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      基于虛擬仿真技術(shù)搭建大型設(shè)備輔助教學(xué)與遠(yuǎn)程共享系統(tǒng)

      2021-02-11 06:24:16高學(xué)平劉璐李淑穎
      科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2021年24期
      關(guān)鍵詞:儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)

      高學(xué)平 劉璐 李淑穎

      摘 要:本文基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),開發(fā)大型設(shè)備輔助教學(xué)與遠(yuǎn)程共享系統(tǒng)。仿輔助教學(xué)系統(tǒng)能直觀地演示大型設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、樣品制備、設(shè)備操作、上崗考核等整個(gè)輔助教學(xué)平臺(tái)等教學(xué)與培訓(xùn)項(xiàng)目;能較好地解決大型精密儀器稀少和學(xué)生與社會(huì)大量需求之間的矛盾問題,提高大型設(shè)備的受益面和利用率。遠(yuǎn)程共享系統(tǒng)能夠拉近時(shí)空距離,實(shí)現(xiàn)異地可視化交流,提高大型設(shè)備平臺(tái)服務(wù)社會(huì)的能力。

      關(guān)鍵詞:虛擬仿真大型設(shè)備輔助教學(xué)遠(yuǎn)程共享

      中圖分類號(hào):G482 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? 文章編號(hào):

      Platform Construction of Large Equipment Auxiliary Teaching and Remote Sharing System

      Based on the Virtual Simulation Technology

      GAO Xueping1 LIU Lu2* LI Shuying2

      (1. School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Jinan, Shandong Province, 250061 China;

      2. School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan, Shandong Province, 250061 China)

      Abstract: Based on computer simulation technology, this paper develops a large equipment auxiliaryteaching and remote sharing system. The simulated auxiliary teaching system can intuitively demonstrate the internal structure, working principle, sample preparation, equipment operation, post assessment and other teaching and training projects of the whole auxiliary teaching platform; It can better solve the contradiction between the scarcity of large precision instruments and the large demand of students and society, and improve the benefit surface and utilization rate of large equipment.The remote sharing system can shorten the space and time distance, realize the remote visual communication, and improve the ability of the large equipment platform to serve the society.

      Key Words: Virtual simulation; Large-scaleequipment; Auxiliary teaching; Remote sharing

      大型儀器設(shè)備平臺(tái)是高?!半p一流”建設(shè)的重要支撐與保障,是一流學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),是學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才和開展高水平科研工作的關(guān)鍵條件[1,2]。為了配合我國(guó)世界一流高校的建設(shè),國(guó)家和高校投入了高額經(jīng)費(fèi),購(gòu)置了大量的先進(jìn)分析測(cè)試設(shè)備,建設(shè)了一定數(shù)量的高水平測(cè)試平臺(tái),這極大地改善和提高了高校的辦學(xué)條件、科研實(shí)力,推進(jìn)了科研水平的提升。

      1國(guó)內(nèi)大型設(shè)備平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)行

      1.1大型設(shè)備平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)行中存在的問題

      大型設(shè)備平臺(tái)在持續(xù)的建設(shè)與運(yùn)行中,逐漸產(chǎn)生投入、產(chǎn)出、設(shè)備利用率、社會(huì)服務(wù)等方面的問題。

      1.1.1大型設(shè)備的利用率不高,但存在用戶機(jī)時(shí)緊張的問題

      國(guó)家和高校將主要精力放在了大型設(shè)備的論證與購(gòu)置上,在人力方面的重視程度不夠,這種情況下產(chǎn)生了大型設(shè)備的利用率不高,而存在用戶機(jī)時(shí)緊張的問題矛盾現(xiàn)象。

      1.1.2短時(shí)間內(nèi)難以培養(yǎng)大量合格的上崗學(xué)生

      為了改變大型設(shè)備的利用率不高,用戶機(jī)時(shí)緊張的問題,同時(shí)培養(yǎng)研究生的動(dòng)手能力,可以大面積培訓(xùn)研究生,使研究生具備獨(dú)立操作大型設(shè)備與測(cè)試分析的能力,24h運(yùn)轉(zhuǎn)大型設(shè)備,由此解決用戶機(jī)時(shí)緊張與設(shè)備利用率不高的矛盾。但此又產(chǎn)生一個(gè)新的問題:傳統(tǒng)的教學(xué)與培訓(xùn)系統(tǒng)難以滿足當(dāng)前的要求。電子顯微鏡類的大型設(shè)備都屬于精密儀器,結(jié)構(gòu)與原理復(fù)雜,操作精度較高,沒有大量的機(jī)時(shí)進(jìn)行實(shí)際操作練習(xí),短時(shí)間內(nèi)難以培養(yǎng)合格的上崗學(xué)生,這是目前困擾大型設(shè)備平臺(tái)的一個(gè)問題[3,4]。

      1.1.3大型設(shè)備的遠(yuǎn)程開放共享,服務(wù)社會(huì)不到位

      大型儀器設(shè)備平臺(tái),不僅服務(wù)于本??蒲?,還肩負(fù)著服務(wù)社會(huì)的責(zé)任。異地距離造成時(shí)空間隔,信息不易傳達(dá),共享成本高,是導(dǎo)致大型儀器設(shè)備難以遠(yuǎn)程共享的一大原因。

      1.2信息技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況

      計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,為教育教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展提供了一個(gè)全新的模式,也使基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和遠(yuǎn)程教育得以實(shí)現(xiàn)[5-8]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用,著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平,國(guó)家層面要求推廣建設(shè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源。

      目前,正處在各高校大型設(shè)備虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的熱點(diǎn)時(shí)期,各高校紛紛建立各種教學(xué)與培訓(xùn)[9]。北京歐倍爾公司以清華大學(xué)部分平臺(tái)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、考核,以及專業(yè)分析人員的操作培訓(xùn),開發(fā)了一系列大型分析儀器3D虛擬仿真課件。通過搭建三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室,建立一個(gè)逼真的3D環(huán)境,使實(shí)驗(yàn)者產(chǎn)生身臨其境的感覺。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的大型儀器仿真系統(tǒng)、貴州大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心大型儀器設(shè)備虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)部等均正在建設(shè)中[10-11]。

      總體而言,國(guó)內(nèi)虛擬仿真技術(shù)在大型設(shè)備培訓(xùn)教學(xué)方面應(yīng)用的課件資料極少,更缺乏系統(tǒng)性虛擬仿真教學(xué)材料。已有部分高校與科技公司開展了某些型號(hào)大型設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建工作,但是側(cè)重點(diǎn)和目標(biāo)客戶群不盡相同,應(yīng)用面較窄,數(shù)據(jù)庫(kù)不完善,針對(duì)性不強(qiáng),不能滿足高校大型平臺(tái)不同廠家、不同型號(hào)大型分析儀器設(shè)備的虛擬教學(xué)與培訓(xùn)工作[12-13]。

      1.3 學(xué)校大型設(shè)備平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)行的現(xiàn)狀

      山東大學(xué)在建設(shè)雙一流大學(xué)的過程中投入大量的建設(shè)經(jīng)費(fèi),構(gòu)建了多個(gè)校級(jí)公共技術(shù)平臺(tái),如圖1所示。山東大學(xué)依托學(xué)院,構(gòu)建學(xué)科群性質(zhì)的差異化大型設(shè)備共享平臺(tái),充分體現(xiàn)設(shè)備的通用性、專用性,采取統(tǒng)管共享和專管共享的模式,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)分結(jié)合、分類管理,良好的建設(shè)思路和完善的管理體制,進(jìn)一步發(fā)揮出平臺(tái)設(shè)備的功能,為培養(yǎng)創(chuàng)新人才和開展高水平科學(xué)研究工作提供有力的支撐和保障[14,15]。

      目前,學(xué)校已經(jīng)著手解決平臺(tái)運(yùn)行中存在的機(jī)時(shí)與設(shè)備利用率的矛盾問題;山東大學(xué)正在積極推進(jìn)一校三地虛擬實(shí)驗(yàn)資源的開放共享建設(shè),支持建設(shè)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái),鼓勵(lì)與提倡開展虛擬實(shí)驗(yàn)資源建設(shè),拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度,延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)空效果,學(xué)校層面要求實(shí)施建設(shè)線上、線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,不斷提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

      為了解決目前大型設(shè)備平臺(tái)存在的問題和當(dāng)前形勢(shì)要求,本文基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建大型設(shè)備仿真系統(tǒng)和遠(yuǎn)程共享系統(tǒng),力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”,提高設(shè)備利用率和大型平臺(tái)服務(wù)社會(huì)的能力。

      2 基于虛擬仿真技術(shù)的大型設(shè)備輔助教學(xué)培訓(xùn)及遠(yuǎn)程共享系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

      針對(duì)以上大型儀器開放共享的問題,本文開發(fā)大型設(shè)備技能培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái),通過仿真系統(tǒng),直觀地顯示大型設(shè)備內(nèi)部電子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理與運(yùn)行機(jī)制,內(nèi)部電子束的運(yùn)動(dòng)形式、設(shè)備真空工作原理、樣品制備、設(shè)備操作等教學(xué)與培訓(xùn)項(xiàng)目。虛擬仿真系統(tǒng)提供的圖像,動(dòng)畫和視頻能夠形象、生動(dòng)直觀地展現(xiàn)精密設(shè)備的各系統(tǒng),可以讓學(xué)生透徹、感性地掌握設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)流程;同時(shí)構(gòu)建的大型儀器設(shè)備操作的虛擬仿真系統(tǒng),可讓學(xué)生迅速掌握操作要領(lǐng),再利用少量實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí),就能培養(yǎng)出合格的上崗者,這對(duì)于解決用戶機(jī)時(shí)緊張與設(shè)備利用率不高的矛盾問題,具有重要的意義;基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)一套大型儀器設(shè)備操作的系統(tǒng),構(gòu)建可以做到“人人可學(xué)、處處可學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”,具有三維立體的、網(wǎng)絡(luò)化的大型儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室,開展虛擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、提高大型設(shè)備利用率,具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

      大型儀器設(shè)備平臺(tái),不僅服務(wù)于本校科研,還肩負(fù)著服務(wù)社會(huì)的責(zé)任。異地距離造成時(shí)空間隔,這是造成大型儀器設(shè)備難以遠(yuǎn)程共享的一大原因。本文構(gòu)建人機(jī)遠(yuǎn)程交互系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)異地可視化交流樣品處理技術(shù)與方法、測(cè)試具體要求與實(shí)現(xiàn)等,避免人員往返等成本問題,只需花費(fèi)少許樣品郵寄費(fèi),這是高校儀器設(shè)備資源社會(huì)化服務(wù)的一種創(chuàng)新模式。

      2.1以電鏡類設(shè)備為例的虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

      掃描電鏡、透射電鏡等大型儀器設(shè)備已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料等各個(gè)研究領(lǐng)域,尤其在微觀材料領(lǐng)域的研究工作中,更是不可或缺的工具[16-18]。本文以掃描電鏡為例,構(gòu)建了掃描電鏡類設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、上機(jī)操作等教學(xué)與培訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)部分大型設(shè)備24h開放。大幅提高設(shè)備利用率;整合現(xiàn)有資源,構(gòu)建了大型設(shè)備遠(yuǎn)程交互系統(tǒng),提高高校儀器設(shè)備資源社會(huì)化服務(wù)范圍與水平,使大型設(shè)備平臺(tái)服務(wù)山東、服務(wù)社會(huì),建立更多的校企合作項(xiàng)目。具體建設(shè)內(nèi)容如圖2所示。

      2.2需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

      第一,虛擬仿真內(nèi)容腳本的撰寫。腳本編制是虛擬實(shí)驗(yàn)開展的關(guān)鍵,不只是設(shè)備原理、操作儀器,要充分考慮使用者的交互作用、案例學(xué)習(xí),使得步驟之間的聯(lián)系更加緊密,同時(shí)將設(shè)備理論知識(shí)、設(shè)備操作、安全注意事項(xiàng)、案例應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析等具體內(nèi)容通過豐富的遞進(jìn)方式進(jìn)行展現(xiàn)。

      第二,虛擬仿真平臺(tái)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵技術(shù)要求:虛擬實(shí)驗(yàn)室主場(chǎng)景要有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染效果,滿足多角度對(duì)設(shè)備的觀察與了解;虛擬平臺(tái)具有二次擴(kuò)展能力,滿足不同試驗(yàn)項(xiàng)目的定制化要求與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新需求;開發(fā)多人操作與協(xié)同模塊技術(shù),實(shí)現(xiàn)多人操作訓(xùn)練與同步管理。

      第三,虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)結(jié)合,探索線上線下相結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,通過系列教學(xué)培訓(xùn),最終解決大型儀器設(shè)備稀少、實(shí)踐機(jī)時(shí)少的問題。

      3大型設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)搭建實(shí)施方案

      3.1大型設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)施方案

      大型設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)施具體方案如圖3所示。通過仿真素材編寫、主場(chǎng)景的確立與建模、仿真項(xiàng)目設(shè)計(jì)、平臺(tái)數(shù)據(jù)整合4個(gè)步驟過程,主體構(gòu)建理論學(xué)習(xí)、操作訓(xùn)練、上崗考核3個(gè)模塊,案例學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)處理作為選學(xué)內(nèi)容。通過將網(wǎng)絡(luò)可視化軟件、視頻與語言交流的硬件的配合,實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備遠(yuǎn)程交互系統(tǒng)。

      在充滿足圖像實(shí)時(shí)渲染畫面質(zhì)量的要求基礎(chǔ)上,進(jìn)行虛擬仿真主場(chǎng)景的建立,如圖4所示。在場(chǎng)景數(shù)據(jù)承載方面,制定三維場(chǎng)景建模規(guī)范流程,以主場(chǎng)景來控制單體模型數(shù)據(jù),結(jié)合場(chǎng)景動(dòng)態(tài)加載技術(shù),實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景數(shù)據(jù)的流暢顯示與轉(zhuǎn)化。采用VRPlatform搭建虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái),開放項(xiàng)目所需的二次開發(fā)接口,在易用性、交互性、穩(wěn)定性方面均可達(dá)到一般要求。采用多人協(xié)同開發(fā)端模塊開發(fā)實(shí)現(xiàn)多人同步訓(xùn)練功能。

      以模擬實(shí)體演示和流程描述為主建立基體結(jié)構(gòu)、工作原理以及操作流程3個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容。上崗考核模塊中,以2~3個(gè)實(shí)驗(yàn)案例為主題進(jìn)行大型儀器操作虛擬仿真,根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行仿真腳本的編制,增加操作的真實(shí)性和實(shí)用性。建立數(shù)據(jù)處理中心,對(duì)每位參與學(xué)習(xí)者的考核操作單元步驟進(jìn)行記錄并與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,最終作出評(píng)判。

      3.2系統(tǒng)運(yùn)行效果

      大型設(shè)備技能培訓(xùn)輔助教學(xué)系統(tǒng)的虛擬仿真平臺(tái),如圖5所示。在沒有接觸儀器設(shè)備的情況下,人員通過虛擬仿真系統(tǒng)模擬動(dòng)手操作過程,更直觀地了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理,為了更好地實(shí)踐操作打好基礎(chǔ)。該系統(tǒng)在本科生、研究生和部分社會(huì)人員中開展試用,能較好地解決大型機(jī)密儀器稀少和學(xué)生與社會(huì)大量需求之間的矛盾。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過線上線下的結(jié)合,解決大型設(shè)備貴重、稀少的問題,滿足了從本科到博士的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作;在人才培養(yǎng)方面,虛擬仿真平臺(tái)可培訓(xùn)大量學(xué)生,提高學(xué)生的分析測(cè)試能力,并為測(cè)試行業(yè)培養(yǎng)高精尖測(cè)試人才,每年培訓(xùn)合格上崗人員50~100人;設(shè)備實(shí)現(xiàn)24h運(yùn)行,能有效提高大型設(shè)備使用機(jī)時(shí);遠(yuǎn)程共享系統(tǒng),拉近了企業(yè)與高校平臺(tái)的距離,增強(qiáng)了大型平臺(tái)服務(wù)于社會(huì)的能力與機(jī)會(huì)。

      4結(jié)語

      大型設(shè)備輔助教學(xué)培訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)性地構(gòu)建掃描電鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、樣品制備、實(shí)際操作培訓(xùn)、上崗考核等整個(gè)生態(tài)過程。該系統(tǒng)能較好地解決大型機(jī)密儀器稀少和學(xué)生與社會(huì)大量需求之間的矛盾問題,提高大型設(shè)備的受益面和利用率;為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技能培訓(xùn)提供了一種全新的途徑;遠(yuǎn)程共享系統(tǒng)在開放共享、服務(wù)社會(huì)中能夠發(fā)揮重要作用。

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