職業(yè)院校虛擬仿真實訓(xùn)資源開發(fā)的方法與應(yīng)用

陶砂 張?zhí)烨?/p>

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100029

1 引言

為貫徹落實北京市教育委員會《關(guān)于北京“十二五”時期職業(yè)教育信息化規(guī)劃》的文件精神，利用云計算技術(shù)、3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——這些技術(shù)催生了應(yīng)用，應(yīng)用孕育了技術(shù)，探索開發(fā)職業(yè)院校的虛擬項目、虛擬工藝、虛擬流程、虛擬實驗、虛擬車間、虛擬工廠，形成虛擬對象與真實對象的有效對接，虛擬實訓(xùn)與真實實訓(xùn)的有機互補，全面提升職業(yè)院校的實訓(xùn)教學(xué)的可操性、實效性，避免危險性，降低高成本性、不可逆性和高耗費，為實驗與實訓(xùn)提供有力支撐。

2 虛擬實訓(xùn)資源

虛擬實訓(xùn)的概念是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真或虛構(gòu)某些情境，供學(xué)生觀察、操縱、建構(gòu)其中的對象，使他們獲得類似真實的體驗或者掌握知識理論體系的規(guī)律。

目前虛擬實訓(xùn)資源是非常豐富的，各大公司開發(fā)了很多虛擬仿真軟件與開發(fā)平臺，尤其是網(wǎng)絡(luò)版游戲仿真軟件風(fēng)起云涌，給開發(fā)商和網(wǎng)吧的投資者帶來豐厚利潤。而職業(yè)教育的虛擬仿真軟件與開發(fā)平臺顯得相對匱乏，這是因為職業(yè)教育涉及各行各業(yè)，一個權(quán)威的、界面友好的、能滿足各種用戶需求的仿真平臺編輯器尚未產(chǎn)生，而能滿足某一領(lǐng)域的虛擬仿真軟件與開發(fā)仿真平臺編輯器很多，如Pro E機械三維仿真平臺、VR-Platform三維互動仿真平臺和Tina電子線路三維互動仿真平臺等。這是因為虛擬技術(shù)具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性特征：沉浸性指人能夠沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中，由觀察者變?yōu)閰⑴c者，成為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一部分；交互性指是人能用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互，如同在真實的環(huán)境中一樣與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互關(guān)系；構(gòu)想性指人能從虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，進(jìn)而深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想。上述這些軟件都能滿足沉浸性、交互性、構(gòu)想性的特征。

3 職業(yè)教育虛擬仿真四層步驟

3.1 專業(yè)仿真軟件的應(yīng)用

專業(yè)仿真軟件很多，其特點是：在調(diào)試上，面向圖符對象的仿真軟件，不須任何編程學(xué)習(xí)，只需要填充控件或?qū)ο螅湍芊抡娲罅康膽?yīng)用系統(tǒng)，幾乎囊括現(xiàn)代所有領(lǐng)域的可視化、動態(tài)仿真系統(tǒng)、圖符表示的功能模塊。目前職業(yè)院校的教師在授課中常使用各自專業(yè)的虛擬仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。例如，TINA Design Suite v8專業(yè)仿真軟件是針對電路分析、設(shè)計和實時測試的軟件，它功能強大，易用性極高，具有模擬、數(shù)字、VHDL語言、單片機、電子電路和混合電路板以及PCB Layout布線仿真設(shè)計環(huán)境。學(xué)生可以便捷地快速分析開關(guān)電源、射頻、通訊、光電電路的各種真實情況，生成和調(diào)試使用集成的微控制器代碼流程圖，并在混合電路的微控制器應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行聯(lián)動測試。

TINA仿真系統(tǒng)獨特之處在于可以通過USB總線控制的TINA Lab II硬件，使計算機變成一個強大的多功能測試與測量儀器，完成從“設(shè)計需求”到“物理實現(xiàn)”的自動化設(shè)計過程。TINA技術(shù)大致分為電氣原理圖設(shè)計輸入、混合電路仿真分析、PLD設(shè)計、印制板（PCB）自動布線設(shè)計等環(huán)節(jié)。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)TINA是一個易用性極高的高性能電子電路仿真設(shè)計工具，而教師更喜愛TINA中包含的結(jié)合仿真內(nèi)核的訓(xùn)練環(huán)境等獨特功能。如圖1、圖2如示，分別是電路原理圖和面包板上實物元件連線、電路原理圖在面包板和PCB仿真。

另外，Pro E仿真軟件在機械零件、裝配及工藝處理上有強大功能，這些仿真軟件在行業(yè)內(nèi)是工程師工作的主要工具。但是這些仿真軟件都具有強烈的專業(yè)性，專業(yè)之間互通較少。還有VMware Workstation虛擬機軟件、硬盤分區(qū)、Boson NetSim模擬器等仿真軟件。

3.2 具有開發(fā)功能的專業(yè)仿真軟件的應(yīng)用

目前社會上大型3D游戲仿真軟件已經(jīng)很多，制作這些仿真軟件的公司開始瞄準(zhǔn)職業(yè)教育市場，推出許多虛擬仿真軟件，它的特點是可以針對不同專業(yè)，根據(jù)教師的專業(yè)需求，設(shè)計出某專業(yè)課的某些知識點和實訓(xùn)項目的仿真。

首先，采用仿真技術(shù)研究可節(jié)約大量的研究經(jīng)費，在一定程度上可替代真實的測試技術(shù)研究，至少可以起到相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)作用。

其次，能夠幫助科研單位把科研工作中積累的許多寶貴知識和經(jīng)驗加以總結(jié)，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，得以長期保存和便于檢索。

圖2 電路原理圖在面包板和PCB仿真

圖3 航模發(fā)動三維運行與零件裝配仿真

第三，全三維的場景交互有很好的可視作用，其直觀性和可交互性得到良好的體現(xiàn)。

例如VR-Platform三維虛擬現(xiàn)實平臺軟件，該軟件適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、所見即所得，可廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、環(huán)境藝術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、橋梁道路設(shè)計、互動廣告設(shè)計、軍事模擬等行業(yè)，它的出現(xiàn)將給正在發(fā)展的3D仿真產(chǎn)業(yè)注入新的活力。

VR-Platform的目標(biāo)是：低成本、高性能，讓每一個學(xué)生都能夠從“虛擬現(xiàn)實”中發(fā)掘出計算機三維的新樂趣，能與自己專業(yè)有效融合。

VR-Platform具有良好的系統(tǒng)架構(gòu)，無論是學(xué)生、教師，還是軟件開發(fā)人員，都可以在不同層次上以不同的開發(fā)方式，開發(fā)出滿足自己需要的各種應(yīng)用程序。如圖3所示，航模發(fā)動三維運行與零件裝配仿真。

在進(jìn)行仿真專業(yè)課程制作過程中要以行業(yè)需求為基準(zhǔn)，以專業(yè)實訓(xùn)要求為依據(jù)，根據(jù)不同的行業(yè)特點探索行業(yè)通用性的操作規(guī)范，確保開發(fā)的課程能夠得到行業(yè)認(rèn)可，最終建立起一批滿足行業(yè)要求，符合企業(yè)操作流程和規(guī)范的虛擬技術(shù)實訓(xùn)資源。要建立一套完整的虛擬技術(shù)實訓(xùn)中心，其硬件條件可根據(jù)學(xué)校不同條件自行組織，建議釆用主動式立體投影機、無縫軟邊融合技術(shù)的沉浸式環(huán)幕、虛擬現(xiàn)實成像及播放仿真平臺系統(tǒng)——三通道環(huán)幕立體投影系統(tǒng)、高端VR專業(yè)圖形工作站等設(shè)備。

虛擬技術(shù)（Virtual Reality）是借助計算機技術(shù)及最新研制的傳感裝置所創(chuàng)建的一種嶄新的模擬環(huán)境。它是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)等領(lǐng)域。它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者自然地對仿真世界進(jìn)行體驗和交互，最終使得參與者產(chǎn)生身臨其境的感覺，并且能直接參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。其最大特點是根據(jù)教師的不同專業(yè)需求，設(shè)計出精美的3D仿真。如圖4所示，旅游專業(yè)介紹圓明園正大光明景區(qū)虛擬3D仿真。

3D技術(shù)模式主要釆用max、3ds、flt、obj、dxf、dwg、dem，其中flt文件格式是專業(yè)虛擬仿真軟件MultiGen的專業(yè)格式，在實現(xiàn)過中，定義一個3DS Object類就可實現(xiàn)三維建模與仿真。

圖4 圓明園正大光明景區(qū)三維仿真

圖5 機器人與仿真軟件平臺

3.3 物理介入式的仿真軟件的應(yīng)用

由于仿真軟件平臺開發(fā)人員大多是軟件工程師，應(yīng)用仿真軟件平臺人員只需要關(guān)注腳本的編寫和項目的真實可操作性，如需美觀應(yīng)要大量的照片，也稱之為皮膚，增強3D的可視性。但是人們又提出更進(jìn)一步的要求——實物操作與虛擬仿真一一對應(yīng)，而且要求仿真軟件能夠控制實物的動作，甚至能模擬或預(yù)測實物動作的危險，如核燃料棒的泄漏、地震等。這就要求實物的動作過程中有大量的傳感器的物理量，經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換，以及RS232或485的通訊協(xié)議，與仿真軟件平臺中的I/O函數(shù)構(gòu)成事件，形成仿真軟件能夠控制實物的動作。以機器人為例，如圖5所示。

目前通用開發(fā)型的仿真軟件平臺是通過游戲軟件移植過來的，已有游戲手柄，它是一種開關(guān)量，利用GeyKey()函數(shù)就能調(diào)用，還有一種是游戲手套，手套內(nèi)放置了壓力傳感器可模擬CS游戲中許多武器的仿真。所以說物理介入式仿真軟件的開發(fā)應(yīng)用已近在眼前，但是難度較大，這不但需要開發(fā)人員與設(shè)計應(yīng)用人員必須具備軟硬件的綜合素質(zhì)，而且應(yīng)具備相當(dāng)水平的美術(shù)觀。

有實物介入式計算機仿真系統(tǒng)將成為職業(yè)教育仿真實訓(xùn)教學(xué)中的又一個亮點。隨著實訓(xùn)仿真技術(shù)的發(fā)展，實訓(xùn)內(nèi)容、實訓(xùn)手段、實訓(xùn)設(shè)備將發(fā)生變革，傳統(tǒng)的校內(nèi)、外實訓(xùn)基地模式將向校內(nèi)、外實訓(xùn)基地與虛擬實驗實訓(xùn)相結(jié)合的教育實踐模式發(fā)展。職業(yè)教育對仿真技術(shù)的需求異常迫切，這必將會帶動一批人加入到仿真在職業(yè)教育中的應(yīng)用研究隊伍之中。

3.4 全場景式真實仿真軟件的應(yīng)用

1）大連海事大學(xué)船艙模擬駕駛仿真系統(tǒng)。該船艙模擬駕駛仿真系統(tǒng)是仿真的最高境界，實現(xiàn)了實物與虛擬的有機結(jié)合。筆者參觀了該實訓(xùn)中心，但是沒有圖片，只能粗略地分析船艙模擬駕駛仿真系統(tǒng)。它是在原有的機艙三維模型基礎(chǔ)上，采用MultiGen Creator對相關(guān)設(shè)備的可操作部件重新建模，并依需對其進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化；結(jié)合船舶機艙的具體情況，采用Vega對船舶虛擬機艙內(nèi)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)；并在MFC平臺上開發(fā)具有實時仿真及交互控制功能的視景仿真系統(tǒng)。

概括起來，該船艙模擬駕駛仿真系統(tǒng)主要包括以下幾個部分。

①自定義運動模型的實現(xiàn)。對自定義運動模型的設(shè)計思路作了詳細(xì)分析，并實現(xiàn)了一種運動模型。

②虛擬駕駛艙碰撞檢測的實現(xiàn)。對虛擬駕駛艙碰撞檢測模型的Volume方法的設(shè)計作了詳細(xì)分析，對碰撞檢測模型實現(xiàn)總流程作了詳細(xì)規(guī)劃，設(shè)計出一種結(jié)合BUMP和Z的碰撞檢測方法。

③對虛擬設(shè)備進(jìn)行拾取操作的實現(xiàn)。對進(jìn)行設(shè)備拾取操作前的模型部件的創(chuàng)建和處理方法作了詳細(xì)講述，并根據(jù)機艙內(nèi)部模型部件的特征，制定操作方案，最后實現(xiàn)模型部件操作和SE2000之間的通訊。

④基于MFC的虛擬機艙視景仿真系統(tǒng)相關(guān)功能的實現(xiàn)。對在MFC上的系統(tǒng)總體實現(xiàn)流程做了詳細(xì)規(guī)劃，并講述了基于MFC的虛擬機艙視景仿真系統(tǒng)的相關(guān)功能的實現(xiàn)方法，如用戶視點在各虛擬設(shè)備間切換、視景仿真窗口的全屏顯示、場景中各參數(shù)能根據(jù)用戶需要進(jìn)行設(shè)定等。

2）北京石油化工學(xué)院的煉油廠模擬仿真。該工業(yè)仿真系統(tǒng)是針對真實工業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜工藝推出的加水模擬系統(tǒng)的解決方案，用實時三維可視化的方式，有針對性地解決工業(yè)領(lǐng)域中展覽展示、宣傳介紹、實時監(jiān)控、技能培訓(xùn)及技術(shù)服務(wù)等方面的難題。

該工業(yè)仿真系統(tǒng)用真實和縮小的系統(tǒng)模擬了煉油廠的工藝各系統(tǒng)及整體廠區(qū)環(huán)境外觀，并模擬仿真了各設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作過程。同時，該工業(yè)仿真系統(tǒng)還綜合了OpenGL技術(shù)、數(shù)據(jù)庫，以及其他多媒體技術(shù)、程序開發(fā)技術(shù)、顯示技術(shù)、互動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。筆者參觀了該實訓(xùn)中心，但是沒有圖片資料，故而也只能粗略地對其進(jìn)行分析。

①展示功能：可模擬展示工藝系統(tǒng)、機械設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)、性能、工作原理等。

②互動功能：可與操作人員互動，具有較好的操作性，操作人員可以第一人稱的方式隨意地瀏覽、展示、學(xué)習(xí)；

③體驗功能：操作人員可體驗真實工藝系統(tǒng)和設(shè)備的所有功能（操作使用、安裝施工、故障排除等）。

④教育功能：具有完整的知識庫，并具有完善的教育功能（教學(xué)、指導(dǎo)、培訓(xùn)、實訓(xùn)、考核）。

4 職業(yè)教育虛擬實訓(xùn)資源開發(fā)的方法

4.1 成立虛擬實訓(xùn)中心

雖然職業(yè)院校虛擬仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用都已展開，但大多是教師的個人行為，沒有形成職業(yè)院校自己的特色，絕大多數(shù)的虛擬仿真軟件都是購買公司的產(chǎn)品或定制的。在此，筆者提出虛擬實訓(xùn)資源開發(fā)的方法。

1）由院、系兩級實訓(xùn)基地構(gòu)成。

2）建議成立院級虛擬實訓(xùn)管理中心，由教務(wù)處和信息中心聯(lián)合管理，系部虛擬實訓(xùn)基地由各系部及相關(guān)專業(yè)教師組成。職責(zé)與任務(wù)：教務(wù)處負(fù)責(zé)管理實訓(xùn)中心總體方案制定及相關(guān)文件的起草；信息中心擔(dān)負(fù)基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的軟硬件技術(shù)實施和支撐；具有虛擬仿真軟件專業(yè)背景的教師負(fù)責(zé)學(xué)院虛擬教學(xué)的教研和教改工作；同時職業(yè)院校的系部負(fù)責(zé)對各專業(yè)的課程、項目、虛擬實驗進(jìn)行宏觀指導(dǎo)。

3）各系以專業(yè)為依托，構(gòu)建其虛擬實訓(xùn)基地，由主管實踐教學(xué)的系主任直接負(fù)責(zé)。

4）建立專業(yè)或?qū)I(yè)群的虛擬實訓(xùn)實驗室

5）開展對口企業(yè)合作

4.2 虛擬實訓(xùn)的方案

1）對來源于實際企業(yè)或單位的工作任務(wù)或子任務(wù)進(jìn)行虛擬，實現(xiàn)部分核心技能的核心教學(xué)；

2）對專業(yè)有關(guān)實際崗位的某些技能或操作進(jìn)行虛擬仿真；

3）對某些技能證書的考核環(huán)境及操作進(jìn)行虛擬仿真，實現(xiàn)技能證書的高通過率；

4）對源于企業(yè)的真實設(shè)計方案、設(shè)計工藝、流程、設(shè)計策略或算法進(jìn)行虛擬仿真，實現(xiàn)計算機類的課程實踐教學(xué)；

5）對源于企業(yè)崗位的操作流程或操作規(guī)范進(jìn)行虛擬仿真，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下就業(yè)崗位的實訓(xùn)需求；

6）建立與真實企業(yè)環(huán)境一致的虛擬工廠和車間，實現(xiàn)校內(nèi)生產(chǎn)實訓(xùn)和企業(yè)實際生產(chǎn)的有機統(tǒng)一。

4.3 提交虛擬實訓(xùn)的成效及成果

1）有關(guān)虛擬實踐的教學(xué)設(shè)計、教學(xué)方法、教學(xué)手段和科研論文；

2）有關(guān)學(xué)生虛擬實踐的作品與成果；

3）有關(guān)虛擬實踐的仿真平臺編輯器建設(shè)或案例展示；

4）有關(guān)虛擬實踐的教學(xué)科研立項與成果；

5）有關(guān)虛擬實踐的教材與專著；

6）有關(guān)虛擬實踐教學(xué)的專業(yè)建設(shè)、課程建設(shè)、基地建設(shè)的整體方案及成功經(jīng)驗。

4.4 虛擬實訓(xùn)的教學(xué)模式

1）構(gòu)建“理論學(xué)習(xí)——虛擬演練——實操訓(xùn)練”的教學(xué)模式；

2）虛擬仿真教學(xué)能將抽象理論形象化、直觀化；

3）虛擬仿真教學(xué)為學(xué)生提供自由探索的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力、理解能力和創(chuàng)新能力。

5 結(jié)論

虛擬仿真建設(shè)解決方案是特別針對教學(xué)資源建設(shè)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行頂層規(guī)劃和設(shè)計的，虛擬仿真平臺編輯器是促進(jìn)主動式、協(xié)作式、研究型、自主型學(xué)習(xí)，形成開放、高效的新型教學(xué)模式的重要途徑，是示范性院校和骨干院校展示和推廣本校教學(xué)改革成果的重要平臺。

虛擬仿真平臺編輯器是以資源共建共享為目的，以創(chuàng)建精品資源和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為核心，面向海量資源處理，集資源分布式存儲、資源管理、資源評價、知識管理為一體的資源管理仿真平臺編輯器。該編輯器實現(xiàn)資源的快速上傳、檢索、歸檔并運用到教學(xué)中，實現(xiàn)資源的多級分布式存儲、學(xué)校加盟共建等，具有虛擬仿真建設(shè)管理并能實現(xiàn)精品課程資源和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之間無縫聯(lián)接。

1）技術(shù)特點。虛擬仿真架構(gòu)合理，安全可靠，具有先進(jìn)性、實用性、開放性、通用性、標(biāo)準(zhǔn)化等特點。

2）先進(jìn)性。虛擬仿真平臺編輯器運用國際主流的技術(shù)，具有先進(jìn)的技術(shù)方案，提高系統(tǒng)的生存周期和運用。

3）規(guī)范性。基于國際、國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)資源的互通互導(dǎo)。根據(jù)專業(yè)教學(xué)資源內(nèi)容、形式、標(biāo)準(zhǔn)、所需存儲空間等特點，遵循通用的網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將虛擬仿真資源集成為資源庫。

4）安全性。系統(tǒng)方案中考慮的安全策略和安全機制包括：根據(jù)不同的業(yè)務(wù)要求，采用不同的安全措施；設(shè)備、數(shù)據(jù)介質(zhì)等某些關(guān)鍵部分考慮備份和冗余配置，保證其發(fā)生故障時不影響整個系統(tǒng)的正常運行等。

5）開放性。采用.net開發(fā)架構(gòu)和三層B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)跨越UNIX、LINUX和Windows仿真平臺編輯器運行。

6）擴展性。在硬件方面，對用戶設(shè)備支持對系統(tǒng)進(jìn)行靈活配置和組合，相關(guān)軟件能方便地升級和更新，系統(tǒng)容量保證滿足用戶量的考慮；在軟件方面，提供二次開發(fā)功能函數(shù)包，適應(yīng)不斷拓展的應(yīng)用空間。

7）自主學(xué)習(xí)。提供完善的講授型網(wǎng)絡(luò)課程庫、多媒體課件庫、素材和案例庫、專家答疑輔導(dǎo)系統(tǒng)，使用者可以自主完成專業(yè)課程學(xué)習(xí)。

最后感謝大連海事大學(xué)、北京石油化工學(xué)院、北京掌宇集電科技有限公司、中視典數(shù)字科技有限公司和北京森漢科技有限公司提供的有關(guān)資料。

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