關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些思考*

◆岳峰麗 蔡玲 張昕 陳克

作者：岳峰麗、蔡玲、張昕，沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院副教授；陳克，沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院教授，研究方向?yàn)檐?chē)輛工程及汽車(chē)仿真教學(xué)（110169）。

1 前言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托現(xiàn)代計(jì)算機(jī)等手段，通過(guò)動(dòng)畫(huà)與計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停箤W(xué)生在網(wǎng)絡(luò)終端開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)揮專業(yè)教師的主觀能動(dòng)性，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與編制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)多學(xué)科合作的項(xiàng)目，涉及專業(yè)教學(xué)、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、工程仿真等方面，需要學(xué)校進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，必要時(shí)可以和專業(yè)軟件公司合作，共同完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高危或復(fù)雜、難以重復(fù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等情況時(shí)，提供安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色，將教師的科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，注重對(duì)學(xué)生專業(yè)技能和專業(yè)創(chuàng)新技能的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)，整合學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器與設(shè)備，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的統(tǒng)籌規(guī)劃。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心功能

1）利用信息化的重要技術(shù)，如有限元模擬、實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)錄像、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真，增強(qiáng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)掌握和基本能力訓(xùn)練；

2）構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的合理性；

3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為車(chē)輛工程教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)服務(wù)，按照教學(xué)大綱的要求，合理安排實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照教學(xué)大綱設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)演示、實(shí)現(xiàn)操作視頻、實(shí)驗(yàn)作業(yè)等，制作不同工藝參數(shù)的影響規(guī)律仿真動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話與實(shí)驗(yàn)資源共享。學(xué)生可以通過(guò)客戶端直觀地看到各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的規(guī)律，深入理解相關(guān)專業(yè)知識(shí)，有更多機(jī)會(huì)參加高水平的實(shí)驗(yàn)，享用優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神得到提升。同時(shí)使教師教學(xué)理念得到更新，教學(xué)能力得到提升，促進(jìn)教學(xué)管理體系和能力現(xiàn)代化。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)功能框架如圖1 所示。學(xué)生登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面，根據(jù)專業(yè)方向，選擇希望學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。用戶通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以查看對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)講義（包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程與操作視頻，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)界面下，用戶自行確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)分析，確定與該實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真動(dòng)畫(huà)，并提供實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片對(duì)比分析。用戶還可以進(jìn)一步下載仿真結(jié)果后處理文件，利用有限元工具，進(jìn)行后處理分析，獲得各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

此外，系統(tǒng)還提供了BBS 論壇功能，學(xué)生可以把實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題提出來(lái)，與教師一起討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性。系統(tǒng)管理功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目查詢、實(shí)驗(yàn)人員管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理、系統(tǒng)幫助與系統(tǒng)推出等功能。考慮到學(xué)生缺少企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)還提供了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)仿真功能，學(xué)生可以以通過(guò)該功能了解企業(yè)生產(chǎn)一線設(shè)備與工藝情況，加深對(duì)本專業(yè)知識(shí)的理解深度與廣度。

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)：

1）幫助學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解相關(guān)專業(yè)知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)技能；

2）學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成并提交實(shí)驗(yàn)作業(yè)與報(bào)告，及時(shí)和專業(yè)指導(dǎo)教師進(jìn)行溝通；

3）學(xué)生可以根據(jù)自身實(shí)際情況合理安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，避免因故錯(cuò)過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練環(huán)節(jié)；

4）實(shí)驗(yàn)教師可以及時(shí)掌握學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況，同時(shí)也可以為學(xué)生在真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)約安排。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是各教學(xué)單位實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，有助于教師合理科學(xué)地安排專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，最大效率地發(fā)揮學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力，同時(shí)也有助于學(xué)生掌握本專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

[1]岳峰麗,劉勁松.車(chē)輛工程課程在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[J].教育教學(xué)論壇,2013(20):216-217.

[2]李平,毛昌杰,徐進(jìn).開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(11):5-8.