“互聯網+”高精度非接觸測量虛擬仿真實驗室建設與探究

摘要：在互聯網飛速發展的大環境下，以及5G技術的到來，虛擬仿真在便捷高效、開放實用上得到更快更好的發展。虛擬仿真實驗室的建設，相比傳統實驗室，可以有效提高實驗教學的安全性，利于推廣應用。文章介紹了國內外虛擬仿真教學的發展的歷程，并以非接觸測量為例，分析了高精度非接觸測量虛擬仿真實驗室的優勢，促進高校運用“互聯網+”教育，提升實驗教學水平。

關鍵詞：“互聯網+”;非接觸測量;虛擬仿真;實驗室建設

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0139-02

現今，各大高校均設立有虛擬仿真教學實驗室，進一步提高了實驗教育質量。虛擬仿真教學實驗室能適用于多學科，多領域，便于快速形成配套管理體系。“互聯網+”的教育背景下，推進虛擬仿真實驗室的建設，打破傳統實驗教學的時間空間限制，虛擬仿真實驗室能減少因為天氣、地域等外部環境因素干擾，帶來較大的實驗誤差，影響實驗的順利進行。另外，虛擬仿真實驗教學能夠同時滿足較大規模的教學要求，對更多的學生進行實驗指導。

2020年，因突如其來的新冠肺炎疫情，學校教學任務受到嚴重影響，通過大數據，互聯網技術，以及對應硬件設備，實現了線上教學，虛擬環境的教學要求。虛擬仿真技術最大的特點是利用計算機技術替代實驗教學環境中的各種場景和環節，使得難以在一線教學中開展的場地、實驗器材等得以體現[1]。

1 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術又稱 VR （Virtual Reality）技術。現今，這項技術應用廣泛，如虛擬駕駛、虛擬自行車、虛擬劃艇等，在游戲娛樂及仿真教學上都有應用，其優勢不僅在于互動性強，還有場地限制性小，便于搭建虛擬仿真平臺等。

該項技術最早起源于國外，早在20世紀中期，電子技術應用和數字信息技術高速發展，為VR技術的誕生提供了一系列的技術保障。1956年，攝影師Morton Heilig發明了Sensorama，一款集成體感裝置的3D互動終端，它集成3D顯示器、立體聲音箱、氣味發生器以及震動座椅，體驗者可以觀看多部短片，對于當時的人們來說，體驗新穎，但設備體積龐大，使用條件也非常苛刻。因此，最早的VR技術運用不具有商用價值，僅作為隱秘信息查看，其技術功能相對單一。到20世紀70年代中期，民用領域才開始出現虛擬仿真技術，并在1984年，出現了第一款商業頭戴式VR設備——RB2，現在的主流頭戴VR設備與其類似，并且配有追蹤手套，解決了VR設備功能方向單一問題，但售價高昂，難以普及。1995年，著名游戲廠商任天堂發布名為Virtual Boy的游戲機，是一種頭戴式的游戲機，營造一種沉浸式體驗，但受限于技術，頭戴式的屏幕刷新率和分辨率較低，給用戶帶來了不適感，也未能推廣開來。從那時起，人們對于虛擬現實技術的探索從未停止，借助計算機信息技術的發展，虛擬現實技術也進步飛速，大規模地應用于人們生產、生活的各個方面，如儀器儀表、虛擬制造、電子產品設計、仿真訓練等。

20世紀90年代，計算機設備在我國發展普及，為我國信息化技術發展奠定堅實基礎。隨著技術應用條件的不斷革新及計算機技術應用水平的充分提升，我國信息化技術產業發展充分完善了全球互聯網產業發展布局[2]。虛擬仿真技術開始受到重視，越來越多的高校科研機構參與研發。

2 虛擬仿真技術在非接觸測量實驗的應用優勢

虛擬仿真實驗是利用三維建模軟件和虛擬現實軟件建立虛擬實驗場景與虛擬實驗儀器，對真實實驗進行模擬或重現，從而達到實驗目的的應用過程[3]。不同于傳統實驗方式，虛擬仿真實驗克服了傳統實驗平臺的一些不足，豐富和拓展了現代教育實踐的教育理念，推廣性更強。

根據測量方式進行分類，分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。接觸式測量即使用測量工具與被測物體接觸。因此，接觸式測量往往需要人工完成，測量效率低下，并且人為操作時，測量精度受人為經驗影響。測量一些精密元器件時，接觸式測量還有可能會劃傷元器件表面。所以，在特定情況下，非接觸式測量的優勢較為明顯，如測量效率高、不會劃傷工件表面等。

1）非接觸測量虛擬仿真實驗的安全性

非接觸式測量通常是基于光電、電磁等理論，無需接觸工件表面，就可以直觀地獲取工件表面信息，實際試驗操作中，非接觸測量方法主要有激光衍射法、激光掃描法、機械視覺測量等[4]。

非接觸測量虛擬仿真實驗是借助計算機硬件設備，通過計算機技術實現信息交互，對三維圖像進行處理，利用虛擬元器件對被測圖像進行測量，模擬現實實驗環境，但全程通過計算機來完成，極大地提高實驗的安全性、實驗的高效率。工科類的學生可通過預先實驗模擬，熟悉實驗步驟，能有效起到對實驗器材以及個人人身安全的保護作用。另外，面對一些復雜的測量環境，如高溫環境、寒冷環境下等，非接觸測量虛擬仿真實驗能模擬這些復雜環境，并且具有環境參數設置，模擬現實環境條件，以達到更加精確的測量。非接觸測量虛擬仿真實驗也可通過環境條件，如改變溫度條件、濕度條件、氣壓條件等，探索出最合適的測量環境條件，以提高測量的精確值，減少誤差。

2）強化基礎知識概念

高校課堂教學通常采用信息化教學，以多媒體設備為主要硬件設備，教師使用多媒體呈現豐富教學內容，利于學生從多個角度對知識概念理解，但是對于非接觸測量實驗課程，不能直觀地展現實驗過程。非接觸測量虛擬仿真實驗能很好地彌補這一缺點，仿真實驗過程中，學生能觀測到測量過程中的數據變化、數據處理的過程。因此，非接觸測量虛擬仿真實驗更加直觀地反映實驗過程，強化學生對基礎知識概念的理解。由于非接觸測量虛擬仿真在實驗教學方面的運用，實現了對知識概念立體化呈現，使高校實驗教學工作的開展，尤其是工科類學生，可以針對不同專業學科，優化教育策略，提高實驗課程教學靈活性，為后續階段實驗教學工作穩步推進創造良好的基礎條件。

此外，非接觸測量虛擬仿真實驗結果的處理，還為其他知識做鋪墊，如誤差補償、數控加工等方面的知識，針對非接觸測量虛擬仿真實驗數據的處理，進行面型擬合，并與理論面型數據進行比較，得出誤差模型，并對其進行補償，利用數控機床，將誤差模型導入，再對工件進行加工，可有效減少誤差，提高加工精度。這些操作流程步驟，可有效提高學生們的知識水平能力，對測量加工制造這些方面知識系統性掌握。

3）理論與實踐多元化能力培養

工科院校類注重實踐創新能力，突出應用型人才培養，院校提供相應的實驗實踐場地，培養出專業知識理論扎實，實踐動手能力較強，同時還具備一定創新能力的應用型人才。強化理論與實踐相結合，推行“理實一體化”課程，構建實踐育人體系，將專業能力培養貫穿人才培養的全過程[5]。非接觸測量虛擬仿真實驗的建設能夠滿足這些要求，理論與實踐并重，并且培養學生的創新能力。根據學生的學習能力以及學習任務的不同，也多元化開展教學任務，布置出不同的測量實驗任務，如針對平面、球面、非球面、離軸非球面、自由曲面等不同表面的非接觸測量，確保適用不同學生，不同任務的要求。

非接觸測量虛擬仿真實驗還具有計算機軟件操作能力的鍛煉，在完成仿真實驗的過程中，對計算機知識的水平能力的考驗也具有重要意義。對多種待測工件，如平面、球面、非球面、離軸非球面、自由曲面等不同表面的非接觸測量，提高了學生的學習能力，達到了舉一反三，靈活運用的效果。

3 基于“互聯網+”的非接觸測量虛擬仿真實驗建設

1）虛擬平臺搭建

使用計算機等硬件設備，整合三維建模軟件以及數據處理軟件，對所建理論曲面模型進行測量，利用設計虛擬仿真實驗軟件，選擇非接觸式測量儀器的類型以及參數，然后測量并收集數據，處理數據;根據處理數據的結果，與所建立的理論模型面型數據比較，得到理論誤差模型。高精度虛擬仿真實驗操作流程如圖1所示。其中登錄平臺可以更好地記錄學生實驗數據操作情況，便于指導實驗過程。最終得到的測量誤差模型，可以應用到誤差補償中，通過虛擬仿真實驗對被測工件加工補償減小誤差。

2）課后教學檢驗

實驗教師可登錄教師系統，后臺觀測學生課堂虛擬仿真實驗的過程，對其進行在線答疑，在線指導。另外，也可通過計算機終端資料發放、在線直播課程、仿真實驗演示等輔助教學，提升教學質量。由于教師計算機與多臺學生計算機終端相連接，教師的教學效率可大大地提高，對學生實驗結果可進行線上檢驗、線上批改，減輕教師工作壓力。

4 結束語

虛擬仿真實驗室是科技與教育相結合催生出的，其出現是為了解決實驗設備數量少以及場地限制等條件因素對教學的影響。 “互聯網+”是指在創新2.0（信息時代、知識社會的創新形態）推動下由互聯網發展的新業態，也是在知識社會創新2.0推動下由互聯網形態演進、催生的經濟社會發展新形態。通過互聯網與傳統行業的有機結合，迸發出更多活力。“互聯網+”高精度非接觸測量虛擬仿真實驗室打破傳統條件限制，為教學要求創造了更好的條件，解決了部分課堂矛盾，促進教學質量不斷提高。

參考文獻：

[1] 郭秀艷，馬國金，吳霞，等.“互聯網+”視域下虛擬仿真實驗教學[J].中國冶金教育，2021（1）：55-56.

[2] 楊萬霞.“互聯網+”背景下高校虛擬仿真實驗教學體系的構建與應用[J].吉林省教育學院學報，2021，37（2）：116-119.

[3] 陳莉.基于VRP的高中信息技術虛擬仿真實驗平臺構架研究[D].寧波：寧波大學，2014.

[4] 李鼎.零件輪廓尺寸非接觸式測量技術研究[D].成都：電子科技大學，2019.

[5] 李凡，朱禮貴，王海濤.“互聯網+”背景下汽車實驗線上教學模式探索與創新[J].內燃機與配件，2020（18）：233-234.

【通聯編輯：李雅琪】

收稿日期：2021-10-10

作者簡介：楊清（1982—），女，河南杞縣人，助理實驗師，學士，研究方向為計算機應用。