虚拟仿真实验教学案例

虚拟仿真实验教学案例（共7篇）

虚拟仿真实验教学案例 篇1

教函2013年35号 签发:吴良

关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心申报工作的通知

各学院：

根据教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）(附件1)，现就我校国家级虚拟仿真实验教学示范中心申报推荐工作有关事项通知如下：

一、建设内容和任务

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。

（一）建设任务

虚拟仿真实验教学中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

（二）建设内容

1．虚拟仿真实验教学资源。发挥学校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

2.．虚拟仿真实验教学的管理和共享平台。建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。探索校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

3．虚拟仿真实验教学和管理队伍。建设教学、科研、技术人员结合，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。

4．虚拟仿真实验教学中心的管理体系。以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。

二、申报对象

本次国家级虚拟仿真实验教学示范中心申报对象主要为我校国家级实验教学示范中心和上海市级实验教学示范中心。非实验教学示范中心如已有相关的建设基础也可申报。请符合申报条件的学院根据自身的特色和优势自愿申报。

三、申报日程安排

1．9月16日前，各学院提交书面材料。包括：《国家级虚拟仿真实验教学中心申请书》（附件2），相关支撑材料（关于实验教学示范中心成立的批件以及相关政策、保障措施、规章制度等文件）。2．9月18日-30日，学校组织专家评审，遴选确定上报项目，并公示。3．入选项目按教育部通知（教高司函〔2013〕94号）要求准备视频、网站等其他相关材料，10月25日报送书面材料和光盘材料至教务处,电子材料一并发送至电子邮箱：mzmedu@dhu.edu.cn。联系人：毛志敏，联系电话：67792064。

附件：

1．教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）

2．国家级虚拟仿真实验教学中心申请书 3．国家级虚拟仿真实验教学中心遴选要求

虚拟仿真实验教学案例 篇2

实验教学是高等教育培养学生获取专业知识和技能的必要环节, 随着计算机虚拟技术和仿真技术在教育中的发展和应用, 虚拟仿真实验的地位日益凸显。尤其在机电类专业中, 虚拟仿真实验突破传统实验的限制, 在液压、数控等专业课程的实验教学中发挥了重要的作用。

二、虚拟仿真系统在实验教学中的优势

机电专业课程集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合。在实际实验时, 传统实验教学中用到的实验设备种类繁多、占地面积较大, 由于实验室空间限制, 单种设备往往数量比较少, 学生想要动手实验需要分组轮流使用, 实验设备因使用频繁元件极易损坏, 更新换代缓慢, 操作也比较复杂。为了弥补这些不足, 我们通过虚拟仿真技术辅助完成实验。虚拟仿真实验是通过软件操作来模拟实验过程, 得出仿真结果。与传统实验相比, 虚拟仿真实验具有以下优势:

1. 节省实验资源, 降低实验成本。虚拟仿真实验通常只需要计算机就能进行, 同一计算机可以完成不同课程多个实验项目的虚拟仿真。因此, 能够替代或者减少实验设备, 节省场地资源。此外, 虚拟仿真实验不需要耗材, 相对于专用的实验仪器设备, 硬件设备出现故障和损坏的几率更小, 极大地降低了实验的成本。

2. 实验内容更加灵活。实际应用中的实物实验设备一般都具有体积大、易损坏、种类少等问题。将虚拟仿真软件应用于机电专业教学实验中, 给学生的学习带来了极大的方便。使用虚拟仿真软件, 学生可以根据自己的想法, 设计自己所需要的实验坏境、实验目的, 并以此为基础, 完成整个实验, 验证自己想法的正确性。

3. 安全性高。学生在没有熟练掌握操作流程的情况下, 实际操作很容易产生人机伤害。比如, 在数控机床加工中, 错误的操作可能会造成电机损伤、刀具折断甚至异物飞出, 这样就给实验室带来了极大的安全隐患。虚拟仿真实验可以避免上述问题, 虚拟的设备不会对人机造成任何伤害。虚拟系统会自动提示错误的操作, 学生在实际操作前通过虚拟过程直观的了解了一些操作上的注意事项, 在一定程度上指导了实际操作, 规范了实际操作流程。

三、虚拟仿真系统在实验教学中的应用

( 一) 液压传动与控制

1. 液压课程及仿真软件概述。液压传动与控制是研究以有压液体为能源介质实现各种机械传动与控制的学科。研究液压传动及其控制技术, 就必须了解液压系统的工作原理、工作特点。但是仅仅通过课程理论学习对液压系统的了解具有很大的局限性, 我们需要通过实验来分析验证液压系统和元件的工作特性。因此, 液压传动与控制是一门与实验结合较为紧密的课程。

目前, 我校有两套FESTO公司的液压电液压实验平台, 每年约有120 名学生进行实验。实验室利用现有的计算机设备, 将虚拟仿真技术引入课程, 开设了液压泵的性能实验、节流调速系统实验等项目。实验室以液压分析软件为平台, 采用Fluid SIM软件进行虚拟仿真, 对仿真得到的数据进行分析处理, 然后通过分组进行实验台操作, 验证仿真得到的结果, 从而提高了实验效率。

2. 液压仿真实验实例。节流调速回路的基本功能是在三位四通换向阀的不同状态下, 双作用液压缸做往复运动, 调节节流阀的开口度, 观察双作用液压缸的运动速度, 记录数据, 通过实验数据处理来验证理论知识的正确性。利用FLUID - H软件和FESTO电液实验台模拟液压系统, 具体步骤如下:

( 1) 通过FULID - H软件构建液压回路图。如图1 所示, 该回路为进油路节流调速系统, 实验中需要用到的液压元件有: 双作用液压缸、压力表、液压源、三位四通换向阀。采用虚拟仿真软件操作, 能够方便的改变实验参数, 实验效率高。

( 2) 运行仿真系统。通过调节可调单向节流阀的开口度和液压缸的负载力, 来分析在不同开口度、不同负载的情况下, 液压缸的运动速度变化, 记录仿真结果。将仿真得到的数据进行处理, 生成节流调速回路特性曲线如图2 所示, 仿真结果与理论结果一致。

( 3) 在FESTO实物平台上搭建液压回路。参考液压仿真回路的设计, 在实验台上搭建实物回路, 验证仿真结果。

( 二) 可编程逻辑控制器原理与应用

1. PLC课程及虚拟组态软件概述。 可编程控制器 ( 简称PLC) 作为工业自动化三大支柱之一, 其应用几乎覆盖了所有工业企业, 是工业现代化的一个重要标志。《可编程控制器原理及应用》课程面向我校机械本科生, 是一门实用性、工程性和综合性都很强的课程, 课程目的在于使学生学习和掌握顺序控制系统的设计方法, 掌握设计原理与应用技术, 以适应工业技术发展的状况和社会需要。通过实验提高学生的动手能力、分析问题解决问题的能力, 加深对课程学习内容的理解。

使用组态软件设计PLC虚拟控制系统时。首先, 了解需要实现的控制目标, 然后通过变量设置, 虚拟界面设计, 动画设置, 命令语言编写等来完成系统开发, 这些工作主要由教师来开发。学生在熟悉面板和I/O分配的基础上, 进行PLC指令编写, 最终完成控制目标。虚拟系统可以通过动画效果展现实际工程动作, 学生更加直观的了解PLC指令编写及运行产生的效果。

2. PLC虚拟控制实验实例。以水塔水位自动控制系统为例, 水塔水位自动控制系统的基本功能是对水塔和水池中的水位进行检测, 通过检测到的水位数据, 做出相应的反应。要求学生通过PLC编程控制阀门1、阀门2 和水泵的运行, 其中水位的变化和水的流动通过组态软件编程和动画设置实现。

虚拟仿真系统主要设计步骤如下:

( 1) 上位机与PLC建立通讯。我校实验室采用松下FP∑系列PLC, 通过RS232 串口, 选择合适的通讯设置, 即可实现虚拟软件与PLC的实时通讯。

( 2) 设计图形界面。水塔水位控制的实验面板如图所示, 面板元素及变量包括水塔、水塔水位、水罐、水罐水位、水塔出水口、水罐进水口、从水罐向水塔抽水的电机及水管、开关按钮等。

(3) 变量定义及IO地址分配;

(4) 画面属性命令语言的编写;

(5) 编写PLC程序指令并下载到PLC中;

(6) 运行调试。

系统运行以后, 画面中能够清楚的显示水塔水位、水池水位的变化, 管道内水的流动, 指示灯随着水位的变化显示不同的颜色等效果, 逼近实际工程效果。

( 三) 数控技术

1. 数控技术与YHCNC软件概述。近几年来, 数控机床在工业生产中的使用越来越普遍, 数控技术也成为机械类专业学生必须要学习的课程之一, 但是直接用昂贵的数控加工中心进行学习很难实现, 为了满足教学使用的需要, 数控机床的虚拟仿真教学系统的发展, 具有重要的理论意义和实际价值。

我校现有YHCNC数控仿真系统十套, 每年满足100 多个学生的学习使用。YHCNC数控仿真系统可进行数控编程和加工仿真, 具有很强的三维仿真功能, 它是由三个窗口组成, 每一个窗口分别执行独立的操作, 并可以像实际机床一样在三个窗口之间相互交换信号。学生能够通过仿真任意设置工件尺寸、选择刀具, 机床在切削运动过程中会有故障报警功能 ( 碰撞、超程等) , 学生可以通过这些功能了解机床操作中可能会遇到的故障问题。软件采用对话框来简化刀具和功能的设置, 切削路径和刀偏路径可以同时显示, 通过编程输入将命令传给虚拟机床加工工件, 并实时显示程序路径和三维工件图形。

2. 数控虚拟仿真实验实例。以齿轮加工为例, 数控虚拟仿真操作步骤如下:

( 1) 在使用虚拟仿真之前, 先将需要加工的模型程序写到文本文档中, 并以NC文件格式保存, 在使用虚拟仿真系统时, 先将程序文件导入, 作为加工程序待用。

( 2) 根据需要加工的模型的尺寸大小, 设置合适的毛坯工件的尺寸, 然后根据加工件的特性, 选择使用合适的刀具。

(3) 对刀, 选择合适的加工原点, 为下面的机床加工做准备

(4) 系统开始运行。

( 5) 虚拟仿真顺利完成以后, 根据虚拟操作流程, 进行实际机床加工实验。

数控虚拟仿真机床的操作流程与实际机床的操作几乎一致, 这样既达到了让学生熟悉机床操作的效果, 也让学生了解了虚拟仿真的应用, 并且能够根据自己的爱好, 设计出自己想要的模型, 并实现加工完成。

四、机电专业虚拟仿真实验体系的构建

随着计算机技术、网络技术和虚拟仿真技术的飞速发展, 我校机电专业实践教学环节中的虚拟仿真实验的比重越来越大, 除了应用于上述专业课程, 在课程设计和部分毕业设计中都使用了的虚拟仿真系统。但对比于部分高校, 我校机电专业虚拟仿真实验室建设还处在落后阶段。一方面, 虚拟仿真系统在机械基础、机械制造等专业基础课程, 以及机器人、汽车等专业特色课程中的应用还比较少, 另一方面, 现有的虚拟仿真实验开放性程度还不够。本着提高学生学习能力, 丰富教学内容的原则, 我校在现有一定数量虚拟仿真系统的基础上, 正不断发展, 为学生提供更多优秀的实验资源和平台。

五、结语

将虚拟仿真技术引入到机电专业教学中, 可以促进教学方法的现代化和教学手段的多样化, 让学生自主构建虚拟场景, 激发学生的积极性和创新思维。虚拟仿真技术的应用, 弥补了传统实验的不足, 不但丰富了实验教学内容, 而且使学生通过人机交互的方式获得逼真的体验, 从中享受到学习的乐趣, 变被动学习为主动学习, 提高了学生分析问题的能力、设计实验的能力和设计效率。可以预见, 把虚拟仿真技术应用于机电类专业课程教学, 是教学发展的必然趋势, 也为实验室的开放提供了一种行之有效的解决方案。虚拟仿真技术会不断发展, 也会不断推进实验室的发展和实验教学改革。

近年来, 我校在实验实践教学中不断引入和增加各类虚拟仿真平台, 逐步建立机电液综合虚拟仿真实验室, 极大的丰富了教学内容, 提高了教学效率。虚拟仿真实验成为实践教学和研究中的有利工具, 激发了学生的兴趣和学习主动性, 提高了学生分析和解决实际工程问题的能力, 取得了理想的教学效果。

我校正积极发展虚拟仿真实验系统的建设, 为学习实践环节提供了极大的便利, 相信在不断地探索与发展中, 虚拟仿真系统建设将日趋完善, 为我校师生教学实践活动提供更多地支持。

摘要：简述虚拟仿真系统在机电专业课程实验教学中的应用, 以液压传动与控制、可编程逻辑控制器原理与应用、数控技术等课程为例, 介绍了虚拟仿真实验在机电专业实验教学中如何被设计和实现的, 虚拟仿真实验在实践教学环节中的作用日益显著, 并取得了良好的教学效果。

关键词：虚拟仿真,机电课程,实验教学

参考文献

[1]赵玉华.基于组态技术的PLC虚拟仿真系统[J].应用科技, 2005, 32 (12) .

[2]曹玉平, 阎祥安.液压传动与控制[M].天津:天津大学出版社, 2009.

[3]顾玉萍, 郝静.自动编程及仿真软件在数控技术中的应用[J].现代制造工程, 2007, (2) .

虚拟仿真实验教学案例 篇3

【摘要】在我国的工科学业类当中，机械原理则是作为一门基础专业课，它也是一门重要的衔接课程，在学习的过程当中，理论与实践学习是非常紧密的。在这门专业课当中，它会涉及到很多方面的课程，是需要应用贯通的，同时在学习时也要让学生从工程建设的理论角度来应用和理解这方面的知识，从而来培养他们应用机器设计理论知识来解决实际问题，并且也能够更为深入的研究其中的仿真实验设计，来提高学生的实践能力。

【关键词】机械原理 虚拟仿真实验 教学设计

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0184-02

在机械原理课程当中，最重要的一个学习环节就是课程设计，是通过在实验过程中学习完成的。在我国的高等院校中，它是作为工科类学生必修的一门课程，属于机械设计类的，也是一门主要的技术课程，占有主导地位，所以，如果要不断的提高对这类人才的培养，就必须要注重学习质量，建设在机械原理实验中的教学实验，把虚拟仿真设计融入其中，注重对这方面的培养学习，有效的分析研究在这门课程当中存在的问题以及实验设计的方法，把虚拟仿真实验充分的引入机械原理教学当中，从而提高教学效率，达到教学目标。

一、什么是虚拟实验

在我国高等教学当中，由于虚拟实验的发展起步较晚，因此，在高校的教学当中也比较匮乏在这方面的经验，并且在教学内容以及在模式当中都会存在一定的问题。我们都知道，虚拟仿真实验这门技术是非常先进的，虽然其发展是短暂的，然而在使用范围当中却是非常广泛的，在虚拟仿真实验的过程当中，可以让学生充分的了解和选择实验模型，并且更为深入的分析虚拟仿真技术的重要意义，应用在机械原理当中它的主要目的是什么，在分析机械原理的教学内容当中，更为有效的求证机械的综合创新，设计，金属材料，液压气压以及热处理等方面的技术问题，并且有着很大的帮助，通过虚拟仿真实验来达到教学的目的，在这个过程当中，一般学校会设立相应的实验机构，从而把所需要的实验设备进行集中管理，在这种模式下，它不仅丰富了实验性，同时也满足了教学的要求。对此，我们也可以看出，在虚拟教学中应用仿真技术，不仅提高了教学的视觉性，也更清晰的学习到机械原理的设计和工作效率。

二、当前实验教学的重要性以及问题

在机械原理的课堂教学当中由于会有很多的理论分析讨论，也会存在一些有关设计的问题，所以在进行机械原理教学时就必须要掌握好课程的理论知识，这也是最重要的基础环节，同时在基础教学中，我们不仅要掌握好这些基本概念，也是掌握好一些有关动力学和分析机构的相应功能性，通过在实践教学中，在设计课程实践的环节当中，这不仅可以提高学生设计实践能力，也可以完成一些较为复杂的综合设计，这对于全面培养复合型人才有着至关重要的意义，也是对实验教学提出了一个新的挑战，对此，改革实践教学是非常必要的。

1.在机械原理教学当中，通常进行实验时，主要是以示范和讲解为主，而学生只是以听为主，很难参与到实验当中，所以在这个过程当中学生并没有积极创新性，更没有机会参与到设计实验当中，而我们都知道，实验教学的目的就是为了有效的达到动手设计能力，并且让学生有认识和了解该门课程的具体操作实验，然而却受到了实验的限制，在一些教学中，学生没有机会对机械进行拆装研究，从而也就降低了学生在这其中的原理认识。

2.在机械原理的教学当中，一般是以课堂教学为主，而讲解理论知识时却占用一定部分的时间，对于学生来讲又难全部消化，所以并没有达到良好的教学目的，从而也就导致学生对这门课程的积极性越少。我们了解在机械原理学习过程当中一般主要是对其内部機构进行分析研究，其中的很多原理都是具体的理论化以及更为抽象的描述，这对于初学者来讲是非常困难的，如果不通过有效的实验来讲解其中的原理知识，学生不能有良好的衔接也就达不到理想的教学成效。

3.我们在为学生设计该门课程的思路时必须要有新奇的想法，从而来提高学生求知的积极性，一方面我们可以设计题目，把单一的题目有趣化，可以让学生通过题目要求来进行组合设计。另一方面我们也可以通过图解的方法来设计实验，但是由于设计的工作量较大，所以不能很好的训练学生在这方面的能力。通过课程设计可以有效的来升华机械原理实验的过程，也可以总结在这门课当中所遇到的问题以及难点，让学生通过实验来解决和认识机械原理理论知识，提高他们在工程实践方面的综合能力。对此我们可以看出，在机械原理教学过程当中，必须要把综合设计与理念有效的相结合，并且把理念知识与实践密切的融入到其中，可以更为直观的分析出机构综合性能，解决教学中的问题。

三、在教学当中的具体应用

1.在机械原理的教学过程当中，制图是最基本的一门应掌握的技能。在过去的学习模式当中，学生一般是通过手工进行绘图的，并且在这个过程当中，可以逐渐的了解机械机构的组成以及它的部分构造.从而可以充分的了解和掌握机构功能。然而在现如今的教学模式中，已经发生了很大的改变，可以应用计算机进行测绘实验了，可以不再应用手工绘画，通过计算机软件可以进行操作，并可以达到理想的效果，在这种教学过程当中，与时代同步，学生不仅融入了一些先进的应用方法，同时也掌握了虚拟仿真技术这门较为先进的应用方法，只是应用计算机便可描绘动态的机械制图，让学生在提高机械原理知识，还可以精算出机械的自由度，可谓一举两得。

2.在虚拟实验当中，机械机构组成是作为最重要的一个认知实验，在实验过程当中学生通过观察它的空间、平面以及齿轮结构，从而有效的确定设备是否在正常情况下进行有效的运行，而我们所应用的虚拟仿真实验恰恰就可以把它的组成变为一种图像，此外，也可以把它制作成动画的效果进行演示，更为立体的表现出它效果。由于在机械设备当中，基础的装置机构一般是用来维持机械运行重要元件，而它的原理与状态也是非常有影响意义的，对此，如果让学生更为充分具体的掌握机械原理的实验，就必须要了解虚拟仿真技术，因为它的作用是非常明显的，这也是有助于提高教学目的的重要手段。

3.在近些年以来，通过在机械原理教学当中，老师为了提高学生的四杆运动原理知识，便研发了一种新型的运动技术，在这个实验当中我们可以发现两方面特点，第一，可以让学生充分了解运动规律以及机构类型，也让学生掌握了机械的运行特点，怎样有效的研究机构在运动时的规律以及各种类型特点。第二，在设计四杆机构时，设计合理的四杆机构是有助于学生掌握专业知识以及操作的，由于系统在运行当中会存在很多问题，所以在进行设计时就必须要考虑到它的稳定性，安全性，具有牢固的理论基础。

四、结论

机械原理则是作为一门基础专业课，它也是一门重要的衔接课程，在学习的过程当中，理论与实践学习是非常紧密的。在这门专业课当中，它会涉及到很多方面的课程，是需要应用贯通的，对此，在学习当中就必须要提高其质量，建设在机械原理实验中的教学实验，把虚拟仿真设计融入其中，有效的分析研究在这门课程当中存在的问题以及实验设计的方法，把虚拟仿真实验充分的引入机械原理教学当中，从而提高教学效率。

参考文献：

[1]万朝燕.雷蕾.刘彦奎等《机械原理课程设计》改革的探索与实践[J].教育教学论坛.2013（2）

[2]姚智华.易勇.陈丰等.应用型本科院校机械原理课程改革与实践[J].安徽工业大学学报.2013（1）

[3]顾文斌.王怡.庄曙东.基于卓越工程师计划的机械原理课程改革与创新[J]. 中国电力教育.2013（16）

[4]孙志宏.单洪波.庄幼敏等.提高学生创新能力改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索.2007（11）

虚拟仿真实验教学案例 篇4

摘要：结合国家级经济管理虚拟仿真实验教学中心建设实践，对经济管理虚拟仿真实验教学平台建设进行探析，构建了“过程仿真+O2O协同”的实验实训实战研发一体化虚拟仿真教学平台，拓宽了经济管理虚拟仿真实验教学空间，提升了学生的实践和创新能力。

关键词：虚拟仿真;经济管理;实验教学;O2O协同

虚拟仿真实验教学平台体现了信息技术与学科专业融合带来的实验教学创新,能够从根本上提升实验教学质量。为了加强虚拟仿真实验教学建设，重庆工商大学经济管理虚拟仿真实验教学中心以培养学生能力为导向搭建了“经济管理+创新创业”虚拟仿真实验教学平台，使学生在虚拟世界里实验经济管理、在仿真环境中实践创新创业，切实提升了学生的综合能力。

一、经济管理虚拟仿真教学平台建设思路

经济管理类专业以培养具有扎实的专业知识和较强的实践能力、创新精神的高素质应用型人才为目标。虚拟仿真实验教学平台的建设应将理论知识与能力培养相结合，遵循能力导向原则，通过多主体建设、多层次推进、全过程培养，将经济管理多学科专业知识和技能融入虚拟仿真教学，提升学生的实践和创新能力。

1.建设主体多元化。经济管理虚拟仿真实验教学平台的建设应实施多主体驱动，将经济管理学科专业知识和技能作为虚拟仿真实验的第一融入者，为开展虚拟仿真实验提供项目孵化思想，通过实体实验为虚拟仿真项目落地提供动力，通过科研机构为科研成果向创新创业项目转化提供平台，通过校企合作为虚拟仿真实验提供方向和支撑。

2.建设内容层次化。按照“基础虚拟仿真—综合虚拟仿真—创新创业综合商务虚拟仿真”的层次关系，建设学科专业开放实验平台、跨学科综合实训及竞赛平台、创新创业实战仿真商务平台和实验教学研发平台，通过各层次内部及相互间线上与线下、虚拟与实体、指导与操作的有机衔接，共同构成互联互通的经济管理虚拟仿真实验教学平台。

3.建设内涵全程化。通过“双对接”构建虚拟仿真实验教学平台。即一端对接实验课程和实体课堂，实现经济管理学科专业对创新创业的引领，一端对接地方政府和企业，将大学生创业者和创新创业公司输送到创新创业孵化园、“众创空间”和创新创业基地，形成分工明确、循序递进、涵盖从经济管理到创新创业全过程的虚拟仿真实验教学平台。

二、经济管理虚拟仿真教学平台建设内容

重庆工商大学经济管理虚拟仿真实验教学平台以培养提升学生的分析力、创造力、领导力及创新创业能力为宗旨，以“过程仿真+O2O协同”为理念，借助虚拟现实、多媒体、人机交互等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，形成由学科专业开放实验平台、跨学科综合实训及竞赛平台、创新创业实战仿真商务平台、实验教学研发平台组成，教学与研发相融合、基地与平台相结合、线上与线下一体化的“实验—实训—实战—研发”虚拟仿真教学平台，使学生的综合竞争力在从虚拟到仿真的全过程中得到提升。

1.学科专业开放实验平台。利用“项目超市”开放实验项目平台，对原有的独立实验项目和实验课程内含项目进行整合。按照“分以自主搭配实现‘菜单式’自选实验、合以知识点为脉串成实验课程”的原则合理重构，形成自选开放实验项目库，并基于项目库构建学科专业开放实验平台。在该平台中，学生可以按照已有的学科专业导向选修课程和项目，也可以根据自身需求自由组合课程和项目，形成满足自己需要的课程模块，真正实现了时间、空间、项目的全面开放，有效提高了学生的学习积极性。

2.跨学科综合实训与竞赛平台。通过将跨学科综合实训与学科竞赛相结合，实现以训备赛，以赛促学，切实提升学生跨学科、跨专业的综合能力。该平台依托信息技术虚拟仿真经济环境、政务环境和公共服务环境，为学生营造与真实经济活动相近的实战情景，提供角色演练、指导训练、讨论答疑等全过程实训环境。同时，利用各级学科竞赛平台，鼓励学生利用实验室资源和网络平台参加竞赛，实现“教赛学”一体化培养。

3.创新创业实战仿真商务平台。以专业能力训练、创新思维训练、创业项目训练和公司经营实战为主要内容，实现虚拟仿真与创新创业的有效结合、专业实验与创业实践的有机融合。该平台按照“3+X”模式构建，依托“经济管理创新创业实训基地”、“大学生创新创业孵化基地”、“大学生创业经营集团有限公司”，采用专业公司型、跨境电商型、集团控股型等模式培育孵化大学生创新创业实战仿真公司。同时，利用该平台培育孵化“大学生创新创业训练计划项目”，组织指导学生参加创新创业大赛，实现“教赛学创”一体化发展。

4.虚拟仿真实验教学研发与交流平台。以实验教学研究所和创新创业研究所为基础，依托长江上游经济研究中心、重庆市发展信息管理工程技术研究中心、成渝经济区城市群产业发展协同创新中心，实现虚拟仿真实验教学研发与科学研究的有机融合。目前，该平台自主研发了《宏观经济运行虚拟仿真》、《大学生创业仿真与小微企业成长》等虚拟仿真实验课程，出版了系列实验教材、专著，定期出版《经管实验创新论坛》，举办《启智学创论坛》，为经济管理虚拟仿真实验教学改革与创新提供智力支撑。

三、经济管理虚拟仿真实验教学平台建设特色

1 .基于云技术打造虚拟仿真实验教学平台。运用分布式和虚拟化技术，促进数据中心云化，形成独立的云计算数据中心，将教学资源、软件、实验教学管理与服务、虚拟仿真实验教学资源交互共享管理等数据和管理系统存放在云存储系统中，实现各种教学活动在云计算数据中心的运行，通过虚拟化共享提升资源的利用率，提升教学交流与互动功能。

2.基于信息化手段实现虚拟仿真实验教学资源共享。构建基于信息化环境和网络平台的实验教学资源共享架构，按照线上、线下的不同需求，将能在网络上实现的资源共享和教学活动放到网络上完成，不能在网络上实现的放在线下完成，实现了实验课程、项目、软件、数据库、案例库及其他资源的.有机协同，实现实验教学资源线上线下一体化的平台互动。

3.结合课程特点打造虚拟仿真实验教学环境。依据经济管理虚拟仿真实验教学的特殊性，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，根据每个实验项目的实验学时、类型、内容、流程的不同特点，通过虚拟实验设备，构建了虚拟要素、虚拟场景、虚拟空间和过程仿真、模型仿真、情景仿真、角色扮演、O2O操练等虚拟仿真实验教学环境。

4.借助仿真手段构建高度仿真的虚拟实验对象。深入经济社会发展和企业管理实际，将行业、企业发展与市场经营的真实数据和案例融入实验教学，赋予实验资源真实内涵，构建以真实的区域行业、企业和市场发展数据为驱动、可进行过程再现和角色扮演、能够根据各种模型进行分析决策仿真的虚拟仿真实验对象，使学生在虚拟环境中实验，在实战仿真中提升能力。

参考文献：

[1]伟杰,靳春华.仿真实验在国家级实验教学示范中心建设中的作用[J].实验室科学,2010,(2):109-111.

[2]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,(12):5-8.

[3]周世杰,吉家成,王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育,2015,(9):5-11.

[4]韩芝侠,魏辽博,韩宏博,等.仿真虚拟实验教学的研究与实践[J].实验技术与管理,2006,(2):63-65.

虚拟仿真实验教学案例 篇5

方案

虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。数虎图像拥有多名虚拟现实软硬件工程师，在虚拟现实实验室建设方面有着无与伦比的优越性！

下面请跟随数虎图像一起，让我们从头开始认识虚拟现实实验室。【虚拟现实实验室系统组成】：

建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决方案。

数虎图像根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征，并结合多年的虚拟现实实验室建设经验，最新推出的虚拟现实实验室系统提供以下组成：

虚拟现实开发平台：

一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括两个部分，一是硬件开发平台，即高性能图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站；另一部分为软件开发平台，即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分，负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台，同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转，与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此，虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少，而且至关重要。虚拟现实显示系统： 〃高性能图像生成及处理系统 〃具有沉浸感的虚拟三维显示系统

在虚拟现实应用系统中，通常有多种显示系统或设备，比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统，而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统，因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性，而在这些所有的显示系统或设备中，虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统，因此，该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式，也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。

虚拟现实交互系统

多自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一，也是虚拟现实技术的精髓，离开实时交互，虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义，这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别。在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设，它们主要是6自由度虚拟交互系统，比如：力或触觉反馈系统、数据手套、位置跟踪器或6自由度空间鼠标、操纵杆等等。

虚拟现实集成控制

一个大型的虚拟现实系统包括很多组成部分，比如:多台投影机、音响系统以及多路视频的输入和切换,甚至是辅助的灯光和窗帘,这些都需要方便的控制和管理,每个部分又包括很多产品和设备，这些产品设备之间需要相互连接、相互依赖，彼此之间协同工作。然而，这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作，就需要进行管理，集成控制系统便是承担该项工作的载体，有了集成管理控制系统，上述一系列工作通过简单的遥控器就可完成整个操作过程。通常，一部分用户并不重视这个部分，而该部分在虚拟现实系统中恰恰又是非常重要的，一个完善的集成控制手段能使用户很方便的使用虚拟现实系统，并能将虚拟现实系统中各个部分的功能充分地发挥出来，如果没有集成控制系统这部分，往往造成整个虚拟现实系统利用率低、系统管理困难、系统稳定性差、协同工作能力低下等等一系列问题。

在通常的集成控制系统中最典型的设备就是中央控制系统或矩阵系统（如图），这些设备功能强大、操作简单、使用便捷、管理方便，它是整个虚拟现实系统有效管理和运行的基本保障。【虚拟现实实验室设备配备】

虚拟现实实验室主要实验设备包括 ：虚拟现实技术的特征之一就是人机之间的交互性.为了实现人机之间的充分交换信息，必须设计特殊输入和演示设备，以影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。不同的项目可以根据实际的应用可以有选择的使用这些工具，主要包括：VR系列虚拟现实工作站、立体投影、立体眼镜或头盔显示器、三维空间跟踪定位器、数据手套、3D立体显示器、三维空间交互球、多通道环幕系统、建模软件等。

数据传感手套

观察者还可借助数据手套等设备来操纵虚拟场景中的对象，数据手套中装有许多光纤传感器，能够感知手指关节的弯曲状态，观察者通过手指的活动来实现与虚拟场景交互作用数据手套是一种多模式的虚拟现实硬件，通过软件编程，可进行虚拟场景中物体的抓取,移动,旋转等动作，也可以利用它的多模式性，用作一种控制场景漫游的工具。数据手套的出现，为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段，目前的产品已经能够检测手指的弯曲，并利用磁定位传感器来精确地定位出手在三维空间中的位置。这种结合手指弯曲度测试和空间定位测试的数据手套被称为”真实手套”，可以为用户提供一种非常真实自然的三维交互手段。在虚拟装配和医疗手术模拟中，数据手套是不可缺少的虚拟现实硬件的一个组成部分。

立体眼镜

三维眼镜是用于观看立体游戏场景、立体电影、仿真效果的计算机装置，是基于页交换模式(Pagefilp)的虚拟现实立体眼镜，分有线和无线两种，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。基于页交换模式(Pagefilp)的立体眼镜，分有线和无线两种。均为图形工作站用立体眼镜（Shutterglasses）许多专业软件都支持CrystalEyes，如机械CAD、产品可视化、仿真、分子建模、地理信息系统/测绘和医学成象等。彩色图像真实、高分辨率。

头盔显示器

无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力，头盔显示器都得到了应用。比如军事上在车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、车辆和飞机的炮瞄系统等需要信息显示的，都可以采用头盔显示器。在CAD/CAM操作上，HMD使操作者可以远程查看数据，比如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音公司在采用虚拟现实硬件技术进行波音777飞机设计时，头盔显示器就得到了应用

三维空间跟踪仪

三维空间跟踪定位器是用于空间跟踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分。

3D立体显示器

3D立体显示器是一项新的虚拟现实产品，过去的立体显示和立体观察都是在CRT监视器上戴上液晶光阀的立体眼镜进行观看，并且需要通过高技术编程开发才能实现立体现实和立体观察。而立体显示器则摆脱以往该项技术需求，不需要任何编程开发，只要您有三维模型，就可以实现三维模型的立体显示，只要用肉眼即观察到突出的立体显示效果，不需要带任何立体眼镜设备；同时，它也可以实现视频图像（如立体电影）的立体显示和立体观察，同样也无须戴任何立体眼镜

虚拟现实工作站

立体投影

立体投影仪，其构成中包括壳体、投影仪、偏振镜片、投影屏，投影屏和投影仪分别位于壳体前、后方，偏振镜片位于投影仪的投影镜头前面，投影仪和偏振镜片的数量各为2个，2个投影仪的水平轴线相交、投影图像在投影屏上重合。数虎图像提供了一种结构简单的立体投影设备，可适宜多种场所，具有观看距离远，不易损伤视力，无辐射的安全使用性能，特别适宜作为家用立体投影设备使用。

多通道立体环幕系统

多通道环幕（立体）投影系统是指采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。该系统可以应用于教学、视频播放、电影播放（现在很多影视院采用这种方式）等。多通道环幕（立体）投影系统由于其技术含量高、价格昂贵，以前一般用于虚拟仿真、系统控制和科学研究，近来开始向科博馆、展览展示、工业设计、教育培训、会议中心等专业领域发展。其中，院校和科博馆是该技术的最大应用场所。这种全新的视觉展示技术更能彰显科博馆的先进性和创新性，在今后若干年内不会被淘汰。

【数虎图像虚拟仿真事业部提供如下实验室解决方案：】 数虎图像是国内最早从事虚拟现实技术研究和制作的高新企业，在深圳、北京、美国、日本都拥有分公司，数虎图像不断吸收和学习国外最先进的虚拟现实技术，在虚拟现实实验室建设方面拥有一整套最优化解决方案。

一、数字城市系统

城市规划演示厅也被称之为数字城市实验室。其主要目标和功能是提供城市规划、城市市政管理、房地产开发与管理、旅游规划以及数字地球（城市）的仿真模拟教学和科研平台。

数虎图像凭借雄厚实力制作了国内最大的数字城市项目，可以为您提供数字内容制作和环幕硬件展示系统整体解决方案。

(数虎图像城市规划演示系统—数字城市实验室截图)

二、旅游导游实验室

导游培训：培养熟练和优秀的导游是旅游专业的教学目标，但是旅游专业学校又面临教学过程中实习资源匮乏、而实地参观成本又高的难题。数虎图像旅游虚拟仿真系统从导游和旅游专业特点出发，按照旅游专业的教学要求和实施特点，设计出适用于导游实训、旅游模拟、旅游规划、信息查询，景区导航，景区切换等功能模块。为旅游专业学校提供一站式解决方案。

（数虎图像制作的旅游仿真实验室）

三、物流仿真实验室

（物流仿真实验室）

学校教育，由于受到诸多条件的限制，大部分内容还停留在以书本为主的教学体系上。部分学校的学生现在能够在大三和大四年级，获得公司实习的机会，但是由于时间和实习单位的工作人员业务繁忙等原因情况，学生了解到的内容比较片面，了解到的业务单证也比较少，实践机会少，学生对业务的认识程度仍然相当低，缺乏感性认识。在走出学校前，为了使学生对整个的口岸物流有全面和相对深入的了解。数虎图像联合业内人士，根据市场需求，可以为物流专业实验室提供：3D仓储模拟实训系统、3D运输模拟实训系统、3D第三方物流模拟实训系统、3D集装箱与堆场模拟实训系统和3D供应链模拟实训系统等一系列解决方案。

四、虚拟维修拆卸实验室

数虎图像虚拟拆卸维修实验室，充分的利用了数虎图像开发的这套虚拟拆装模拟培训系统，可以结合大屏幕提供给更多需要虚拟拆卸和虚拟维修以及虚拟组装的客户，让更多的人一起集中练习，提高培训的效率更加节省成本。

五、虚拟手术实验室

虚拟手术是虚拟现实技术很高端的应用。国外已经可以利用传感设备进行医学学员的培训教学，甚至已经真正的做到了远程虚拟手术的效果。国内目前还没有这样的水平，不过数虎图像和科研机构联合，制作出人体的内部的三维模型和一些互动式的动作，同样能满足培训学员和手术新手的需要。

六、仿真驾驶实验室

虚拟驾驶，也被称为汽车驾驶仿真，或汽车模拟驾驶。数虎图像利用三维图像即时生成技术、汽车动力学仿真物理系统、大视场显示技术（如多通道立体投影系统）、六自由度运动平台（或三自由度运动平台）、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验。

【数虎图像对于国内教学型虚拟实验室建设的几点建议】 通常，一部分用户并不重视虚拟现实开发平台和虚拟现实控制系统部分，而该部分在虚拟现实系统中恰恰又是非常重要的，一个完善的集成控制手段能使用户很方便的使用虚拟现实系统，并能将虚拟现实系统中各个部分的功能充分地发挥出来，如果没有集成控制系统这部分，往往造成整个虚拟现实系统利用率低、系统管理困难、系统稳定性差、协同工作能力低下等等一系列问题。还有就是虚拟现实开发平台的采用上，最好采用通用性强的能和国际接轨的的虚拟现实开发平台，并注意以下几个方面：

1、用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用

2、更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室

虚拟仿真实验教学案例 篇6

近年来, 在国家新型工业化、信息化及两化融合战略下, 教育信息化及其应用技术获得了高度重视与发展。《国家中长期教育改革与发展规划纲要 (2011-2020) 》中指出:信息技术对教育发展具有革命性作用, 必须予以高度重视。《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》 (教高[2012]4号) 指出, 高等教育的人才培养模式中要加强创新创业教育。2015年11月, 国务院副总理刘延东出席第二次全国教育信息化工作电视电话会议并提出:教育信息化是改革教育理念和模式的深刻革命, 是促进教育公平、提高质量的有效手段, 是建设学习型社会的必由之路。培养学生的工程应用技能与创新创业能力, 将成为当前形势下高等院校人才培养的基本要求[1,2,3]。

教育信息化的核心是教学信息化, 要求在教育过程中较全面地运用以计算机、多媒体和网络通讯为基础的现代信息技术, 促进教育改革。虚拟仿真实验教学中心充分应用了教育信息化技术的发展成果, 同时虚拟仿真实验教学的发展也促进了教育信息化技术的应用。虚拟仿真实验教学的推广应用将对国内的高等教育的质量及创新教育的成效给予极大的促进。

本文基于地方本科高校建设信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心的需要, 立足于本校信息与控制类专业的教学需求, 即满足建筑电气与智能化、自动化、通信工程三个专业, 兼顾机械设计制造及其自动化、计算机科学与技术、机械电子工程、光电信息科学与工程等专业的教学需求, 按分层模块化的方式构建了信息与控制工程虚拟仿真实验教学体系, 并通过教学实践对体系的效能进行了验证。

一、地方本科高校虚拟仿真实验教学中心建设需求与任务

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术, 构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象, 学生在虚拟环境中开展实验, 达到教学大纲所要求的教学效果[4]。

自2013年启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设以来, 各高校根据虚拟仿真实验教学的特点与本校的教学需求开展了大量研究工作。湖南文理学院作为一所地方型本科院校, 2014年确定为湖南省两所应用型转型试点高校之一, 2016年度被湖南省政府确定为“产教融合工程应用型本科高校”国家级转型试点推荐申报高校。近年来, 学校主动适应地方经济社会发展的需要, 积极推进深度转型, 学校重视学生综合素质能力培养, 通过不断深化教学改革, 形成了人才培养的新模式, 强化为地方企业提供人才培养和社会服务功能。在湖南文理学院信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心的建设过程中, 主要按照虚实结合, 能实不虚的基本原则, 立足于满足建筑电气与智能化、自动化、通信工程三个本科专业的教学需求, 通过构建虚拟仿真教学体系、强化数字资源的建设, 优化实验与实践教学效果, 实现资源共享, 为本地院校及企业提供共享的数字教学资源。

二、虚拟仿真实验教学中心建设必要性

第一、虚拟仿真是满足我校楼宇智能化、自动化类专业教学需求的最佳选择。信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心以满足建筑电气与智能化、自动化、通信工程三个专业的教学需求为立足点, 并辐射计算机科学与技术、计算机网络工程、机械制造及其自动化、机械电子工程、土木工程等相关专业的教学需求。

信息与控制工程虚拟仿真教学中心服务的建筑电气与智能化、自动化、通信工程等学科专业领域, 开设电力系统及传输、电气传动及控制、智能楼宇、建筑照明与供配电、中央空调系统、数控加工、智能通信系统等专业课程, 此类课程的实验教学需要大型、复杂的实验仪器与设备, 湖南文理学院专业实验室目前已经采购的专业教学仪器设备, 如中央空调系统、建筑照明与供配电实验系统、恒压供水系统实验装置、交直流电机调速实训装置、过程控制实验装置等相关的实验装置, 由于建设费用紧张, 目前我们实验室已经采购的大型设备台套数在1-4台之间, 部分新办专业如建筑电气与智能化专业的大型专业实验设备台套数大部分只有1-2台, 大力建设信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心, 优先采用虚实结合的实验教学模式, 引导学生在实物实验前通过虚拟实验预先掌握实验原理、实验过程及实验结果, 再结合实物实验, 直接观察实验结果, 在实验课的教学过程中, 可通过分组实物实验等教学方式, 提升实验设备台套数少的专业实验课程的教学效果。

建设好我校的信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心, 利用虚拟仿真实验与实验室实物实验相结合的方式, 使得学生在虚拟仿真实验的过程中能掌握系统及设备的实验原理, 能够有效解决设备台套数少及实验设备购置经费不足的问题, 实现较好的实验效果。

第二、虚拟仿真中心建设是促进我校教育信息化应用技术的必然选择。《国家中长期教育改革与发展规划纲要 (2011-2020) 》中指出:“信息技术对教育发展具有革命性作用, 必须予以高度重视。教育信息化的核心是教学信息化, 要求在教育过程中较全面地运用以计算机、多媒体和网络通讯为基础的现代信息技术, 促进教育改革[5,6]”。信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心立足于建筑电气与智能化、自动化、通信工程三个工科型本科专业的教学需求, 通过数字化、网络化、智能化和多媒体化等技术手段, 实现开放、共享、交互型的新型实验实践教学模式, 可以拓展实验教学的时空范围, 学生通过网络访问的方式可以在寝室等场所进行虚拟仿真实验。

第三、虚拟仿真实验教学是培养学生自主搭建实验方案的最佳手段。在传统的实验教学过程中, 受到实验时长及实验设备台套数的限制, 绝大部分电气信息类的课程实验在教学过程中, 验证类实验占比较大, 而设计类实验和综合类实验占比较小。此外, 受到实验仪器设备的限制, 在设计类和综合类实验的方案设计中, 实验方案的制定同样受制于实验室的仪器设备数量与型号, 如模拟电子技术、数字电子技术、通信原理、单片机原理与应用等课程的实验, 借助于虚拟仿真实验平台可有效拓展学生进行实验的时间与空间, 培养学生独立设计实验方案并进行原理性验证的能力。在虚拟仿真实验室中, 学生则可以通过虚拟仿真实验进行自主化的学习和实验, 并且学生的操作过程有详细的解说和引导, 能够促进学生学习积极性的提高。

第四、虚拟仿真实验中心的建设契合了我校应用型转型背景下服务行业企业的需求。湖南文理学院2014年确定为湖南省两所应用型转型试点高校之一, 2016年度被湖南省政府确定为“产教融合工程应用型本科高校”国家级转型试点高校。近年来, 学校主动适应地方经济社会发展的需要, 积极推进深度转型, 学校重视学生综合素质能力培养, 通过不断深化教学改革, 形成了人才培养的新模式, 强化为地方企业提供人才培养和社会服务功能。在此基础之上, 信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心的建设将迎合当地企业对专业知识获取的需求, 通过中心的数字资源共享, 协助行业企业对工程技术人员的技能培养, 进一步拓展学校的社会服务功能。

三、虚拟仿真实验中心教学体系建设

中心探索建立信息与自动化类专业的实验教学体系建设, 将“理论课程+实验”的理念引入到专业课教学中, 探索出了“理论授课-虚拟实验-实验室教学”三个层次的高校实验教学新模式。通过虚拟仿真实验的方式解决了如下问题:

1) 在虚拟仿真实验教学平台上开展各类实验的预操作, 可有效降低实物实验的损耗及提升实验的成功率;

2) 对于综合型、创新型及不易现场实施的各类型实验, 在虚拟仿真平台中可以通过不断修正实验模型参数、重组实验模型等方式进行改进, 满足了实验教学的灵活性要求, 同时提升了实验效率, 又极大地节约了实验成本与耗材。

图1、图2分别为信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心的课程体系建设规划和四年不间断的工程实验培养规划方案, 其中虚拟仿真教学贯穿全程, 体现了两纵两横特点, 图2所示的第一横, 充分体现了我校自动化与电气信息与类专业统一布局、各专业横向联合的特点, 突出了多学科交叉、相关专业的各类教学资源充分共享、优势互补的建设特色。对于第一层次各专业的基础课程、学科通识类课程虚拟仿真实验教学, 包括模拟电子技术、数字电子技术、电工电子等课程的虚拟仿真实验教学, 供电气信息与自动化类专业共享, 在教学过程中采用可视化的虚拟仿真直观式教学手段, 可加深学生对专业基础理论知识的理解[7]。对于第二层次虚拟仿真专业课程, 可分成电工电子类课程模块、信息技术类课程模块及控制工程与技术类课程模块等三个模块, 覆盖电子技术课程群、嵌入式系统课程群、电工技术课程群、信号与系统课程群、通信原理课程群、检测与传感技术课程群、自动控制理论与应用课程群、计算机控制技术课程群及现代电气控制课程群等二十余门专业课程的实验实践教学, 各专业可根据本专业人才培养理论与技术掌握要求, 对不同的课程进行模块化的选择、重组及优化, 结合各专业实验室的具体情况, 使得相关课程的虚拟仿真实验能够发挥出辅助设计与分析和验证等教学功能, 弥补专业教学中实物实验的不足, 部分补齐设备与经费短缺造成的短板。对于第三层次的专业实验教学, 通常采用虚实结合、分成小组并相互协作完成的综合性虚拟实验项目, 在具体的教学过程中, 可结合各专业的课程设计、项目研发实践、毕业设计、学科竞赛 (如挑战杯科技作品竞赛) 等的需要, 体现出专业知识的应用能力, 同时满足工程创新创业型人才的培养需求。

在培养体系的第二横中, 构建贯穿大学四年, 全程不间断的虚拟仿真与实践教学体系, 如图2所示。通过连惯性强的实践课程教学体系, 将虚拟仿真教学手段与教学平台的作用融入到整个教学过程中, 采用虚拟仿真实验教学和工程实践项目的训练, 形成“课程就是实验室”、“课外就是实习基地”, 对相关专业学生加深学科知识理解、亲自操作完成复杂程度高、专业性强、存在操作危险的专业工程设计提供了一种直观、数字化、现场感的教学与训练平台。

四、总结

本课题按照国家建设虚拟仿真实验教学教学中心的精神, 基于应用型转型特点, 分析了地方本科高校建设虚拟仿真实验教学中心的必要性。服务于学校的教学需求, 进行虚拟仿真教学体系的建设, 按课程模块、知识掌握层次要求对相关实验进行系统性整合, 构建了贯穿大学四年人才培养全程的虚拟仿真实验教学体系, 通过虚拟仿真与实物实验相结合的运行模式, 对信息技术与控制工程类课程进行了模块化的分类与建设, 初步建成虚拟仿真实验项目近百项, 对湖南文理学院信息与控制类理、工科专业学生加深学科知识理解, 亲自操作完成复杂性高、专业性强的专业设计与工程设计技能提供了直观、数字化的训练平台。同时使得教学与实践得到更紧密的结合, 对我校加速培养高质量的工程技术人才将产生深远影响。

参考文献

[1]王卫国, 胡今鸿, 刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索, 2015, 34 (5) :214-219.

[2]蒲丹, 周舟, 任安杰, 等.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理, 2014 (3) :5-8.

[3]陈萍, 周会超, 周虚.构建虚拟仿真实验平台, 探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理, 2011 (3) .

[4]李平, 毛昌杰, 徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索, 2013, 32 (11) :5-8.

[5]杜月林, 黄刚, 王峰, 等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理, 2015, 32 (12) :26-29.

[6]沈建华, 李飞, 程崇虎, 等.通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索, 2015, 34 (1) :161-164.

虚拟仿真实验教学案例 篇7

关键词 实验教学；计算机仿真；虚拟现实；虚拟现实仿真教学实验室

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）04-0062-03

Based on Virtual Reality Simulation Teaching-Laboratory Research//Chai Qun, Zhang Shilu, Li Jia

Abstract The use of virtual reality“3I”and the characteristics of the organic integration of computer simulation created by a variety of virtual reality simulation lab in education and broad prospects, especially in physics, chemistry, biology and so on need to experiment, especially in the disciplines. This thesis analyzes the experimental teaching of the status, the combination of virtual reality simulation results, building on the Virtual Reality Simulation Teaching-lab to explore one of the ways to achieve.

Key words teaching experiment；computer simulation；virtual reality；virtual reality simulation Teaching-lab

Author’s address West China Normal University, Department of Educational Technology, NanChong, Sichuan637000

实验教学，在对学生科学素质、创新能力和研究能力的培养方面起着非常重要的作用，是理论教学所不能替代的。有很多实验都是当时科技发展的突破性成果，有的实验对概念的深化、对总结规律和规律的解释作出巨大贡献，是培养学生科学素质不可缺少的内容。实验教学应当在教学过程中与理论教学具有同等重要的地位[1]。

但是长期以来，在实验教学中，学生缺乏个性和创造力。很多学生在做实验时，只是按照实验指导书上的要求，按部就班地完成，遇到问题时不去寻找解决问题的方法，而是等待教师去解决，最后机械地填写数据。还有不少学生对进行实验的目的存在认识上的错误，他们认为实验只不过是验证书本上的理论知识，缺乏对实验的兴趣，其结果就是对待实验的态度马马虎虎，敷衍了事。这样的实验教学很难培养学生的实际操作能力和创造力。

造成这种现象的原因是多方面的。

1）实验课教学的单一性。目前实验课内容过多的属于验证性实验，主要用于验证书本知识和重复前人的经典实验。学生由于缺乏时代背景知识，很难体会其意义，因此兴趣不高，也就很难激发学习兴趣。

2）实验课开课不足。其中主要的原因是顾虑仪器的损坏和器材的消耗，从而增加实验开支，以及学生实验安全。有些精密的现代实验仪器非常昂贵而且易损坏，有一些学校出于资金投入的考虑只是买入而不使用；有些实验（如化学中的燃烧实验、酸碱实验）在进行时存在一定的危险，学校出于安全考虑，很少开设这部分实验或者即使开设也是进行演示性实验；有些实验周期较长（如种子培育实验），在规定的时间里学生很难理解其实验原理，很多学校为了节约时间，很少开设这些实验课。

针对实验教学中存在的问题，很多学者提出利用计算机仿真技术进行仿真实验。所谓计算机仿真技术（Computer Simulation），是一个通过建立与真实系统相对应的数学模型并在计算机上解算的过程。它涉及3个要素（物理系统、数学模型、计算机）和3个基本活动（系统建模、仿真建模、仿真实验），它们之间的关系如图1所示[2]。

计算机仿真技术用于实验教学有很多优点，主要表现在：节约资金投入，一次投入可多次使用；可以进行安全的实验，实验室不必考虑仪器的损坏、对身体造成伤害，可大胆进行各种尝试，不受课时和课堂的限制；高逼真度的计算机仿真实验可以激发学生的学习兴趣。

鉴于计算机仿真的特点，目前许多学校都利用计算机仿真进行实验。主要应用于：常规教学；进行高难度实验，如行星碰撞实验等；进行危险系数很高的实验，如汽车碰撞实验等；进行周期漫长的实验，如小麦育种实验等。

但是这种仿真技术在实验教学中存在一定的局限性。首先，在这种仿真技术中人是观察者。计算机仿真系统在工作时，虽然可以为仿真过程及结果添加文本提示、图形、图像或动画来保证仿真过程的直观性，但是人只是观察者，通过观察获得结果，而非自身体验。其次，仿真实验是“静态”的，缺乏交互性。所谓交互性（Interaction），是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包含实时性）[3]。这种计算机仿真技术无法模拟人对外部环境的感知（听觉、视觉、触觉等）。如在进行失重仿真实验时，人无法亲身去体验失重的感觉；在进行重量实验，人抓起被仿真的物体时，无法感觉物体的重量。

鉴于此，研究人员结合虚拟现实技术及计算机仿真技术的特点，提出虚拟现实仿真的技术。虚拟现实技术是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机及其复杂的数据进行交互的一种技术。通常虚拟现实系统具有“3I”特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。另外，从目前发展的状况来看，虚拟现实系统还具备多感知性（Multi-Sensory）。多感知除了指一般计算机技术所具有的视觉感知外，还有听觉、力觉、触觉、运动、嗅觉、味觉的感知等，理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。但是由于受到传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动、嗅觉。根据临场参与感和交互方式的不同，虚拟现实系统可分为桌面虚拟现实（Desktop Virtual Reality，Desktop-VR）系统、沉浸虚拟现实（Immersive Virtual Reality，IVR）系统、分布式虚拟现实（Distributed Virtual Reality，DVR）系统、协同虚拟现实（Collaborative Virtual Reality，CVR）系统[3-6]。

融合了虚拟现实和计算机仿真系统的虚拟现实系统，具有二者的优点，用户在使用这种系统时，仿真系统不仅能够自主运行，而且用户能够“走进去”，不仅具有良好的交互性和沉浸感，还具有很高的逼真度。这样既可以满足人通过运行仿真模型获取必要的数据和对系统动态性能的认识，而且还能体会到真实系统运行过程的场景，从而真正实现“人在回路中（Man-In-Loop）的仿真” [3]的梦想。

虚拟现实技术本身是多种高科技技术的综合体，实际工作中需要各个领域的专家，花费大量的时间、金钱、精力，相互协作来建立一个虚拟现实系统，并不是每一个教育教学单位所能负担起的。但是在实际工作中，主要关注的是仿真，而在仿真领域关心的不是图形/图像处理、定位跟踪设备等，而是仿真建模、仿真过程的演示、仿真结果的分析与表现等。比如，结合VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实造型语言）、Java Applet及VWP（Virtual World Player，虚拟世界播放器）就可以在PC机上实现一个功能强大的虚拟现实仿真系统。尽管VRML可以用来构造虚拟的世界，但是从仿真的观点来看，纯VRML构造的虚拟世界是“静态”的，所有的运动及反应行为都是预先定义好的。因为大多数的VWP都支持Java、JavaScript及VRML Script语言，所以可以利用VRML中的Script节点作为Java的接口能力来扩展其功能。VRML、Java Applet及VWP三者关系图如图2所示。

VWP读取并解释VRML文件和Java Applet来构造虚拟世界，VRML创建一个预定义好的虚拟世界，而Java Applet是告诉VWP这个世界是如何动态地运转。实际上，Java Applet就是虚拟现实仿真系统的仿真驱动核心，它控制仿真的运行，收集仿真统计数据，动态地添加、删除仿真实体等。VRML文件只不过是用来描述仿真的环境布局，而诸如物体自由转换视角、碰撞、相应用户的操作等都是由VWP来处理的。这样一个复杂的问题就变成一个相对容易的工作，即用Java Applet来实现仿真工作。目前支持仿真的Java的产品有很多，如Simkit、JavaSim、JSIM、SimJava、Silk等[7]。

解决了基础的问题之后，就可以接着讨论怎样实现的问题。一般虚拟现实仿真实验可以分为2类[8]：“演示型”实验和“操作型”实验。“演示型”实验只是对实验现象进行演示，实验者仅为观众。这类实验仿真系统缺乏交互性，实现也比较简单，本文不做讨论。而“操作型”实验，实验者亲自参与实验，是实验的主导者。这类仿真实验执行起来主要面对2个方面。

1）实验现象的演示。即当一定的实验操作进行时，实验结果的表示问题。在VRML中，动画主要依靠一个时间传感器和一些内插点来控制场景的动画效果。其基本的方法就是时间检测器（TimeSensor）给出一个控制动画效果的时钟，这个时钟包含动画效果的开始时间、停止时间、时间间隔和是否循环等动画参数，然后通过这个时钟的输出在VWP中显示。

2）虚拟仪器的操作实现，如虚拟仪器的移动、放置、虚拟物品的加入/减出等，即如何实现用户与虚拟仪器间的交互。

在VRML中，可以在一般的Shape节点上加上类似传感器（Sensor）的节点，这些传感器节点可以感应用户的操作，从而做出反应。前文所提到的单用VRML无法实现动态仿真，必须加入Java Applet来完成一系列复杂交互过程。因此，要想实现虚拟现实仿真实验的强大交互功能，必须VRML、Java Applet紧密结合。

前文所提到的虚拟仿真实验都是用于单人，然而在现实生活中，有些实验需要多人分工协作才能完成。解决此类问题可以引入DVR，建立分布式虚拟现实仿真实验室，协作者可以利用此系统参与协同实验。如果再引入CVR技术，如虚拟空间会议系统（Virtual space teleconferencing，VST），教师也可以参与其中对实验注意事项进行讲解或对学生进行单个辅导。这样就可建成一个基于PC机和Internet的，有教师、学生共同参与的协同式虚拟现实仿真实验室。

虚拟现实仿真实验室的应用，不但可以极大地提高学生的学习热情、动手能力，激发学生的创新精神，而且可以实现实验资源的共享，缩短教育投资差距。笔者相信，随着虚拟现实软硬件的不断完善，性能的不断提高，尤其是计算机价格的不断下降，虚拟现实仿真实验室将在未来的实验教学中获得广泛的应用。

参考文献

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