基于虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的研究

摘 要：虛擬仿真以其高效的實時渲染、實時修改以及眾多的第三方插件支持，能夠很大程度的提高傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)的制作效率，減低實訓(xùn)教學(xué)強度，縮短實訓(xùn)制作周期，從而達到降低實訓(xùn)成本的作用。在制作技術(shù)方面，使用虛擬仿真技術(shù)更能夠快速的在現(xiàn)實和虛擬操作之間做快速的資源轉(zhuǎn)換，進一步降低實訓(xùn)周期和實訓(xùn)成本。同時，在使用效果上，可以做到現(xiàn)實與虛擬之間的實時轉(zhuǎn)換，實訓(xùn)教學(xué)中的某個情景需要與學(xué)生進行互動的時候，隨時可以進行切入。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實時渲染；實時轉(zhuǎn)換；智能化；制作周期；衍生產(chǎn)品

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。從狹義上講，虛擬仿真是指20世紀(jì)40年代伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究的新技術(shù)；從廣義上來說，虛擬仿真則是在人類認(rèn)識自然界客觀規(guī)律的歷程中一直被有效地使用著。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步自成體系，成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實驗之后人類認(rèn)識自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，而且正在發(fā)展成為人類認(rèn)識、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。

一、虛擬仿真介入實訓(xùn)教學(xué)制作必要性

虛擬仿真技術(shù)具有以下四個基本特性：1、沉浸性；2、交互性；3、虛幻性；4、逼真性。這正是傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)所欠缺的。

沉浸性（Immersion）：虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。理想的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能。

交互性（Interaction）：虛擬仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進行控制，而且人是以近乎自然的行為（自身的語言、肢體的動作等）進行控制的，虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫崟r的反應(yīng)。例如，當(dāng)飛行員按動導(dǎo)彈發(fā)射按鈕時，會看見虛擬的導(dǎo)彈發(fā)射出去并跟蹤虛擬的目標(biāo)；當(dāng)導(dǎo)彈碰到目標(biāo)時會發(fā)生爆炸，能夠看到爆炸的碎片和火光。

虛幻性（Imagination）：即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人利用計算機等工具模擬出來的。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現(xiàn)在真實存在的環(huán)境，也可模擬出客觀世界中當(dāng)前并不存在的但將來可能出現(xiàn)的環(huán)境，還可模擬客觀世界中并不會存在的而僅僅屬于人們幻想的環(huán)境。

逼真性（reality）：虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個方面：一方面，虛擬環(huán)境給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺都是那么逼真，如同在真實世界一樣；另一方面，當(dāng)人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。如當(dāng)給虛幻物體一個作用力，該物體的運動就會符合力學(xué)定律，會沿著力的方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度；當(dāng)它遇到障礙物時，會被阻擋。

二、虛擬仿真介入到實訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢

使用虛擬仿真制作實訓(xùn)教學(xué)，有著很多跟傳統(tǒng)實訓(xùn)流程相同的步驟和方法，本文著重介紹兩者不同之處以及傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)中可以利用虛擬仿真特性改善制作環(huán)境的方面。

1、實訓(xùn)教學(xué)準(zhǔn)備階段 – 可以更好地表達實訓(xùn)教學(xué)知識點

一場實訓(xùn)教學(xué)的實施，前期準(zhǔn)備充分與否尤為重要，往往需要教師就實訓(xùn)的目標(biāo)、實訓(xùn)的步驟、實訓(xùn)知識點的設(shè)置等一系列問題進行反復(fù)的探討、商榷.首先要實訓(xùn)結(jié)構(gòu)完整、實訓(xùn)設(shè)備完備，接著需要有詳盡的文字、階段性目標(biāo)或者參數(shù)目標(biāo)，傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)在直觀性和信息傳達上有很大的局限。

2、實訓(xùn)教學(xué)實施階段 – 可以節(jié)約實訓(xùn)教學(xué)實施的時間成本

虛擬仿真在此階段可以利用“實時修改”和“實時渲染”所見即所得的自身優(yōu)勢，介入到實訓(xùn)教學(xué)實施中，“實時渲染”技術(shù)可以讓師生完整的看到實訓(xùn)過程的整體結(jié)果，不用耗費大量的時間等到傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)進行加熱、冷卻、固化等過程?！皩崟r修改”技術(shù)可以讓參與實訓(xùn)的師生對自己不滿意的實訓(xùn)過程進行修改，虛擬仿真開發(fā)人員只需對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，就可以對實訓(xùn)過程進行修改，并且可以實時的讓參與實訓(xùn)的師生觀察到實訓(xùn)效果的變化，協(xié)助參與實訓(xùn)的師生對實訓(xùn)細(xì)節(jié)的取舍。這其中就包括：實訓(xùn)時間設(shè)置、危險實訓(xùn)項目模擬、不可見實訓(xùn)效果展現(xiàn)等方面。

3、實訓(xùn)教學(xué)總結(jié)階段 – 可以多樣性的給予評價，并可隨時回放實訓(xùn)過程

整個實訓(xùn)過程通過虛擬仿真技術(shù)進行模擬的同時，該技術(shù)會把參與者的一舉一動進行記錄，正確的和錯誤的操作都會記錄下來。錯誤的操作，虛擬仿真技術(shù)可以標(biāo)注，進行分析，并且在實訓(xùn)完成后，給予參與者反饋，告知參與者錯誤在哪里，以便參與者隨時查詢，反復(fù)練習(xí)。

虛擬仿真技術(shù)可以基于時間軸技術(shù)，對整個教學(xué)過程進行回放、快進、慢動作以及多角度觀察。這是傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)所不能比擬的。傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)中，實訓(xùn)過程的記錄是重中之重，優(yōu)秀的實訓(xùn)教學(xué)都是需要不斷地修改和磨合出來的，反復(fù)的進行準(zhǔn)備、實施和調(diào)節(jié)，期間不可避免的造成創(chuàng)作人員精力消耗以及創(chuàng)意流失。虛擬仿真技術(shù)的介入可以讓實訓(xùn)教師在同一流程中反復(fù)研究，針對重點難點進行教學(xué)并記錄。

三、實訓(xùn)教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)之間的互動

虛擬和現(xiàn)實的區(qū)別，在參與者方面來說，很大程度上就是“互動”的區(qū)別。是參與者能不能夠?qū)ζ溥M行掌控的區(qū)別。

虛擬仿真技術(shù)現(xiàn)在不斷有新的技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用，參與者的所能獲得的視覺和觸覺感受越來越趨于真實和直接。傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)中，多采用多媒體影片來記錄實訓(xùn)過程，整個影片播放過程，學(xué)生只能夠被動的接受設(shè)置好的感官刺激外，沒有任何可以親自參與的內(nèi)容，只能按照設(shè)定好的情節(jié)內(nèi)容進行觀看，眾多參與實訓(xùn)的師生的想法也無從施展，

虛擬仿真的介入，可以讓學(xué)生從被動的接受者變成主動地參與，假設(shè)有一個情景，一段化學(xué)實訓(xùn)教學(xué)，傳統(tǒng)教學(xué)方式，整個化學(xué)實驗過程不能夠被打斷，學(xué)生只能線性的觀察整個實訓(xùn)過程。而在虛擬仿真教學(xué)中，學(xué)生可以隨時介入到實驗過程中，比如，在化學(xué)反應(yīng)的某個節(jié)點，學(xué)生再加入新的化學(xué)物質(zhì)或者調(diào)整某種化學(xué)原料的參數(shù)、含量，這在傳統(tǒng)教學(xué)中可能存在危險，但是在虛擬仿真技術(shù)面前，這一切都不能成為問題。

虛擬仿真在實訓(xùn)教學(xué)制作過程中的應(yīng)用可以在實訓(xùn)初期創(chuàng)意，實訓(xùn)實施過程以及后期評價反饋過程中，提供更高效的制作工具，節(jié)省出大量的時間來進行實訓(xùn)教學(xué)細(xì)節(jié)和其他相關(guān)部分工作；有效地打通虛擬和現(xiàn)實之間進行轉(zhuǎn)換的壁壘；提供更有趣的實訓(xùn)教學(xué)體驗。虛擬仿真的介入將很大程度的推進實訓(xùn)教學(xué)的發(fā)展進程。

作者簡介

李強，講師，就職于河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

（作者單位：河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院）