虛擬仿真實訓平臺的研究與設計

海南經貿職業技術學院 陳長全

0 引言

隨著信息技術的發展，近年來虛擬仿真實訓平臺技術得到了廣泛的應用與推廣，虛擬現實技術在高職教育中的應用變得越來越重要，高職教育中，學生實訓需求大的問題通過虛擬仿真實訓平臺在教學中的使用可以得到有效解決；受訓渠道窄、個性化訓練不足、有效性不強、真實實訓室建設費用高等是當前高職教育實踐中存在的問題。本文就虛擬仿真技術進行分析討論，就高職教育中各學科使用該平臺進行教學的案例進行討論，對其中的技術難點和主要技術手段進行分析，結合國內外虛擬仿真實訓平臺應用的技術特點和國內該技術的成果和現狀展開討論，并描述了兩個真實虛擬仿真實訓平臺的應用實例。

為了達到培養出的高職學生職業技能與崗位需求相適應的教學目標，隨著教育信息化的快速發展，虛擬仿真實訓教學軟件在很多職業院校及高校中被廣泛使用，但是由于課程設置的多樣化及不同專業要求的不同，不同的學校所采用的教學軟件所使用的編程語言、體系結構、工作環境等都是有很大區別的，開發方法也是各有特性，且不同的實訓模型缺乏統一的操作模式和管理方式，造成數據無法實現共享，統一的集中管理不能被使用于各種仿真實訓教學軟件中，課程和相應實驗無法獲得有效支持，數據缺乏足夠的開放性，針對現狀我們應該認識到教學平臺的設計應該結合實際崗位設置在企業中的需求為依據，對實際生產中小概率事件、不易實施的內容應用于平臺的數據采集及技術中，借助現代化的技術手段建立出與傳統教學截然不同的實訓平臺以提高教學質量。

1 虛擬仿真實訓概述

1.1 虛擬仿真實訓的使用技術與特點

虛擬仿真實訓平臺中操縱實訓設備和儀器不是真實的，而是通過使用WEB方式進行虛擬仿真設備的構建，但是真實設備不具虛擬設備一樣的特性，開展虛擬實訓可以在不同地點和時間通過在互聯網上讓學生進行學習。虛擬仿真實訓作為一種計算機輔助教學方式在教育領域逐步發展，借助必要的設備與用戶進行交互。以計算機技術為核心，是計算機虛擬現實技術的實際應用，虛擬環境通過虛擬世界中視聽觸覺等一體化的物體應用，以教學體系中虛擬現實作為職業教育的手段，為實踐教學提供了有效的保障，因此，虛擬仿真實訓己成為職業教育重要的一部分。逼真的現代高科技生成技術可以使用戶獲得真實感受；沉浸性、構想性、互交性是體驗到的該技術的特點，通過建構實驗能進行對操作對象的觀察、使學生在虛構的工作情景中獲得體驗，得到職業能力的提高以及學習技能達到提升[1]。

1.2 虛擬仿真實訓平臺的理論基礎

理論基礎的建構主義是實訓平臺，體現在教學中由教師負責指導幫助以學習者作為中心，教師的身份從傳統單純的教學知識傳輸者轉化為協作者協助學習者認知完成，構建主義學習的理論隨著多媒體技術的發展應用和教育信息化程度的越來越高。以構建主義為協商基礎的學習情境有交流、情境與意義。交流協商學習過程中的兩種特征在建構主義中可視為一體。他們都是產生在全部學習者的想法通過雙方相互交換想法后都能被共同的學習群體所共享，從而進一步推進參與學習者的學習。是在過程文化社會互動中完成有關學習知識的一種理論，建構主義的理論基礎學習者的主動性是，它是基于人們的學習需求生成經驗理解構建的一種過程。在建構主義學習理論中所創設的真實情境就是情境特征，這是有利于學習者學習知識的意義建構。通過計算機工具與多媒體技術的結合創設情境工具是非常有效的。意義建構是情境化學習的最終目標，它的意義在于鼓勵學生積極探索主動學習，將學生從原來的被動學習中解放出來。

虛擬現實（VR）是近些年來計算機領域一種通過真實體會虛擬化和數字化處理模擬現實環境的新興技術。虛擬現實可以實現環境通過交互性技術的應用，體現浸入性主要特征，虛擬設備應用的體現性在人通過對實現使用中，體驗者對人的聽覺與視覺的感受而實現，這種真實感受能取代環境中的感受，此外設備檢測自然條件下還到的反應獲取真實的體驗[2]。它能真實體現虛擬現實環境中人的各種感受，會給體驗者帶來身處其中的體驗，并做出相應的交互行為進行回應。該技術通過將各項現代化技術進行融合到穿戴設備，實現浸入的先進理念。交互性體現在用戶體驗到的所有感受都是通過傳感器收集信息后再傳遞給系統的，然后用戶再通過感知的信息反饋給系統，從而體驗者從檢測到的信號獲取非常真實的感受。如圖1所示：

圖1 學生作為學習中心的教學結構示意圖

2 國內外虛擬仿真教學系統研究現狀

2.1 國外研究現狀

多媒體技術、遙現技術、3D打印技術、增強現實技術、虛擬世界，虛擬仿真技術、虛擬現實技術、可視化技術，人機交互技術，仿真技術10種仿真技術是國外虛擬仿真實驗教學應用較多的技術手段[3]。如表1所示：

表1 國外虛擬仿真實驗室的主要類別和形式

2.2 國內研究現狀

虛擬仿真實訓平臺這一教育資源隨著虛擬仿真技術和互聯網技術的飛速發展，也逐漸受到了教育界人士的青睞。目前國內投入運營的虛擬仿真實訓平臺屈指可數。 西南交通大學開發的實踐平臺已于2015年初完成，目前被西南交通大學、北京理工學院使用。此外15個專業的學生受益于通過遠程教學資源共享廈門大學機電類虛擬仿真實驗中心的開設，在模具數控專業、電氣專業等實現虛擬實驗。虛擬實訓平臺在全國很多高校都被推廣應用，這些虛擬教學手段一定程度改善了教學效果，推廣速度還不夠快；部分學校網絡資源匱乏運行速度較慢；學校計算機設備老舊；該項技術還處于應用起步階段，其作用未得到充分實現，例如覆蓋院校的范圍不夠廣，使得平臺資源使用頻率較低、其效果得不到充分發揮等。

3 建立虛擬仿真實訓平臺的意義

3.1 降低資金投入及升級平臺

實訓基地在各類高職院校都是通過大規模購置實訓設備實現的，但是，學校的財力有限，而且有的專業實訓設備價格昂貴，無法保證每個學生都能實操的教學需求。如果通過采用虛擬仿真技術僅僅需要采用計算機，就能滿足教學要求。采用虛擬仿真實訓還可以僅通過簡單軟件升級就可以進行平臺數據更新，這在一定程度解決了實訓平臺需要購置硬件升級在資金上的耗費，因此，虛擬實訓平臺可以實現高職院校降低實訓項目資金投入，及時與企業需求掛鉤，無論在時效性還是在經濟性上都能較好地滿足學校對實訓教學的需求。

3.2 極限工況模擬，崗位職業能力進一步提升

在真實平臺傳統實訓中一般會盡量避免對環境等會造成破環或者具有一定危險性的實訓，在對極端情況的處理中只能通過圖片文字或者視頻等方式進行操作。但在虛擬平臺的應用中，各種危險情境以及極限工況都可以被真實模擬出來，確保學生安全的同時又可以達到身臨其境的境界，使得學生均可對危險的產生以及處理方法進行全面了解和掌握，學生的崗位職業能力也會得以大大提高。

3.3 突破時空限制進一步提升學習能力

基于網絡的虛擬實訓平臺的應用較傳統意義上的實訓受限于需要在一定的教學環境中進行，操作對象隨著離開一定的實訓場所而消失，因此無法滿足學生課后的鞏固。通過虛擬實訓平臺的使用學生可以在課前就展開對接下來課程的預習等，課后也可反復操作，因此能實現對時空的限制突破，通過自主學習環境的構建在很大程度上能提升學生自主學習能力的實現。

4 幾種虛擬仿真實訓平臺的應用

4.1 PLC虛擬仿真實訓教學平臺案例

4.1.1 PLC虛擬仿真實訓教學平臺應用背景描述

高校PLC課程由于綜合性課程要求其集計算機技術、電氣技術、控制技術、等為一體的，不易實現機械拆卸是全實物對象在使用過程中的缺點，因此實踐教學有對于仿真實訓平臺有很高的要求。傳統的PLC實訓教學是在實驗室進行完成項目的程序編制和調試的，存在成本高、機型單一、軟件再升級困難和開發難度大的問題，同時也很難在實驗室配備較全的工業控制設備。而仿真實物則是通過使用PLC的全實物與仿真實物兩種被控對象進行平臺構建，能有效解決這些問題。因此通過建立虛擬實訓平臺應用可以實現提高課程教學實效。

采用B/S架構基于PLC虛擬仿真實訓平臺開發了3D虛擬現實場景VRMI，客戶端使用ActivcX完成的，核心功能模塊包括渲染該平臺與原理動畫模塊仿真軟件交互模塊、原理圖計算模塊和，理論學習PLC軟硬件協同可供學生進行原理圖繪制及實物接線、編制程序、提交完成并系統搭建實訓報告。學生可不受時間和空間的限制完成虛擬互動實訓，完成實現完整的以及逼真場景的仿真調試[4]。

4.1.2 PLC虛擬仿真平臺實訓案例

PLC實訓流程，學生在 PLC虛擬仿真實訓教學平臺，可基于任務或項目展開實訓，實現項目或任務相關的理論學習、實物接線被控對象聯合調試、硬件設計、軟件開發、及系統運行的學習流程，這也是一個完整工程項目的開發流程?？蓪崿F一個PLC控制任務或項目的實訓流程,從而完成完整的理論學習到硬件設計到軟件設計到協同調試的過程。PLC虛擬仿真教學實驗平臺是不受時空開放性的限制?？梢源蟠鬁p輕實驗室對硬件設施與場地的依賴，學生能夠經歷該平臺應用系統控制設計的全流程、完成軟硬件協同設計并[6]。

4.1.3 系統理論學習過程

平臺系統打開后，學生以自己角色登錄。在平臺登錄中選擇課程內容為“電氣基本技能及PLC應用”。以變頻器實驗項目舉例，先進入“傳送帶運行控制任務”，作為工業領域大量使用的設備，運行穩定操作能靈活是對傳送帶控制的要求。首先在理論學習部分教師也可利用該資源進行授課，學生可以通過PPT資源進行自主學習與探究學習。

學生需通過模擬平臺使用完成傳送帶運行控制任務，完成要求的正反轉持續運行、停機的控制功能正反轉點動運行，學生可在實訓欄目中通過PLC實現一臺傳送帶設備找到對應的任務。

4.1.4 原理圖繪制及完成實物接線程序

學生通過點擊實驗指導書可以看到平臺實驗要求給出了詳細的實驗目的，根據傳送帶控制任務要求，進行實物接線控制器的選擇、接觸器、電動機按鈕的選擇、繼電器中間等器件根據繪制的原理圖制作完成，然后完成控制主電路和回路，這是在硬件接線平臺完成的，根據需要進行布局元器件選型及接線。

4.1.5 程序編制完成

學生通過平臺打開編程器在完成硬件設計后，通過使用設計軟件進行平臺軟件設計工作的開展。具體項目軟件設計流程如下：

第一步，項目創建。通過“添加新設備”在設備與網絡中，通過點擊啟動進行項目名稱“創建新項目”完成創建及路徑填寫。 第二步，硬件組態的完成。選擇所需控制器，再完成通信參數等屬性內容配置的設置。第三步PLC變量，程序設計通過主程序先添加，同時再程序編寫完成。第四步，進行完成程序后程序下載工作。

4.1.6 完成軟件協同調試

在實現仿真器上，正確對邏輯軟件控制進行驗證，得到軟件是否完成基本調試，是否出現編程錯誤。進入實物仿真界面提供實物仿真功能使用，通過觀察可以發現傳送帶設備的虛擬仿真全運行過程和與真實設備具有一致性，控制效果可以直觀地觀測到。通過使用設備前端操作按鈕，可以避免學生主觀操作所導致的仿真平臺設備損壞，這也是平臺的優勢所在，這在進行協同調試時非常有優勢[7]。

4.1.7 平臺實訓報告與教務功能

學生可以打開教務管理端實訓報告功能系統，對實訓任務中的內容完成、進行查看并提交給教師進行評閱。此外，可以該平臺還能實現教務功能，教師在線答疑并查詢課程作業及成績，個人信息進行維護等功能。

4.2 工程訓練車削加工一體化實訓平臺建設研究

4.2.1 車削加工一體化實訓平臺建設的必要性

車削加工是高職院校工程類實訓教學中的重要環節，在教學中發揮著重要的作用。車工實訓教學內容較廣，需要學生對理論知識及基本的操作技能進行充分掌握，有助于加強學生理解加工工藝，有助于學生將理論與實踐相結合，通過對常用工夾量具的使用方法和安全操作技術，使其較快地掌握加工基本技能，從而提升實踐能力、工程意識和創新意識。因此在教學中開發了車削加工實訓平臺，通過平臺對文字信息、插圖信信息、動畫聲音以及視頻網絡流媒體進行虛擬仿真形式呈現，對于提升車削加工學習效果具有重要意義[8]。應用實訓平臺的學生不僅可以進行相關知識學習，同時學習能力和創新思維在通過運用平臺的虛擬模塊和仿真軟件功能中得到鍛煉，拓展學生各方面能力。同時該平臺豐富了教學內容，提高了實訓指導人員教學水平，并降低了教學風險和教學成本。如圖2所示：

圖2 車削加工一體化創新訓練平臺

4.2.2 車削工程虛擬仿真實訓平臺功能

真實的動手實踐操作通過進行仿真實踐，可以實現對安全操作工藝規則的熟練度提升，可以使學生能通過操作虛擬仿真實訓平臺實現真實操作與教學環境形同的虛擬仿真環境和設備。

仿真平臺在進行加工中對出現錯誤的地方使用標紅進行提示，學生則可通過系統建立幫助實現加工零件的工藝方案，實現車削加工的開展，平臺能正確識讀零件圖，合理選擇加工刀具并切削加工。虛擬仿真模塊使用具備的車床加工普通零件能力。教師根據零件的結構特性，合理選擇和指導學生進行分析并提出改進意見。通過工藝順序進行自動排序后，對零件進行虛擬加工并進行展示，學生通過系統平臺使用改進加工工藝。

學生通過確定加工方案，安全完成工件裝卸。能按圖紙要求提出零件加工中存在的問題，進行對零件質量的檢驗并且給出解決方案。

4.2.3 車削加工一體化創新訓練平臺建設內容

數字教學化建設：每個車削加工練平臺依據知識框架進行典型加工的操作，對平臺模塊涉及的包括加工工藝教工方法、車削加工基礎知識、工具量具夾具的使用結構的方法、設備的知識點、設備分析等，每個根據訓練車削知識點的特點進行數字形式的平臺建設，通過包括動畫、視頻錄像、錄音等直觀生態化創新集訓工作原理、設備的操作規程和操作方法資源、安全常識等知識，圖片虛擬仿真實訓平臺數字化教學資源等各項資源的應用，生動的解讀工程實訓加工平臺實踐教學的知識點。

通過平臺靜態圖的重點圖片，進行照片資源的展示和知識點的標注，學生對車床基本知識可以實現一目了然的掌握，如圖3所示：

圖3 車床基本組成

視頻資源建設：課程訓練教學中設備的操作方法以及實訓的操作步驟通過視頻教學資源表現，通過攝像機直接錄制的實景視頻。如車床操作模塊中車床刻度盤及手柄的使用、對刀和試切操作并經過視頻剪輯處理后形成錄像教學資源。實訓環境的真實性最大程度通過錄像視頻資源保證，學生對設備和操作流程通過實訓環境產生直觀感性的認識

4.2.4 一體化實訓平臺應用動畫資源方法開展建設

工程訓練實踐教學大綱中難于理解、抽像的的運動形式，可以通過平臺進行清晰的教學資源展示。例如，展示車床的內部傳動原理?？梢赃\用二維平面動畫展示形式進行展示，也可以通過三維立體動畫形式進行展示。車床傳動的知識點，通過虛擬仿真實訓平臺中，通滑液的流動在不同角度實現監測，車床部件也可以通過觀察度的不同視點實現觀測。

車削加工一體化實訓平臺的建設主要依托于數字化教學得以實現，平臺可以實現軟件及硬件設施的集合。數字化教學軟件包通過平板電腦作為硬件設備作為支撐演示虛擬實訓相關理論的動畫視頻。

4.2.4.1 基礎知識講解

車削加工涉及到的基本知識工藝、指導人員進行講解關系等內容，深入講解規程及安全操作工件安裝的進行。通過實訓平臺中該車床車刀、基礎知識模塊對整體結構中車床各部分及各傳動部件進行作用。

4.2.4.2 模擬加工

可根據該模塊進行選擇實訓平臺中虛擬車削加工車床的仿真模塊，保證學生學習了解正確的加工工藝順序，通過模擬加工視頻的收看，了解車削加工工藝以及加工順序，系統會幫助對一些典型零件的加工工藝進行設計，進而出現選項，任一選擇錯誤就會出現提示，通過選擇可觀看到正確答案，下圖4為實訓平臺車削加工模塊。

圖4 車削加工模塊

4.2.4.3 實際加工

學生在已熟練掌握車床的基本操作后，可以理論與實踐相結合分組進行車削加工操作。實訓平臺突出實際操作迎合了學生實習特點，針對性強，對學生自主學習及創新能力能得以最大限度培養。

5 結語

高職院校信息化建設通過使用虛擬仿真實訓平臺的建設，得到了進一步完善，高職院校通過對實訓教學平臺的使用以及管理對實踐教學水平的提升起到了積極作用。