模拟。此项技术涉及到多个学科，是计算机图形、人机交互、传感技术、以及人工智能等多个学科的交叉综合领域。虚拟仿真技术主要包括三个方面的含义：第一是借助于计算机所生成环境具有虚拟性的特点；第二是人对这种虚拟环境的感知是高度逼真的；第三则是人可以通过自然的方法与虚拟系统实现交互，系统可响应人的动作并作出合理的反应。

当前虚拟仿真技术被广泛应用于包括汽车制造、道路桥梁、油田矿井、教育教学、电子技术、以及水利电力等在内的多个行业中，体现出了包括交互性、沉浸性、虚幻性、以及逼真性这四个方面的特点。对于电子技术行业而言，虚拟仿真技术的最主要优势是可对产品设计或优化方案在实践前通过高度仿真的模拟环境进行分析，以验证方案的可靠性以及有效性，兼顾实现了提高效率，缩短周期，以及控制费用等方面的性能优势，有推广价值。

2虚拟仿真技术在直流稳压电源中的应用

直流稳压电源的组成部分包括电源变压器、滤波电路、整流电路、以及稳压电路四个部分。电网供给的交流电压在经过电源变压器降压处理后得到与电路需求相对应的交流电压，然后经由整流电路变化为方向恒定、大小伴随时间变化而变化的单线脉动电压，并经过滤波电路进行滤过（滤过交流分量），通过此环节处理后得到相对平滑的脉动电压。最后经过稳压电路处理，以确保电网电压以及负载水平在发生改变时电压维持在稳定状态下。为更加清晰的了解整个电路的工作原理与运行情况，可以借助于虚拟仿真软件，在软件模拟环境下通过设置开关或调整电路结构的方式观察示波器所呈现出的波形变化。本研究中引入Multisim10虚拟仿真软件，该软件借助于图形方式创建电路，具有界面直观、操作简便、调用方便等优势。本软件提供有包括交流、直流等在内的17种分析方法，虚拟仿真能力强大。

整流电路仿真分析下全波整流与半波整流波形图如下图1所示。结合图1：4个二极管所构成桥式全波整流电路，其核心作用是将正弦变化的电压演变为脉动电压。通过设置开关J1为开启状态的方式，对整流器在二极管损坏状态下所产生的开路情况进行模拟。则全波整流转换为半波整流，半波整流下所对应输出电压为0.45*全波整流电压。

通过对直流稳压电源系统中J2开关进行接通或断开的方式能够对比波形观察得到：在电容接入电路内后，输出电压平滑程度明显提高，波纹得到有效控制，同时输出电压平均值也有一定的增加。其依据是：在电容接入电路内后，电容可有效存储电荷，同时对高频分量而言容抗脚下，从而电流中的交流成分可通过电容C1而被旁路。在电容维持恒定的状态下，可通过调整负载电阻运行仿真的方式，使示波器分别显示滤波器输出波形，仿真结果如下图2所示。结合图2来看，电容放电时间常数为RC。在C为恒定状态下时，R取值越高则意味着放电速度越缓慢，输出波形更加平滑，输出电压值更小；在R为定值状态下时，电容器容量越大则意味着放电越慢，所对应输出波纹越小，输出电压值更大。

除此以外，通过对虚拟仿真软件的合理应用，还能够对直流稳压电路的改进设计效果进行仿真验证，以确保改进方案的实施效果理想。以某直流稳压电路对集成电路以及自保电路的改进方案而言，为验证该方案的可靠性，借助于Multisim10虚拟仿真软件进行实验。操作方法为：在Multisim10虚拟仿真软件按照改进方案构建直流稳压电压仿真点图，以供电电压220V（±10%）为标准进行虚拟仿真。借助于4综虚拟示波器对各点波形进行观察并读值，虚拟仿真实验结果如下图3所示。结合图2可见：经过改进后，直流稳压电路波形脉动被控制在较小范围内，电压输出稳定程度高，可保持在12.036V左右，经计算稳压系数为0.015（符合

3虚拟仿真技术在数控机床中的应用

数控加工是现代模具CAD/CAM加工体系中不可或缺的重要内容之一。以五轴数控加工技术为例，所对应的模具工件性状复杂，对表面质量要求高，因此对铣削加工提出了非常严格的要求。五轴加工在完成最后一次装夹后，可以从多个面加工工件，其优势在于节约了大量的装夹时间以及辅助测量装置，且加工位置精度更高。在数控机床设计及性能验证中通过对虚拟仿真技术的合理应用，一方面能够使数控机床充分且合理的应用于对模具以及机械产品的加工中，另一方面能够为正确且充分的应用数控机床，完成更多模具以及机械产品加工提供保障。以某单叶片曲面零件数控加工实例为例，采用五轴加工方案，引入五轴五联动编程开发技术，同时对后置技术进行了编程制定。为进一步验证数控机床五轴五联动方案的编程程序正确性以及后置处理结果的可靠性，借助于虚拟仿真技术，在仿真软件所提供虚拟环境下参照数控机床实际配置构建实验模型。虚拟仿真结果显示：所模拟机床在对零件进行加工的全过程中刀具路径未发生偏差，加工零件性状基本与设计要求相符合。

4结语

本研究中针对虚拟仿真技术在电子技术行业中的应用问题进行分析及探究，通过上述分析不难发现：在电子技术行业中积极应用虚拟仿真技术能够有效解决以往设计方案直接应用于实践中存在的浪费或失误问题，避免了不必要的事故产生，可以有效提高电子技术产品及相关设备的使用寿命与性能，对促进电子技术行业的发展也有重要价值。

参考文献

[1]陈军，周晓平，郝江涛等.基于MatLab&Simulink的电工电子技术仿真实验平台[J].中国现代教育装备，2015（3）：57-60.

[2]赵丽梅.Electronicsworkbench在电子技术仿真实验中的运用[J].中国远程教育（综合版），2001（12）：58-59.

[3]周凯，那日沙，王旭东等.Saber在电力电子技术仿真中的应用[J].实验技术与管理，2015（3）：126-128，140.

虚拟仿真现实技术篇4

关键词：建筑工程；施工；虚拟仿真技术；应用发展

Abstract:withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,thevirtualsimulationtechnologyinarchitecturalengineeringintheconstructionofuse,canpromptfoundconstruction,thedeficienciesintheimprovementofconstructionqualityatthesametime,stillcanfundamentallysavethecostofconstructionprojectinvestmentforthefutureofinputuselaythefoundation.Inthis,thisarticleinviewoftheconstructionoftheapplicationofthevirtualsimulationtechnologydevelopment,dothefollowingdiscusses.

Keywords:buildingengineering;Theconstruction;Virtualsimulationtechnology;Applicationdevelopment

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

在21实际科学技术迅速发展的时代，计算机技术的普及，在推动社会发展的同时，还极大的改变了人们的日常生活。计算机智能系统在建筑工程施工中的运用，能够有效的规范工程施工技术，提高工程的管理水平，为建筑工程的施工质量提供有效的保障。在当前我国建筑工程施工领域中，常用的软件系统主要包括专家系统、智能管理系统、办公自动化系统等几个方面，这些计算机技术的应用，在原有的基础上弥补了传统施工方法及理论上的不足，避免了工程施工中不必要的麻烦。在此，本文从虚拟仿真技术、虚拟仿真系统在建筑施工中的应用以及虚拟仿真技术在工程施工中的研究和应用展望等三个方面出发，针对虚拟仿真技术在工程施工中存在的问题及完善途径，做以下简要分析：

一．虚拟仿真技术

在当前工程施工建设中，虚拟仿真技术是指通过计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种学科的优势，为人机对话提供了更直接和更真实的三维界面，并能在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，使用户身临其境。在虚拟技术使用的过程中，除了能够对制定技术进行虚拟模仿外，还能通过真实逼真的环境，为技术的实提供相应的环境支持，在当前社会发展的过程中，虚拟仿真技术在多个领域中得到了飞速发展。而虚拟仿真技术在建筑工程施工中的运用，其核心在于通过同虚拟仿真技术，真实的再现工程施工中的各个环节，确保施工程序的规范化、科学化，在保障施工质量的同时，还能发现施工过程中存在的问题，以便在实际施工中能够将其造成的损失降到最低。由此可见，虚拟仿真技术在建筑工程施工中有着极其重要的作用。

二．虚拟仿真系统在建筑施工中的应用

在当前人们的日常生活中，虚拟仿真技术作为一门新兴的学科，已经广泛应用到各个行业中，而虚拟建造在形成使用的过程中，至今仍没有形成统一完善的体系，其中既包括技术原有，也在一定程度上存在着较大的资金投入。在当前我国虚拟建造理论形成的过程中，主要体现在以下几个方面：首先，通过对建筑理论的研究，将建筑理论融入到虚拟建造中，为其下一步的施工环节奠定基础。其次，在虚拟仿真技术在建筑施工领域的运用，能够凭借自身的可视化仿真优势，将施工过程中的整体施工体系，清晰的反映出来，以便在实际施工中能够及时的弥补施工过程中存在的不足，确保施工活动的顺利进行，在节省大量施工成本的同时，还能为其下一步的发展奠定基础。最后，虚拟仿真技术在建筑行业中的应用，其核心在于计算机软件研制与系统开发。

三．虚拟仿真技术在工程施工中的研究和展望

随着社会经济的迅速发展，建筑行业也在原有的基础上取得了进步，而虚拟仿真技术在建筑工程施工领域中的运用，不是一朝一夕就能形成的，而是需要长时间的积累与发展。且在其具体实施的过程中，其核心取决于计算机硬件和仿真软件本身的发展。在当前虚拟仿真技术实施的过程中，其存在的问题主要表现在以下几个方面：

首先，在虚拟仿真系统开发实施的过程中，对计算机的硬件平台提出了较高的要求，且在研究开发的同时，需要在专业的工作站及实验室中进行。由此不难看出，企业在进行虚拟系统研究开发的过程中，需要投入大量的资金建造实验室，同时还要购买国外先进的设备与软件，这些，都在一定程度上限制了虚拟仿真技术的应用。

其次，虚拟仿真技术在建造工程施工运用的过程中，需要借助国外进口的软件平台。然而在其实际实施的过程中，结合着我国当前社会的发展现状，在施工企业虚拟仿真系统的集中型软件几乎不存在，再加上建造工程本身施工周期长、规模大、施工程序多等影响因素，对项目开发的成本及技术都提出了较高的要求，而这些，都是当前从事虚拟仿真技术研究人员应解决的。

最后，在虚拟仿真技术研究开发的过程中，人才作为其研究的主体，不仅关系着虚拟仿真技术的研制开发，还在一定程度上关系着建造企业的生产发展。由此就需要建造企业在实施虚拟仿真技术的过程中，其核心基础自爱与培养自己的开发骨干，确保在软硬设施具备的前提下，能够全方面的开展虚拟仿真技术的研究。

面对当前社会经济的发展形式，虚拟仿真技术在建造工程施工中的运用，已经成为社会发展的必然形式，同时也是科技发展的必然结果。在我国一些大型施工企业，其工程技术人员具备高水平的软件研发能力，且在研究的过程中，加上计算机的辅助，能够结合着建造工程的实际状况，将虚拟仿真技术运用进去，真实的再现建筑施工中的每一个施工环节，通过逼真的环境渲染，能够使施工管理人员第一时间发现施工活动中存在的问题，并及时的采取措施进行避免，在减少建筑工程成本投入的同时，还能保障工程的施工质量，为其今后的投入使用奠定基础。

仿真技术的应用使仿真软件取得了飞速发展，新的并行计算方法、新的仿真平台和编程技术使其具有更好的可扩展性。实行校企（研）联合是加快建筑业科技进步，推进施工现代化的一个重要捷径。建筑企业采用与专门科研院所合作的方式，充分利用高等院校的科研实力和人才优势，建立起长期的合作伙伴关系，积极开发和应用虚拟仿真系统。

总结：

综上所述，随着社会经济的迅速发展，虚拟仿真技术在建筑工程施工中的运用，能够及时的发现施工过程中存在的问题，通过相应的措施将其避免；同时能够在原有的基础上规范施工程序，完善工程的施工管理，在确保工程施工质量的同时，还能在原有的基础上促进我国建筑行业的发展，为我国社会的发展做出杰出的贡献。

参考文献：

[1]禹禄君.探究虚拟仿真技术应用的新模式[J].长沙通信职业技术学院学报，2008，(04).

[2]吴青萍，张慧敏.建筑工程施工中虚拟仿真技术探索与实践[J].常州信息职业技术学院学报，2009，(06).

虚拟仿真现实技术篇5

由于职业教育是面向职业、岗位活动的一种就业能力教育，突出特征是从事技术、技能、技艺、技巧等实践性教育教学，按照目前学者对VR/AR技术呈现的普遍描述，完全可以确定这项技术在职业教育教学中应用的广泛性、有效性与迫切性。在职业教育教学中，由于大量的教学内容属于实践性内容，而许多实践性教学内容，受环境、场地、设施设备、安全、污染、资金、不可控、不可再现等因素影响，难以实现有效教学，因此，虚拟仿真虚拟现实增强现实，即目前各界热议的VR/AR技术，在职业教育教学中的应用需求应该说是刚性需求。那么，为什么一个时期以来，职业教育教学在VR/AR技术的应用上缺少创新与深入研究，为什么从事一线教学的广大职业院校教师很难结合自己的教学内容进行VR/AR需求性设计，为什么由VR/AR专业制作公司提供的教学产品往往不适用，究其原因多种多样，但笔者认为，处于前置位置的一个重要原因，就是VR/AR技术的专业描述与职业教育教学需求性描述存在差异，导致职业院校广大教师很难将自己的教学内容与之准确对应，无法对号入座，更无法简捷思考如何根据教学内容运用VR/AR技术特征进行有效的教学设计、教学需求设计及教学应用设计，因此，本文试图依据VR/AR技术的基本定义，结合VR/AR技术在职业教育教学中的应用需求进行分析，将理论与应用连接起来。

VR为VirtualReality的英文缩写，即虚拟现实的意思，多数人认为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，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，为用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，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，产生沉浸感的交互系统。VR的支撑技术，普遍认为是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术。

AR为AugmentedReality的英文缩写，即增强现实的意思，多数人认为，它是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间交互系统。也有人提出了MR概念，即MixReality的英文缩写，即混合现实的意思，一般认为，是指包括增强现实和增强虚拟，合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动交互系统。还有人提出了HR概念，即HologramReality的英文缩写，即全息现实的意思，一般认为，是指利用光学技术，实现完整的、可以从360度球形空间观察的虚拟影像，通常是依托可以多方向观察的多面体设备和多个不同角度的投影来实现，图像可以多人多角度观看，因此，也有人把它叫做面向全体的AR/全息技术。

总之，随着科学技术的发展，许许多多有关计算机虚拟仿真虚拟现实增强现实的创新名词扑面而来，由于专业、技术、应用视角不同，对虚拟仿真虚拟现实增强现实等概念在应用上的理解与解释就有所不同，这对研究具体应用这些技术的实践者们，特别是职业院校广大一线教师，提出了挑战。为了深入研究VR/AR技术在职业教育教学中的应用，必须站在职业教育视角，以融合职业教育教学应用需求，尊重职业教育教学基本特征与规律，并结合大量成功应用案例，重新分类描述、分析、思考VR/AR技术在职业教育教学中的应用方向，当然最好实现对号入座，这对VR/AR技术在职业教育教学中的应用推广、破解职业教育教学实践性教学中的瓶颈难题，具有十分重要的意义。

二、单纯利用计算机屏幕画面虚拟仿真技术

单纯利用计算机屏幕画面虚拟仿真技术，简称屏幕仿真技术，是目前职业教育教学中应用最广泛的一种虚拟仿真技术，由此技术所创作的虚拟仿真课件、软件数量众多，这些课件、软件在职业教育教学实践中发挥了重要作用。这里需要强调，仿真教学课件与仿真教学软件有着根本性区别，鉴于目前职业教育教学中应用仿真课件比例较大，因此本文着重针对虚拟仿真课件进行分析讨论。

(一)技术性特征

屏幕仿真技术可以划归到AR技术范畴，它不需要其它外接设备的支持，仅仅在一台普通PC(或平板电脑、手机)上，利用鼠标、键盘就可以实施操作了。支持这种操作的核心技术，是实现在屏幕上实施虚拟仿真操作的专用工具软件。随着计算机软件技术的发展，屏幕仿真技术所应用的核心工具软件越来越专业化、普及化。一般认为屏幕仿真技术技术性特征有以下5个方面：(1)工具软件研发技术成熟，已经逐步形成专业化、系列化、标准化，如虚拟实景(境)技术等;(2)制作工具软件的种类、系列繁多，基本形成了依据行业、职业、专业、岗位的不同需求定向研究开发制作软件的局面;(3)由于定向开发制作工具软件的方便性，使该类课件的制作成本逐渐减低，制作周期逐渐缩短;(4)在应用需求的拉动下，单纯利用计算机屏幕画面实现的虚拟仿真的教学课件，基本实现了网络版、单机版共存，PC机、平板电脑、手机共用，支持人工更新、自动更新共有的应用水平;(5)虚拟虚景(境)技术得到广泛应用。在虚拟环境下虚拟虚景(境)，使所有设计参数与现实参数关联，虚景相互之间的数据关系与现实比例一致，因此，广泛用于产品(项目)设计领域，是屏幕仿真技术的另一个拓展技术性特征。

(二)应用性特征

通过对大量屏幕仿真技术作品分析可以确定，此类作品在职业院校教育教学中，主要有以下4个应用性特征：(1)对环境、场景、目标物等，进行漫游式虚拟仿真实训;(2)对设施、设备、仪器、仪表、工具等过程性操作，进行交互式虚拟仿真实训;(3)将虚拟操作结果转接至实物实体操作，实现虚实融合式实习实训;(4)实施虚拟虚景(境)设计实训。

(三)类别性特征

根据职业教育教学特征，我们可以将屏幕仿真技术类别性特征归纳成以下5种：

1.单纯漫游式屏幕仿真教学课件

这种课件是利用计算机屏幕来呈现立体、逼真的漫游环境、场景、或目标物画面，操作者通过对鼠标、键盘的规范操作，实现对计算机屏幕画面的操作与控制，并以第一人称视觉进入画面实施漫游。单纯漫游式屏幕仿真教学课件的主要教学功能是：学习者通过对环境、场景、或目标物的漫游，了解、熟悉、记忆画中环境、观测对象、目标物特征，并通过画中环境、场景、观测对象或目标物上的媒体提示，获得具有与实地、亲临、接触相同的现场学习效果。这种课件的典型案例如虚拟导游实训、虚拟现场参观实训、虚拟目标物观测观察实训等。

2.漫游互动式屏幕仿真教学课件

这种课件与单纯漫游式屏幕仿真教学课件的重要区别是，学习者在操作漫游画面时，可以根据教学需要，激活漫游场景中的某一处画面，并与被激活的画面实施互动交流。典型案例如在操作虚拟图书馆参观实训课件时，当操作者想打开一本书观看时，只要用鼠标选择点击这本书，并将其激活，就可以一页一页翻开这本书观看了。在职业教育教学中，特别是在实践性教学中，这种课件照比单纯漫游式屏幕仿真教学课件，更具有教学性。

3.植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件根据教学需要，在漫游互动式屏幕仿真教学课件某一个教学点中加入数学、物理、化学、自然、专业以及某种思维、逻辑属性的一种屏幕仿真课件。这种仿真课件的最大特征是将被仿真物体(或被仿真事件)的真实属性平移到仿真物体(事件)中，使操作者具有与实际操作相同的操作感觉与操作效果。典型案例如利用屏幕仿真课件在机械加工车间厂房漫游时，当操作者激活车间厂房中的吊车，并欲操纵吊车吊住物件移动，此时，如果在物件上加入重力、运动惯性力学算法，当运用鼠标、键盘操纵屏幕仿真画面，吊起该物件并进行移动时，该物件在屏幕画面中的运动力学特征就与真实物件移动时的运动力学特征完全一致。这种植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件在职业教育教学中具有重要的应用价值，从某种意义上说，加入真实操作端，它将会完全取代真实的实训操作训练。因此，这种课件比漫游互动式屏幕仿真教学课件更具有教学性和应用价值。

4.具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件在上述3种屏幕仿真课件中，根据教学需要，加入考试考核功能，即成为具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件。这种课件一般设计有检测学习者学习效果功能，是比较成熟、比较完整的屏幕仿真课件。典型案例如利用记录操作者的漫游路线(轨迹)，判断操作者是否记住行走路线;利用操作者互动操作的正确性、规范性，判断操作者的学习效果;利用操作者在有属性课件中操作的准确性，判断操作者是否熟练掌握该项技能等。当然最简单的设计是在屏幕仿真课件中加入专门设计的考试考核窗口。我们通常将具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件叫做助学性(或自学性)课件。

5.可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件在上述4种屏幕仿真课件中，运用某种技术，在虚拟仿真系统中加入对其它教学媒体的链接功能，即成为可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件。有时候我们把这种课件叫做富媒体屏幕仿真课件，这种课件的教学功能比较强大，可视性也很好，而且可以承载更多的教学内容。这种富媒体屏幕仿真课件在职业教育教学中具有十分广泛的应用前景，特别是在实践性教学中的应用价值很高。典型案例如在数字博物馆漫游课件的某一个具体画面中，链接一段视频，当漫游操作者用鼠标点击视频窗口时，该视频窗口开始播放所链接的视频文件，形成画中画效果。可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件是职业教育教学中十分实用的一种虚拟仿真教学课件，它不但可以实现与其它屏幕仿真课件相同的教学功效，同时可以拓展成屏幕仿真课堂屏幕仿真教学屏幕仿真实习屏幕仿真实验屏幕仿真实训屏幕仿真工作包屏幕仿真项目包等教学软件。

6.可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件

在上述5种屏幕仿真课件中，运用某种技术，在虚拟仿真系统中，加入多终端操作设计，即几个操作者分别以不同角色共同实时操作一个屏幕仿真课件，我们把这种课件叫做可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件。这种课件特别适合职业教育实训教学、实习教学、项目教学或生产性教学中的联合作业、流水线作业、程序化作业及协作式操作训练等教学内容。典型案例如在物流实训屏幕仿真课件中，设计了接送货物员、汽车运输司机、装卸工、库房管理员、物流调度几个角色，操作者分别以不同身份、角色进入屏幕仿真课件，并按照所设计的规范、流程实施操作。这种课件不仅再现了工作职场真实的群体作业过程，而且训练了学生们联合协作、团结互助的团队精神。

三、加入可穿戴传感器计算机屏幕虚拟仿真技术

在单纯利用计算机屏幕画面实现虚拟仿真技术基础上，加入可穿戴传感器，形成加入可穿戴传感器计算机屏幕画面虚拟仿真技术，简称加入可穿戴传感器屏幕仿真技术。一些学者认为，可穿戴传感器不应该独立出来，应该与操纵杆、方向盘、开关、脚踏板等传感器合为一体进行讨论，这种思维对直接研究VR/AR技术来讲是可行的，但对进行职业教育教学应用性研究来讲就可能引起混淆，因此必须分开讨论。加入可穿戴传感器屏幕仿真技术又有人把它叫做可进入虚拟画面操作式虚拟仿真技术，这项技术可以划归到VR技术范畴，所加入的可穿戴传感器如数据手套、脚垫、定位头套等，可以按照操作者的需求，设计进入画面，并对画面中的虚拟仿真物体实施操作。

(一)技术性特征

加入可穿戴传感器屏幕仿真技术与屏幕仿真技术的区别在于，前者加入了可穿戴传感器而后者没有。随着虚拟仿真技术在各类工程领域中的不断应用，推动了可穿戴传感技术的快速发展，无论在扑捉运动的精准性、对运动的识别性、穿戴运动的舒适性等方面都有了大幅提升，可以说，从硬件技术方面对加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的发展提供了有力支持。分析加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的技术性特征，一般认为有以下3个：1.随着数据手套等可穿戴传感器精度的不断提升，越来越多关联操纵、操作、驾驶、调控等岗位作业活动的虚拟仿真课件，会首选此种技术;2.在需求的拉动下，数据手套等可穿戴传感器的生产成本会越来越低，成为职业院校虚拟仿真实训教学中常用的装备之一;3.随着可穿戴传感技术的发展，操作者完全可以对屏幕仿真画面中的设施、设备、装备、仪器、仪表等实行全面操控。__

(二)应用性特征

加入可穿戴传感器屏幕仿真技术与屏幕仿真技术最大应有性区别是，前者甩开了利用计算机鼠标、键盘操作、控制屏幕仿真画面操作模式，取而代之的是利用操作者真实的肢体动作操作、控制屏幕画面，增强了操作、控制屏幕画面的真实感。

(三)类别性特征

对比屏幕仿真技术加入可穿戴传感器屏幕仿真技术类别性特征重点是，在操作者身体上穿戴上接有传感器的物品，利用操作者的模拟操作动作，实现对虚拟仿真画面中的设备、装备、仪器、仪表等实施全面操控或深度交互。典型案例如利用数据手套抓取、安装、拆卸、调整、操纵屏幕仿真画面中的物体，利用传感脚垫进入屏幕仿真环境、场景之中，利用传感帽定位多人进入屏幕仿真画面等。也有人将加入可穿戴传感器屏幕仿真技术称之为沉浸式虚拟仿真技术。按照职业教育实践性教学一般规律，运用数据手套实现操作屏幕画面技术具有较大的应用空间。例如利用数据手套，并在屏幕仿真画面中的目标物体上加入某种属性，据此所创作的屏幕仿真实训教学课件，在职业教育实践性教学中会发挥重要作用。

四、加入专用传感器屏幕仿真技术

加入专用传感器屏幕仿真技术，我们通常又把它叫做有实物介入式屏幕仿真技术，这项技术可以划归到VR技术范畴。加入专用传感器屏幕仿真技术与加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的重要区别是：一个加入了可穿戴传感器，一个加入了专用传感器。

(一)技术性特征

加入专用传感器屏幕仿真技术与加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的技术性特征基本相同，不作详述。

(二)应用性特征

加入专用传感器屏幕仿真技术应用性特征，可以归纳以下3各方面：(1)引入实际操作对象，操作者通过对实际操作对象的操纵，实现对屏幕画面内仿真物体的操作;(2)实际操作对象可以是真实实物，也可以是模拟实物，当采用模拟实物时，其动作、力度、姿态、速度等要尽可能靠近真实实物操作;(3)在引入实际操作时，同时引入模拟操作环境，以增加操作的真实感。

(三)类别性特征

为简化分析，以专用传感器为题目进行类别性特征分析。

1.单一部件实物支持下的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓单一部件实物是指方向盘、操纵杆、按钮等等。由单一部件实物组成的加入专用传感器屏幕仿真技术系统比较简单，且往往可以适用于运动性质相同的单一部件屏幕仿真课件，起到以一当十的效果，因此，普遍受到应用者欢迎。

2.组合部件实物支持下的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓组合部件实物是指由2个或2个以上单一部件实物，根据真实操作系统的设计要求规范布局形成的一组部件实物，当这组部件实物与真实操作实物数量一致，且一一对应时，这组组合部件实物可称为全部件实物。由组合部件实物支持的加入专用传感器屏幕仿真系统系统相对复杂一些，但因感觉逼真、效果凸显，常常被用于关键能力、核心能力实际操作训练前的虚拟仿真导训中。例如，将汽车的方向盘、脚油门、脚刹车、换挡器部件实物作为专用传感器，形成加入专用传感器屏幕仿真系统即属于全部件实物系统。应该注意，单一部件实物组合部件实物全部件实物均是提取了某种核心操作部件实物，即便是全部件实物，仍然没有将其全部有关操作实物提取出来。当需要全部提取时，必须进行仿真操作必要性、系统设计复杂性论证后方可实施。

3.系统部件实物支持下的加入专用传感器屏幕仿真系统

系统部件实物与组合部件实物全部件实物的最大区别是，前者强调的是加入部件的系统性，后二者强调的是加入部件的作用性、功能性，这在职业教育实训教学中是经常发生的现象。

4.无模拟现实环境支持的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓无模拟现实环境支持，既是不强调或不可能强调现实环境对加入专用传感器屏幕仿真系统的教学效果影响。

5.有模拟现实环境支持的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓有模拟现实环境支持，既是强调现实环境对加入专用传感器屏幕仿真系统的教学效果影响。

五、加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术

(一)技术性特征

加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术与加入专用传感器屏幕仿真技术比较，其技术性特征有以下3个：

1.专用传感器区别

加入专用传感器屏幕仿真技术中所提到的专用传感器其实物载体最小为部件，而加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术中所提到的专用传感器的实物载体一般最大是部件，多数专用传感器的实物载体是小型工具、游戏玩具。

2.阻断操作者视力区别

加入专用传感器屏幕仿真技术是通过计算机屏幕、投影屏幕开放式获得虚拟仿真画面，而加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术却是通过阻断操作者视力，使操作者的视觉完全置于虚拟场景之中。

3.操作者与虚拟仿真场景融入性区别

加入专用传感器屏幕仿真技术，操作者与虚拟仿真场景实现的是控制性融入模式，此时，屏幕仿真场景中的人物、动物及其他内容物的设计，倾向于被操作、被激活状态;而加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术，更注重场景中的人物、动物及其他内容物与操作者展开自然互动状态，操作者以第一人称身份，利用手中工具进入虚拟场景，并与虚拟场景中的人物、动物、景物等产生强烈互动。这一点为职业教育设计虚拟职场体验式教学模式提供了技术支持。

(二)应用性特征

加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术除了与加入专用传感器屏幕仿真技术具有相同应用性特征外，对比分析，还具有以下3个独立应用性特征：

1.形成情节化虚拟仿真实训教学课件

我们知道，职业教育教学的重点内容是实践性教学，而实践性教学最好的教学方法是老师带领学生真正走进工作职场、工作岗位，在全环境下进行学习，或者说在真实的职场中、岗位上获得学习，但在现实中，因为种种原因，这种全环境学习环境是难以提供给学生的，情节化虚拟仿真实训教学课件可以一举破解这一难题。

2.配合数据手套，形成万能实训工作台

许多岗位能力训练是在工作台面上进行的，配合数据手套，加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术完全可以创建出万能实训台，学生戴上可视眼镜、数据手套，在PC机的支持下，实施多种多样的虚拟实训。

3.实施真实操作前的验证性虚拟操作

几乎所有虚拟仿真课件，都可以设计成实施真实操作前的验证性虚拟操作功能，但验证精度、准确性，虚拟的逼真性却各不相同。加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术可以设计成与现实状况完全一致的验证精度与操作的准确性，并大幅度提高虚拟场景的逼真性，这项技术为职业教育实操实训前的虚拟仿真导训，提供了技术支持。

(三)类别性特征

加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术与加入专用传感器屏幕仿真技术，在类别性特征方面主要有3点区别：

1.单人进入式情节化虚拟仿真课件

由于排除了视觉干扰，加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术完全可以实现单人进入式情节化虚拟仿真课件功能。顾名思义，这种课件首先是情节化，其次是单人进入。单人进入式情节化虚拟仿真课件，破解了职业教育虚拟实习教学难题，是服务职业教育实践性教学最有发展潜力的一种虚拟现实技术。

2.多人进入式情节化虚拟仿真课件

在单人进入式情节化虚拟仿真课件基础上，设计成多人进入通道，既可以实现多人进入式情节化虚拟仿真课件。按照岗位操作需求，将每一个通道设计成不同操作者角色，大家在虚拟场景下，各自按照岗位操作规范，实施联合操作、顺序操作、逻辑化操作。

3.情节化技能测试考核体验包

我们知道，技能测试、技能考核、技能操作体验是职业教育实践性教学不可或缺的三个关键环节，由于加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术可以创设身临其境的虚拟效果，同时又可轻松加入虚拟操作情节，所以，完全可以设计成情节化技能测试考核体验包。__六、实时加入真实视频画面虚拟现实技术通常我们又把它叫做增强现实技术或现实画面与仿真画面混合式仿真技术，即AR技术。

(一)技术性特征

实时加入真实视频画面虚拟现实技术的技术性特征，有以下4个方面：

1.不阻断操作者视力

这项技术不需要操作者戴头套、戴眼镜，在自然环境下观看现实画面与虚拟画面的融合画面。

2.实施画面融合

以屏幕仿真技术为基础支撑，加入现实视频画面，通过某种软件技术，实现虚拟画面与现实视频画面融合。

3.操作者利用自身视频图像控制虚拟画面

操作者通过操作现实空间中某种具有标记物体，并利用实时视频画面对虚拟画面内的物体实施操作，达到增强现实的效果。

4.实现随机操作

操作者可以随机改变操作路径、方法、手段，已形成即时随机示教操作效果。

(二)应用性特征

实时加入真实视频画面虚拟现实技术的主要应用性特征有以下5个方面：

1.用于教师利用虚拟仿真画面、实时操作视频进行实时、随机、示范性操作，并以合成视频形式实施教学展示;

2.用于实践性教学中适合于学生桌面操作的虚拟操作训练;

3.用于在虚拟目标物支持下的立体化、形象化、虚拟化阅读学习;

4.用于将学习内容在视频拍摄技术支持下，进行可视化、形象化、互动式链接;

5.自助式操作，形成虚拟仿真与现实操作高度融合、完美叠加的教学视频画面。

虚拟仿真现实技术篇6

虚拟仿真实验教学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[2]。2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011-2022年）》，决定开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作[3]。其目的是鼓励高校采用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索，使实践训练及时跟上相关技术的发展。为了有效解决土木类专业开展实践教学遇到的技术困难，培养学生的工程实践能力，达到培养高素质的工程应用型创新人才的目的，北京工业大学土木类专业在部级实验教学示范中心――土木工程实验教学中心的基础上，利用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索。2013年12月北京工业大学土木工程虚拟仿真实验教学中心入选部级虚拟仿真实验教学中心。

一、虚拟仿真实验教学中心建设理念和思路

紧密结合土木类专业实践性强、工程能力培养要求高的专业特点，土木工程虚拟仿真实验教学中心建设始终坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念。在虚拟仿真平台建设规划过程中，明确了实体实验和虚拟实验的定位，确立了“能实不虚”的建设原则。以“实”为目标、“虚”为手段，扬长避短，以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系，以“实”来提高学生解决工程实际问题的能力。即将虚拟实验手段融入课前预习、课上实训和课后实践等环节中，用虚拟实验对实验现象进行展示、对实验仪器设备的使用流程和注意事项进行说明。通过计算机虚拟环境进行交互性虚拟实验使其成为理论和实践教学的重要补充和有效辅助手段，从而最大限度提高学生的工程素质。

虚拟仿真实验教学中心的建设目标是采用网络技术、多媒体、人机交互等技术构建高度仿真的虚拟仿真实验教学平台，解决土木类专业实践教学环节中的技术难题，培养学生的创新精神、实践能力、自主学习能力以及获取信息、运用信息的能力。

在虚拟仿真实验教学系统的开发过程中，中心坚持“重点开发、积极引进、软硬结合、适当超前”的基本思路。优先选择土木类专业实验难度大、实验花费高（如大型结构破坏性实验、重复次数多的混凝土梁加载实验、大型水质仪器分析实验、建筑设备智能控制实验、污水处理实验等）、专业理论性较强的实验项目进行虚拟仿真实验教学系统开发试点，同时积极引进国内外成熟的虚拟仿真实验教学系统，充分重视虚拟实验环境的真实感、可操作性。

虚拟仿真实验教学中心面向学生采用“多层次”的开放模式。包括虚拟实验不限时开放、教学实验室预约开放（定期开放与网站预约开放相结合）和全天候开放创新基地三层次，使现有资源最大限度得到利用。

二、依托虚拟仿真实验教学中心建设积极开展土木类专业实践教学体系改革

北京工业大学土木类专业坚持“实践教学一条线”、“创新人才培养不断线”的教改思路，将实践教学体系分为三个层次：

（1）工程认识实践与基础训练层次。主要包括各课程教学大纲所规定的基本型实验。

（2）专业应用实践层次。主要包括大纲中规定的综合设计型及个性化创新型实验（综合知识的应用、创新思维培养）。该层次整合了学科基础课、专业主干课及其综合实践环节等，目的是着力进行学科基础技术研究方法的教育。

（3）工程实践层次。以土木工程一级学科为平台，发挥科研活动的支撑与引领作用，以工程为背景，实现学生真实工程环节的训练，增强学生工程实践能力，使学生从专业技能培养逐步进入学科前沿，在加强面上培养的同时实现点上的突破。

土木工程虚拟仿真实验教学中心首先重点解决专业应用实践层次和工程实践层次遇到的主要问题。依托虚拟仿真实验教学中心建设，积极开展实践教学体系的改革，主要包括：（1）围绕虚拟仿真实验教学平台建设创新培养方案，包括在教学计划中增设创新实践课程和改革实验环节的指导模式。（2）推进实践教学内容更新。实践教学大纲必须明确提出“虚实结合、相互补充”的具体实施方案以及具体的培养目标。（3）将高层次的学科建设平台、高水平的科研与工程技术项目以及高质量科研成果融入虚拟仿真实验系统建设，扩大虚拟仿真实验的范围。（4）加强多媒体、网络技术的应用，实现多层次开放模式。（5）改革实践环节评分考核模式。注重对学生利用平台进行自主实验、互动交流过程的考核，强化对学生分析实验结果能力以及答辩的考评。

三、虚拟仿真实验教学平台的功能

以部级土木工程实验教学示范中心硬件平台为基础，虚拟仿真实验教学中心第一阶段建设是基于Eclipse、WebBuilder、VisualStudio、AdobeFlash、LabVIEW等开发平台和工具并结合主流的专业仿真计算软件30余套（包括PKPM、ANSYS、ABAQUS、5D施工BIM等）开展实践教学环节的虚拟仿真建设。目前土木工程虚拟仿真实验教学中心下设10个虚拟仿真实验教学平台，即大型设备结构实验虚拟仿真平台、混凝土梁静载实验虚拟仿真平台、桥梁工程实验虚拟仿真平台、工程施工虚拟仿真平台、工程测量虚拟仿真平台、道路勘测设计一体化虚拟仿真平台、楼宇自控系统虚拟仿真实验平台、空调系统调试虚拟仿真实验平台、大型水质分析仪器虚拟仿真平台、水处理工艺运行虚拟仿真平台，利用平台建成了相应的土木类专业虚拟仿真实验教学系统。

虚拟仿真实验教学平台主要功能包括：

（1）利用平台实现虚拟实验仪器开展实验和搭建典型的实验项目。平台建设紧密结合土木类专业实验教学需求，使学生利用平台进行虚拟仪器操作和动手搭建实验系统并配置相关技术参数。如大型水质分析仪器仿真与模拟操作系统对大型气相色谱仪、TOC/TN、原子吸收光谱仪等的构造及工作原理进行仿真模拟，同时将仿真模拟系统与仪器离线操作平台偶联，实现仪器的模拟操作与样品分析仿真；利用钢筋混凝土简支梁静载实验模拟系统可以自行设置梁的截面尺寸、配筋、长度等几何参数和混凝土、钢筋等材料参数形成自己的实验对象，在虚拟场景中布设支座形式、分配梁、加载点等加载条件和设备，扩大学生能够操作实验工况的数目。

（2）利用平台实现数字化工程设计和虚拟施工、调试及运行。工程施工虚拟仿真平台充分利用建筑信息模型（BuildingInformationModeling简称BIM）技术完成了土木工程关键施工过程模拟动画30套，能够基本实现对土木工程施工关键过程的模拟仿真；工程测量虚拟仿真平台所建立的仿真系统能模拟校内外实验场地条件以及各种工程测量实验仪器设备，可实现人机交互操作，形象地展现了工程测量课程中主要实验环节的工作过程；道路勘测设计一体化虚拟仿真平台利用当今国际道路勘测设计主流技术，将野外道勘实习基地和校内道勘实训中心集成为数字化、一体化、可视化的虚实结合、内外结合的教学平台，主要功能是利用真实项目完成道路勘测与设计的综合实训；楼宇自控系统虚拟仿真实验平台利用楼宇自控虚拟仿真系统制作的虚拟控制对象来代替真实对象，不仅接受控制器的控制信号，而且还能向控制器发出各种反馈信号，反映实际系统的响应，从上位机控制界面上直接显示控制过程和控制结果，给学生带来“身临其境”的感觉，为楼控系统的编程和调试带来很大方便，有利于对空调系统控制原理的认识以及对楼宇自控技术的学习和应用。

（3）利用平台的网络化协同支持教学。平台构建了作业、协同交流、答疑、留言、测试、文件存储等模块，中心网站具有友好的用户界面，用于为师生用户提供相对完整的实验学习支持系统。在功能上包括提供实验设计、背景知识、参考资料和课件等。针对学生用户，记录其实验过程，包括实验报告、数据、实验结果统计、成绩评定、教师评语等；针对教师用户，提供实验设计、分类实验结果和内容统计等。

（4）基于网络的宣传、交流和实验展示功能。平台具有信息、成果展示、专业介绍、实验设计、教学名师、精品课程等宣传和展示功能。虚拟仿真实验教学平台体现了全天候开放性，随时随地可以访问；体现了创新性，利用现代信息技术，实现了低成本，高安全，运行维护方便，改进教学效果，积极革新教学模式的目的。

四、注重利用“产、学、研”合作建设虚拟仿真实验教学中心

土木类专业教师的虚拟仿真技术开发能力、网络多媒体技术水平是影响虚拟仿真实验教学平台建设水平的一个主要因素，软件公司的技术人员对专业实践教学要求的理解对平台开发效果有重要的影响。为了提高中心下设的虚拟仿真实验教学平台的建设水平，中心本着“优势互补、资源共享”的原则与建研科技股份有限公司、北京长筑工程软件有限公司等近10家软件开发单位开展校企共建共管的合作模式。一方面，企业参与土木类实践教学计划制订，为中心建设提供各类技术资料、工艺规程和软件，参与中心虚拟仿真实验教学平台的研发工作、软件维护和升级管理工作，确保了平台良好的运行状态并始终处于同类平台的领先地位，服务于校内人才培养；另一方面，校企合作共建的虚拟仿真实验教学中心为企业软件产品的市场推广、人才培训提供支持，中心教师也积极为企业的研发工作提供技术支持。通过人才培养这个纽带，学校和企业整合各自优势，结成战略合作伙伴关系，从而为土木工程虚拟仿真实验教学中心的可持续发展提供了强大的技术研发支撑平台。

五、虚拟仿真实验教学中心建设的效果

中心搭建14门实验课程，其中设计型1门、创新型4门、综合型9门。中心经过第一阶段建设，土木类专业能够将虚拟实验和真实实验结合的实践环节的比例超过30%。虚拟仿真实验教学中心直接面向于全校6个专业并对全校其他专业开放，年均直接受益人时数近60000（人?小时）。

通过三年实践教学平台的“虚实结合”建设以及实践教学体系改革，中心对人才培养的教学效果主要体现在以下方面：

（1）强化了“学生是主体、教师是主导”的教学理念，提高了实验教学质量，学生自主参与实践环节的能力得到加强。

（2）实现了虚拟仿真平台和校外实习基地建设相互补充、相互支持，提高了土木类专业校外实习环节的效果，强化了工程素质的培养，有助于培养学生的专业学习兴趣。

（3）通过“虚实结合”拓宽了学生的专业视野，提高了学生的自主学习能力，加强了学生的创新意识和创新能力的培养。