虚拟仿真技术的作用范文

虚拟仿真技术的作用篇1

关键词：虚拟仿真技术；高职实践教学；原则；问题

高职院校的实践教学是实现其培养目标的重要途径，对提高毕业生的创新创业能力非常重要，也反应出院校的办学特色。近几年，全国高职院校正在进行着一场如火如荼的实践教学改革，虚拟仿真技术的发展又推动了将仿真技术应用到高职实践教学的发展进程。但是其发展的速度不是很快，由于虚拟仿真软件的有效性及先进程度严重制约着其发展的速度。怎样才能将虚拟仿真技术科学地、有效地应用到高职实践教学中去，充分发挥并优化实践教学在高职人才培养工作中的重要作用，全面提升高职毕业生的职业能力、就业创业能力及创新能力是摆在所有高职院校面前的新挑战。

1 实践教学中应用虚拟仿真技术的原则

虚拟仿真技术是应用计算机技术模拟出逼真的虚拟现实的场景，使用者通过应用设备与虚拟环境进行相互作用及影响来体验到一种身临其境的感觉。虚拟仿真技术能使人不受时间和空间的限制去接触非现实的环境，这样在不受条件和环境的限制下去探索和发现现象的本质。虚拟仿真技术给高职实践教学的改革提供了更广阔的空间，将虚拟仿真技术应用到高职实践教学中还要注意以下几个方面。

1.1 高职实践教学的目标是提高学生的岗位职业能力，这就要求学生在实践教学的过程中要深入到实际岗位，在一线进行实践操作学习。从而，实践教学中应用虚拟仿真技术的第一步就是要认真分析和调查学生的实践岗位的职业特点和要求，以实际工作过程和真实的工作任务为基础去设计和整合实践教学内容及任务，做到充分利用虚拟仿真技术去构造不受时间及空间限制的符合教学目标要求的立体化实践教学环境，实现对真实职业场景的模拟再现，使学生在具体的场景中完成学习任务，做到传授、学习、操作融为一体，能够在不同的场景中学习自如，做到职业性与场景性相结合。

1.2 当今随着市场经济的发展和科技的进步，高职院校越来越重视培养毕业生的职业岗位技能，高职院校不断进行教育教学方面的改革，更加注重提升毕业生的就业能力和适应整个职业生涯发展的要求。所以，高职院校设计的实践教学任务就要和企业生产一线的实际工作和学生参加工作后的实际岗位相适应，培养学生的职业岗位能力。在设计虚拟仿真的实践教学体系的过程里，要挑选具有代表性的，技术先进的设备及工艺技术等，应该注重体现与情境相关的基于工作过程的知识与技能的学习，使学生在完成一个学习任务之后能够对完整的工作流程、操作模式和岗位具体情况得以学习和掌握，从而能够与相关的职业实践活动联系起来，掌握完成工作任务的方法及解决相对复杂的综合问题的技巧，能够适应未来岗位对高职毕业生提出更高的职业能力要求。除此之外，应该重点开发设计那些以培养核心与关键技能为目标的实践教学项目，做到先进性与典型性相结合。

1.3 把虚拟仿真技术应用到高职实践教学的过程中，要充分抓住虚拟仿真技术构想性的特点，按照学生心理和认知方面的水平，根据教学内容来设计构思实践的教学场景，培养学生的学习兴趣，拓展学生的想象空间，使学生学习到知识，充分理解概念的含义，领会实践教学所传授的知识点，提高学生的创新创造能力。运用虚拟仿真技术选择适量的教学内容，把抽象的内容具体化，复杂的问题简单化，微观的内容宏观化，这样能够有助于学生理解和掌握操作方法，并达到熟练操作的程度，使得实践教学的效果达到预期的目标。

1.4 利用虚拟仿真技术来进行实践教学系统的设计过程中，应该抓住仿真技术交互性强的特点，设计出互动性强、协作性高的实践教学任务，使学生在虚拟现实的实践场景中完成自己的实践操作工作，在整个过程中要注重培训学生们共同解决实际问题的能力。并且，利用虚拟仿真技术设计的实践教学系统要突出其智能性的特点，该系统能够对学生的实践操作成果进行及时的跟踪与反馈，并且可以依据学生的操作情况给予合理的评价，还能够及时给予有针对性、个别化的指导，做到交互性与智能性相结合。

2 虚拟仿真技术在应用中应该注意的问题

2.1 虚拟实训不能替代实操实训。高职实践教学中利用虚拟仿真技术，实现了实训环境的改善，教学过程的优化，还解决了很多实训教学方面的难题。不过利用虚拟仿真技术来设计高职实践教学内容，不代表虚拟实训可以完全替代实操实训，两者存在着本质的区别。虚拟仿真技术只是通过去模仿一些实际的生产和工作实践过程，让学生在过程中学到一种间接的经验，而不能完全替代真实的现场操作。所以，在应用虚拟仿真技术的实践过程中，必须认清虚拟实训和实操实训的本质区别。设计虚拟实训的思路是：首先是把实操实训无法实现任务利用虚拟仿真技术来设计虚拟实训教学来实现；其次是要依据现代教育理论来设计实践教学任务，把虚拟仿真技术设计的虚拟实训教学内容放在前面进行，而把实操实训安排在后面，并将二者完美的结合在一起，获得最好的教学效果。

2.2 注重情感教育和技能培养。虚拟仿真技术在高职实践教学中发挥了重要的作用，实现了提高学生职业技能和传授知识的目标。然而，虚拟仿真技术也有做不到的地方，所以，在虚拟仿真实践教学过程中，一定要正确处理好情感教育和技能培养关系。首先，要充分利用虚拟仿真技术的优点去设立虚拟现实场景，营造和谐民主的教学环境，激发学生的情感，积极调动学生学习的主动性和热情；其次是采用分组讨论、共同协作的学习形式进行教学设计，为学生提供师生之间情感活动的机会。

虚拟仿真技术的作用篇2

关键词：仿真教学；组织领导；资源建设；培训推广

中图分类号：G424 文献标识码：B 文章编号：1673-8454(2012)01-0061-03

虚拟仿真技术包括仿真模拟技术和虚拟现实技术两个领域。仿真模拟技术是指使用仪器设备、模型、计算机虚拟技术，以及利用场地、环境的布置，模仿出真实工作程序、工作环境、技术指标、动作要求，进行科学研究、工业设计、模拟生产、教学训练和考核鉴定等的一项综合技术。虚拟现实技术是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己投入到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，成为这种环境的主宰。

虚拟仿真技术可以有效还原生产、建设、服务和管理岗位的“原生态”，为学习者提供技能训练所需要的“真实”环境、“真实”工艺、“真实”工具等，从而有效提高技能教学质量。同时，可以降低教学成本、规避实训危险、降低环境污染、实现绿色教育。因此，虚拟仿真教学是深化教育教学思想、内容、方法、手段、模式改革，推动职业院校内涵建设的一个重要突破口。为此，教育部在《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确提出“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”。各高职院校应多措并举，有力推进虚拟仿真教学改革。

一、加强组织领导，创造浓厚氛围

开展虚拟仿真教学是一项系统工程，其技术本身的高端性、复杂性等特点，决定其应用成本较高，资源建设和教学组织较难。因此，必须得到学校的大力支持，加强组织领导，落实责任任务。

1.成立分层领导组织

首先，要成立院级虚拟仿真教学工作领导小组，由主管院长牵头，各教学单位和教学管理单位的主要负责人为成员。各级负责人要高度重视虚拟仿真教学工作，做到有组织、有计划、有措施、有检查、有总结、有推广。

其次，要成立各重点专业的虚拟仿真教学工作组。由系主任牵头，专业带头人为主要负责人，骨干教师和合作企业负责人为主要成员。根据专业技能教学特点，通过购买引进、校企合作开发、自主开发等多种途径建设适用的虚拟仿真教学软件，科学布局虚拟仿真实训基地，开展虚拟仿真实训教学，总结实践经验并进行示范推广。

2.建立政策法规进行引导激励

首先，将开展虚拟仿真教学工作做为教育教学改革重要项目，结果做为考核教学单位工作的重要指标。其次，将教师开展虚拟仿真教学的成果做为评聘奖优倾斜条件，对于积极进行虚拟仿真教学软件开发及应用研究的教师，通过制定相关激励政策，从职称评聘、成果奖励、科研经费等方面进行鼓励，为他们提供必要的条件，在全院形成良好的风气和氛围。再次，给予虚拟仿真教学立项资金等条件扶持，为完成项目提供最大保障。要加大资金投入，加强资金管理，做到专款专用，接受监督检查，切实保障项目顺利完成。

通过以上举措，使“推广虚拟仿真技术，提高实践教学水平，加快实现教育现代化”的理念内化成广大教师的共识，并将其付诸于实际行动。

二、广辟渠道，建设虚拟仿真教学资源

虚拟仿真教学资源是利用现代信息技术开发的虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验等等，可以解决实践教学中“看不见、进不去、动不了、难再现”等客观难题，减少资源消耗与环境污染，实现人才培养的信息化、智能化、现代化。虚拟仿真教学资源是开展虚拟仿真教学的必要条件。“巧妇难为无米之炊”，所以，学校应该舍得投入，按照“引进一部分、合作开发一部分、自主研发一部分”的虚拟仿真资源建设新思路进行统筹安排。

1.购买引进

该决策依据是：所需求的软件已经被同类院校的专业广泛认可和应用，效果良好，尤其是那些教学急需的高端产品，应该采取这种“花钱拿来主义”的模式。

2.合作开发

此决策依据是，所需求的软件没有成熟的产品，专业教师能够提出明确的需求，能够提供科学准确的教学设计，借助专业IT公司的技术力量和项目组织能力，能够开发出专业级的应用软件。要探索创设高水平的合作模式，将优秀企业力量引进来，紧密合作，互惠互利，同步带动学校师资专业发展、技能人才培养、软件产品研发的水平提高。实践证明，院校的教学设计与优秀IT企业的实现技术有机结合，是研发优秀虚拟仿真资源的捷径。

虚拟仿真教学软件的研制过程一定要与相关企业紧密合作，软件设计应该是教学专家、行业专家和软件制作专家三方合作的结果。要以教学专家为主导，实施优秀的教学设计，编写制作脚本，要有行业专家实施技术指导，还要有软件专家实施创新制作，才能研发出科学的、适宜的、理实结合的虚拟仿真实训教学软件。

3.自主研发

此决策依据是，所需求软件的开发技术难度和复杂性相对较低，专业教师能够提出明确的需求，能够提供科学准确的教学设计，学校具有软件开发技术支持队伍。

威海职业学院作为首批国家示范性高职院校，非常重视虚拟仿真教学在技能人才培养中的作用，积极开展虚拟仿真教学资源建设，建设了专门的教学资源研发中心。目前购买引进、合作开发、自主研发的虚拟仿真资源已成规模，并广泛应用于数控技术、机械设计与制造、电气自动化技术等20多个专业，平均每学期有2000多名学生使用虚拟仿真软件进行知识和技能的学习，有效提高了实践教学的质量与效率。

三、加大技术支持和培训推广力度

1.建立专门的工作室和技术支持队伍

虚拟仿真教学资源开发技术较难，依赖教师个体不现实。专业教师应将主要精力用于教学设计、脚本撰写，开发制作应由专业技术人员完成。采用这种模式，既可以保证资源的质量，又有利于提高专业教师研发、使用虚拟仿真资源的积极性，否则，大多会“知难而退”。

威海职业学院成立了教学资源研发中心，组建了虚拟仿真资源开发技术团队，投资20多万元配备了高档次的开发硬软件，为开展虚拟仿真实训教学提供技术支持。目前已完成多个虚拟仿真资源建设，其中独立开发的“威海职业学院虚拟校园”，通过漫游和导游等方式，全方位立体逼真地展现了我院全貌，恢弘、美丽、壮观，成为学院参加全国大赛课件、软件的重要支撑载体。

2.开展形式多样的培训

尽管继多媒体、网络时代之后，人们已经开始进入虚拟现实时代，但是由于资源缺乏和宣传不够，很多地区和教育工作者对虚拟仿真技术了解不多。为了普及虚拟仿真技术，发展环保绿色实训，推动教学尤其是实践教学的信息化、现代化，应加大虚拟仿真技术培训力度，进行理论与政策宣传、开发与技术交流、应用与经验推广、成果展示与等，以推动教育教学改革，建立具有显著职业特征的，高质量、高效率、低消耗（低排放）全新的教育教学模式。

培训可以采取“请进来、走出去”等多种途径，包括聘请专家、专业技术人员来校讲座、实地考察、共同研讨建设方案；参加专门培训班等，多管齐下，提高教师应用和开发虚拟仿真教学软件的水平。

3.以研发项目为载体，带动虚拟仿真软件开发和应用实践与研究

“项目导向、任务驱动”不仅是有效的职业教学模式，也是开发与应用虚拟仿真教学软件的有效有段。仿真实训教学软件是以实际岗位为背景的，整个教学、实训内容紧紧围绕职业、岗位核心能力。如何实现培养目标，如何满足岗位需求，在进行虚拟仿真软件开发立项时，就直观地摆在了职业院校专业教师面前，项目研制老师会感到压力，感到教学改革的必要性与提高职业院校教师实操技能的紧迫性。所以，以研发项目为载体，可以激发广大职业院校教师自觉学技能、苦练真功夫的积极性。

四、以建设“仿真实训示范基地”为抓手，全面推进虚拟仿真教学改革

“仿真实训示范基地”是中国教育技术协会仿真技术专委会于2008年启动的项目，旨在在仿真技术专委会的指导下，在IT企业的帮助与大力支持下，通过3~5年的努力，使“基地”在使用虚拟仿真技术开展仿真实训教学方面取得明显的效果，成为使用现代教育技术促进职业教育现代化的窗口，对中国职业教育尤其在技能实训现代化教学方面起到示范与引领作用。

在“仿真实训示范基地”的建设中，职业院校需重新优化实训基地的布局，形成虚实结合的现代化技能实训模式，着力改善“实训成本高，效率低、资源消耗大、污染环境”等弊端，提高专业教师的教学设计能力和企业现场实践能力，推进高技能人才培养手段的信息化、现代化，同时形成校企合作新模式。

参考文献：

[1]宋强.数控加工实训中仿真软件的调研分析[J].科技信息，2009(32).

[2]朱达凯.水利虚拟仿真实训平台建设的研究与实践[J].中国现代教育装备，2010(19).

[3]赵士滨.高校实训教学的虚拟现实技术研究[J].长沙电力学院学报（自然科学版）,2001(1).

[4]季光献.虚拟现实技术下的高校实验教学[J].中国教育技术装备，2006(106).

虚拟仿真技术的作用篇3

关键词:虚拟仿真;教学实验系统;应用

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 05-0000-01

Application of Teaching&Experiment System in Virtual Reality

ShanzengLiangjie

(Northwest University for Nationalities,Mathematics and Computer Science College,Lanzhou730000,China)

Abstract:The paper introduced the conception of virtual reality and virtual labs in the field of education,and constructed the structure model of teaching and experiment system with virtual reality.A design example of computer interface experiment teaching and experiment system with virtual reality was presented,and the major problems which need to be aroused during the process of making application of virtual reality in virtual labs were pointed out.

Keywords:Virtual reality;Teaching and Experiment System;Application

一、引言

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。虚拟现实技术是先进的人―计算机接口技术,其实质是利用计算机产生一个三维的、基于感知信息的临场环境。人可以参与和控制环境,同时环境能够对人的控制行为做出动态的交互反应。系统仿真技术是随着计算机技术的发展而形成的新兴学科,它是通过建立真实系统的数学模型,利用计算机来达成对系统的分析、研究、设计等目的。目前,虚拟仿真技术在军事、教育、医学、工业设计等多个领域都得到了应用。在教育教学领域,虚拟仿真技术能够进行教学活动或实验操作的模拟,具有经济性好、安全性高以及可重复等多种优势,已经开始替代某些费时、费力、费钱的真实试验和教学演示,对传统的教学活动产生了强烈冲击,引发了教学领域产生一系列深刻的变化。

二、虚拟实验的概念

虚拟实验是指借助于多媒体、系统仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造辅助实验、部分替代甚至全部替代传统实验各个操作环节的相关软硬件平台。虚拟实验是建立在一个虚拟的实验环境(仿真平台)之上,其重点关注的是实验操作的交互性和实验结果的真实性,因此,在虚拟实验室或者实验设备上,实验者可以完全像在真实的实验环境中一样完成各种实验项目,所进行的操作就像是在真实的实验设备上进行的,并且能够取得不低于或者超出在真实实验环境中或者在真实设备上所取得的实验效果。尤其对于一些对经费、场地和器材等方面都要求较高的实验,虚拟实验具有相当的优势。尤其随着网络技术的发展,基于网络的虚拟实验更是突破了传统实验对“时间和空间”方面的限制,不论是实验者还是指导教师都可以方便的上网进入虚拟实验室进行各种实验,虚拟实验的开展极大的促进了教学实验活动的进行。

三、虚拟仿真教学实验系统的模型结构和实例分析

(一)虚拟仿真教学实验系统的模型

虚拟教学实验系统的设计的着眼点主要建立在对实物实验设备和实验环境的仿真上,包括对实验场景和实验对象的实体仿真以及实验对象内部的数学仿真,对应的仿真模型是实体模型和数学模型,具体的模型结构如图1所示。

图1虚拟仿真教学实验系统的模型结构

在这样的模型结构中,实体模型的优劣程度直接影响虚拟实验的真实感与交互性,而数学模型的精确程度则影响着实验的效果和实验质量。在虚拟实验系统的模拟中,为了逼真地模拟出实验场景,使实验仪器和元器件等对象在外形上与操作上都具有真实感,一般采用三维建模技术进行场景和实体的建模。对于数学模型的构建,则是依据系统之间的相互关系和内在联系机制,依据成熟的理论和模型在分系统之间建立确定的对应关系。因此,对于不同的虚拟实验类型,一般具有不同的数学模型。

(二)微机接口电路教学实验系统的虚拟仿真设计实例

下面介绍了基于虚拟仿真技术建立的微机接口电路教学实验系统设计实例。传统微机接口电路实验中,需要专门的硬件实验设备与普通微机相连,实验的主要过程是在微机中利用asm等工具软件进行接口实验程序的调试操作。其基本过程如图2所示。

图2微机接口电路“半虚拟化”设计方案

对这一基本实验采用虚拟仿真技术进行虚拟教学实验系统设计,应该主要针对“专用硬件实验台”进行虚拟化设计,其实现难点在于真实的实验软件与虚拟的接口电路之间进行虚拟“连接”。利用Windows对底层硬件设备的管理和访问控制方法,可以设计专门的设备驱动程序(VxD)软件来代替外部的实验接口电路。具体的应用技术和设计方法如图3。

图3虚拟硬件接口电路实现方法

(三)虚拟仿真技术在教学实验系统中应用需要注意的问题

随着虚拟仿真技术在教学实验系统的应用日益广泛,在具体实践中也需要注意两个问题:首先,注意强化虚拟仿真技术与多媒体技术的有机结合。多媒体技术具有直观、逼真的视觉效果,有利于构建和营造逼真的实验环境,要充分利用、虚拟技术来,营造逼真的训练工作环境,仿真技术则通过建立真实的数学模型,能够进行实时仿真,这两者之间的融合,有利于构建真实环境下的实时仿真平台,实现虚拟与仿真的无缝联接。其次,根据不同实验的特点确定虚拟教学实验系统的设计思想和仿真工具。虚拟教学实验系统的开发应该注意将实验工程环境的开发和实验仿真过程开发进行结合,一般把仿真过程主要在后台运行,强调实时性和可靠性,而具体的实验工程环境的运行作为前台,强调真实性和高仿真性。因此需要根据具体的实验需求加以侧重。

三、结束语

虚拟仿真技术应用于教学实验系统,是对实物实验的补充、完善和扩展,能够保证实验教学系统中具有良好的开放性和具有真实感的交互,必将引发实验教学领域的深刻变化,虚拟仿真实验教学也将成为实验教学改革的一个重要方向。

参考文献:

[1]嵇萍,刘泗岩.虚拟仿真实验在单片机教学中的应用[J].中国现代教育装备,2009,17:94~96

虚拟仿真技术的作用篇4

关键词：虚拟制造技术；建模；仿真；发展趋势

中图分类号：S220.6 文献标识码：A

0 引言

随着全球化经济和计算机技术的高速发展，传统制造业开始了根本性变革。虚拟制造技术应运而生。它通过计算机建立虚拟和仿真环境对产品的设计开发、制造、装配等各方面进行模拟运行并实现，预先发现各种问题，完成产品的一次性制造成功。因此虚拟制造技术是现代制造技术发展的必然趋势。

1 虚拟制造技术的国内外研究现状

虚拟制造技术应用前景诱人，以美国为首的西方工业国家在95年前已基本完成应用基础技术的研究，正向实际应用全面过渡。目前已在飞机、汽车等领域获得了成功的应用，如波音777全面采用虚拟制造技术，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从8年时间缩短到5年。福特和克莱斯勒公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，开发周期由36个月缩短至24个月。由此可见，国外的研究已经趋于成熟。

我国科研机构、高等院校和企业目前正处于理论体系初步研究阶段，与国外相比还有很大差距。

2 虚拟制造技术的内涵

2.1 虚拟制造技术的定义

虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样可以模拟出产品及其性能和制造过程，优化产品的设计质量、制造过程、生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化[1]。

2.2虚拟制造技术的特点

虚拟制造技术可以对生产制造对象以及企业管理过程进行全面的模拟。特点如下所示[3]：

（1）模型为本

虚拟制造采用计算机仿真建模，所以必然涉及到产品模型，环境模型，过程模型。产品模型包含全部的产品信息；环境模型包括各种工装，厂房以及对产品起支撑及支持作用的信息；过程模型包含研发设计、工艺路径、加工参数、装配可行性、干涉检查、静动力学分析等信息。

（2）信息集成为本

虚拟制造技术的根基是仿真技术，所以它必须实现各种仿真软件的兼容，包括产品模型、环境模型、过程模型之间的信息集成。

（3）高精度仿真为本

高精度的仿真需要必然要求实现高准确度、高可信度、仿真结果的生成主要是依靠模型的VVA（Verification Validation and Accreditation）技术来实现。

2.3虚拟制造技术的关键技术

建模技术[2]

虚拟制造技术首先要通过对制造过程的统一建模才能用计算机仿真，所以建模技术是虚拟制造技术的基础支撑技术。

仿真技术

仿真就是将制造过程中建立的模型用计算机分析优化。包括产品性能仿真、生产规划仿真、实际制造过程仿真等。

控制技术[4]

控制技术指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制的技术和方法。包括模型部件的组织、调度策略及交换技术，仿真过程的工作流程与信息流程控制，成本估计技术。动态分布式协作模型的集成技术冲突求解及基于仿真的推及技术模型及仿真结果的验证和确认技术。

3 虚拟制造技术的发展趋势

随着制造战略的发展， 虚拟制造技术在产品制造、设计、装配等方面的应用已经越来越广泛。它也逐步从局部应用转化成向集成应用发展，在复杂的高科技产品的开发设计过程中逐步加大对基于虚拟现实技术的虚拟制造技术的应用。

4 结语

虚拟制造技术是一项极具发展前景的技术，它是多学科、多技术的综合产物，可以提高产品质量，缩短生产周期，提升企业的效益，从而增强企业的竞争力。随着我国对虚拟制造技术研究的深入，其广泛应用的趋势会日益明显，终将成为企业发展的必由之路和必然选择。

参考文献

[1]文明珠.浅谈虚拟制造技术及发展应用[J].信息与电脑·理论版,2010，(3)：21.

[2] 米宝山,李雪莉.浅析虚拟制造技术及应用[J].科技信息,2011，(21)：70,150.

[3] 曹毅杰.虚拟制造及其应用[J].制造业自动化,2012,(23):75-77,85.

虚拟仿真技术的作用篇5

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[2]。2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[3]。其目的是鼓励高校采用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索，使实践训练及时跟上相关技术的发展。为了有效解决土木类专业开展实践教学遇到的技术困难，培养学生的工程实践能力，达到培养高素质的工程应用型创新人才的目的，北京工业大学土木类专业在国家级实验教学示范中心――土木工程实验教学中心的基础上，利用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索。2013年12月北京工业大学土木工程虚拟仿真实验教学中心入选国家级虚拟仿真实验教学中心。

一、虚拟仿真实验教学中心建设理念和思路

紧密结合土木类专业实践性强、工程能力培养要求高的专业特点，土木工程虚拟仿真实验教学中心建设始终坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念。在虚拟仿真平台建设规划过程中，明确了实体实验和虚拟实验的定位，确立了“能实不虚”的建设原则。以“实”为目标、“虚”为手段，扬长避短，以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系，以“实”来提高学生解决工程实际问题的能力。即将虚拟实验手段融入课前预习、课上实训和课后实践等环节中，用虚拟实验对实验现象进行展示、对实验仪器设备的使用流程和注意事项进行说明。通过计算机虚拟环境进行交互性虚拟实验使其成为理论和实践教学的重要补充和有效辅助手段，从而最大限度提高学生的工程素质。

虚拟仿真实验教学中心的建设目标是采用网络技术、多媒体、人机交互等技术构建高度仿真的虚拟仿真实验教学平台，解决土木类专业实践教学环节中的技术难题，培养学生的创新精神、实践能力、自主学习能力以及获取信息、运用信息的能力。

在虚拟仿真实验教学系统的开发过程中，中心坚持“重点开发、积极引进、软硬结合、适当超前”的基本思路。优先选择土木类专业实验难度大、实验花费高（如大型结构破坏性实验、重复次数多的混凝土梁加载实验、大型水质仪器分析实验、建筑设备智能控制实验、污水处理实验等）、专业理论性较强的实验项目进行虚拟仿真实验教学系统开发试点，同时积极引进国内外成熟的虚拟仿真实验教学系统，充分重视虚拟实验环境的真实感、可操作性。

虚拟仿真实验教学中心面向学生采用“多层次”的开放模式。包括虚拟实验不限时开放、教学实验室预约开放（定期开放与网站预约开放相结合）和全天候开放创新基地三层次，使现有资源最大限度得到利用。

二、依托虚拟仿真实验教学中心建设积极开展土木类专业实践教学体系改革

北京工业大学土木类专业坚持“实践教学一条线”、“创新人才培养不断线”的教改思路，将实践教学体系分为三个层次：

（1）工程认识实践与基础训练层次。主要包括各课程教学大纲所规定的基本型实验。

（2）专业应用实践层次。主要包括大纲中规定的综合设计型及个性化创新型实验（综合知识的应用、创新思维培养）。该层次整合了学科基础课、专业主干课及其综合实践环节等，目的是着力进行学科基础技术研究方法的教育。

（3）工程实践层次。以土木工程一级学科为平台，发挥科研活动的支撑与引领作用，以工程为背景，实现学生真实工程环节的训练，增强学生工程实践能力，使学生从专业技能培养逐步进入学科前沿，在加强面上培养的同时实现点上的突破。

土木工程虚拟仿真实验教学中心首先重点解决专业应用实践层次和工程实践层次遇到的主要问题。依托虚拟仿真实验教学中心建设，积极开展实践教学体系的改革，主要包括：（1）围绕虚拟仿真实验教学平台建设创新培养方案，包括在教学计划中增设创新实践课程和改革实验环节的指导模式。（2）推进实践教学内容更新。实践教学大纲必须明确提出“虚实结合、相互补充”的具体实施方案以及具体的培养目标。（3）将高层次的学科建设平台、高水平的科研与工程技术项目以及高质量科研成果融入虚拟仿真实验系统建设，扩大虚拟仿真实验的范围。（4）加强多媒体、网络技术的应用，实现多层次开放模式。（5）改革实践环节评分考核模式。注重对学生利用平台进行自主实验、互动交流过程的考核，强化对学生分析实验结果能力以及答辩的考评。

三、虚拟仿真实验教学平台的功能

以国家级土木工程实验教学示范中心硬件平台为基础，虚拟仿真实验教学中心第一阶段建设是基于Eclipse、WebBuilder、Visual Studio、Adobe Flash、LabVIEW等开发平台和工具并结合主流的专业仿真计算软件30余套（包括PKPM、ANSYS、ABAQUS、5D施工BIM等）开展实践教学环节的虚拟仿真建设。目前土木工程虚拟仿真实验教学中心下设10个虚拟仿真实验教学平台，即大型设备结构实验虚拟仿真平台、混凝土梁静载实验虚拟仿真平台、桥梁工程实验虚拟仿真平台、工程施工虚拟仿真平台、工程测量虚拟仿真平台、道路勘测设计一体化虚拟仿真平台、楼宇自控系统虚拟仿真实验平台、空调系统调试虚拟仿真实验平台、大型水质分析仪器虚拟仿真平台、水处理工艺运行虚拟仿真平台，利用平台建成了相应的土木类专业虚拟仿真实验教学系统。

虚拟仿真实验教学平台主要功能包括：

（1）利用平台实现虚拟实验仪器开展实验和搭建典型的实验项目。平台建设紧密结合土木类专业实验教学需求，使学生利用平台进行虚拟仪器操作和动手搭建实验系统并配置相关技术参数。如大型水质分析仪器仿真与模拟操作系统对大型气相色谱仪、TOC/TN、原子吸收光谱仪等的构造及工作原理进行仿真模拟，同时将仿真模拟系统与仪器离线操作平台偶联，实现仪器的模拟操作与样品分析仿真；利用钢筋混凝土简支梁静载实验模拟系统可以自行设置梁的截面尺寸、配筋、长度等几何参数和混凝土、钢筋等材料参数形成自己的实验对象，在虚拟场景中布设支座形式、分配梁、加载点等加载条件和设备，扩大学生能够操作实验工况的数目。

（2）利用平台实现数字化工程设计和虚拟施工、调试及运行。工程施工虚拟仿真平台充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling简称BIM）技术完成了土木工程关键施工过程模拟动画30套，能够基本实现对土木工程施工关键过程的模拟仿真；工程测量虚拟仿真平台所建立的仿真系统能模拟校内外实验场地条件以及各种工程测量实验仪器设备，可实现人机交互操作，形象地展现了工程测量课程中主要实验环节的工作过程；道路勘测设计一体化虚拟仿真平台利用当今国际道路勘测设计主流技术，将野外道勘实习基地和校内道勘实训中心集成为数字化、一体化、可视化的虚实结合、内外结合的教学平台，主要功能是利用真实项目完成道路勘测与设计的综合实训；楼宇自控系统虚拟仿真实验平台利用楼宇自控虚拟仿真系统制作的虚拟控制对象来代替真实对象，不仅接受控制器的控制信号，而且还能向控制器发出各种反馈信号，反映实际系统的响应，从上位机控制界面上直接显示控制过程和控制结果，给学生带来“身临其境”的感觉，为楼控系统的编程和调试带来很大方便，有利于对空调系统控制原理的认识以及对楼宇自控技术的学习和应用。

（3）利用平台的网络化协同支持教学。平台构建了作业、协同交流、答疑、留言、测试、文件存储等模块，中心网站具有友好的用户界面，用于为师生用户提供相对完整的实验学习支持系统。在功能上包括提供实验设计、背景知识、参考资料和课件等。针对学生用户，记录其实验过程，包括实验报告、数据、实验结果统计、成绩评定、教师评语等；针对教师用户，提供实验设计、分类实验结果和内容统计等。

（4）基于网络的宣传、交流和实验展示功能。平台具有信息发布、成果展示、专业介绍、实验设计、教学名师、精品课程等宣传和展示功能。虚拟仿真实验教学平台体现了全天候开放性，随时随地可以访问；体现了创新性，利用现代信息技术，实现了低成本，高安全，运行维护方便，改进教学效果，积极革新教学模式的目的。

四、注重利用“产、学、研”合作建设虚拟仿真实验教学中心

土木类专业教师的虚拟仿真技术开发能力、网络多媒体技术水平是影响虚拟仿真实验教学平台建设水平的一个主要因素，软件公司的技术人员对专业实践教学要求的理解对平台开发效果有重要的影响。为了提高中心下设的虚拟仿真实验教学平台的建设水平，中心本着“优势互补、资源共享”的原则与建研科技股份有限公司、北京长筑工程软件有限公司等近10家软件开发单位开展校企共建共管的合作模式。一方面，企业参与土木类实践教学计划制订，为中心建设提供各类技术资料、工艺规程和软件，参与中心虚拟仿真实验教学平台的研发工作、软件维护和升级管理工作，确保了平台良好的运行状态并始终处于同类平台的领先地位，服务于校内人才培养；另一方面，校企合作共建的虚拟仿真实验教学中心为企业软件产品的市场推广、人才培训提供支持，中心教师也积极为企业的研发工作提供技术支持。通过人才培养这个纽带，学校和企业整合各自优势，结成战略合作伙伴关系，从而为土木工程虚拟仿真实验教学中心的可持续发展提供了强大的技术研发支撑平台。

五、虚拟仿真实验教学中心建设的效果

中心搭建14门实验课程，其中设计型1门、创新型4门、综合型9门。中心经过第一阶段建设，土木类专业能够将虚拟实验和真实实验结合的实践环节的比例超过30%。虚拟仿真实验教学中心直接面向于全校6个专业并对全校其他专业开放，年均直接受益人时数近60000（人?小时）。

通过三年实践教学平台的“虚实结合”建设以及实践教学体系改革，中心对人才培养的教学效果主要体现在以下方面：

（1）强化了“学生是主体、教师是主导”的教学理念，提高了实验教学质量，学生自主参与实践环节的能力得到加强。

（2）实现了虚拟仿真平台和校外实习基地建设相互补充、相互支持，提高了土木类专业校外实习环节的效果，强化了工程素质的培养，有助于培养学生的专业学习兴趣。

（3）通过“虚实结合”拓宽了学生的专业视野，提高了学生的自主学习能力，加强了学生的创新意识和创新能力的培养。

（4）“虚实结合”的实践教学模式的开展促进了实验教学管理体系的改革，促进了实验教学队伍水平的提高。

虚拟仿真技术的作用篇6

关键词：虚拟仿真技术；土建类专业；高职；

作者简介：刘镇（1978-），男，大连职业技术学院讲师，硕士，注册一级建造师、造价师，研究方向为工程管理、工程造价。

中图分类号：G712

文献标识码：A

文章编号：1001－7518（2012）17－0034－02

一、虚拟仿真技术的含义

仿真技术，也被人称之为模拟技术，即用一个系统模仿另一个真实系统的技术。而虚拟现实技术则是在仿真技术的基础上发展而来的，当前仿真系统正在向虚拟环境的系统演变。虚拟现实技术和仿真技术作为对现实世界的模拟，都是基于模型而开展的，都是对现实世界尽可能的再现，因此，由仿真技术和虚拟现实技术两者相结合形成了虚拟仿真技术。

虚拟仿真技术是指运用计算机和专用物理效应设备，借助相应的系统模型，对实际的或假想的系统进行相关动态试验研究的一种新技术，具有可控性、经济性、快速性等特点，有助于解决抽象与实体之间相互联系的问题。

二、目前虚拟仿真教学与高职土建类专业教育的关系

职业教育是以就业为导向的教育，技能教育是职业教育的核心，同样职业教育信息化也要为职业技能服务，信息技术已经成为提高教育质量的重要手段。教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（［2006］16号文件）指出，要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。

当前，建筑技术含量要求越来越高，不断呈现出结构多样、工艺复杂、施工难度加大等特点，这就需要教育和培养出更多的建筑技术人才，不仅能进行工程设计，而且具有较强的实践技术指导和管理能力。根据2010年统计，开办土建类高职学校达1099所、专业3423个、招生人数307412人。数据表明高职土建类教育不仅规模大、分布广，而且发展速度快。高职土建类教育在强调系统地设计基于学科系统性原则的理论教学体系基础上，应系统地设计基于工作过程化的实践教学体系。而虚拟仿真技术通过交互式环境、情景复现功能，实现对抽象概念的具体化，对传统教学进行革新的一种方式，能够很好的满足“情景教学”与“项目教学”需要。目前，虚拟仿真技术已在多学科领域的教学及实践中使用，并且虚拟仿真技术已运用于工程建设。这些都表明了在土建类教学中采用虚拟仿真技术是可行的、必要的。

三、虚拟仿真技术在土建类专业教学中的应用

（一）形象直观，利用情景教学

心理学指出：传统的课堂教学，学生一般只能吸收不到三成的内容，并且随着时间推移，所掌握的知识会逐步遗忘。[3]同时，研究证实：阅读到的信息我们能学习到10%；听到的信息我们能学习到18%，但所亲身体验过的事我们能学习到80%。毫无疑问，学习体验是最好的方式。土建类学科是一门技术复杂多样，设备材料繁多，实践性强的学科，在教学中需要学生有亲身经历体验。虚拟仿真技术通过虚拟现场情景，仿真施工工艺和过程等，充分调动学生的积极性。将学习目标与教学主题相结合，通过形象直观的方式让学生学习知识。在情景体验教学中，教师与学生更加的积极主动，使教学效果得到明显提高。

（二）提高学生空间想象能力

土建工程是将二维表现的设计图纸实现为三维的、立体的、复杂的建筑物。这就对学生的空间立体想象能力提出了较高的要求。但刚接触该专业的学生，总有想象不出或理解困难的感觉，以往授课中需要通过教师绘图、模型展示等，但效果一般。利用虚拟仿真技术，能够模拟出建筑物的建筑构造，能够真实展示建筑物的各个结点，空间布局、立体图形的生成过程。通过虚拟仿真技术能够使学生置身虚拟建筑空间内，从而对这些建筑空间的认识和理解更形象、更全面、更深刻。

（三）改进管理类课程授课方式

在土建类专业课程体系中，存在很多管理类的课程，这些课程突出特点是很难看到真实场景，甚至在学习中也不可能亲身经历，只能阅读到成果性资料。以工程招投标与合同管理为例，标书制作、合同签订，开标过程等，教学中很难体验这类过程的工作流程和内涵。虚拟仿真技术则能够虚拟相关情景，让学生在课堂中，分角色扮演，经历开标、评标、谈判这些工作，使学生得到充分体验，真实的领悟，从而有效的促进管理类知识转化，完成项目教学。

（四）促进实践教学

土建类专业的实践课程是非常重要的，对学生理解知识点，以及理论与实践相结合有着很强的促进作用。土建类专业需要的实训项目及设备种类数量繁多，各院校受资金、场地、安全教学管理等多方面的制约，很难具有全面的实践条件，而虚拟仿真技术利用自身优势，能够很好的促进实践教学。

第一，保证实训科目的质量，节约成本。为确保实践项目教学的效果，传统的实践教学模式需要巨大的资金投入及购置教学所用的设备，并且在教学过程中会消耗大量的材料，容易淘汰教学仪器和设备，因此很难满足教学所需。从教学资源全过程管理来看，虚拟仿真技术实践减少投入包括占地、建筑投入、设备投入、材料投入、指导教师投入，经过考察统计可以降低30%~80%。同时也降低实训污染（如粉尘实训、噪声污染等），而学生因为得到多次实践机会，效果也远远好于传统教学。

第二，容错功能强，可开展探究性实验。土建类专业实践存在较高的安全风险，尤其是学生到施工现场实训，而企业也为回避对安全事故的各种约束处罚而不愿意接收学生现场实训。为了防止意外事故的发生，通常是采取增加实训操作过程的相关约束条件来确保师生的安全。但限制的越多，与实践就越脱节，教学质量难以得到保障。虚拟仿真技术可引导学生积极在仿真实践中进行实训，不必担心出现任何以外的风险，保证实训安全性（设备安全、人身安全）。通过运用虚拟仿真技术，教师在教学中可以设置各种不同的故障等状态，“虚拟”不同的事故，学生通过反复试验，运用各种方式方法，分析问题、解决问题，在这方面实际实训是无法做到的。

第三，科学定量考核，与职业资格接轨。在土建类的实践项目的考核常常仅是一份报告（施工组织设计、合同、招投标文件等）或是实践指导教师根据学生在实践中的表现，依靠主观给学生评定成绩。而在虚拟仿真实践的软件中，可根据不同需求，设计不同性质的考试、考核方式。而虚拟仿真实践软件通过采取随机出题、海量题库、在线考试等方式，保证考试考核的公平、真实。从而实现了考教分离、分量一致，实现了以考试、考核额成绩来衡量教学质量、评价教学效果、评估学生的学习能力的可能性。

四、如何制作虚拟仿真教学软件

仿真教学软件的研制的总体过程基本上可划分为两大阶段，即教学设计阶段和软件制作阶段，如图1所示。

虚拟仿真教学软件制作是一项复杂的项目管理工程。编制适应高职教育的虚拟仿真软件要把握以下几点:

（一）树立职业教育理念

教学设计应以教育科学的观点和方法为指导，按照职业教育额教学目标、教学内容、教学对象的特点等，结合国家相关职业（工种）标准，优化教学软件的系统结构与模块设计，并选择适当的媒体信息，使其在系统中得到有机结合，以实现课程与实训的教学目标。

（二）创作团队进行脚本编写

脚本作为仿真教学软件的第一关，事关教学实训内容的正确性与科学性，贯穿于脚本编写之中的教学设计，决定了教学软件的生命。

土建类虚拟仿真软件脚本通常由具有丰富教学与实训经验并了解现代教育技术的人来编写。因此，需要组成专业教师、现场工程师、教育技术专家组成的创作队伍。脚本创作中的整体结构要依据研制大纲的要求进行，除了在保证科学性的前提下，重视教学实训项目、任务、技能点、操作步骤的设计，重视文字符号图形的标准化外，还要格外重视屏幕设计，重视交互性设计，重视操作工艺、安全规范等方面的设计。

（三）素材制作要保证质量

素材不仅是构成教学软件的基本单元，也是教学软件完成系统合成的重要前提与基础。素材的制作（包括三维建模）是制作环节中耗费时间最多的环节，据统计，素材制作将占用70%~80%的制作工作量，因此，素材制作是数字化教学资源开发的重心，是制作的重要环节，是制约开发周期的主要环节之一。土建类虚拟仿真软件中的素材要实物、现场场景严格匹配，这样就能保证软件的质量，防止给后期合成带来隐患。

五、虚拟仿真教学与实操教学之间的关系

（一）互补关系：实操教学不能实现的，利用仿真教学可以实现。

（二）融入关系：—份完整的现代化的教学方案，必定是仿真教学与实操教学的完美融入的方案。

（三）顺序关系：一般情况下，仿真教学在前，实操教学在后。

（四）不可替代关系：仿真教学与实操教学，二者不可替代。

（五）随着计算机技术快速发展，仿真教学对实操教学的互补作用会越来越强，同时，实操教学对虚拟仿真教学的依赖程度会越来越高。对于实操教学的设备，有与虚拟仿真系统实现一体化的趋势。

六、结束语

从微观层面看，高等职业教育是以技术人员的职业劳动为导向的，是产生于技术人员的能力、知识和素质，是一种专业劳动。因此，作为高职土建类专业的教学，应以生产目标为导向，有针对性地对学生进行体验式教学。应该通过虚拟仿真技术和赴实地现场进行教学，在课本之外给学生更生动易懂的知识，并通过虚拟的或者真实的实验、实训、实习等实践教学培养具备较高的知识、能力和素质等综合性的高端土建专业技能型人才。

参考文献：

[1]吕爱民，项秉人.生态建筑的数字化构建[J].新建筑，2005（6）：7-9.

[2]赵能.虚拟仿真技术在建筑设计中的应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.

虚拟仿真技术的作用篇7

关键词 模拟 虚拟 仿真 模拟仿真 虚拟现实

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1 模拟与仿真

模拟经常采用虚拟具体假想情形的方法，也经常采用数学建模的抽象方法。利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛，包括电气、机械、化工、水力、热力等系统，也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，一般采用模拟的方式来完成。

仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。

模拟侧重于软件，强调过程。仿真则侧重于硬件，仿真的重要工具是计算机、模拟器。无论模拟还是仿真都与实验相关，整个实验叫仿真，而实验过程应该叫模拟，所以模拟仿真不可分割，发展到今天统称为模拟仿真。

2 模拟与虚拟

模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。虚拟是对真实的模仿，对训练过程的假想。

3 虚拟现实与模拟仿真

虚拟现实（VirtualReality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。

概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推进了计算机技术的发展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术。

模拟仿真是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能。

模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局l983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。美军已研制的虚拟现实模拟系统可以在视觉、听觉和触觉等方面逼真地显现未来战争可能出现的各种情况，可以使没有打过仗的指挥官身临其境般地体验战争，可以使驻扎在世界各地的部队通过互联网络同时演练同一想定，可以在同一模拟系统上演练在不同国家、不同地形、不同气候、不同作战对象的各种战争行动。如美海军陆战队的模拟网络可将分布在全球执行各种任务的陆战队特遣队司令部连接起来。一支远征部队陆战营可与4800公里之外的另一支远征部队的团级司令部进行诸军兵种联合演练。

虚拟仿真技术的作用篇8

【关键词】虚拟现实 适度仿真 低成本化

虚拟现实技术(简称vr技术)是基于计算机技术及数据处理技术的沉浸式交互技术，也就是基于计算机技术等现代科技，人为产生的可以综合感知以模拟特定环境的虚拟交互技术。用户可以借助相应的设备以人类自然的方式与虚拟环境对象进行交互影响，从而产生类似真实环境的体验。

一、虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：

1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。

2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。

控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。

3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。

4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成

虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用cad技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。

2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。

3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。

3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。

4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。

三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析

使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。

首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。

其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。

在力学仿真方面，可以通过降低系统的粒度即降低系统复杂度来达到适度仿真的目的，也就是说可以只仿真最主要的力场相互作用，而使用模仿动力学如预设动画来处理非关键相互作用，就可以大大降低仿真设计的复杂度，从而控制成本，当然，粒度的选择要依据实际问题进行精确的优化和选择。