虚拟仿真范文

时间:2023-09-21 19:08:44

虚拟仿真篇1

关键词:粒子系统;虚拟现实;沉浸感

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2007)12-21677-02

Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation

YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.

Key words:particle system; virtual reality; immersion

1 引言

随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展,综合运用上述技术,高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中,人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力,因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学,如雨后春笋迅速发展起来。目前,大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示,或者是操作的简单交互,缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真,使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距,粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学效仿真,进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。

2 虚拟教学发展现状

在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下,又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下,虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情,利用虚拟现实技术营造自主学习的环境,学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面:

2.1 虚拟课堂

虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性,学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择,避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾,使得教与学更人性化。

2.2 虚拟实验

在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限,许多实验无法开设,而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中,学生可以安全操作各种虚拟实验,并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制,在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程,并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失,使得知识的获取更高效、更安全。

2.3 虚拟培训

针对职工岗前培训,特别是高危行业的岗前安全培训,传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式,缺乏生动性及真实性,学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆,遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远,往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场,在接受培训后,对培训内容有三维、逼真的系统理解,能够将所学知识准确应用于生产实际,当真正经历事故时能迅速反应,安全逃生。

3 粒子系统

3.1 粒子系统基本原理

粒子系统算法是Reeve于1983年提出,它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体,这些基本粒子都有一定的生命周期,基于它们不断改变形状、不断运动,所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统,而是一个动态表现过程,是随时间变化处在不断运动中的粒子群,粒子群的分布状态可以随机改变,动力学性质决定各粒子位置的移动方式,新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。

3.2 粒子系统绘制的基本步骤

Step1 由粒子源产生新的粒子并加入系统中;

Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性;

Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子;

Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换;

Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。

可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合,进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性,常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围,该范围内随机给数以确定它的大小,而变化范围则由即定的期望与方差来确定,基本表达式为:Para=MeanPara+Rand()'VarPara,其中Para代表需随机确定的参数;Rand()为[-1,1]中的均匀分布的随机函数;MeanPara为该参数的期望值;VarPara为其方差值。

4 粒子系统与虚拟教学

因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟,因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。

4.1 虚拟实验现象仿真

虚拟仿真篇2

关键词:多科性大学;虚拟仿真实验教学;教学体系;开放共享

虚拟仿真实验教学是“虚拟现实(VirtualReality)+教育”深度融合的产物,其推广顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要,推动了高校实验教学改革和创新。教育部自2013年提出建设国家级虚拟仿真实验教学中心以来,连续三年发布虚拟仿真实验教学中心建设原则的通知,教育部对虚拟仿真实验教学的重视程度和建设虚拟仿真实验教学中心的迫切需求有目共睹。2017年7月教育部发布的开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知中,提出经济管理类示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划要在2019年和2020年共达到80项之多。由此可见,教育部对推进经济管理类虚拟仿真实验教学的力度之大。目前来看,全国经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设处于起步探索阶段,少数财经院校已建立,并初步建立其适用的较为完整的教学体系和教学模式,大部分院校特别是多科性大学还没有启动建设,更没有对其实验教学进行系统的实践和研究。经济管理类虚拟仿真实验教学,并不仅仅是将虚拟仿真技术引入到经济管理类实验教学中,更强调的是将虚拟仿真思想融入其中,搭建虚拟真实场景、开发虚拟真实企业实践平台及后台数据库、模拟社会经济管理的现实问题作为实验项目,注重让学生在学习过程中能亲身经历,乐于实践,获得知识,提高技能,有效地弥补了实验过程不可逆和实验项目不可及的缺陷。由于各高校学生的特点、课程体系、传统实验开设的情况等等不尽相同,结合西北政法大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设实践,对多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心建设的目标、实验教学体系和实验中心建设和使用进行系统研究。

一、多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心建设的目标

多科性大学不同于财经类大学和综合性大学,它是以一个或两个学科为支撑、其他多个学科协调发展的学科格局。西北政法大学就是一所以法学为主,经济学、管理学、文学、哲学等学科协调发展的多科性大学。通过对山西财经大学、贵州财经大学、南京财经大学、南京审计大学四所财经类大学和西安交通大学、西北大学两所综合性大学的实地考察、调研,发现如西北政法大学这样的地方多科性大学经济管理类实验教学相对落后,实践教学体系不完整、不系统,实验室建设滞后等问题。为适应当下对应用型经管类本科人才的迫切要求,经过一年多的考察、调研、可行性报告和建设方案的撰写、施工建设、后期调试,西北政法大学经济管理虚拟仿真实验教学中心(以下简称“仿真实验中心”)落成运行。

1.仿真实验中心基本情况仿真实验中心总面积约1000平方米、含三个全封闭实验室、五个半开放仿真实验室(跨专业综合虚拟仿真实验项目可跨实验室进行),其中,全封闭实验室有经济&管理基础实验室-A型实验室、统计调查与数据分析实验室-B型、审计财务管理专业实验室。五个半开放的实验区分别是金融保险仿真区、企业模拟仿真区,跨境全流程仿真区、跨境分销实战区和综合模拟仿真实验区。综合模拟仿真实验区模拟银行、税务、工商、社保公积金实际工作场景,可组合其他四个半开放实验区根据课程需要进行授课。企业模拟仿真区、跨境全流程仿真区和跨境分销实战区可组合为跨境综合实验室。跨境全流程仿真区、金融、保险仿真区、企业模拟仿真区可组合为企业综合模拟仿真实验室。金融保险仿真区、企业模拟仿真区、综合模拟仿真实验区、跨境全流程仿真区可组合为虚拟商业社会环境跨专业综合模拟仿真区。组合后的实验室可作为学生创新创业实践项目、跨专业综合实验项目、学年论文项目和毕业论文项目的实践基地。仿真实验中心采用云桌面管理,安装软件总计36个,包括基础审计、金融类实验软件;跨专业综合实践软件;财会与审计专业综合教学实践软件;电子商务基础实验软件;国际贸易和跨境电商综合仿真实训软件;人力资源管理实训软件;社会保障学相关实训软件。仿真实验中心可用于西北政法大学经济管理相关学科十三个本科专业的课程实验、专业实验和跨专业综合虚拟仿真实验教学。

2.仿真实验中心建设的主要目标(1)面向新时期实验教学的最新趋势和要求,达到或引领多科性大学经管类实验教学的最新探索水平,牢牢把握当下经济社会发展趋势和企业对高水平、高层次人才的能力要求,注重大学生综合实践能力的提升。(2)面向经济管理类专业和课程,将学生置于虚拟仿真环境中,模拟现实操作过程,实现全流程实践和核心业务的实践,切实提高实验教学效果,提高学生专业知识的应用能力。(3)实验教学中心可达到各专业课程实验和跨专业综合实验的紧密衔接、资源共享的目的,进一步促进多科性大学各学科的协调发展。实验中心的建设无疑为经管类实验教学改革和研究实践提供了充分的条件,但虚拟仿真实验在经管类实验教学的应用还处于起步阶段,应系统地对实验教学体系和将来的发展方向进行研究。

二、构建多科性大学经管类虚拟仿真实验教学新体系

围绕经济管理类人才培养体系,突出大学生创新能力和应用能力的培养原则,完善教学实验模式,创新实验方法,扩展实验层次,构建能力培养为导向、跨专业、虚实结合的多层次实验教学新体系。

1.教学模式由以课程或专业设置实验室的传统实验教学组织模式,逐渐转变为由学科群组建基础实验以及项目为主导的跨专业综合虚拟仿真实验模式。开发以问题为导向、以自身专业为主的跨专业综合虚拟仿真实验课程体系。比如,将大三第一学期的学年论文的撰写改革为两个星期的综合虚拟仿真实验实习加论文的形式,这是学生由专业基础提升到跨专业综合的一次重要节点,为大三和大四学年的专业学习、毕业实习以及毕业论文的设计和撰写打下坚实的基础。

2.实验教学方法实验教学方法由教师演示、学生自主学习的传统方式,逐渐转变为任务驱动、团队作战、仿真模拟、岗位实战的方式,提高学生分析、解决问题能力,增强创新意识、团队意识和管理意识,促进自主性学习和个性化学习,培养学生综合素养和应用能力协调发展。

3.实验层次实验教学新体系由基础课程的验证性实验、专业课程的熟练性实验、专业综合课程的跨专业综合虚拟仿真实验、就业前的综合素养提升实验构成,达到实验教学内容衔接、教学要求匹配、教学效果阶梯化形成的目的,最终实现训练基本技能、培养创新意识、训练专业技能、训练综合能力、培养社会适应能力等三个层次的目标。通过以上三个方面的创新,构建“能力培养为导向、跨专业、虚实结合、多层次”的实验教学新体系。具体内容如下图所示。第一个层次适用于大学一、二年级的学生,这个阶段的课程以基础课程为主,包括专业基础课程,创新创业课程以及各类专业竞赛,实践课程是以配合课程为主的验证性实验和体验感知性实验,通过融合创新创业教育和专业竞赛,增加对项目的认知。这个阶段由传统教师演示、学生自主的教学方法和任务驱动、团队合作、小组讨论的教学方法相结合,以训练基本技能和培养创新意识为主要目标。第二个层次适用于大学二、三年级的学生,这个阶段的课程以专业课程为主,主要的专业课程都已经接触到,学生对其专业有了一定程度的认识,实践课程也应由验证性实验和体验感知性实验转变为专业课程的熟练性实验和设计性实验。开设一些从业资格考试相关的实践课程,学年论文的综合虚拟仿真实践课程,这个阶段主要采用任务驱动、团队作战、仿真模拟、岗位实战的方法,训练学生的专业技能、培养专业应用能力。第三个层次适用于大学三、四年级的学生,这个阶段所有课程的讲授基本结束,学生对其专业进行了全面的认识,也有了一定的专业技能,进行毕业前实习,马上走上工作岗位,实践课程也应随之变化。校内的实践课程主要是跨专业综合虚拟仿真实验,弥补在校外实习单位接触不到的核心业务和全流程业务,这个阶段主要采用项目驱动、团队作战、仿真模拟、岗位实战的方法,训练学生的综合技能、培养社会适应和创新能力。构建的“能力培养为导向、跨专业、虚实结合、多层次”的实验教学新体系遵从了学生每个阶段的特点和学科基础,循序渐进,逐步提升学生的实践能力。

三、多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心建设和使用思考

鉴于对西北政法大学经济管理虚拟仿真实验教学中心的建设实践和研究,对多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心进一步完善软硬件建设和管理机制进行了如下几个方面的思考。

1.仿真实验中心教师队伍建设高效、专业的实验室教师团队是开展虚拟仿真实验教学必不可少的。将整个实验室队伍分为下面三个组成部分建设完善,以提高实验室教师团队的整体水平,组建一支实践能力强、善于合作、多学科融合的实验室专业教师团队。(1)专职实验教师。引进计算机相关专业的教师作为专职实验教师,薪酬待遇、职称评定与专业教师同等对待。负责系统维护、技术支持和通用性实验课程的建设教学,负责与各软件厂商协同合作来保证设备和系统安全、稳定的运行,并定期组织专业教师进行平台使用培训。(2)专业教师。采取课时激励的方法鼓励专业教师承担实验课程(课程实验环节)。实验室专业教师队伍的建设可以在相对具备专业技能及实践教学经验的经管专业教师的带动下,引导各学科的专业教师加入到实验室教师团队中来,促进教学改革,调整教学方法和考核方法。(3)实验室管理人员。鼓励学生助教从事于实验室管理工作,通过短期培训即可对云桌面综合管理集成平台进行熟练操作。鼓励专职实验教师和专业教师将实验教学与科研协同发展,相互促进。校企协同开发实验平台和实验项目,申报各级虚拟仿真实验教学项目促进教学改革,出版相关实践实验教材,逐步建立完善的实践教学课程体系。不管是专职实验教师还是专业教师都可以在实验室教学过程中获得科研成果,使教学科研能力、职称评审、薪酬待遇均可得到很大程度的提升。

2.仿真实验中心管理制度的完善仿真实验中心采用开放式管理。学生可以预约时间使用仿真实验中心,也可以在任意的终端设备上随时随地访问虚拟仿真实验教学中心的实验教学资源及个人的实验数据进行查看和练习,促进学生自主性学习和个性化学习,同时为教师进行虚拟仿真实验教学方法改革提供更充分的条件。

3.跨专业虚拟仿真实验教学课程体系的开发建设虚拟仿真实验课程体系构建是虚拟仿真实验教学建设的重要内容。建设相对完善的跨专业虚拟仿真实验教学课程体系需要根据学生的反馈在实践过程中反复研究、反复实践、反复改革,这是一个持续不断的过程。因此,在之后的实验教学研究和实践中,应鼓励相关教师协同合作开设以提高综合实践能力为目标的跨专业虚拟仿真实验教学课程。学年论文和毕业论文也可以依托跨专业综合虚拟仿真实验成果撰写,将很大程度上提高学年论文和毕业论文的质量。

4.实验教学资源开放共享机制探索优质实验资源的开放共享是虚拟仿真实验教学中心建设的重中之重,从对各个高校实验中心的调研情况来看,资源的开放共享仍处于起步和探索阶段,包括技术方面和运行机制方面。仿真实验中心的开放共享主要是以实现校内实验项目和授课内容打通、校内毕业论文和校内创新项目打通、校内课程实验数据与跨专业综合虚拟仿真实验数据打通、校间虚拟仿真实验教学协同创新、校间虚拟仿真实验教学资源开放共享为目标展开。无论是校内资源还是校间资源的开放共享,都需要与企业、高校之间协同合作,共同研发核心技术,建立开放共享的协同机制,比如激励机制、利益分配机制等,防范开放共享产生的风险。

5.与创新创业教育、校企协同育人深度融合仿真实验中心为创新创业教育、校企协同育人项目提供校内实践基地,为这两个项目的顺利开展奠定了基础。仿真实验中心将促进校内创新创业教育的教学模式、教学方法和课程体系的研究和探索。2015年,西北政法大学被认定为陕西省省属大学生创业培训基地,实验中心无疑为开展大学生创新创业教育奠定了基础,搭建了平台,为校内所开设的创新创业课程与实践活动提供了充分的硬、软件环境。探索虚拟仿真实验与创新创业教育的深度融合的教学模式和教学体系,更好地开展双创教育。将仿真实验中心作为学校、企业共同参与的合作办学的校内实验实训实习基地,实验中心的综合虚拟仿真实验区构建真实场景的实习环境。拥有优质的实验教学资源的跨专业综合虚拟仿真实验中心对校企协同具有重要的深化作用。

6.与技能竞赛教学模式协同发展近年来,高校各专业技能竞赛日益增多,“以赛促学、以赛促教”的实践教学模式成为提高大学生综合实践能力的重要组成部分。在仿真实验中心创建以竞赛为目标的面向参赛学生全天候开放的创新实践基地,教师可根据学生参赛情况进行必要的赛前辅导和模拟演练,在跨专业虚拟仿真区进行项目的仿真演练,开发竞赛作品资源库,形成“教、赛、学”一体化实验教学体系,提高竞赛水平,培育出优秀竞赛作品,提高学生的创新实践能力。

四、结束语

多科性大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设是硬件、软件和管理机制三个方面协同建设的过程,不断地研究与实践保证它长期、持续的发展。西北政法大学经济管理类虚拟仿真实验教学中心的建设实践为多科性大学在经济管理类虚拟仿真实验教学迈出了坚实的一步,对其进一步探索研究,使虚拟仿真实验教学在提高多科性大学经管类学生的综合实践和创新能力方面发挥其最大的作用。

参考文献:

[1]薛永基,陈建成,王明天.经管类专业虚拟仿真实验教学探索与实践[J].实验室研究与探索,2017

[2]刘军,施晓秋,金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学,2017

[3]李虹.经管类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,2016

虚拟仿真篇3

关键词:生物学;虚拟仿真实验;实验中心建设

实验教学是培养人才的关键,是打造创新型国家的基石,国家根据科技发展和社会需求在不同时期提出了相应的指导思想,“十一五”期间提出《高等学校实验教学示范中心的建设和评审》,“十二五”期间提出了《教育信息化十年发展规划》和《全面提高高等教育质量的若干问题》,“十三五”又提出了《教育信息化“十三五”规划》。可见着力打造具有我国特色的教育信息化体系是当前我国教育事业发展的重点。2013年8月13日,教育部高教司了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》,提出了“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的20字指导思想[1]。自此开启了虚拟仿真实验教学中心建设,到目前为止全国共评建了300个虚拟仿真中心。

1国家级虚拟仿真中心建设分布情况

近年来,高等教育实验中心的信息化建设飞速发展,由最初的管理系统到中心工作网站,到网络监控系统,再到信息化教学系统,直至发展到虚拟仿真系统。虚拟仿真中心建设集中在华东、华北地区,2013年到2015年3年2个地区共建设虚拟仿真中心160个,占据虚拟仿真实验中心的半壁江山,仅北京一地建设国家级虚拟仿真中心47个,占全国的15.7%,其中2013和2014年各17个,2015年13个。江苏省,3年共建虚拟仿真中心31个,山东省、上海市各建设国家级虚拟仿真中心20个(如图1所示)。截止到2015年,生物和食品学科组共评建12个国家做虚拟仿真实验中心,其中6个中心是“一体两翼”即同一个中心拥有虚拟中心和实体中心。

2生物学虚拟仿真中心建设

《教育信息化“十三五”规划》中指出:构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系,建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会[2]。教育部还联合财政部、国家发改委、工业和信息化部、中国人民银行共同了《构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面有效机制的实施方案》。如何构建学习型社会?如何扩大优质教育资源覆盖面?如何共建共享?这些都是虚拟仿真实验中心可持续发展的关键问题。为此生物学虚拟仿真中心在秉承科学规划、突出重点、共享资源、服务全局、深化应用、提高效益等几方面不断探索。

2.1科学规划突出重点

虚拟仿真是对实体中心的一个很好的补充,生物学科在建设时应依据学校和地域的不同,根据学校学科特点、专业特色等进行自我设计与规划,突出重点,突破制约实体实验教学发展的瓶颈问题。制约生物实体实验发展的瓶颈问题主要是六方面[3],归纳为:极端环境或高危实验,微观层面的实验,不可逆的实验,高成本、高消耗的实验,受条件制约的大型综合实训,实验室安全管理和安全防御等方面。如部分虚拟仿真实验中心建设的蛇毒提取与冻干品制备虚拟实验、蛋白质模拟与设计、植物野外调查与标本采集、生产工艺等虚拟仿真实验均是填补了实体实验的不足。生物学科应着力建设能够反映虚拟仿真实验特点,将科研成果切实转化成实验项目的虚拟仿真实验,建设更具有先进性和原创性的虚拟实验。

2.2共享资源服务全局

生物学虚拟仿真实验依据实验性质可分为认知性实验、设计性实验、综合性实验以及创新性实验[4]。对于认知性实验除了服务于大学生,也可以在固定时间面向中小学生和一般的社会团体开放,开展通识教育,提高全民素质;设计性实验和综合性实验主要是面向大学生和行业人员以及研究生,他们具有一定的专业知识,能够更好地理解与使用这类虚拟仿真实验;而创新性实验主要面向大学生、研究生和科研人员进行开放使用。生物学虚拟仿真实验中心在资源共享、公益培训等方面一直努力前行,探索资源共享,服务全局。2015年12月12日,在南京召开的“第一届全国生物类虚拟仿真实验教学资源建设研讨会”就提出了“成立虚拟仿真中心联席会,共谋资源共享,避免重复建设”的理念。2016年10月29日,“第二届全国生物类虚拟仿真实验教学资源建设研讨会”在长沙召开,成立“生物和食品类虚拟仿真实验教学资源共享联盟”,有来自全国35个虚拟仿真中心加入。同时部分中心尝试以二维动画、数字化课程等先期施行共享,探索共享模式与方法。只有进一步丰富实验内容,扩大覆盖面,构建完整的共享平台,才能真正做到共享资源、服务全局,才能逐步缩小区域、城乡、校际之间的差距,促进教育公平,提高教育质量,建设学习型社会[5]。

2.3深化应用提高效益

应用是信息技术与教学管理的结合点,是教育信息化的生命力。通过应用带动环境营造,支撑核心业务,构建以学习者为中心的教学和学习方式。部分高校探索将虚拟实验细化分工,以项目分小组建设,学生深度参与,加强院系联手,在建设中全方位培养人才。生物学专业教师根据教学要求,设计虚拟实验方案,分设不同的小组,由学生自由组合,搜集素材,参与项目完成;同时以院系联手方式,联合计算机学院、动漫或艺术学院的教师共同完成,这些教师也以此形式组织学生参与;不同专业的学生形成任务小组,共同完成项目中的一部分(如图2所示)。在这种组合中教师将科研项目更好地转化为实验教学,学生深度参与,缓解了教师在精力体力方面的不足,使教师科研与教学改革得以兼顾。同时学生在项目的开展中加深了学科知识的理解,培养了他们的创新能力、团队意识、合作精神,并丰富了学生交叉学科知识,达到全方位的人才培养。

3结束语

培养适应社会需要的人才是实验中心建设的核心,建设固然重要,但管理是中心持续发展的决定因素。科学化的管理将发挥各种资源的最大功效。做好虚拟仿真实验中心的管理工作,利用好、保护好大数据是网络管理的重点,确保网络安全,营造绿色环保、健康向上的校园文化。现在的大学生是以“95后”为主体,他们生长在网络时代,网络平台众多,如何增加虚拟仿真实验资源的趣味性、实用性,是虚拟仿真中心建设的最大问题。师资队伍的组建,共享机制的建立,管理工作的加强,都是制约虚拟仿真中心发展的关键问题。让我们携手共建,打造可持续发展的虚拟仿真实验中心。

参考文献

[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[Z].2013-08-13.

[2]教育部.教育信息化“十三五”规划:教技〔2016〕2号[Z].2016-06-07.

[3]刘亚丰,余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理,2016,33(4):108-110,114.

[4]罗昊,张晓东.虚拟仿真实验教学中心开放共享模式的探索[J].实验技术与管理,2016,33(10):232-236.

[5]刘艳,孟威,孟令军.实验教学信息化系统的开发与建设[J].中国现代教育装备,2015(23):12-13.

虚拟仿真篇4

关键词:虚拟仿真;实验教学;实验室

应用型高校综合定位,给出了虚拟仿真实验室的教学资源功能性整合,促进高校整体实现信息化。在虚拟仿真实验室建设与运作时,还要重点关注学校实验发展方向,展现新式教学理念。探究改善实验教学模式与内容,展现实验教学的科学化、系统化以及现代化。利用改革创新,给培育学生创新性与灵活性带来依据。专门对我们学校在应用型高校定位上来说,整合高校具体教学和科研现状,依循技术设计这一教学原则,还有创新理念,给出进一步拓展虚拟仿真实验室的建设。随着社会对大学生动手实力的需求不断增高,在增强虚拟仿真实验室建设时,还要培育应用型人才,这是当前急需处理的一个问题。

一、虚拟仿真实验室含义

虚拟仿真实验室就是指各类计算机体系中利用多个虚拟仿真科技完成各种虚拟实验,让实验者可以在一个仿真环境里,实现预期项目。其建设与使用获得了飞速发展,很多著名院校一同研发了多种方式的虚拟仿真实验室。其涵盖范畴也是十分宽广。很多高校都创建了省级虚拟仿真实验机构,肩负着学校实验教学与仿真实验室建设工作。不过在具体操作中,依旧是存在一些问题,让其没有很好展示作用,约束了实验教学中所得成果。

二、虚拟仿真实验室国内发展现状

党中央、国务院高度重视教育信息化工作我国的高等教育经历了“十一五”和“十二五”本科教学质量工程规划,在高等学校特色专业建设点、国家精品课程、国家级实验教学示范中心、人才培养模式、创新实验区、国家级教学团队、双语教学示范课程等方面取得了丰硕的成果。“十一五”期间,建立了501个国家级实验教学示范中心,涵盖了物理、化学、生物、电子、计算机、文科综合、考古等32+1个学科,国家为每个中心拨款50万元;“十二五”期间,2011年有100个部属院校建立国家级实验教学示范中心,2012年有120个省属院校(包含8家军队院校)建立国家级实验教学示范中心。尽管已经取得了不错的成绩,但也尚存不足:实践能力、创新能力不够; 个性化、自主性不够;资源配置有效性不高,管理能力薄弱,重申报重结果、轻建设轻过程等。故党中央、国务院在国家教育方面又提出了新的要求。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》指出,“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以高度重视”,并把“加快教育信息化进程”单独作为一部分进行了专门的阐述。教育部加强了对实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导,并出台了强有力的策:2012年3月13日,教育部印发了《教育信息化十年发展规(2011-2020)》,提出了信息技术与高等教育相融合的指导思想和工作方针,提出了加快职业教育信息化建设、培养高素质技能型人才、整合信息资源、完善终身教育体系等任务目标。

三、虚拟仿真实验室建设中存在的问题

1、多种信息技术整合力度不够

实验室是分阶段、分层次进行建设的,实验项目是分模块、分方向开设的,不同的阶段、不同的模块对虚拟仿真技术要求各有差异。早期开发的基础扩展实验项目通常建立在通用开发平台之上,现在的实验项目对专业性和技术性要求较高,要求支撑实验项目的虚拟仿真技术更加专业化,而大多的实验项目是基于单机操作环境,若要更方便地通过互联网平台进行有效的、广泛的示范推广,需要耗费相当大的人力和物力进行网络版改造。

2.教学资源开放共享程度不够

国家级虚拟仿真实验教学中心建设要求,高校虚拟仿真实验室的管理和共享平台应该具有扩展性、兼容性和前瞻性,能够实现校内外、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。目前高校虚拟仿真实验教学项目和实验教学资源大都仅仅满足对本校学生开放或者是较少专业的学生开放,对周围高校或更广范围的实验教学没有较强的辐射作用。

3.与传统实验室结合不充分

与传统实体实验室相比,虚拟仿真实验室具有显著的优势,但是不能完全替代前者,这就需要两者相互配合、相互协调。在虚拟仿真实验室建设初期,大多数教师依然习惯于传统的教学方法,对虚拟仿真实验室的认识不深入,不能充分发挥其作用,不能有效地完成“虚拟”与“实体”的整合。

四、虚拟仿真实验室建设与改革

1、网络虚拟仿真实验室平台

网络虚拟仿真实验室平台采用虚拟场景等虚拟现实技术,构筑实验硬件。针对不同课程需要构建相应实验模块。学生可以在仿真的实验环境中来使用实验器材进行实验,得出实验结果,检验实验结论等。学生也可以自主实验,尤其是一些有危险性的实验,也可以放心学生自行实验,可以有效提高学生的自主创新能力和动手操作能力,同时还降低了实验的危险性和配备专人监督的投入。该实验平台除了在课上可以进行教学,课下学生还可以用电脑、平板、手机等设备在网络环境下登陆实验平台,进行课下练习,没有时间和次数限制,能够最大限度地提高学生的动手能力。与此同时,该平台还能够有效让教师掌握学生的学习情况,学生登陆平台进行实验,教师可以设计考核模式或者自由练习模式,考核模式下,系统可以根据学生实验情况进行评分,教师也可以进行单项或者综合评价。

2、建设虚拟仿真实验室应注意与企业合作,为地方服务

学校培养的人才,最终是要走向社会,为企业服务的。高校只有懂得企业的人才需要方向,才能因材施教,因地制宜地建设不同性质的虚拟仿真实验室。根据目前的企业需要,虚拟仿真实验室可分为基础学科仿真实验设计平台,综合应用仿真实验设计平台,预科研仿真实验设计平台等。学校的分层次建设和教育更能开发学生的能力并培养出满足不同需要的人才。虚拟仿真实验室的软件建设离不开软件开发企业,高校的专业教师有大量的理论知识、实验数据和实验技巧,而虚拟软件开发公司有编写程序和制作软件的经验,二者只有有机结合,才能很好地完成实验室的建设任务。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,做到校企合作,培养应用型人才,为地方发展提供支撑,为地方的各个行业提供人才服务。

五、结束语

虚拟仿真实验室作为高校实验教学的一个发展方向,具备传统实验室所没有的优势:建设维护成本低,平台扩展性好,利用效率高。但它并不能完全取代传统实验室,只能作为传统实验室的补充。在实验室建设工程中,只有做到“虚”“实”结合,相辅相成,能实不虚,才能为实验室的建设带来更大的效益。

[参考文献]

[1]刘鹏 . 云计算 [M]. 北京 : 电子工业出版社 ,2010.

[2]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[S]北京: 中华人民共和国教育部.2012.

虚拟仿真篇5

【关键词】虚拟仿真艺术 警察办案 教育培训 设计

虚拟仿真艺术是技术与艺术的结合。仿真技术是采用计算机技术为核心生成的将视觉、听觉融合为一体的沉浸式交互环境,用户以自然的方式,借助必要的设备与虚拟对象进行交互,二者产生相互影响且具有一定的逻辑关系,与此同时,用户会感受如同甚至超越真实场景般的体验。仿真技术根据不同的行业需求表现不同的艺术效果,突出行业特色,增强表现力。

一、虚拟仿真技术现状

目前,仿真技术已经广泛应用于医疗、军事、交通以及建筑等领域,并将危险的、不能再现的多种环境逼真地再现于虚拟环境中,不仅增强视觉效果,而且提高了各项研究的效率,有很强的实用性和应用性。虚拟仿真技术也普遍应用在教育领域,尤其高危行业,例如,飞行员的教学、刑警办案教学、汽车驾驶教学等。虚拟仿真技术在俄罗斯和欧美地区的一些国家较为发达,尤其体现在军事方面的一些技术含量高、装备更新快、硬件条件相对不足的军事部门。

相对于发达国家,我国的虚拟仿真起步较晚,虚拟仿真在教育中的应用也不够成熟。随着技术的不断更新,一些行业不仅是资金技术的缺乏,更重要的是能否在保证人员生命安全的前提下操作。这就需要采用一种有效的手段解决现存的问题。

二、虚拟仿真警察办案教学系统

1. 警察办案遇到的难点

维护社会安定,保证居民人身和财产安全,一直以来都是国家、政府的基本职责,随着社会的转型,环境的变化,刑事案件的发生率逐渐升高。近年来,有关警察殉职的消息比较多,令人惋惜,究其原因,其一是犯罪分子手段残忍,二是办案人员实战经验不足。在这种特殊的工作环境中,刑警需在掌握综合职业素质的同时,进行实战演习。

面对狡猾的犯罪分子,只掌握理论知识是不能制服罪犯的,只有在掌握刑事办案的侦查规律、办案程序和工作流程的基础上与罪犯进行思想和行动斗争,警察具备了实战经验才能够胸有成竹,在保证人身安全的前提下顺利抓捕犯人。警察训练的随机性较大,突况多,培训成本高,效率低,这成为警察训练的难点,关系到警察办案人员的生命安危以及能否顺利破案。

2. 虚拟仿真教学为警察行业带来转机

近年来,计算机技术和虚拟仿真技术不断发展,配合警察办案教学培训的虚拟仿真软件不断涌现,将虚拟仿真软件应用于警察办理刑事案件的教学中,可较好地解决警察办案遇到的难点,模拟办案现场、技术室、抓捕现场等。实现办案过程的模拟训练、可根据需要部署现场、抓捕犯人,将警察伤亡率降低到最低甚至无伤亡率。

三、虚拟仿真系统的技术思路

1. 虚拟场景的制作

虚拟场景是通过软件建模描述场景存在的物品,包括模拟人物、动物、植物、建筑物等现实存在的物体。警察训练系统教学中,尽量还原案发现场,体现真实感,使训练者沉浸在办案过程。本教学使用Unity3D专业游戏引擎和3DMax软件结合建模,在不影响运行速度的情况下尽量减少模型面片数。

2. 灯光

灯光设计直接关系到整个环境的好坏,环境光能够烘托气氛,例如,暖色的灯光给人以柔和温馨舒适的感觉,冷色调的灯光预示坏事的发生,在警察办案教学中,灯光能够起到提示用户的作用(图1)。

3. 交互设计制作

办案系统不仅要有教学训练的功能,还要通过交互功能吸引用户,也就是我们常说的游戏性,寓教于乐。整个系统与用户进行全面自由地互动,带给用户视觉、听觉、触觉、嗅觉、运动感知等多方面的体验,使用户真实的感受“融入沉浸――接受挑战――解决问题――总结经验”全过程。

此虚拟仿真教学系统中,交互设计包括:提取血液、脚印、毛巾等证据(物),为证物贴标签拍照,显微镜与电脑等电子设备对证据(物)的比对与排查,以第一视角与“上帝视角”探测案发现场、技术室和抓捕现场,场景内存在多台摄像机,根据需要切换摄像机机位等。依托刑警办案程序进行仿真,同时增添趣味性,帮助用户快速学习专业知识,达到训练目的。

结语

“警察办案仿真训练系统”采用虚拟现实技术构建了一套基于网络的模拟系统,实现了刑警专业人员办理案件过程的训练,可以弥补实际训练资金不足和保证人员安全等缺陷,解决了在训练中受时间、地点、犯罪分子等限制院校教学无法实际训练的难题。实践证明,针对警察刑事办案内容和过程的复杂性,以虚拟仿真技术为基础,采用仿真系统模拟训练手段,不断建立综合完善的训练体系,有利于提高训练效率和质量,降低培训费用,更重要的是为社会安定培养专业型人才提供保障。

[注:本文系北京林业大学科技创新计划(行业仿真训练系统设计方法研究与实践)项目。]

参考文献:

[1]王文军,李冰,安川林.虚拟仿真技术在医学教学中的应用初探[J].中国医学教育技术,2008(06).

[2]倪乐波,戚鹏产.Unity3D产品虚拟展示技术的研究与应用[J].数字技术与应用,2010(09).

[3]康辉,于岩君,彭玲.远程讯问轻微刑事案件[J].检察日报,2007-3-21.

[4]施剑松.高校实践教育的“仿真工厂”[N].中国教育报,2014-1-7.

[5]邱建松.基于Unity3D的实时虚拟仿真系统的研究与实现[J].电子制作,2012(12).

[6]陈洪,马钦,海.基于Unity3D的交互式虚拟农业仿真平台研究[J].农机化研究,2012(03).

[7]吴屹.中国当代艺术设计学科实验教学体系研究――以中国美术学院实验教学改革为例[D].中国美术学院,2011.

[8]王晓明,黄卫权.某型导弹视景仿真系统研究与实现[D].哈尔滨工程大学,2012.

[9]林蝶. 数字艺术教育中的实践分析[J].大众文艺,2013(22).

作者闫肃系北京林业大学艺术设计学院硕士研究生,

虚拟仿真篇6

关键词:虚拟仿真技术;电气工程类专业;应用

0引言

在电气工程类专业中运用虚拟仿真技术,不仅可以让学生全面详细了解电力工程的运行以及相关的专业知识,同时还能保证师生的安全[1]。笔者结合自身的工作经验,就虚拟仿真技术在电气工程类专业中的应用谈一谈自己的看法。

1虚拟仿真技术在电气工程类专业中应用的重要意义

1.1实现资源的有效共享

虚拟仿真技术是一项基于互联网基础上的信息技术,在电气工程类专业教学中运用虚拟仿真技术,可以为学生在任何地点和任何时间进行实验提供相应的条件。与此同时,在电气工程类专业教学中运用虚拟仿真技术,还可以开放优秀的实验教学资源,给社区、企业以及兄弟院校等提供教学服务,从而实现资源的有效共享。

1.2实现不可逆以及不可及过程

电气工程类专业的实验教学面临着强电的威胁,很多实验必须要在极端或者高危的环境下才能完成,操作过程也是不可及或者不可逆的,对学生相关技能的训练需要高消耗和高成本,不仅危险而且能够被学生掌握和吸收的知识和技能少之又少。但是如果在电气类专业教学中运用虚拟仿真技术,就可以有效改观这一局面,虚拟仿真技术可以为电气工程类专业教学提供经济、安全、可靠的实验手段,既能消除强电威胁,又能促进学生把握和吸收相关专业知识。譬如,在高电压虚拟仿真实验当中,学生可以近距离观察高压放电的情景,还可以反复观看[2]。

1.3教学环节更加灵活

在电气工程类专业教学中运用虚拟仿真技术,学生可以按照自己的学习能力和学习需求灵活选择实验内容。同时,学生还可以随着学习进度的变化回顾以前的学习内容,或者跨越教学层次进行提升。在这种虚拟化的教学情境之中,学生真正掌握了学习的自,不仅得到更多创新实践和接触专业实验的机会,学习兴趣和学习积极性也得到有效的提升。教学环节更具有灵活性,学生可以充分展现自己的才华。

2虚拟仿真技术在电气工程类专业中应用策略

2.1转变传统教学思想,建立科学的教学目标

电气工程类专业教师还要在此基础上建立科学的教学目标,科学合理的教学目标能够让教学取得事半功倍的效果[3]。由于学生在兴趣爱好、学习进度以及专业方向上等各个方面存在一定的差异,所以在学习过程中就需要不同的学习和实验平台,同时,这些平台之间必须要有较强的联系。尤其当教学资源出现学科交叉的时候,老师要按照系统构建、综合设计、理论应用三个层次构建虚拟实验教学平台,将虚拟仿真技术的优势充分发挥出来。例如,电气工程类专业老师可以从基础课程实验、综合实验和生产练习这三个方面制定实验教学综合培养计划。基础课程实验主要包括专业的课程实验和工程设计基础训练;综合实验主要包括课程设计和工程设计综合训练;生产实习主要有毕业设计和创新设计训练。

2.2构建互通互融教学理念,完善课程教学体系

在电气工程类专业中运用虚拟仿真技术,可以给老师的教学以及学生的学习提供安全的环境和可靠的保障。其课程教学体系可以细分为专业基础课程实验、工程设计基础以及专业课程实验。其中,专业基础课程实验还可以细分为专业基础实验和专业综合实验,专业课程实验可以细分为综合实验和课程设计。老师需要根据教学目的和教学要求设计教学平台的教学资源,在资源当中有效贯穿课程内容。同时,要以培养学生应用能力为目标建立教学层次,利用横向连接的方式将不同平台的教学资源有效结合起来。在注重因材施教、专业培养的同时要保证教学平台之间互通互融,同时还要保证教学层次之间呈现出一个相互补充的状态。在当前的教育形势下,电气工程类专业的老师要敢于打破学科专业的界限,建立一体化的教学理念,在此基础上实现资源的有效共享和创新型人才的培养。

2.3以教学环节为导向,创建合理的实验教学平台

第一,创新与实践训练平台。针对电气工程类专业的教学特色,利用虚拟仿真技术结合“新型传感器”、“工业自动化”、“机器人”、“航空航天”、“智能电网”等专业领域的先进技术建立虚拟化的仿真系统,从而加强学生对有关学科先进成果以及专业知识的理解。第二,专业综合实验教学平台。该实验平台主要包括工程设计综合训练、综合实验、课程设计等集中的教学环节。利用虚拟仿真技术构建专业综合实验教学平台,一切的不可能都会变成可能。虚拟仿真技术可以给学生创建一个近似真实的虚拟环境,从而实现对学生实践技能的训练,也能有效实现生产现场和实验室的无缝对接。第三,基础实验教学平台。创建该平台主要是为了进行基础知识教学,通过仿真技术对一些技术原理以及基础科学进行验证,让学生能够全面掌握基础知识和相关技能。除此之外,虚拟仿真技术能够打破时间和空间的限制,学生可以随时随地开展实验,从而培养学生解决问题的能力和独立思考的能力。

3结论

在电气工程类专业中应用虚拟仿真技术,可以实现资源的有效共享,让教学环节变得更加灵活,同时还能让一些不可能的实验转化为可能实现的实验。电气工程类专业教师要重视虚拟仿真技术,首先要转变传统教学思想,建立科学的教学目标,其次要构建互通互融教学理念,完善课程教学体系,最后要以教学环节为导向,创建合理的实验教学平台,将虚拟仿真技术的价值和功能最大限度发挥出来。

参考文献

[1]黄文力,苗满香.电气工程及其自动化专业课程体系的改革[J].郑州航空工业管理学院学报(社会科学版).2011(04):32-33.

[2]程思宁,耿强,姜文波,占永宁.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理.2013(07):54-55.

虚拟仿真篇7

【关键词】无机化学;仿真虚拟实验室;实验仪器

一、构建仿真虚拟实验室构建的优势

(1)仿真虚拟实验室的构建能够有效弥补远程教学条件的不足。在远程教学过程中往往会受到诸多因素的限制,例如实验设备落后、教学经费匮乏、试验场地狭小等。这些因素都在一定程度上导致了相关科研设备难以为继,为了有效解决上述问题,使科研人员在足不出户的前提下,进行试验,从实验中获得真实感受,能够将课堂上所学的知识应用到具体实践当中去。从而进一步丰富学生的感性认识,引导学生深入的了解相关知识内容。

(2)仿真虚拟实验室的建立能够极大的降低真实实验或操作给使用者带来的风险。在仿真虚拟实验室建立以前,人们通常采用电视录像的形式来替代那些对操作者健康有危害的实验,在这种教学模式下,学生是很难从学习过程中获得感性认识,更难以切实地的将课堂上所学的知识应用到具体的实践中。而仿真虚拟实验室的建立则能够极大的避免出现此类事件的发生。在仿真虚拟实验室进行实验的过程中,操作者可以放心的去做各种实验,不用再担心由于实验给自己带来危害。以我们大家都知道的元素性质实验为例,在进行该类实验的过程中,操作者经常会收到诸如燃烧、爆炸、有毒物质排放等因素的影响,给操作者带来身体的损害,而仿真虚拟实验室的建立则有效地解决了上述问题。

(3)仿真虚拟实验室的建立有效打破空间、时间对实验的限制。不论是宇宙天体还是原子、粒子亦或是其他什么物品,我们都可以将其带入到虚拟实验室进行实验,例如学生在进行“离子交换法制备纯水”这个实验室的过程中,我们可以用仿真虚拟实验室来对实验的全过程进行有效地监督,了解相关因素对离子交换效果的影响,这种传统的电视录像所难以实现的,这种仿真虚拟实验室能够进一步提高高校教学效果,打破传统实验对时间和空间的限制,不论什么时间也不论什么地点,我们都可以在仿真虚拟实验室中进行实验,极大的提高了实验效率。

(4)仿真虚拟实验室的建立有利于实现化学实验教学的一体化。网上虚拟实验室的建立一方面能够帮助学生在安全的环境下,进行“实验”,另一方面还能够为学生之间的交流和发展提供一个平台。学生可以在仿真虚拟实验室中进行预习,教师可以利用网络进行答疑,不仅如此,教师对于学生不理解的实验问题还可以进行网络演示,也就是说,实验教学的全过程我们都可以通过仿真虚拟实验室来完成。

(5)仿真虚拟实验室的建立远程实验的开放性和共享性使资源的可重复利用率。网上仿真虚拟实验室的建立一方面能够减少实验室的建设时间,另一方面也还可以将扩大仿真虚拟实验室的覆盖范围,从而提高资源的可重复利用率。将实验室的作用充分的发挥出来。

二、仿真虚拟实验室建立的技术路线

所谓的仿真虚拟实验室其实就是指以计算机为基础的虚拟原型系统,它既是一种全新的科学研究,又是一种工程设计方法,仿真虚拟实验室是除理论实验与实物实验之外的一种全新的实验手段。对于实验操作者来说,仿真虚拟实验室的构建可以说为其提供了一个以实验为基础的实验教学、技术交流、共同研究和协同工作的平台。从通常意义上来讲,虚拟实验的建立与真实实验而存在的,但是不得不说,这两者之间还是存在很多的区别,仿真虚拟实验室是创建一个可视化的三维环境,其中每一个实验室对象我们都可以通过每个可视化的三维物体来代表。实验操作者可以通过鼠标的点击或者是拖曳操作就可以进行虚拟的实验。学生在进入大学之后,就开始进行无机化学实验,这是高校大学生受到的系统实验方法和实验技能培养的起点,更是以后继续其他相关课程的基础。可以说,无机化学实验教学质量对高校大学生的后续学习具有直接影响。

三、无机化学虚拟实验室系统的实现技术

我们可以采用多种方法构建以网络为基础的虚拟实验室,但是,条条大路通罗马,不论什么样的构建方法,我们最终的目标就是为了构建仿真虚拟实验室,提高实验效率,提高实验安全性。

(一)VRML技术

VRML就是指虚拟现实建模语言,它是一种对三维造型与交互环境进行简单描述的文本语言,该种建模语言是以Internet为基础所建立的3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。VRML具有无可比拟的优势,例如易用性、完善的外部接口等等,但是值得注意的是,VRML技术必须借助其他语言才能够实现网络功能,换句话说,其不具备必要的网络功能,不仅如此,开发VRML技术所需要的相关技术比较零碎,通常情况下,技术人员难以熟练的掌握。

(二)ActiveX技术

ActiveX与具体的编程语言没有必要的关系,它是指用一组使用COM软件部件在网络环境中所提出的技术集。ActiveX的应用范围非常广泛,可以被广泛应用于WEB服务器以及客户端的各个方面。通过构建ActiveX控件,该技术能够实现应用,然而作为OLE控制的最新版本,Ac-tiveX控制能够在所有COM规范的容器中进行应用,不同的软件开发商可以同时间在网络上进行操作,在构建无机化学仿真实验的过程中,我们可以将该技术应用到其中,从而实现数字化签名,通过镶嵌在网页中运行。该技术在首次运行的时候,应当在相关位置进行注册,这样才能够更好的为使用者提供方便。

(三)QuickTimeVR技术

美国苹果公司研制开发了QuickTimeVR技术,它是一种跨平台的多媒体套件,不论什么形式的影片或是图片,亦或是流媒体等多种形式的文件都可以通过该技术进行虚拟实境技术。它是以图像的三维建模与动态显示技术为基础的一种技术,即使我们比给他配备昂贵的硬件设备,我们也能够通过该技术获得一定程度上的VR体验。但是值得注意的是我们在利用QuickTimeVR来实现虚拟实验室,首先要将相应的图片转换文本形式,通常转换为1mov格式的文件,这样,客户通过浏览器才能够获得良好的观看效果,不仅如此,该技术还有一个缺点,就是文件的网络传递速度相对较慢。

(四)Java技术

Java语言是一种程序设计语言。Java语言与其他语言相比,具有无不可比拟的优势,例如简单、平台无关性、安全性等等,不仅如此,由于其能够编制嵌入HTML文件中,所以得到了广泛的应用。与此同时,Java技术还吸取了Smalltalk和C++语言的优点,并在此基础上增加了其他方面的特性,例如支持并发程序设计、网络通信和多媒体数据控制等。但是该技术也存在一定的缺点,例如难以同不同的浏览器进行兼容。

四、结语

无机化学仿真虚拟实验室的构建有利于进一步降低实验室的建设时间,有利于避免出现危险实验给实验操作者带来健康损伤,有利于打破传统实验模式对时间和空间的限制,因此,我们必须对其予以高度的重视。创新教学理念,改变教学方法,不断提高无机化学实验水平,为社会输送大量的专业人才。

参考文献

[1]杨昱,徐雅琴,杨玉玲,白靖文.无机化学仿真虚拟实验室构建和实现方法研究[J].高等农业教育,2011,03:50-52.

[2]吴品昌,史锐,方德宇,张晓丽.无机化学虚拟实验室的构建[J].中国教育技术装备,2015,04:38-39.

[3]刘志广,胡照琴,王海勇,李健.基于Flash技术的电位分析仿真虚拟实验室的构建方法研究[J].计算机与应用化学,2006,10:1026-1030.

[4]杨景琴,陈坚.VRML中粒子系统在虚拟化学实验室构建中的应用研究[J].计算机光盘软件与应用,2012,04:102-103

虚拟仿真篇8

【关键词】CORS系统;国土测绘;应用

中图分类号:P2文献标识码: A

一、前言

虚拟样机技术对泥浆泵仿真有着重要的作用。虽然我国在此方面取得了一定的成绩,但依然存在一些问题和不足需要改进,在科学技术突飞猛进的新时期,加强虚拟样机技术的进一步研究,对我国国泥浆泵仿真的发展有着重要意义。

二、虚拟样机技术概述

机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术,是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术,是当前设计制造领域的一门新技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一个全新的研发产品的设计方法。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型,分析评估系统性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

传统的设计方式是由下到上:从部件设计到整机设计。这种设计的弊端是往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。这种情况在国内经常发生。借助于虚拟样机技术,传统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始,按照“由上到下”的顺序进行,这样可以避免在系统设计方面的失误。

虚拟样机技术在设计的初级阶段――概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析,可以观察并试验各个组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动,它可以在计算机上方便的修改设计缺陷,仿真试验不同的设计方案,对整个系统不断改进,直至获得最优设计方案,再做出物理样机。运用虚拟样机技术,可以大大简化机械产品的设计开发过程,大幅度缩短产品开发周期,大量减少产品开发费用和成本,明显提高产品质量,获得最优化和创新的设计产品。

三、制造虚拟样机的基本过程

制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程。

首先是进行机械设计,设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环境等。当方案制定后,设计师开始构造复杂的几何形状和工程关系。在设计的早期阶段,要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的,重要的是建立一些方程和规则,以体现一些最重要的工程数据,使零件在设计准则下可自动修改。在完整、安全的网络环境下,设计小组成员不必操心数据的完整性,他们能够共享数据,并能主动控制修改和更新。

零件最终的形状和尺寸来自各个方面的综合考虑,如装配、应力、加工等,在制定设计文件时,工程技术人员要决定如何描述最后的零件和装配。生成图纸时,设计尺寸要转换成工艺尺寸以体现加工、检测的要求。这张图纸和其他技术文件(如应力分析、振动、热分析等)构成设计的最主要部分。

最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能,它包含了一系列步骤,从力学分析、建模、施加负载和约束,到预测其在真实工况下的响应。仿真的真正用意不是得到几个数据,而是评估产品的性能和优化产品的结构,进而指导设计,改进设计。

在产品设计和仿真阶段,需要使用一些应用软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件等)。根据设计尺寸并利用这些软件,便可以在计算机上构造产品的虚拟样机,为最终投产做好准备。

四、虚拟样机开发技术的特点

虚拟样机开发技术与传统产品设计技术相比,具有如下特点:

(1)面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为;

(2)涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期,并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善;

(3)支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上利用计算机网络通讯技术,使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流,协同进行产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估活动。

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理样机设计制造技术发展过程中从CAX向集成优化的现代集成制造系统(CIMS)的发展历程一样,复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程――复杂产品虚拟样机工程。虚拟样机技术的出现,不仅仅是一种新技术的应用,而是设计思想的变革,将对制造业产生深远的影响。

五、虚拟样机技术的基础

虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。

(1)智能设计技术。

CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑,它在很大程度上缩短了产品设计的周期,减少了设计人员的工作量。但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为,却忽略了产品概念信息的描述。实际上,设计人员总是先考虑产品的功能,然后才设计出产品的外形。因此,对虚拟样机技术来说,产品描述应是超越几何性的。

由于虚拟样机技术对概念设计的要求,智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具(如有限元分析、快速原型等)、计算机辅助概念设计和CAD技术有机地集成起来,支持产品几何定形前的功能规划和计算。通过分析这种幕后的功能计算,虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的、满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。

(2)并行工程。

并行工程是集成各种技术,并行设计产品及相关过程的一种系统方法,同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素(质量、成本、工艺、结构、性能等),且要求实现计算机网络环境下的协同工作。要实现同步的目标,其实质就是整个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。

(3)仿真工程。

对于虚拟样机系统来说,必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据(如形位公差等);工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等;生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化,以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。

(4)网络技术。

在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造,可以实时地决定合作厂家,实现异地产品设计和制造,不仅节约了时间,而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上,所以有利于设计、规划和处理问题。

六、虚拟样机技术在泥浆泵仿真中的应用

泥浆泵是在钻井过程中,将泥浆加压后携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力,向井底输送和循环钻井液的泵。泥浆泵在石油工业和工程领域应用广泛。现代工业的小断发展对泥浆泵提出了更多更新的要求,使得钻井泵结构的介理性、工作性能的优越性和可靠性成为设计时的重要指标。然而,传统的设计与制造过程,需要经过概念设计、产品设计和制造样机进行试验等,这一过程无法缩短设计周期,对市场的灵活性小。因此,为了提高市场竞争力,各企业必须小断缩短新产品的研发周期,提高产品质量、性能,降低开发成本。

随着计算机仿真技术的发展,虚拟样机技术日益广泛地应用在各个领域。它从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发,解决了传统的设计与制造过程的弊端。极大地增加了效率,降低了成本。因而,利用计算机仿真对石油钻井中常用的泥浆泵进行分析具有现实意义。

1、泥浆泵的结构及参数

石油矿场所用的泥浆泵一般是山柴油驱动的卧式的双缸双作用泵或三缸单作用的活塞泵。泥浆泵一般由驱动部分(底座、传动轴、齿轮、偏心轮、连杆、十字头等)和水力部分(泵缸、活塞、吸入阀、排出阀等)组成。其工作性能主要体现在排量、压力、冲数以及功率上。对NB8-600型泥浆泵,其最大传动功率为600马力,活塞冲程400mm,最大冲数65冲/min。

2、基于虚拟样机技术的泥浆泵运动学、动力学仿真

(1)仿真三维模型的建立

利用机械参数化三维仿真软件Pro/E建立了NB8-600泥浆泵部分系统的三维有限元模型,并进行模型干涉检验、修改、图2是简化后的总装配图模型。

(2)仿真过程

采用ADAMS12.0进行仿真分析.流程图如图3所示:

(3)仿真结果

通过仿真分析可以得到设计时所需要的各种重要曲线和参数,如主轴、连杆、十字头、拉杆、活塞等运动部件的位移、速度、加速度大小、运动规律和受力情况等。分析这些曲线和数据可以知道在运动过程中,各构件的受力是否满足应力许可值,以及是否能达到强度要求,如果不能满足设计要求则需要修改模型。本文经过几次仿真分析和对模型的修改后得到了能够满足工况的设计理论模型,为系统设计提供了依据。

3、结论

虚拟样机技术作为一种新型的、基于集成化产品和过程开发策略的新的产品设计、开发、评估手段,在各个行业正越来越受到重视,在产品研发中起到了显著的作用。根据虚拟样机技术的基本理论,结介泥浆泵的相关资料,利用机械设计自动化软件Pro/E建立了NB8-600型泥浆泵三维模型,并使用虚拟仿真分析软件ADAMS12.0进行了模型的运动学、动力学分析和局部优化设计,得到了系统模型的运行规律和小同驱动力下的运动、受力情况,为改进结构设计、节约设计周期和成本提供了理论依据和方法

七、结束语

虚拟样机技术是泥浆泵仿真的核心。因此,在泥浆泵仿真的后续发展中,要加强虚拟样机技术的运用与思考,确保虚拟样机技术水平的提高。

参考文献

[1]陈小川等.虚拟制造技术研究概况综述[J].机械制造,2009(12):8-10.

[2]王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[J].西安:西北工业大学出版社,2012(9):78-80.

[3]焦清朝.国内外轻便泥浆泵的现状与发展趋势[J].石油矿场机械,2011,(33):28-31.

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