虚拟仿真技术建设篇1

关键词职业院校；虚拟仿真；实训资源

中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1671-489X（2012）33-0004-04

1引言

为贯彻落实北京市教育委员会《关于北京“十二五”时期职业教育信息化规划》的文件精神，利用云计算技术、3G无线网络技术、虚拟现实技术和物联网技术——这些技术催生了应用，应用孕育了技术，探索开发职业院校的虚拟项目、虚拟工艺、虚拟流程、虚拟实验、虚拟车间、虚拟工厂，形成虚拟对象与真实对象的有效对接，虚拟实训与真实实训的有机互补，全面提升职业院校的实训教学的可操性、实效性，避免危险性，降低高成本性、不可逆性和高耗费，为实验与实训提供有力支撑。

2虚拟实训资源

虚拟实训的概念是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察、操纵、建构其中的对象，使他们获得类似真实的体验或者掌握知识理论体系的规律。

目前虚拟实训资源是非常丰富的，各大公司开发了很多虚拟仿真软件与开发平台，尤其是网络版游戏仿真软件风起云涌，给开发商和网吧的投资者带来丰厚利润。而职业教育的虚拟仿真软件与开发平台显得相对匮乏，这是因为职业教育涉及各行各业，一个权威的、界面友好的、能满足各种用户需求的仿真平台编辑器尚未产生，而能满足某一领域的虚拟仿真软件与开发仿真平台编辑器很多，如ProE机械三维仿真平台、VR-Platform三维互动仿真平台和Tina电子线路三维互动仿真平台等。这是因为虚拟技术具有沉浸性、交互性、构想性特征：沉浸性指人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，由观察者变为参与者，成为虚拟现实系统的一部分；交互性指是人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互，如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系；构想性指人能从虚拟环境中得到感性和理性的认识，进而深化概念、产生新意和构想。上述这些软件都能满足沉浸性、交互性、构想性的特征。

3职业教育虚拟仿真四层步骤

3.1专业仿真软件的应用

专业仿真软件很多，其特点是：在调试上，面向图符对象的仿真软件，不须任何编程学习，只需要填充控件或对象，就能仿真大量的应用系统，几乎囊括现代所有领域的可视化、动态仿真系统、图符表示的功能模块。目前职业院校的教师在授课中常使用各自专业的虚拟仿真软件进行辅助教学。例如，TINADesignSuitev8专业仿真软件是针对电路分析、设计和实时测试的软件，它功能强大，易用性极高，具有模拟、数字、VHDL语言、单片机、电子电路和混合电路板以及PCBLayout布线仿真设计环境。学生可以便捷地快速分析开关电源、射频、通讯、光电电路的各种真实情况，生成和调试使用集成的微控制器代码流程图，并在混合电路的微控制器应用环境中进行联动测试。

TINA仿真系统独特之处在于可以通过USB总线控制的TINALabII硬件，使计算机变成一个强大的多功能测试与测量仪器，完成从“设计需求”到“物理实现”的自动化设计过程。TINA技术大致分为电气原理图设计输入、混合电路仿真分析、PLD设计、印制板（PCB）自动布线设计等环节。学生会发现TINA是一个易用性极高的高性能电子电路仿真设计工具，而教师更喜爱TINA中包含的结合仿真内核的训练环境等独特功能。如图1、图2如示，分别是电路原理图和面包板上实物元件连线、电路原理图在面包板和PCB仿真。

另外，ProE仿真软件在机械零件、装配及工艺处理上有强大功能，这些仿真软件在行业内是工程师工作的主要工具。但是这些仿真软件都具有强烈的专业性，专业之间互通较少。还有VMwareWorkstation虚拟机软件、硬盘分区、BosonNetSim模拟器等仿真软件。

3.2具有开发功能的专业仿真软件的应用

目前社会上大型3D游戏仿真软件已经很多，制作这些仿真软件的公司开始瞄准职业教育市场，推出许多虚拟仿真软件，它的特点是可以针对不同专业，根据教师的专业需求，设计出某专业课的某些知识点和实训项目的仿真。

首先，采用仿真技术研究可节约大量的研究经费，在一定程度上可替代真实的测试技术研究，至少可以起到相当的指导作用。

其次，能够帮助科研单位把科研工作中积累的许多宝贵知识和经验加以总结，建立相应数据库，得以长期保存和便于检索。

第三，全三维的场景交互有很好的可视作用，其直观性和可交互性得到良好的体现。

例如VR-Platform三维虚拟现实平台软件，该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得，可广泛应用于城市规划、室内设计、环境艺术、产品设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、互动广告设计、军事模拟等行业，它的出现将给正在发展的3D仿真产业注入新的活力。

VR-Platform的目标是：低成本、高性能，让每一个学生都能够从“虚拟现实”中发掘出计算机三维的新乐趣，能与自己专业有效融合。

VR-Platform具有良好的系统架构，无论是学生、教师，还是软件开发人员，都可以在不同层次上以不同的开发方式，开发出满足自己需要的各种应用程序。如图3所示，航模发动三维运行与零件装配仿真。

在进行仿真专业课程制作过程中要以行业需求为基准，以专业实训要求为依据，根据不同的行业特点探索行业通用性的操作规范，确保开发的课程能够得到行业认可，最终建立起一批满足行业要求，符合企业操作流程和规范的虚拟技术实训资源。要建立一套完整的虚拟技术实训中心，其硬件条件可根据学校不同条件自行组织，建议釆用主动式立体投影机、无缝软边融合技术的沉浸式环幕、虚拟现实成像及播放仿真平台系统——三通道环幕立体投影系统、高端VR专业图形工作站等设备。

虚拟技术（VirtualReality）是借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境。它是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术等领域。它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者自然地对仿真世界进行体验和交互，最终使得参与者产生身临其境的感觉，并且能直接参与该环境中事物的变化与相互作用。其最大特点是根据教师的不同专业需求，设计出精美的3D仿真。如图4所示，旅游专业介绍圆明园正大光明景区虚拟3D仿真。

3D技术模式主要釆用max、3ds、flt、obj、dxf、dwg、dem，其中flt文件格式是专业虚拟仿真软件MultiGen的专业格式，在实现过中，定义一个3DSObject类就可实现三维建模与仿真。

3.3物理介入式的仿真软件的应用

由于仿真软件平台开发人员大多是软件工程师，应用仿真软件平台人员只需要关注脚本的编写和项目的真实可操作性，如需美观应要大量的照片，也称之为皮肤，增强3D的可视性。但是人们又提出更进一步的要求——实物操作与虚拟仿真一一对应，而且要求仿真软件能够控制实物的动作，甚至能模拟或预测实物动作的危险，如核燃料棒的泄漏、地震等。这就要求实物的动作过程中有大量的传感器的物理量，经过V/I转换，以及RS232或485的通讯协议，与仿真软件平台中的I/O函数构成事件，形成仿真软件能够控制实物的动作。以机器人为例，如图5所示。

目前通用开发型的仿真软件平台是通过游戏软件移植过来的，已有游戏手柄，它是一种开关量，利用GeyKey（）函数就能调用，还有一种是游戏手套，手套内放置了压力传感器可模拟CS游戏中许多武器的仿真。所以说物理介入式仿真软件的开发应用已近在眼前，但是难度较大，这不但需要开发人员与设计应用人员必须具备软硬件的综合素质，而且应具备相当水平的美术观。

有实物介入式计算机仿真系统将成为职业教育仿真实训教学中的又一个亮点。随着实训仿真技术的发展，实训内容、实训手段、实训设备将发生变革，传统的校内、外实训基地模式将向校内、外实训基地与虚拟实验实训相结合的教育实践模式发展。职业教育对仿真技术的需求异常迫切，这必将会带动一批人加入到仿真在职业教育中的应用研究队伍之中。

3.4全场景式真实仿真软件的应用

1）大连海事大学船舱模拟驾驶仿真系统。该船舱模拟驾驶仿真系统是仿真的最高境界，实现了实物与虚拟的有机结合。笔者参观了该实训中心，但是没有图片，只能粗略地分析船舱模拟驾驶仿真系统。它是在原有的机舱三维模型基础上，采用MultiGenCreator对相关设备的可操作部件重新建模，并依需对其进行层次结构优化；结合船舶机舱的具体情况，采用Vega对船舶虚拟机舱内相关技术进行实现；并在MFC平台上开发具有实时仿真及交互控制功能的视景仿真系统。

概括起来，该船舱模拟驾驶仿真系统主要包括以下几个部分。

①自定义运动模型的实现。对自定义运动模型的设计思路作了详细分析，并实现了一种运动模型。

②虚拟驾驶舱碰撞检测的实现。对虚拟驾驶舱碰撞检测模型的Volume方法的设计作了详细分析，对碰撞检测模型实现总流程作了详细规划，设计出一种结合BUMP和Z的碰撞检测方法。

③对虚拟设备进行拾取操作的实现。对进行设备拾取操作前的模型部件的创建和处理方法作了详细讲述，并根据机舱内部模型部件的特征，制定操作方案，最后实现模型部件操作和SE2000之间的通讯。

④基于MFC的虚拟机舱视景仿真系统相关功能的实现。对在MFC上的系统总体实现流程做了详细规划，并讲述了基于MFC的虚拟机舱视景仿真系统的相关功能的实现方法，如用户视点在各虚拟设备间切换、视景仿真窗口的全屏显示、场景中各参数能根据用户需要进行设定等。

2）北京石油化工学院的炼油厂模拟仿真。该工业仿真系统是针对真实工业系统的复杂工艺推出的加水模拟系统的解决方案，用实时三维可视化的方式，有针对性地解决工业领域中展览展示、宣传介绍、实时监控、技能培训及技术服务等方面的难题。

该工业仿真系统用真实和缩小的系统模拟了炼油厂的工艺各系统及整体厂区环境外观，并模拟仿真了各设备的结构、工作过程。同时，该工业仿真系统还综合了OpenGL技术、数据库，以及其他多媒体技术、程序开发技术、显示技术、互动控制技术、网络技术。笔者参观了该实训中心，但是没有图片资料，故而也只能粗略地对其进行分析。

①展示功能：可模拟展示工艺系统、机械设备的外观、结构、性能、工作原理等。

②互动功能：可与操作人员互动，具有较好的操作性，操作人员可以第一人称的方式随意地浏览、展示、学习；

③体验功能：操作人员可体验真实工艺系统和设备的所有功能（操作使用、安装施工、故障排除等）。

④教育功能：具有完整的知识库，并具有完善的教育功能（教学、指导、培训、实训、考核）。

4职业教育虚拟实训资源开发的方法

4.1成立虚拟实训中心

虽然职业院校虚拟仿真软件的开发与应用都已展开，但大多是教师的个人行为，没有形成职业院校自己的特色，绝大多数的虚拟仿真软件都是购买公司的产品或定制的。在此，笔者提出虚拟实训资源开发的方法。

1）由院、系两级实训基地构成。

2）建议成立院级虚拟实训管理中心，由教务处和信息中心联合管理，系部虚拟实训基地由各系部及相关专业教师组成。职责与任务：教务处负责管理实训中心总体方案制定及相关文件的起草；信息中心担负基于网络环境下的软硬件技术实施和支撑；具有虚拟仿真软件专业背景的教师负责学院虚拟教学的教研和教改工作；同时职业院校的系部负责对各专业的课程、项目、虚拟实验进行宏观指导。

3）各系以专业为依托，构建其虚拟实训基地，由主管实践教学的系主任直接负责。

4）建立专业或专业群的虚拟实训实验室

5）开展对口企业合作

4.2虚拟实训的方案

1）对来源于实际企业或单位的工作任务或子任务进行虚拟，实现部分核心技能的核心教学；

2）对专业有关实际岗位的某些技能或操作进行虚拟仿真；

3）对某些技能证书的考核环境及操作进行虚拟仿真，实现技能证书的高通过率；

4）对源于企业的真实设计方案、设计工艺、流程、设计策略或算法进行虚拟仿真，实现计算机类的课程实践教学；

5）对源于企业岗位的操作流程或操作规范进行虚拟仿真，实现基于网络环境下就业岗位的实训需求；

6）建立与真实企业环境一致的虚拟工厂和车间，实现校内生产实训和企业实际生产的有机统一。

4.3提交虚拟实训的成效及成果

1）有关虚拟实践的教学设计、教学方法、教学手段和科研论文；

2）有关学生虚拟实践的作品与成果；

3）有关虚拟实践的仿真平台编辑器建设或案例展示；

4）有关虚拟实践的教学科研立项与成果；

5）有关虚拟实践的教材与专著；

6）有关虚拟实践教学的专业建设、课程建设、基地建设的整体方案及成功经验。

4.4虚拟实训的教学模式

1）构建“理论学习——虚拟演练——实操训练”的教学模式；

2）虚拟仿真教学能将抽象理论形象化、直观化；

3）虚拟仿真教学为学生提供自由探索的学习环境，培养学生认知能力、理解能力和创新能力。

5结论

虚拟仿真建设解决方案是特别针对教学资源建设要求和标准进行顶层规划和设计的，虚拟仿真平台编辑器是促进主动式、协作式、研究型、自主型学习，形成开放、高效的新型教学模式的重要途径，是示范性院校和骨干院校展示和推广本校教学改革成果的重要平台。

虚拟仿真平台编辑器是以资源共建共享为目的，以创建精品资源和进行网络教学为核心，面向海量资源处理，集资源分布式存储、资源管理、资源评价、知识管理为一体的资源管理仿真平台编辑器。该编辑器实现资源的快速上传、检索、归档并运用到教学中，实现资源的多级分布式存储、学校加盟共建等，具有虚拟仿真建设管理并能实现精品课程资源和网络教学之间无缝联接。

1）技术特点。虚拟仿真架构合理，安全可靠，具有先进性、实用性、开放性、通用性、标准化等特点。

2）先进性。虚拟仿真平台编辑器运用国际主流的技术，具有先进的技术方案，提高系统的生存周期和运用。

3）规范性。基于国际、国家、行业标准，实现资源的互通互导。根据专业教学资源内容、形式、标准、所需存储空间等特点，遵循通用的网络教育技术标准，通过网络开发和数据库技术，将虚拟仿真资源集成为资源库。

4）安全性。系统方案中考虑的安全策略和安全机制包括：根据不同的业务要求，采用不同的安全措施；设备、数据介质等某些关键部分考虑备份和冗余配置，保证其发生故障时不影响整个系统的正常运行等。

5）开放性。采用.net开发架构和三层B/S系统结构，实现跨越UNIX、LINUX和Windows仿真平台编辑器运行。

6）扩展性。在硬件方面，对用户设备支持对系统进行灵活配置和组合，相关软件能方便地升级和更新，系统容量保证满足用户量的考虑；在软件方面，提供二次开发功能函数包，适应不断拓展的应用空间。

7）自主学习。提供完善的讲授型网络课程库、多媒体课件库、素材和案例库、专家答疑辅导系统，使用者可以自主完成专业课程学习。

最后感谢大连海事大学、北京石油化工学院、北京掌宇集电科技有限公司、中视典数字科技有限公司和北京森汉科技有限公司提供的有关资料。

参考文献

[1]王洪兴.虚拟现实技术在高等职业教育中的应用探讨[J].中国教育技术装备，2011（30）：132-133.

[2]续志学.关于高等院校建立虚拟教学实验室网络平台的探讨[J].中国教育技术装备，2011（18）：124-126.

[3]杨勇，董晓辉.西部高校发展虚拟实验的必要性与可行性研究[J].中国教育技术装备，2012（15）：6-9.

虚拟仿真技术建设篇2

关键词：建筑施工；虚拟仿真；应用

中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：

引言：建筑施工行业是传统行业之一，在当前高新技术高速发展的背景下，其行业应接受高新技术带来的优势。在进行复杂大量的建筑施工时，为了保障不间断地有节奏工作，应使各个施工环节协同运作、步调一致，而要想达到这个目的就必须事先制定准确无误的组织计划和施工方案。而运用以往的工具和计算技术，早已难以保障准确地、及时地处理大量繁琐的施工技术资料。于是本文着重对虚拟仿真技术在建筑施工的运用进行了研究和探讨。

一、虚拟仿真技术的概念

虚拟施工技术（VC）是对实际施工过程的模拟。它运用结构仿真和虚拟现实等技术，在计算机等相关设备的支持下，对施工过程中的物品、人员、财产、施工过程进行逼真演练，以便事先发现施工中可能出现的问题，并采取相应的预防措施，在优化与控制能力、缩短工期、增强施工过程中的决策、减少风险和降低成本等方面均有显著作用。[1]

二、虚拟施工所需的技术支持

虚拟施工需要众多学科领域来提供技术支持，主要包括为虚拟现实技术、优化与建模技术、计算机仿真技术以及相关的软硬件技术。具体情况如下：

2.1虚拟现实技术。它综合了传感器技术、计算机图形技术、显示技术、计算机仿真技术等众多学科，它为人机对话提供了更直观和逼真的三维画面，而且还可以在多维空间上创建一个虚拟环境，以达到身临其境的感觉。

2.2建模与优化技术。应用此原理进行工程的设计、规划、管理、施工时可以综合全面地考虑在时间、经济和技术上的最佳方案，实现利益的最大化。优化方法也是虚拟施工中的一个重要技术。建模方法实际上是虚拟施工的另一种支撑技术。虚拟施工的模型包括：设计模型、基础模型和施工模型三大方面。其中施工模型与工艺参数联系在一起，以反映设计模型与施工模型间的交互作用。因此，施工模型必须具有以下几大功能：施工数据表、计算机工艺仿真、施工规划、物理和数学模型、统计模型等。

2.3计算机仿真技术。在土木工程中仿真技术主要运用在施工技术与管理和结构计算。计算机仿真技术是虚拟施工的最重要部分。在结构工程施工方面，内力仿真分析将直接给工程施工安全提供保障。[2]

2.4软硬件基础。虚拟施工技术是数据库技术、CAD技术与计算机仿真技术、计算机网络技术、虚拟现实技术、人工智能技术等多种学科技术结合而成的。只有当软件和硬件同时发挥作用才能使仿真技术得到充分利用。

三、虚拟仿真技术在建筑施工中的应用与现实意义

在建筑施工中虚拟仿真技术的作用不言而喻：首先，它有助于相关管理制度的完善和建筑市场的管理。在招投标时，虚拟仿真技术可以直观地对投标各方的方法、成效和施工工艺进行比较，从而达到公开、透明、公正、公平的目的。这样就大幅度减少了不正当行为的出现，对规范建筑市场管理有不可估量的作用。同时，它还能帮助判断建筑设计的合理性，以便对不合理处进行及时修改，优化设计方案，这对一些重大工程极其重要。因为设计方案毕竟都有一定的局限性，它主要由设计者的知识水平和施工经验来决定，因此对于同一个施工项目不同的设计师有着不同的方案，这时就需要用到虚拟仿真技术来科学地、直观展现不同施工方法措施和施工组织的具体效果，以便定量地对各种方案进行对比，真正实现施工方案的优化。运用虚拟施工技术能对整个施工过程进行事先模拟，使技术人员能在施工前最大可能地了解到各个构件在实际工程中的相互关系和相对位置，对施工方案进行相应调整，计算其相应工况应力，对多种施工方法进行实验分析。这样对于下面几个方面将会产生重大的作用：（1）建筑工程施工方案的选择和优化，我们知道，现在的建筑物因为设计师的不同，所以，基本上每一个建筑都有它自身的风格，这就导致了我们不可能复制建筑工程的施工过程。但是，如果采用施工虚拟仿真技术，我们就可以解决因为在施工经验的基础上建立的对于施工组织的选择和优化以及施工的方法所产生的局限性的问题。同时还可以直接的看到每一种施工组织措施和施工方法相结合时产生的不同的效果。这样就可以让我们更直观的从不同的施工方案中选择出最适合的施工方法，从而更好的完成施工。（2）施工技术的革新和新技术的引入，对于施工技术人员来说，施工虚拟仿真技术不仅能让他们更好的发挥出他们的创造性而且还能在成本很低的情况下完成施工新工艺的试验。这样，我们不仅降低了其试验的风险，还能大大的缩短引入和推广的时间。（3）施工管理，施工管理过程中不可避免的会出现质量、安全等方面的隐患，而施工虚拟仿真技术在模拟施工的过程中就可以让我们很清楚的看到这些安全隐患，从而在施工过程中能有效的避免或者尽早提出解决方法。（4）安全、生产培训施工虚拟仿真技术具有实效性、全面性的技术优势，对操作人员了解操作流程起到了重要作用，保证了施工任务的安全性，同时有效提高施工质量。（5）考察建筑设计的合理性.则也需运用大型工程设计施工虚拟仿真技术，该项技术不仅方便了对需优化部位的修改，更对业主、施工单位、设计单位三方的沟通与设计交底提供了便捷准确的方法。[3]

四、虚拟仿真技术在建筑施工中存在主要问题：

计算机硬件和仿真软件本身的发展是仿真技术能否在建筑工程施工领域得以推广和应用所遇到的主要瓶颈。目前应用虚拟仿真施工系统所面临的难题有：（1）由于虚拟仿真系统具有需要在较高的专用工作站或实验室上进行的特点，导致了开发和应用要求的硬件平台较高，从而导致了企业在自行开发系统的过程中必须投入大量的资金和人力在专用虚拟实验室的建造以及国外进口设备和软件的购买上，这势必影响着企业的资金和人力资源。另外，系统的演示受设备的限制，移动的不方便性都在企业的考虑范围内。（2）单项工程的开发需要一个方便的开发平台，这个平台的提供需要一套面向建筑工程施工的专用集成型软件系统。由于虚拟仿真系统在工程施工中几乎没有集成型软件，导致了在单项工程进行开发时，需要从国外进口相关软件平台作为支撑，再加上工程施工中影响因素较多，以上的种种因素成为了开发一个项目所需成本较高的客观因素。（3）目前，虽然我国一些大型建筑企业集团已成为开发和应用施工定额软件、施工管理软件的主力。他们通过建立自己的设计研究院，为施工企业的技术人才培养创造了条件，而且部分的工程技术人员已具有一定的软件研发能力和应用水平。但是，无论是施工企业要引进专业软件人才，还是培养自己的开发骨干，都会给施工企业的开支造成巨大的压力。[4]

五、总结：随着虚拟施工技术的进一步发展，虚拟技术在土木工程中的应用将更加深入、普遍，它能大大提高工程管理和施工的效率，保证进度的进展，节约成本，提高安全性，减少工程风险等。在虚拟现实系统的施工组织与管理下，通过建立虚拟模型和虚拟施工过程来实现工程事先模拟，这必定会成为传统的施工管理的新篇章。

参考文献

[1]杜晓刚.虚拟仿真技术在建筑施工中的应用分析[J]-中华民居-2011(6)

[2]黄明.虚拟现实技术在建筑施工中的应用[J]-硅谷2010(8)

虚拟仿真技术建设篇3

【论文摘要将虚拟仿真技术引进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心得。

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,探索在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和心得。

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,构建一个和现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输进,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、实时三维图形天生技术、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和展示、贸易广告、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已经成为了产业标准,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、场景显示等新题目。该平台可以达到照片级的视景仿真效果.同时采用嵌进OPENGL技术来解决物理模型的交互新题目。

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、探究、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、机械等一些主要产业部分,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.教学效果主要依靠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,有很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进步逼真度。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假如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;假如需要对装备进行虚拟操纵仿真,则使用GLStudio软件先进行操纵面板、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纵。

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布置,注重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,和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讯来完成的。这里还需要考虑进程间的同步新题目。

虚拟仿真技术建设篇4

【关键词】结构强度虚拟试验物理试验

1结构虚拟试验技术介绍

随着现代信息技术的飞速发展，建模与仿真、虚拟现实、计算机网络等技术也有了巨大发展，促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合，正在改变着传统的飞机设计流程。

飞机结构强度分析与验证是飞机研制不可或缺的重要一环，飞机设计流程的改变必然要求强度分析与验证程序的变化。这种变化主要体现在，第一，在设计飞机数字模型的同时，利用有限元技术随时对结构的修改做出性能评估，相对于昂贵的结构试验而言，大大地降低了设计阶段的成本；第二，以经过验证的分析工具为基础，辅以必要的物理试验，采用虚拟试验（VirtualTesting）技术对结构进行认证，能缩短结构认证的周期，降低物理试验的成本。

结构虚拟试验一般指能够预测结构破坏能力的评估结构强度的数值分析技术，该技术适用于金属材料和复合材料，适用于结构的准静态和动态响应。飞机结构静力试验规模大，费用高，试验过程中无法预测的问题难以避免，试验风险较大。对此，开展结构强度虚拟试验技术研究有着极大的必要性和十分重要的意义。

2结构虚拟试验技术的内涵及特点

虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的力学模型以及各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟设备，建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境，在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被试物体的性能及其相互间的关系，并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容：

（1）试验手段即试验所需仪器设备的虚拟；

（2）试验对象的虚拟；

（3）试验环境的虚拟。

虚拟试验是相对于真实产品的物理试验而言的。虚拟试验技术属于可控制的、无破坏性的、耗费小并允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中，虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而且在一定程度上可以替代传统的物理试验，从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。

虚拟试验不能完全代替真实试验，虚拟试验与真实的物理试验具有互补性。物理试验除了可以为虚拟试验模型的确认提供必要的数据和信息外，还可以发现虚拟试验不能涵盖的问题。

3结构虚拟试验技术的发展概况

早在1984年，英国国家有限元方法及标准局（NAFEMS）就提出了在航空及其它相关领域开展仿真试验的设想，欧洲在20世纪80年代就在Fokkerl00飞机上进行过用虚拟试验替代全尺寸试验的尝试，美国采用试验与分析相结合的方式，开展了星舟号（Starship）飞机强度的认证工作。近年来，美国Boeing公司建立了协同虚拟试验（CollaborativeVirtualTestingCVT）平台GENOA和积木式的虚拟试验验证方法，采用虚拟试验技术对X-37设计寿命性能进行了评估。

欧洲空客公司正在形成结构虚拟试验的能力，在项目开发阶段，主要验证集成技术/潜力；在设计阶段，采用参数化建模工具，支持设计或验证新的设计概念，评估设计方案和降低设计风险；在认证阶段，替代从主部件到全尺寸试验的认证试验。空客以过去的试验经验为基础，对A340前梁屈曲（静强度）、A380座舱鸟撞（瞬态动力学）、A300的47框裂纹分析（疲劳与损伤容限）以及发动机挂架的瞬态热模型作了分析验证，并提出了虚拟试验项目的目标和发展路线图。在空客公司，结构虚拟试验已成为结构分析的一部分，并已取得了巨大的成就。

4结构虚拟试验与传统结构分析和试验的关系

4.1结构虚拟试验与结构分析、强度校核的关系

结构虚拟试验是以微观力学的逐渐破坏分析为基础，采用不同层次的分析模型和高保真的破坏分析方法，利用已有的试验数据，采用经过认证的、可靠的分析技术和软件，对结构的响应性能快速做出反应，以比较不同的结构材料/工艺，判别结构设计的多种候选方案。虚拟试验采用的破坏模式及分析模型需要通过一定的试验标定或验证，常规的结构分析软件只是虚拟试验的工具之一。

结构虚拟试验软件是一个开放式平台，具有不断完善补充经验数据和有效的分析方法、对比评估数值仿真和真实的物理试验结果的功能，通过不断地积累提高虚拟试验的可信度。结构虚拟试验也不同于常规的强度校核，不仅要给出强度极限以及在使用环境下是否安全的强度结论，而且要模拟破坏过程，模拟破坏机理，挖掘结构潜力。虚拟试验范畴远大于强度校核。

4.2结构的虚拟试验与物理试验的关系

结构的虚拟试验与物理试验共同点都是验证结构的强度性能。但是虚拟试验与物理试验面向的对象不同，一个是数字模型，一个是真实物理模型，因此，所采用的试验方法和核心技术不同。虚拟试验主要研究如何建立准确的数学模型和如何利用数学模型准确分析结构响应，而常规结构试验则侧重于如何准确地加载和如何精确地测量结构的响应。

物理试验主要证明结构在试验载荷下结构是否破坏，用以验证飞机结构的安全性，但是，物理试验的成本很高，而且物理试验通常并不做到破坏，即使进行破坏试验，也只能选取一种最危险载荷情况，验证破坏模式和破坏部位。虚拟试验可进行上千种仿真试验，验证每一种载荷情况及每一种可能导致破坏的载荷情况，覆盖面宽而且成本较小。

5飞机结构静强度虚拟试验技术

5.1飞机结构强度试验虚拟试验要求

一种新型飞机的研制需要进行全机结构强度静力验证试验以及大量的、各种类型和各种规模的飞机结构部件强度静力验证试验，以保证整个飞机结构在强度设计上是可靠的和最优的，对于改进、改型飞机，也需要经过试验来验证结构的强度性能以及所用的分析方法和工具的正确性，总之每种飞机结构及结构部件都要进行多种载荷情况的强度试验，整个飞机结构静强度试验过程不仅要耗费大量的人力和物力，还要花费相当长的时间才能完成，是造成新型飞机研制成本很高、周期很长的一个重要原因。

使用计算机仿真技术，通过飞机结构强度静力虚拟仿真试验系统，在计算机上对虚拟的飞机结构或结构部件进行结构强度静力虚拟仿真试验，即：虚拟结构静强度试验，可以验证与发现飞机结构设计中的各种缺陷并及时修改，这无疑将会极大地降低试验成本，缩短试验周期。

虚拟结构静强度试验是建立在大量真实的物理的试验结果基础之上的、解决现实结构静强度试验问题的计算机虚拟仿真试验，飞机结构静强度试验仿真系统就是进行这种虚拟结构静强度试验的计算机软件系统。是结构强度试验的计算机仿真。

飞机结构静强度试验计算机仿真系统通过虚拟的结构静强度试验过程可以预先演练真实飞机结构静强度试验，发现试验方案与试验过程中可能存在的各种缺陷，保证真实强度试验的成功进行；可以定性或定量地得到飞机结构的试验结果，并随着这种试验结果准确性和可靠性的提高，在一定程度上可以取代部分结构静强度试验。

飞机结构强度虚拟试验过程中存在着多种结构设计方案、多种分析模型，对这些设计方案和分析模型要进行对比分析和评估。对于每一种设计方案，无论是哪一种强度特征虚拟试验，都涉及到虚拟试验过程的流程组织与控制、过程数据的管理、不同部门之间的协调以及提高工作效率等问题。

为了解决上述问题需要选择一个仿真管理平台，在该平台上研发飞机结构强度虚拟试验系统，为强度虚拟提供操作平台，从而建立虚拟试验架构。

5.2飞机结构强度虚拟试验架构

飞机结构静强度试验主要包括三个组成部分：

（1）结构静强度试验大纲和试验方案：

（2）静力试验的飞机结构试件：

（3）结构静强度试验过程。

针对飞机结构静强度试验的三个方面，所建立的飞机结构静强度虚拟试验系统包含：飞机结构静强度试验的试验环境、试验样机和试验过程的虚拟仿真。

对于上述虚拟试验系统的要求，建立试验虚拟试验系统平台架构，由三个子系统组成，即：结构静强度虚拟试验环境子系统、试验虚拟样机子系统和虚拟试验过程子系统。这三个子系统既相互关联又相互独立，试验虚拟环境和试验虚拟样机子系统可以分别开发，并可以独立运行或联合运行，虚拟试验过程子系统是建立在这两个仿真子系统之上的，与它们一起共同完成完整的飞机结构静强度虚拟试验。

5.2.1虚拟试验环境

静力试验环境仿真子系统能够进行飞机结构静强度试验的试验设计并同时模拟设计的设备安装与运动，验证试验设计的正确性与可靠性。试验环境仿真包括了结构静强度试验的试验设计和环境仿真，

试验设计环境仿真以真实比例尺寸显示三维飞机结构的外形以及各种试验设备的安装效果，可以直观地检查胶布带的粘贴位置、重叠情况、粘贴角度，杠杆系统的分区情况、连接效果以及加载设备连接情况。可以动态地检查加载系统的干涉情况。

5.2.2虚拟试验样机

试验样机仿真子系统通过虚拟的飞机样机模拟真实飞机结构在承受各种载荷过程中结构发生的外部变化（几何变形等）和内部变化（应力、应变等）规律。虚拟样机仿真需要针对飞机结构的不同研究领域（静力学、动力学、疲劳寿命等）建立不同的飞机结构仿真模型，飞机结构静强度试验仿真系统中的试验样机仿真模型是飞机结构强度静力仿真模型。飞机结构的静力有限元模型可以作为试验样机的一种仿真模型，有限元方法分析的结果作为仿真试验的结果，有限元方法作为一种建模方法，即：建立飞机结构静力分析的有限元模型。通过结构静力有限元分析系统模拟飞机结构承受载荷时的表现行为（结构变形、应力和应变的变化）。

5.2.3虚拟试验过程

结构静强度试验过程的计算机仿真是通过虚拟现实（VirtualReality）技术，在试验环境仿真与试验样机仿真的基础上，对整个飞机结构静强度试验体系与结果进行的计算机仿真。虚拟试验过程调用和协调试验环境仿真与试验样机仿真子系统动态地、直观地表现飞机结构静力数字试验的过程和结果。

试验过程仿真子系统不仅能对结构静力试验的执行系统（试验载荷加载系统）进行仿真，也能对试验的反馈系统（试验数据采集系统）进行仿真。使用试验过程仿真子系统演练飞机结构静强度试验并得到仿真试验结果数据，以仿真结果为参考数据，在真实试验中可以及时检测出采集数据的异常并诊断出异常的根源，保证真实试验的成功进行。

5.3实施飞机结构静强度虚拟试验的工作流程

基于现阶段飞机结构设计情况，以及结构强度虚拟试验的特点、优点，建议开展结构强度虚拟试验技术研究，实施静强度虚拟试验。

首先在总体、结构、强度集成设计平台中建立飞机结构强度虚拟试验系统，用于提供结构强度虚拟试验平台

飞机结构虚拟试验技术的核心内容是对设计的飞机结构进行准确地结构破坏能力的强度评估，给出数值分析结果以及结构破坏模式。

飞机结构静强度试验虚拟试验流程可以归纳为以下几个阶段：

（1）制定试验项目，编制试验任务书、试验大纲；

（2）进行结构有限元计算分析；

（3）进行虚拟试验件设计，建立虚拟试验环境；

（4）进行虚拟试验；

（5）试验结果评估，编制试验报告。

基于上述规划的流程，并结合CAD/CAE技术，定制飞机结构静强度虚拟试验过程。

6开展飞机结构强度虚拟试验的一些思考

飞机结构静强度虚拟试验系统的建立是开展飞机结构强度虚拟试验技术的开始。通过飞机结构虚拟试验结果与真实试验结果的对比分析，不断修正试验环境、试验样机和试验过程的建模方法和虚拟模型，建立飞机结构静力模型的校核、验证和确认（VerificationValidationandAccreditationVV&A）方法和标准，使得对于某些结构类型或某些试验类型可以使用计算机仿真试验代替。

飞机结构静强度虚拟试验系统的建立不仅是飞机结构静强度试验计算机仿真的开始，也是其他飞机结构强度试验计算机仿真的开始。以飞机结构静强度试验仿真系统为平台，共享已建立的计算机软件资源和数据资源将能很快地建立其他类型的飞机结构强度试验仿真系统。

参考文献：

[1]张宝珍.虚拟试验与仿真验证技术在国外武器装备研制中的应用.

[2]孙侠生，段世慧.飞机结构虚拟试验与认证方法的发展趋势.计算机测量与控制.

虚拟仿真技术建设篇5

关键词：实验教学；虚拟仿真；网络工程；多元协同；虚实互动

实验教学作为学生实践能力和创新能力培养的重要载体，需要有相应的实验教学平台作为支撑。传统的实验教学平台采用实体形式，以物理空间中的实体设备、器件和材料为实验对象或载体，具有真实、直观、直接的优点，但存在更新运维成本高、规模与复杂度受限、可扩展性差、开放共享难等不足。虚拟仿真实验教学综合运用信息与通信技术，在信息空间中构建高度仿真的实验操作环境和实验对象，提供类似于实体实验教学的体验与效果，具有近似、抽象和间接的特点，并在可视性、交互性、安全性、可扩展性与可共享性等方面具备优势，是对实体实验教学的有益补充与完善。

一、虚拟仿真实验教学中心建设需要解决的关键问题

作为专业人才培养的重要教学保障和优质实验教学资源共享的主要载体，虚拟仿真实验教学中心建设不能简单停留在对实体实验教学项目的信息化再现或资源堆砌，必须思考并解决以下六方面的关键问题。

第一，建设理念。涉及虚拟仿真实验教学中心的基本指导思想、建设目标、服务面向，以及在专业人才培养中所应承担的角色或发挥的作用。

第二，建设内涵。与指导思想、建设目标与服务面向相适应，涉及虚拟仿真实验教学中心建设的教育教学品质与特色，例如是以基础研究与教学为特色，还是以工程研发或工程应用教学为特色。

第三，建设主线。涉及虚拟仿真实验教学中心建设的核心线索或体系，需要系统而有效地组织有关的实验教学资源，以满足中心的服务功能与特色。

第四，建设方法与途径。通过什么样的方法与途径实施虚拟仿真实验教学中心建设，是院校单独建设，还是校内外协同；是自主开发，还是购买服务，抑或是多方面结合。

第五，使用模式。如何将虚拟仿真实验教学中心资源运用于课内外教学，其与实体实验之间是什么关系，如何发挥各自的优势与长处，以提高实验教学的实效。

第六，开放共享机制。虚拟仿真实验教学中心如何实现优质实验教学服务的开放共享，包括服务的对象与范围、策略与机制以及服务能力等。

二、面向工程应用型人才培养的虚拟仿真实验教学中心建设思路

作为地方本科院校，温州大学网络工程专业以培养工程应用型人才为目标。为此，针对前述六大关键问题，我们提出了“学生发展为中心、工程应用为特色、能力培养为导向、多元协同为抓手、虚实互动增成效、开放共享促辐射”的基本建设思路。

（1）学生发展为中心，解决建设理念问题。服务于网络工程专业工程应用型人才培养目标，作为该专业实践教学平台的重要组成部分，虚拟仿真实验教学中心立足学生创新精神、综合素质与实践能力的协调发展，支撑问题分析、问题研究、解决方案设计以及现代工具使用等相关毕业要求与培养标准的达成，并促进学生的自主性学习与个性化学习。

（2）工程用为特色，解决建设内涵问题。虚拟仿真实验教学中心建设内涵与品质必须和网络工程专业工程应用型人才的培养目标与特色相契合，并着重在三个层面上予以把握：一是教学内容有效覆盖网络工程生命周期的主要应用环节，包括规划与设计、部署与开发、运行与维护等；二是实验平全支持当前主流的网络设备厂商及其产品，与业界主流网络技术及其应用无缝对接；三是综合性、设计性和创新性虚拟仿真实验教学项目都来源于网络工程实际问题或相关项目案例。

（3）能力培养为导向，解决建设主线问题。改变传统的以课程为核心的教学组织框架，体现以能力为导向，围绕工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力培养，针对递进性的分级能力培养目标，对虚拟仿真实验教学资源在实现技术、方式和手段等方面进行系统而精细地设计与开发。

（4）多元协同为抓手，解决建设方法与途径问题。为了落实能力培养核心与工程应用特色，依托高校与企业、教学与科研、教学研究与教学实践的多元协同，建立由教师、研究人员与工程师组成的专业化团队，融合虚拟仿真实验教学相关的教育、科技与工程优质资源，深度协作致力于虚拟仿真中心的开发与建设。

（5）虚实互动增成效，解决使用模式问题。充分发挥虚拟仿真实验教学与实体实验教学各自的优势，改革单纯基于实体实验教学资源的传统模式，结合分级能力培养目标，构建与实施虚拟实体高度互补、线上线下有机互动的新型实验教学模式，贯穿课内课外的各项教学活动，全面提高实验教学效果。

（6）开放共享促辐射，解决推广机制问题。建立管理服务与技术服务的“双轮驱动”机制，促进虚拟仿真中心的开放共享。在管理服务方面，面向兄弟院校、业界企业的团体与个人用户提供“LabasaService”形态的虚拟仿真实验教学云计算服务，为兄弟院校提供以全面降低使用门槛在技术服务方面，利用先进的虚拟数据中心网络技术提供安全、稳健、灵活的虚拟仿真实验教学服务，充分保障虚拟仿真实验教学服务的品质。

三、网络工程部级虚拟仿真实验教学中心建设实践

依据上述基本建设思路，温州大学网络工程部级虚拟仿真实验教学中心主要进行了以下建设实践。

1.能力培养为导向的虚拟仿真实验教学体系

以“专业基本技能一综合实践能力一工程实践能力一工程设计/创新能力”的递进式模型为主线，围绕综合分析和解决复杂网络工程问题的能力进行了虚拟仿真实验教学体系建设，如下表所示。

其中，专业基本技能培养阶段的虚拟仿真实验以演示认知型、分析验证型以及基础操作型等形式为主，以对少量技能点的认知或理解为教学目标，以可视性、交互性表现突出的软件仿真技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度低；综合实践能力培养阶段的虚拟仿真实验以综合训练型为主，以对数个领域的大量技能点的整体掌握为教学目标，以仿真程度高的硬件虚拟技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度较高；工程实践能力培养阶段的虚拟仿真实验以工程演练型为主，以掌握真实网络工程项目的部署与实施、测试与验证为主要教学目标，以仿真程度高的硬件虚拟技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度高；工程设计/创新能力培养阶段的虚拟仿真实验以创新设计型为主，以掌握真实网络工程项目的规划、设计与开发为主要教学目标，结合软件仿真技术与硬件虚拟技术实现，网络工程问题复杂度最高。

2.工程应用为特色的虚拟仿真实验教学项目库

在虚拟仿真实验教学项目库的建设中，主要通过以下三种途径实现工程应用内涵与特色。

（1）虚拟仿真实验教学项目的技术与产品覆盖面接轨当前网络工程行业的热点应用领域与主流产品。包括网络互连、网络安全、无线局域网、协作网络、数据中心网络、运营商网络等，支持对这些领域各主流厂商设备的软件仿真或硬件虚拟。

（2）虚拟仿真实验教学项目的能力点定位与设计源于网络工程应用的实际需要，根据当前网络工程生命周期各阶段对工程能力要求的分布，对实验教学内容进行细致的梳理与筛选。每门课程精选出若干能力点，并依据规划与设计、部署与开发、测试与验证、运行与维护等不同阶段内能力点之间的关联性，有针对性地设计虚拟仿真实验教学项目的能力点组合方案。

（3）在虚拟仿真实验教学内容的组织与设计上，以能力点目标组合方案为出发点，以网络工程案例为背景素材，以实际需求和工程问题为导向，进行虚拟仿真实验教学项目的设计，保障其真实性、时效性以及针对性。网络工程案例主要来源于合作企业工程师参与或主持的工程项目，经过有丰富经验的工程师根据分级能力目标对复杂网络工程问题的分解、梳理与萃取。

当前，虚拟仿真中心建成的306个实验教学项目对应于分级能力培养目标的项目数量比例大致为4：4：1：1，其中直接来源于实际网络工程案例合计占总数的一半以上。

3.多元协同的虚拟仿真实验教学中心开发与建设方式

多元协同的开发与建设方式体现在三个方面，即高校与企业协同、教学与科研协同、教学研究与教学实践协同。

首先，通过与两家业界领军企业（思科系统与思博伦通信）的校企协同，在技术层面获得了网络功能虚拟化的授权，解决了对网络系统进行高度虚拟和仿真的核心技术难题，同时获得了工程师的加盟，增强了开发与建设队伍的整体技术实力；在资源层面得到了企业一线工程师队伍的宝贵经验，解决了虚拟仿真实验教学项目案例主要来源的关键问题；在管理层面借鉴了企业在线实验室开放与管理模式，解决了虚拟仿真实验教学服务的安全性和稳健性问题。

其次，充分利用高校教师队伍教学与科研并举的优势，依托教学与科研协同实现了科研反哺虚拟仿真实验教学。一是通过学生课外科技与创新活动等形式，将科研成果直接或间接转化成虚拟仿真实验教学项目，此类项目占总数近14%；二是在虚拟仿真中心的开发与建设中，转化了许多虚拟化与云计算领域的科研成果，到目前为止直接实施应用的发明专利共有6项，主题涉及网络服务质量、虚拟机资源配置以及云计算调度等。

最后，依托教学研究与教学实践的协同解决了虚拟仿真中心建设各个层面的多个关键理论问题。例如，针对虚拟仿真中心硬件平台的建设，先后依托两项浙江省提升地方高校办学水平专项资金项目开展了主题为“多租户虚拟数据中心网络建设”的研究；针对虚拟仿真中心软件平台的建设，依托浙江省高校实验室工作研究重点项目开展了主题为“‘实验教学即服务’的云计算模式构建”的研究；针对虚拟仿真实验教学的应用，依托浙江省高等教育课堂教学改革项目开展了主题为“依托虚拟仿真实验教学平台的混合式实践教学模式探索”的课题研究；针对校企合作开发与建设虚拟仿真中心的机制，依托浙江省高等教育教学改革项目开展了主题为“基于企业生态系统的分布式工程实践教育中心建设模式探索与实践”的课题研究。

4.虚实互动的实验教学资源使用模式

相对于传统的网络工程实体实验教学，网络工程虚拟仿真实验教学在以下方面具有明显的优势，对实体实验教学起到补足与增强作用。

首先，弥补了实体实验教学在开放时间、地点和方式上的不足，实现在任意安装有浏览器的终端设备上随时随地访问虚拟仿真实验教学资源以及实体实验教学资源进行练习，为自主性学习和个性化提供充分的保障。

其次，克服实体实验教学可见性与交互性差的弱点，实现对网络协议和网络系统工作原理的交互式可视化呈现，促进对基本技能点的J知、理解与掌握。

再次，克服实体实验教学在拓扑规模、网络特性以及管理便捷性等方面的局限，以低成本构建特性更丰富、结构更复杂的虚拟仿真实验教学环境，进而实现简捷高效的连接与配置管理，提高综合性实践教学的品质。

最后，克服实体实验教学由于成本因素而明显滞后于工程应用发展水平的局限，支持跨厂商、多系列高端网络设备，支持对复杂网络系统连接与配置的多视角可视化交互管理，用于在专业实习或毕业设计环节中对实际复杂网络工程项目进行快速概念验证。

为充分发挥虚拟仿真实验教学在支撑实践能力培养目标的不同维度上的优势，结合能力分级目标的特点，依据两者之间的内在逻辑关系，可以将实验教学资源的组合使用模式分为四种：虚辅实主、虚实并举、虚主实辅以及纯虚拟仿真。

（1）虚辅实主模式。利用上述第一与第二项优势，适用于专业基本技能培养阶段。虚拟仿真实验教学项目是对实体实验教学项目的近似仿真，虚拟仿真实验平台用于课前预习以及课后练习，而在课堂中使用实体实验平台与虚拟仿真实验相互印证。

（2）虚实并举模式。利用上述第一与第三项优势，适用于综合实践能力培养阶段。虚拟仿真实验教学主要面向开放实验项目、学生科技创新项目、专业技能竞赛等课外教育活动，而实体实验教学面向日常课堂。

（3）虚主实辅模式。利用上述第一与第三项优势，适用于工程实践能力培养阶段。虚拟仿真实验平台用于前期耗时较长、不依赖于实体设备的建模与部署环节，实体实验平台用于后期耗时较短、依赖于实体设备的验证与测试环节。

（4）纯虚拟仿真模式。利用上述第一与第四项优势，适用于工程设计/创新能力培养阶段。学生在进入企业学习阶段后，用于大规模复杂网络工程解决方案的概念验证，包括规划与设计、建模与开发，用于新建网络解决方案的展示、客户网络割接方案的预演以及客户网络故障排错方案的验证等。

当前，虚拟仿真中心所有实验教学项目覆盖10门专业课程、5门综合实践课程、4大类课外教育活动以及专业实习与毕业设计，时间跨度从大二下到大四。从整体人才培养过程来看，随着专业教育阶段的逐步深入，实践能力培养目标逐步提升，所涉及的工程问题复杂度随之提升，对实验教学平台支持能力的要求越来越高。相应地，所依托的实验教学环境也由以实体中心为主逐渐演变为虚实结合，最终过渡到以虚拟仿真中心为主。

5.虚拟仿真实验教学开放共享的实现与推广

虚拟仿真中心对外开放共享提供虚拟仿真实验教学服务的内涵包括管理服务与技术服务两个方面。在管理服务方面，使用高级服务调度引擎将所有虚拟仿真实验教学资源整合起来，以“实验教学即服务”（LabasaService，LaaS）的形态统一对外提供开放共享。此外，对于兄弟院校与行业企业等团体用户，为其提供专有的管理门户，便于自我管理。在技术服务方面，构建了安全、健壮、高效、可扩展的技术平台架构。其中，软件仿真前端提供可视化的实验教学体验；而硬件虚拟后台创建虚拟仿真网络的运行实例并提供远程配置与管理手段，而云监控与管理、云备份与安全提供充分的服务质量保障。

虚拟仿真技术建设篇6

关键词机电类专业；虚拟仿真；实验教学中心

中图分类号：G642.423文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）10-0021-04

ConstructionofMechanicalandElectricalVirtualSimulationExperimentTeachingCenter//LIJifang，XIEHuomu，SUNDaoheng，ZHUOYong，XUYingjie

AbstractTotrainstudents’comprehensivedesignandinnovationability，wesharequalityteachingresourcesandimprovetheexperimentaltrainingandteachingsystemforundergraduatesinXiamenUniversity.Relyingontechnologyasvirtualreality，multimedia，HCI，databases，andnetworkcommunication，wepracticallyconstructthemechanicalandelectricalvirtualsimulationexperimentteachingcenter.Basedoncombinationofvirtualandreal（preferringrealonceitisavailable），wefocusonconstructionofvirtualsimulationteachingresources，virtualsimulationplatformandtheteachingteam.

Keywordsmechanicalandelectricalengineering；virtualsimu-lation；experimentalteachingcenter

1引言

在机电类学生实验实训以及综合创新能力培养中，有一些是真实实验不具备或难以完成的教学内容，如机械设备内部结构不易观察；有一些是真实实践训练学生参与程度低、成本高的内容，如机床拆装、复杂模具装配等；还有一些实践训练高危、消耗大、不可逆。同时，实践教学存在实验教学空间有限、设备台套数不足、学生课上实验实训时间受限、教学资源紧张等问题。随着计算机技术和信息技术的发展，结合高等教育信息化建设开展机电类专业实践教学改革，成为克服实践教学环节技术困难的一条重要途径[1]。

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。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。

厦门大学机电工程训练中心是省级实验教学示范中心，面向全校16个专业对约2000名本科生开设机械技术实践训练和电气技能实践训练的课程，年实验人时数超过10万。另外，省级测控技术及仪器实验教学示范中心承担学院机电类各专业约300名本科生的专业实验课程教学。

随着学校机电类多学科的发展，对虚拟仿真实验教学的要求不断扩大，为了全面培养学生创新精神和提高实践能力，共享优质实验教学资源，进一步完善本科实验教学体系，以及满足可持续发展的需要，学校在机电工程训练中心和测控技术及仪器实验教学中心两个省级示范中心的基础上，整合机电类相关学科专业的虚拟仿真实验教学资源和人力资源，按照部级实验教学示范中心的建设要求，组建“厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心”。中心以建设和共享信息化优质实验教学资源为重点，开发大量虚拟实验项目和教学资源，搭建网络信息化管理平台，逐渐形成校内全部开放、校外预约开放的虚拟仿真实验教学模式，取得较大效益和成果。2013年12月，厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心入选首批100个部级虚拟仿真实验教学中心。

机电类虚拟仿真实验中心的建设工作主要体现在以机电类虚拟仿真资源的建设为核心、以虚拟仿真实验教学平台的建设为支撑以及加强教师队伍建设三个方面。

2以机电类虚拟仿真实验资源建设为核心

虚拟仿真实验教学中心建设理念机电类专业具有实践性强，对学生工程能力培养要求高的专业特点。厦门大学机电类专业虚拟仿真实验教学中心规划建设上以达到教学大纲所要求的教学目的为基本要求，以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能为建设重点，明确虚拟实验的定位，确立了“虚实结合，注重基础，融入前沿，开放共享”的建设理念。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，注重学生基础性实践技能的培养。建设资源满足反复练习、强化记忆的功能。充分利用本学科教师前沿的研究成果转化成虚拟仿真教学资源，让学生接触到本学科前沿技术，丰富实践教学内容。充分利用网络通信技术开放共享，学生可以24小时随时访问虚拟仿真实验室，满足更多学生在平台下自主学习、探究学习、协作学习的学习需求。

虚拟仿真实验室是传统实验室的延伸和有效补充，它可以弥补传统实验室的不足，可以丰富实践教学的内涵，带动实践教学模式的创新。虚拟仿真还可以辅助理论教学，使之成为理论学习的重要辅助手段。理论教学中抽象的、难以理解的内容可以通过虚拟仿真的形式展现出来，易于学生的学习与掌握。虚拟仿真实验深刻影响教师教学授课方式，带动专业建设与改革；可以激发学生学习兴趣，提高学习质量，增强教学效果[2]。

中心基于多年来虚拟现实技术的研究积累，在建设上充分利用机电类学科专业优势，发挥教师的自主研发能力，并积极利用合作企业的开发能力和支持服务能力建设虚拟仿真实验教学资源。多种形式的资源建设途径为虚拟实验教学提供了可持续发展的思路，校园网宽带技术的支撑为可持续发展提供了物质保证，优秀的教学团队及合作企业为教学资源的建设提供了技术保证，校企合作模式可保证新教学资源的开发和资源的维护更新，并进一步丰富教学内容。

虚拟仿真实验实训教学体系的构建中心在深入研究机电类包含的机械设计及其自动化、测控技术及仪器、电气工程及其自动化以及飞行器动力工程等机电类专业本科生培养计划的基础上，围绕“卓越工程师计划”，瞄准“培养具有创新精神和实践能力的高质量工程应用型人才和选拔科学研究型人才”目标，在充分分析现有真实实验资源的基础上，本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，构建了机电类虚拟仿真实验实训教学体系。

在机电类虚拟仿真实验实训教学环节中，采取阶梯递进式教学方式，在建设中把虚拟仿真实验实训教学内容分为三个实践层次：一是以强化专业基础实训技能为主导的实践层次；二是以强化专业课程实验技能为主导的实践层次；三是以强化学生综合设计和创新能力为主导的实践层次。通过建设和整合，各种形式的虚拟仿真实验教学资源构成了既层次分明、各有侧重，又相互渗透、互相促进的实践教学体系。

图1所示是中心虚拟仿真实验教学资源建设架构图。其中，专业基础实训类实验资源有15项，专业课程实验类实验资源有14项，综合创新实践类实验资源有12项。

第一层次：以强化专业基础实训技能为主导的实践层。该层次的虚拟仿真实验课程设置以机电类相关的基础课程为主，包括电工学、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术与应用、机床数控技术训练、数控切削技术训练、数控铣削技术训练等必修课程的实训。

这一类资源为软件共享资源，不带有实物对象，构建了高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，包括电气技术实践训练、数控技术实践训练、电子技术实践训练以及模具设计与制造4个实训门类共15门课程。这部分资源与机电工程训练中心从资源配置上充分体现了虚拟结合、相互补充的原则，其中一部分课程可补充目前实践训练所缺乏的参与程度低、成本高的部分，如模具拆卸与组装、数控机床机械安装等课程；一部分课程可作为真实实训教学的训前准备课程，这部分课程可减少真实实训的高消耗，如数控切削技术训练、数控铣削技术训练课程。

该层次的建设目的是让学生系统学习机电类专业的基础实验知识，掌握基础实训技能，深化理论知识的学习，培养学生独立思考、团结协作的精神，加强分析问题和解决问题能力的培养，从而达到培养学生专业学习的兴趣。

第二层次：以强化专业课程实验技能为主导的实践层。该层次的实验课程设置以机电类相关的专业课程为主，构建几个实验平台。

1）基于虚拟仪器技术建设的可远程访问虚拟仿真实验平台，属于仪器共享资源，含有信号与系统及传感器原理两门课程资源，共建设了15个实验项目，辅助理论教学，丰富实验内容。

2）工业机器人一体化实训平台，选取国内外主流品牌的典型工业机器人，以真实的工程应用项目为背景，基于真实的工作过程，构建集课程资源包、虚拟仿真软件、实物机器人为一体的“理、虚、实”一体化的教学与实训系统，可完成包括示教编程、离线编程、维护保养、装调维修、综合应用在内的全方位教学与实训任务。

工业自动化技术课程作为电气、自动化、测控专业一门典型的应用型课程，正面临从传统的PLC编程教学，向项目引导、实践型、工程化、开放性方向靠拢，实验室总是存在空间有限、资源有限的问题。中心自主建设大量工业虚拟仿真被控对象，同时积极引进国内外成熟的生产流水线的教学对象，充分重视虚拟实验环境的真实感、可操作性，解决了工业自动化技术实验教学中的瓶颈问题，促使教学方式方法改革，提供全开放学习环境，有效节约教学资源，激发学生学习兴趣。

另外，对机电类专业的一些核心专业课程，充分利用教师的教研成果，转化为虚拟仿真实验项目，丰富了实践教学内容。

该层次的建设目的是让学生系统学习相关专业实验知识，掌握专业实验技能，引导学生自主发现问题、解决问题，培养学生的创新能力、动手能力与团队合作精神。学生还可以综合运用多门课程知识实现完整应用，逐步建立系统的概念。

第三层次：以强化学生综合创新设计能力为主导的实践层。该层次的资源设置主要围绕完成综合性实验，以实验项目驱动的方式，由学生自主设计完成虚拟仿真创新型实验。另外，参加各种层次学生创新设计实践大赛完成科研方法训练。在这一层次的教学中，中心设立独立创新实验室，为创新活动提供指导，提供仪器设备和场所。采用开放的实验室管理方式，实验室全天对学生开放，有专任指导教师给予指导和服务。

该层次的建设目的是让学生在掌握基础实训技能和专业实验技能后，充分利用综合类实验资源，对学生进行创新能力和科研方法训练，培养学生创新设计和系统设计能力，激发学生创新热情和参与创新活动的积极性。

3以虚拟仿真实验教学平台为支撑

虚拟仿真实验教学资源能够为学生提供生动、逼真的实验学习环境，在广泛的学科领域提供更多的虚拟和仿真体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程和成果。虚拟仿真实验教学平台应支撑教学资源的开放，包括支持虚拟资源的在线开放、虚拟与真实的结合开放。平台还应具有良好的交互特性，如实验数据的采集、实验过程的指导、实验报告的在线收集与成绩评判等。

厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心目前已有成熟的信息化网络平台，一方面拥有独立的门户网站，能实现中心概况、实时新闻、中心动态、全部课程介绍等信息的；另一方面建设有远程虚拟仿真实验平台，能实现实验实训课程开放、学生选课、远程答疑、作业提交批改等教学管理功能。中心特别配套有专门高性能服务器，以满足信息化平台对性能及稳定性的要求。校园门户网站对校内外公布虚拟仿真实验教学信息，提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。

教学资源集成在远程虚拟仿真实验平台上，通过互联网可开展网上学习、考试、评价和互动交流等活动。平台提供不同的权限。

1）学生通过账号、密码由学生端登录系统，完成学习、阅读公告、自我测试、上传作业、实验实训项目练习、在线提问、讨论等内容。

2）教师可通过账号密码登录教师端，完成公告、授课、报告评判等授课行为。针对不同的学习群体，可以设置不同实验实训项目，组织学习与培训，并可以实时查看学员的学习次数及学习效果；针对总体情况，灵活调整个性化学习方案。平台集学习、实验实训、考试、评价、管理功能于一体，充分利用网络资源开展虚拟实验实训，实现了教学的在线网络化。

3）教务管理人员通过平台实现人员管理、教务管理等功能。

4）教学平台的运行与维护由负责后台管理的技术员完成，包括账号管理、权限设置以及实验模板管理。

虚拟仿真应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式转变为学生通过自身与信息环境的相互作用，实现自主学习、探究学习、协作学习。学生可通过互联网24小时操作，彻底打破传统实验室时间与空间的限制，在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。

4加强教师队伍建设

中心在建设过程中着力建设成了一支教学、科研、技术人员相结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进、学术水平高、教学科研能力强、实践经验丰富、勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。中心设置主任1人、副主任2人，并成立了机电类虚拟仿真实验教学中心发展委员会。本中心学科专业教师与信息技术研发人员配置合理，有专业教师36名（专任教师兼职为主），其中教授7人、副教授12人、助理教授17人，负责课程制定和教授；工程技术人员38

名，高级工程师6人，工程师32人，其中实验指导及资源维护25人，网络资源管理团队5人，负责网站建设、信息、课程教务管理；研发团队8人，与合作企业配合，能根据课程需要完成网络课程资源的开发、维护及更新。

中心借助厦门大学现有青年教师人才培养计划的政策优势、平台优势，通过吸取宝贵经验，积极拓宽人才培养渠道，进一步加强虚拟仿真和实验教学方面青年教师人才的培养力度。

5结语

厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心通过虚拟仿真教学资源的建设推广，达到了以下效果。

1）实现了教学资源的大范围共享，可供本校全校学生共享和部分校际共享。

2）丰富了课堂教学内容，利用更形象、直观的教学手段进一步激发了学生的学习热情，引导学生主动参与到实验教学环节，增强了教学效果。

3）丰富了实践教学手段，通过三维虚拟现实的动画演示、手工操作，增强了教学过程的真实性，引导学生能够亲自参与各种实践环节，提高了动手操作能力。

4）实现了高危、高成本、高消耗实践教学环节的现场化。目前开设有核电站运行模拟、精密机床拆卸安装、工业流水线控制等课程，通过虚拟仿真平台使学生有了更好的实践体验机会，增强了教学效果，提升了学生的操作能力。

5）突破了时间与空间的限制。随着学校的快速发展，厦门大学校园面积近9000亩，拥有思明、翔安、漳州三个校区，在校学生4万余人，虚拟实验教学中心的建设为跨校区、跨学科选课提供了可能，学生可全天24小时接入中心远程教学平台进行相关学习活动。

参考文献