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高校实践课程中虚拟仿真技术的建设与应用

2020-12-24 162 上传者：管理员

摘要：本文利用虚拟仿真技术对高校工程实践课程进行探索,提出了采用虚拟仿真技术来构建体验式虚拟仿真学习模型及评价体系,通过寻求学生在特定的情境环境中参与学习实训活动以及工程实训引导的方式来培养学生探索问题和获得技能,同时建立学生逻辑思维和工程思维,从而对自身实践能力进行锻炼的过程。

关键词：
实践教学
虚拟仿真
虚拟现实
计算机应用技术
高校实践课程
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一、绪论

现阶段，虚拟仿真技术的快速发展，促进了高校在教育模式上的转变，提高了高校实验由传统的设备向虚拟仪器过渡，虚拟现实是虚拟仿真中重要组成部分。虚拟仿真技术用于高校实践课程主要依赖于虚拟现实、增强现实、计算机图形学等相关技术。

虚拟现实(VirtualReality,VR)是指通过三维技术仿真出一个实体空间，并且通过虚拟仿真技术对人类眼、耳和身体体验进行模拟，让使用者有强烈的沉浸体验，仿佛在真实的世界中，能够让用户在现实环境和虚拟环境中获得相同的体验感觉。增强现实(AugmentedReality,AR)是指将真实场景环境与虚拟场景环境进行虚拟融合的技术，包括:虚拟和现实的融合、及时互动和三维交互等。混合现实(MixedReality,MR)，一般是指融合现实，它将虚拟现实技术和增强现实技术进行融合，将虚拟场景与真实环境进行融合，从而模拟一种新环境场景。该技术在现实、虚拟和用户间建立了一个信息环路，让用户体验更加真实，并且能够与虚拟物体、场景进行交互和互动。

二、国内外现状

美国是虚拟仿真应用的最早国家，对虚拟仿真技术的研究长时间领先于其他各国，基本代表了全球领先水平，目前全美有85%大学都建设了虚拟仿真实验平台且已经应用于实践教学和各类实验仿真。

美国最初的开放虚拟仿真技术应用于军方，主要是飞行控制系统的仿真，即:飞行员和宇航员的地面模拟飞行控制训练，研发了一系列硬件设备、控制软件、感知传感系统和操作平台。近年来，美国一大批高校都建设了自己的虚拟仿真实验环境，主要为学生教学活动中的实践性实训提供支撑，学生在实际操作中通过先平台模拟使用后实操，来提高实践能力，实施效果较好。

国内对虚拟仿真技术研究起步于20世纪90年代，与国外发达的国家对比，我国虚拟仿真技术应用相对落后，差距明显。国内众多高校和研究所也一直在积极进行虚拟仿真技术的研究和引进，目前主要集中在舰船仿真、虚拟驾驶、医学解剖，工程实训等方面进行研究。

经过多年的发展，我国教育部从2015年开始陆续推进虚拟仿真中心建设，全国各类高校都开始建设国家级虚拟仿真实验中心，主要是针对虚拟仿真实验教学平台和资源进行建设。如南京大学、东南大学等。在建设中心过程中需要利用虚拟现实技术、人机交互技术和媒体展现技术等，建立各类高仿真的虚拟实验项目，实现在真实环境中不具备条件或者实验难度较大的实验项目虚拟化，保证学生在模拟的环境中进行实验效果与真实环境达到一致。

三、我国高校虚拟仿真教学应用模式及存在问题

由于我国对虚拟现实技术的研究起步较晚，发展到现在已初步取得了一些成果，但目前此项技术的覆盖面还不够广泛，在推广应用方面还有待提高。

我国高校虚拟仿真在教学上的应用模式主要有两种:

(1)虚拟课堂，师生、实体学习资源、学习场景等为虚拟对象。利用虚拟仿真技术可以模拟出各类学习对象，打破了传统时空限制，学生可以通过自然体验的方式进行交互式知识探索。

(2)虚拟实验室，实验设备为虚拟对象。利用计算机虚拟仿真技术建立与真实世界中一样的虚拟仪器模型，对仪器的操作和使用完全对应，能够替代现实中有危险和难度较大的实验项目，学生可以通过计算机和虚拟设备进行仿真实验、实验数据仿真、虚拟仿真预测和分析。

以网络工程专业为例，大部分高校需要建设网络工程实验室来满足课程工程实训的需要，学生可以在模拟的真实场景和环境中扮演特定的角色，根据实验项目设计的案例进行分析，进行实训技能的模拟演练，通过虚拟仿真实验在一定程度上提升了学生的实际操作技能。

然而就目前的应用来看，高校在实践教学上还存在一些问题，具体如下:

(1)实践教学方式灵活性不足，教学的模式和内容单一。大多数高校的实践教学模式固定，根据实验手册一步步操作，且实验设备不足，受制于实验完成的质量、所用的技术、相关实验环境、实验开放时间等因素，部分同学无法较好地完成相应实验的学习目标。在实验教学过程中，普遍是教师讲解操作要点，进行实验示范，学生根据老师和实验手册进行模仿、验证实验正确性。教师在指导学生实验过程中进行指导答疑和纠错。由于参与实验的学生人数较多，且部分实验开展以组为单位，每个学生对实验中设计的问题理解能力不同，导致学生在实验过程方法掌握、实验数据和效果均不理想，教师与学生之间在实验过程中交互难度较大，不利于让学生自主开展实验并通过实验进行自我思考和创新，调动学生主动参与实验的兴趣。

(2)实训课程设置不均衡，部分已与实践脱节。高校缺乏企业、行业的专家、工程师实践指导，一般情况选用的教材是滞后于产业的发展，大多数实验项目设计和开展仅在基础性、演示性、验证性类型。综合性实验受限于各类实验环境难以真实开展。在实践教学过程中，实验老师对实验过程中的要求、技术原理和一般步骤讲解也可能不到位，导致学生在实践过程中训练效果欠佳。

(3)实训设备投入不足，且工程类操作实践有一定的危险性。高校在建立真实工程类实验室时需要投入大量的设备和实验耗材。但是技术和设备更新速度快，三五年就更新淘汰，建设实验室综合成本较高。大多数高校在实验室愿意新建实验室，但是在更新方面投入较少，且实验室专业设备维护费用也较高，部分实验操作具有危险性，所以开展实验活动达不到理想效果。

四、虚拟仿真解决的主要问题

(一)利用虚拟仿真技术构建虚拟仿真体验学习模式

虚拟仿真技术是建立在特定的情境和场景中，学生可以通过自我实验进行探索，利用仿真技术在场景中设定技术问题，让学生能发现并分析问题，在实验中掌握实验方法。虚拟仿真技术构建了体验学习模式，强调学生自我学习的主体，以及通过自我学习对实践过程中获得的经验进行总结和思考。

(二)将虚拟仿真体验学习理论与工程实训实验的融合

利用虚拟仿真技术，构建一系列工程相关实验，采用虚拟现实融合设计，所有虚拟实验仪器和操作均与真实仪器一致。用户可以通过观察、实际操作、体验虚拟仿真实验项目来获得体验感觉和实际操作经验。与真实实验相比，实验过程和实验过程中使用的实验道具都是虚拟出来的，通过虚拟模型建立各种与真实实验相对应的对象，但最终学习的效果一致。

(三)建立虚拟现实虚拟仿真体验学习的评价体系

虚拟仿真体验教学是学生学习的方法，混合现实(MR)中实训实验的建设需要构建相应的学习评价体系，来评估学生学习的效果。应该包括对知识、技能、方法、情感、认知力、价值观、态度等方面的评价。

五、结语

本文是对虚拟仿真技术在实训课程中应用进行的一次有益探索，提出了采用虚拟仿真技术来构建体验式虚拟仿真学习模型及评价体系，通过学生在特定下虚拟仿真环境中参与实践活动，通过实验步骤引导完成实验项目，培养学生在实验教学活动中能自主的探索、分析和解决问题，同时训练学生在实验过程中的逻辑和工程思想，从而对自身学习的知识和能力进行反思、总结的过程。

参考文献：

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基金:江苏省现代教育技术重点课题(2017-R-59068);三江学院虚拟仿真实验教学项目