虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)中的應(yīng)用

葉建海，張營營

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

高職教育的目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要的德、智、體、美等方面全面發(fā)展的高等技術(shù)應(yīng)用型專門人才。 學(xué)生動手能力強、操作技能強、熟悉生產(chǎn)一線的流程等，是高職學(xué)生區(qū)別于普通高校學(xué)生的根本點。 高技能培養(yǎng)目標(biāo)要求課程教學(xué)進(jìn)行重大變革，現(xiàn)代化教學(xué)手段就成為教學(xué)改革突破口，在高職教學(xué)中盡可能引入現(xiàn)代教學(xué)手段，成為當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)代職業(yè)教育的核心是職業(yè)能力的培養(yǎng)，而這種能力的培養(yǎng)主要是通過實驗、實訓(xùn)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的。 傳統(tǒng)的實踐教學(xué)，往往需要相應(yīng)的儀器設(shè)備、場地條件和現(xiàn)場指導(dǎo)教師，花費較長的時間，并產(chǎn)生一些材料消耗，甚至?xí)幸欢ǖ奈ｋU性，從而使具體的實施受到資金、時間、空間等因素的限制，制約了學(xué)生能力的發(fā)展。 為打破這些制約，提高職業(yè)教育質(zhì)量與效率，需要充分利用現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展成果。 應(yīng)在教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，使其成為傳統(tǒng)實踐教學(xué)手段的有效補充，從而有效地對學(xué)生進(jìn)行技能培養(yǎng)。

1 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的功能與組成

虛擬仿真系統(tǒng)是指以計算機為主， 綜合利用三維圖形、多媒體、仿真等技術(shù)構(gòu)建起一個逼真的虛擬系統(tǒng)。 使用者借助于專用的視、聽、觸覺等感知設(shè)備，便可進(jìn)入虛擬空間，與虛擬環(huán)境中的人和物體實時交互，感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，從而達(dá)到身臨其境的效果。

1.1 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的功能

虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的目標(biāo)是完善傳統(tǒng)的實踐教學(xué)手段，為學(xué)習(xí)者提供一個自主學(xué)習(xí)的平臺， 讓其能通過計算機或網(wǎng)絡(luò)接受操作指導(dǎo)，進(jìn)行模擬操作練習(xí)，并可根據(jù)操作過程與結(jié)果，進(jìn)行技能評測。 同時，系統(tǒng)能夠方便指導(dǎo)教師進(jìn)行維護(hù)、管理和監(jiān)控，為學(xué)習(xí)者提供適時的和有針對性的輔導(dǎo)。

1.2 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的組成

整個虛擬仿真實訓(xùn)平臺由服務(wù)器、教師客戶機、學(xué)生客戶機及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫組成。 教師客戶機和學(xué)生客戶機以服務(wù)器為中心，并通過服務(wù)器進(jìn)行身份驗證和信息傳遞[1]。 教師和學(xué)生的客戶信息以及實訓(xùn)項目、實訓(xùn)指導(dǎo)、模擬操作、技能測評等信息存儲在管理信息庫中，教師可通過客戶機對學(xué)員實訓(xùn)進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)與管理。

2 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)提供的實訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境

虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)實質(zhì)上在于提供一種高級的人機接口，具備交互性(interactive)、想象性(imagination)、沉浸性(immersion)3 方面特征[2]。 虛擬仿真系統(tǒng)能夠為教學(xué)提供全新的、傳統(tǒng)教學(xué)無法提供的實訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.1 真實開放的實訓(xùn)環(huán)境

虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向用戶開放，學(xué)習(xí)者可自由地進(jìn)入或退出實驗系統(tǒng)， 具有良好的開放性。 主要表現(xiàn)為兩個方面： 一是資源開放。 虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)儲存了大量虛擬實訓(xùn)儀器設(shè)備、 各種實驗器件或構(gòu)件、 各種虛擬實驗環(huán)境，學(xué)習(xí)者可根據(jù)自己的需要自由地選擇使用。 同時，在系統(tǒng)內(nèi)收集大量的操作說明、操作指導(dǎo)等相關(guān)資料，供學(xué)習(xí)者參考。 二是利用網(wǎng)上虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺， 學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)在任一時間、任一地點進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)，徹底打破空間的限制[3]。 利用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生除了能觀察到設(shè)備的運行情況外，也能進(jìn)入某一子系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)觀察，還可以將一些需要長時間才能獲取的實驗結(jié)果， 在短時間內(nèi)呈現(xiàn)出來。

2.2 交互與自主的實訓(xùn)環(huán)境

基于虛擬仿真技術(shù)的實訓(xùn)與傳統(tǒng)實踐教學(xué)有一個明顯的區(qū)別，那就是實訓(xùn)的模式是非固定的、動態(tài)的，具有良好的交互性和自主性。 并可借鑒游戲開發(fā)技術(shù)，設(shè)計豐富多彩的人機交互方式，強化學(xué)習(xí)者的參與性和自主性，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣。 學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的愛好與需要，自行設(shè)計虛擬的操作過程與方法，主動探索有效的實施途徑，因而有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力[4]。

2.3 低耗與安全的實訓(xùn)環(huán)境

傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)受設(shè)備數(shù)量、類型、實訓(xùn)條件等制約，學(xué)習(xí)者所能進(jìn)行的訓(xùn)練是有限的， 尤其是一些材料消耗多、實訓(xùn)成本昂貴、危險性大的項目，學(xué)習(xí)者進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練的機會更少，從而會制約了其能力的發(fā)展與提升。 而虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)不依賴于設(shè)備實物， 僅依靠計算機所模擬的在功能、性能、界面上等效的虛擬裝備，就能夠逼真地模擬實際設(shè)備的操作、運行及周圍環(huán)境，通過可視化的虛擬場景，完美模擬實機、實景操作，解決教學(xué)過程中采用實物仿真、半實物仿真所無法或很難實現(xiàn)的使用大量設(shè)備、協(xié)調(diào)關(guān)系等問題。 學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做比較危險的實驗(如虛擬的爆破工作、碰撞實驗等)[5]。

3 虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包含三維建模及虛擬交互技術(shù)。 根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的要求，構(gòu)成虛擬仿真的境界都必須建立在模型的設(shè)計與交互功能的基礎(chǔ)上，這也就是三維技術(shù)的綜合應(yīng)用。

3.1 三維建模技術(shù)

三維模型能真實、直觀地反映實物，特別是建筑物中隱蔽部位的零部件和土建形狀不能在真實的工程或建筑場景中看到的問題， 可以通過三維模型圖全真模擬得到解決，從而實現(xiàn)教學(xué)目的。 以水電站主廠房結(jié)構(gòu)為例，水力發(fā)電機組和廠房下部混凝土結(jié)構(gòu)之間布置關(guān)系復(fù)雜，設(shè)備因埋入混凝土中，學(xué)生難以看到，不能認(rèn)知，但通過系統(tǒng)的模型制作及其不同方向的剖視圖和動畫演示，可以讓學(xué)生一目了然。 通過三維動畫的畫面，還可以提高學(xué)生的注意力，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，加深其印象，將某些復(fù)雜的主體構(gòu)件及其與建筑物間的關(guān)系準(zhǔn)確形象地表述出來， 使隱蔽工程透明化地凸現(xiàn)出來，從而使學(xué)生在感性認(rèn)識中對知識的理解有質(zhì)的飛躍。

三維建模技術(shù)是虛擬仿真中最重要的技術(shù)，也是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。 好的模型不僅能表現(xiàn)出真實的三維效果，而且還能帶來強烈的視覺感官沖擊力。 因此，根據(jù)虛擬仿真的要求和特性，需要即時生成相應(yīng)的圖形畫面，達(dá)到一定的動態(tài)性和感官真實性。

為了完成符合虛擬仿真場景所需的模型文件，使用典型的三維模型制作軟件3Dmax，采用基于模型的方法建立場景模型，安裝相應(yīng)的輸出插件，即可直接建立場景模型文件。 除了基本的建模與實時渲染外， 利用它比語言建模更方便、全面的細(xì)分曲面技術(shù)，柔性選擇曲面工具和NURBS 技術(shù)，能多快好省地完成虛擬現(xiàn)實模型的設(shè)計與制作。

3DMax 中建立的模型能以NMO 格式導(dǎo)出，然后在VT 資源菜單中導(dǎo)入NMO 文件。

3.2 交互技術(shù)

虛擬仿真系統(tǒng)中的人機交互技術(shù)是一種近乎自然的交互，而使用者通過自身的語言、身體動作等技能，就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察或操作。在使用中，不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，還能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。 在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中， 可根據(jù)實際需要，用X3D、Viewpoint、Vitrools 等開發(fā)軟件導(dǎo)入模型， 建立基本場景，添加關(guān)鍵的動作交互，達(dá)到系統(tǒng)的交互效果。 最后，通過對渲染、檢測、精煉、碰撞測試等的整合工作，初步完成系統(tǒng)的開發(fā)。

3.3 系統(tǒng)的發(fā)布

利用Vitrools 的Web Plug 一in 網(wǎng)絡(luò)插件， 并在設(shè)置保存時將音效與材質(zhì)文件一起存放， 輸出為htm 格式的網(wǎng)頁文檔，可將系統(tǒng)發(fā)布出來，并在IE 瀏覽器中發(fā)布、播放。

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)中各種環(huán)境條件、功能結(jié)果往往是對現(xiàn)實中典型狀況分析歸納后預(yù)先輸入系統(tǒng)而人為設(shè)定的，而現(xiàn)實環(huán)境中各種條件與結(jié)果卻具有很多不確定性，因此，虛擬仿真技術(shù)與實際過程具有本質(zhì)的差異。 在對學(xué)習(xí)者進(jìn)行職業(yè)技能和素質(zhì)培養(yǎng)的過程中，在真實環(huán)境下利用實際設(shè)備進(jìn)行必要的操作訓(xùn)練，還是不可缺少的手段。 而虛擬仿真技術(shù)可突破空間與實體條件的限制，便于學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)，是實際技能訓(xùn)練的有效補充手段，可使教學(xué)行為更具有了交互性與靈活性，突破時空限制。 這樣可以充分體現(xiàn)教學(xué)的服務(wù)性，有助于提升教學(xué)體系知識更新的頻率，也能夠使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)活動的主體，為教與學(xué)提供更加通暢的溝通路徑，促進(jìn)教學(xué)效果的提升[6]。 隨著三維建模技術(shù)、動作交互技術(shù)等虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)習(xí)者提供直觀、交互、自主學(xué)習(xí)的虛擬仿真系統(tǒng)也將不斷推陳出新，必將成為現(xiàn)代教學(xué)中的重要技術(shù)手段，從而改善教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)效率，節(jié)約教學(xué)成本。

[1] 黃榮懷. 直面網(wǎng)絡(luò)教育[N]. 中國教育報2001-11-25(4).

[2] 鄭慶華， 劉均. 基于IP 網(wǎng)的多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的建模[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報，2000，34(8):31-35.

[3] 余勝泉，何克抗. 基于Internet 的教學(xué)系統(tǒng)[J]. 中國遠(yuǎn)程教育,1999(6):19-23.

[4] 余勝泉，路秋麗，陳聲健. 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的混合式教學(xué)－種新的教學(xué)模式[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2005（10）:50-56.

[5] 舒炎泰， 薛飛. Internet 上的虛擬實驗室[J]. 電子科技導(dǎo)報,1999(2):15-18.

[6] 單增郎杰. 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實驗系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 計算機光盤軟件與應(yīng)用,2010(5):176-178.