虚拟仿真实验技术范文

时间:2023-11-13 11:23:28

虚拟仿真实验技术

虚拟仿真实验技术篇1

关键词:虚拟仿真;齿轮传动装置;机械设计;实验教学

齿轮传动作为各种工业生产设备的核心装置被企业大量应用。齿轮的与密封性能,对于延长传动装置使用寿命、节能减排、保护环境都有重要意义。由于实验成本较高、安全性难以保障等问题的限制,当前高校的机械设计课程中并未开展有关齿轮传动装置与密封的实验教学,难以满足当前机械工业发展趋势对人才培养的多样化需求。因此,结合中国制造业、钢铁冶金业的绿色化发展方向与新工科发展要求,建设机械设计课程“齿轮传动装置的与密封设计虚拟仿真实验”,对于提升机械类专业学生的创新设计能力和实践能力具有重要意义。探索促进机械类专业学生的实践与创新能力培养的新方法,开发教学新模式是新工科背景下高校教学改革的发展方向[1]。虚拟仿真实验教学已成为专业教学体系的重要组成部分[2]。将虚拟仿真、虚拟样机等先进技术应用于机械类实验教学中,向学生直观展示机械结构和工作原理,允许学生进行创新性自主实验,实质性推进知识与能力并重的复合型创新人才培养进程[3-6]。因此,掌握齿轮传动装置常用的与密封方式及其结构特点,能熟练掌握其运用原则和方法并通过虚拟仿真实验进行强化,是培养“大国工匠”必备的基本技能之一[7-9]。综上所述,我校以单级直齿圆柱齿轮减速器为载体,将齿轮传动装置的与密封基本知识与虚拟仿真技术深度结合,构建交互式、立体式、可视化的三维沉浸式虚拟实验教学系统。教学过程中对给定工况的传动装置进行和密封装置的全流程设计,并通过虚拟仿真呈现其设计结果,使学生能够将知识运用到实验设计中,培养学生的实践能力和工程创新能力。

1齿轮传动装置与密封原理

齿轮传动是目前传动效率最高的一种传动装置。当前技术条件下,由于齿面间的相对滑动及其他原因,摩擦、磨损及功率损失仍不可避免。为更好地发挥齿轮的传动性能、提高工作寿命、降低振动和噪音、保护环境等,必须对齿轮传动装置的进行合理的设计,包括齿轮的和轴承的。同时还需要防止灰尘、水分等进入轴承,并阻止剂的流失,影响或破坏环境等,必须要进行密封设计。齿轮传动的包括方式的选择和剂的选择。常用的方式有油池、循环喷油、油雾、离心、脂、固体等,通常依据齿轮节圆圆周速度进行选择。齿轮剂的选择可根据齿轮材料、屈服强度及节圆圆周速度确定油的黏度推荐值,再根据黏度及工作工况选择相应的油牌号。轴承密封方法的选择与的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度有关,通常有接触式和非接触式密封两大类,若无法适应使用场合或密封不当,可能导致密封失效。

2实验教学设计

2.1教学内容设计

我校以单级直齿圆柱齿轮减速器为载体,实验教学的主要设计思路如图1所示。给定已知数据,学生根据所学机械设计理论课程知识在线下进行相关计算,得到计算数据并输入虚拟系统作为与密封设计的依据。以此确定油的种类、和密封的方式及其结构,并在虚拟系统中进行可视化、交互式的虚拟操作,完成和密封的虚拟设计。最后,通过启动传动装置对设计结果进行自动评判。虚拟实验任务由系统随机给出,学生根据给定的实验任务,在线下进行计算。通过对话框界面让学生输入计算结果,如计算错误,系统会给出相应的提示。根据计算结果,进一步确定相应的方式和密封方式。

2.2实验步骤设计

根据实验教学内容的设计,本虚拟实验设计任务的步骤与流程如图2所示,被分解为9个子任务,各子任务又被分解为2~4个子步骤,相互之间为串联式关系,只有上一子任务完成且正确后,方可进入下一实验环节。第1个子任务是齿轮传动装置与密封的基本知识认识,这是整个实验的理论基础,此处通过一定数量的选择题进行测试。第3个子任务是线下计算。后续6个子任务全部是交互式虚拟实践操作环节,每一个子步骤均给出了相应的提示和正确与否的评价。整个虚拟仿真实验操作被限定在90分钟以内,学生可以进行多次反复实验,直至完全掌握为止,而且每次实验的任务均是随机给定,不会出现重复,实验成绩以最后提交的为准。在认知过程中,全部以动画的形式展示齿轮与轴承的原理,学生可以非常直观准确地看到齿轮传动过程中油的流动及的全过程。

2.3实验教学考核评价

本实验教学考核评价由虚拟实验系统自动评价和实验报告教师主观评价两部分组成,其具体的组成如表1所示。其中,虚拟系统客观评价占75%,由虚拟仿真实验系统自动给出成绩,学生在系统进行实验预习并进行测试。整个实验过程均为有记录的交互式操作并由系统给出操作得分。线上实验操作完成后,学生需在线下完成实验报告,由实验指导教师进行主观评价,该部分占考核评价的25%3虚拟仿真实验教学系统本实验基于Unity3D工具进行开发[10]。图3所示为我校开发的实验教学系统,该系统虚拟了实验室环境,将减速器放置在实验台上。系统窗口的上方为工具栏,包括基本认知、设计任务和实验过程等按钮,单击可以弹出相应的菜单栏,依次单击可进入相应的实验环节或步骤。窗口的下方为实验关键步骤的进度条,系统会高亮显示当前的进度。该系统具有交互式、可视化、沉浸式、立体式和多层次的显著特点。实现虚拟仿真实验的有效开放与共享,提高使用率和使用效益,是教学资源建设急需解决的重要课题[11]。因此,我校将本虚拟仿真实验教学系统加入“高等学校机械工程学科虚拟仿真实验教学共享平台”,将其作为机械设计课程实验,在全国各高校的机械类和近机械类专业学生中进行应用推广,如图4所示。该平台包括了该实验的教学视频,可为实验操作提供指导。同时,学生完成实验后,可以直接在该平台提交实验报告。

4虚拟仿真实验教学实例

4.1完成基本知识学习和认知测试

获取实验任务下面以系统给出的随机实验任务的设计实例进行展示。学生进入该虚拟实验系统,完成基本知识的学习和认知测试后,单击菜单栏的“设计任务”弹出本次实验的设计任务参数,见表2。4.2根据表2所示的参数进行线下计算学生根据实验设计任务参数进行线下计算,将得到的数据输入系统的输入框中,如图5所示,单击确定即可进入下一实验步骤。如果数据不正确,系统会提示错误原因,且不能进入下一步。4.3确定与密封方式根据圆周速度确定轴承和齿轮方式为油。根据传动装置的使用场合,确定油的类型为CKD系列。由此确定输入轴上的轴承为“毛毡密封”,输出轴上的轴承为“挡油环+毛毡密封”,如图6所示。

4.4倒入油至箱体中

在窗口右侧的工具箱中选择CKD系列油,按住鼠标左键,油就会自动倒入箱体中,注意观察油面的高度动态显示标尺,油面高度应在计算范围内,当油面接触轮齿后,应缓慢倒油,如图7所示。

4.5设计箱盖坡口和箱体安装面油槽

轴承的方式为飞溅,齿轮飞溅的油溅到箱盖内壁上,然后顺着箱盖的内壁流入箱座的油槽中,油槽与轴承之间相连,轴承端盖处的缺口方便油进入轴承中进行。如图8(a)所示,通过鼠标点击箱盖内壁拐角设计坡口;如图8(b)所示,通过鼠标点击箱体法兰安装面处设计油槽。

4.6安装密封结构零件

如图9所示,从右边选择栏中点击挡油环,并拖到图9(a)中所标注的位置,单击鼠标完成安装。点击毛毡,同样拖到图9(a)中标注的位置。最后,从右边选择栏中选择轴承端盖,拖到图9(b)中标注的位置。

4.7启动传动装置

查看结果并提交实验报告依次完成上述操作后,单击启动按钮,电机开始启动,传动装置开始工作。若和密封设计合理,则提示实验设计和操作成功。若设计不正确,则提示相关的失效结果。最后,单击菜单栏的实验报告,查看实验得分情况,并提交实报告。

5结语

齿轮传动是机械设计中必不可少的传动部件。基于操作的可行性和便捷性,学生通过该虚拟仿真实验,可以有效地了解传动装置的和密封方式及工作原理,避免在实际操作中因失误而造成损失,有效解决了实体实验教学成本高、周期长、过程烦琐等问题,完善了虚实结合的实践教学体系,取得了良好的教学效果。本虚拟仿真教学平台可应用于选修机械设计课程的机械类及近机类专业学生的实验操作训练,有助于夯实学生对传动零件与密封知识的运用能力、设计能力和实践能力。截至目前,本实验系统已在本校的两届学生试用,覆盖学生约1000人。尤其是在病毒肺炎疫情期间,为学生提供虚拟实验资源,受到了学生的好评,中国教育报以《“空中实验室”破解实践教学难题》为题目进行了专门报道。本实验系统集趣味性和学习性于一体,除本校以外,已有全国48所院校的5000余名学生在共享平台使用本虚拟仿真实验教学系统。

参考文献

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虚拟仿真实验技术篇2

摘 要:虚拟仿真技术是利用硬件的在仿真技术和计算机虚拟现实技术建立仿真平台,实现对机械制动效果的可视化分析。利用仿真平台对机械工程实验中的操作舱、机械制动器等机型动力学建模,为机械工程的实践生产提供技术基础。该文通过分析虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用,研究实验中各种设备的规划和改革,旨在为虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用提供发展的方向。

关键词:虚拟仿真技术 机械工程 实验教学

中图分类号:G421 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2016)07(a)-0153-02

高校工科类专业中,操作实践是教学中重要的组成部分,我国大部分院校都设立了工科类的专业操作实验室,为学生动手能力和创新能力的提高创造条件。在传统的机械工程实验教学中,使用仪器设备的密集程度非常的高,使得实验的复杂程度大大增加。很多仪器设备的价值昂贵,体积结构为实验的操作带来极大不便。学生只能在教材知识的基础上刻板地进行实验的操作,在这种情况下学生的创新能力和主观能动性就不能得到发挥。众多高校在实验室的更新建设中,因为受到资金的限制,会继续使用旧的仪器设备,这些设备在长期的使用过程中出现机能老化,已经不能满足当前机械工程实验教学的需要。在计算机技术不断发展的基础上,虚拟仿真技术的应用成为现在机械工程实验教学中普遍的教学手段。

1 机械工程实验室的虚拟实验改进

现在高校实验教学中的问题越来越突出,制约着教学效率和质量,突出体现在很多院校的实验基地和实验单位的建设能力非常有限,不能满足学生自己动手操作要求,不能实现对学生进行基础理论知识深化和了解。很多院校为了节省资金,减少出现实验设备的安全问题等,在进行实验教学的时候,主要是以参观和讲座的形式进行实践培训,学生基本没有实践动手的机会。在这种情况下,就会造成学生毕业后,参加相关工作没有机械设备操作的经验,无法独立完成工作的内容。尤其在是实验教学的过程中,学生会逐渐失去对实验知识的学习动力和兴趣,对学生长远发展造成负面影响。所以在科学技术不断发展的今天,机械工程该实验室教学要转变传统的教学模式,采用先进的科学技术更新教学理念和教学手段,实现实验教学方法和教学的完善。在院校的机械教学中,实验教学是学生进行知识学习和巩固的重要手段,是学生实践操作能力培养的根本方法,是当今院校机械制造专业教学中最为重要的环节,是现代化机械人才培养的基本途径。通过现代化的教学方式可以最大程度提高学生实践动手能力,保证学生在实验动手操作的基础上对基本理论知识进行理解和完善。通过这样的实践实验教学,可以使学生合理将基础知识理论与实践内容相结合,在动手实践过程中逐渐形成独特的自我知识技能认知能力。现在大多数院校利用的是CAD机房,然后在此硬件设施的基础上,实现部分实验室教学方式的改革。并且引进虚拟仿真技术对现有的实验设备进行更新和改进。在机械工程实验室教学中应用虚拟仿真技术,不但可以避免在实验教学过程中出现设备的故障隐患,还能最大程度提高学生的实践动手能力,为学生专业理论知识的学习提供科学实践依据。对实验室部分设备装置进行传动性能实验、数控加工仿真实验和减速器装配实验,最大程度提高了机械工程实验教学的效率和质量。

2 虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的典型应用

2.1 带传动性能测试实验

带传动性能测试实验是机械工程专业实验室教学中的一个重要组成部分,其主要是让学生能够直观地观察带传动的弹性滑动和打滑现象,还能有效地对实验中的相关机电设备的承载能力进行分析,根据分析的数据参数实现对带动问题的控制。进行传动性能测试实验的时候,需要利用的机械设备有力传感器、电动机、转矩力测杆、光电测速装置、发电机等。这些实验机械设备主要通过人工实现传动性能测试,这样的测试方式主要的特点是人工费用会高于设备使用的费用。在虚拟仿真技术的基础上,进行带传动性能测试系统的设计可以最大程度提升机械工程实验教学效率和教学质量。

2.2 数控加工仿真实验

数字加工技术是现代制造业中一个核心的技术,在现代制造业的进步和发展过程中发挥着至关重要的作用。数字加工技术是综合计算机应用技术中的微电子技术和机械加工技术。现在众多院校的机械自动化成为一门重要的专业,这门专业的核心内容是在数控机床的操作中利用数控加工技术。但是数控机床的价格非常高,设备运作形式单一,并且运行程序的设置相当复杂,不能实现对每一位学生实验操作需求的满足,这种复杂性的实验操作,只能满足极少部分学生的需求,严重制约了机械工程实验教学的效率。虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用,可以实现让每一位学生加入到具体的机械工程实验中来,对机械机床加工环境和流程才形成一个系统认知。

2.3 减速器装配实验

机械设计的一个基础项目是减速器在机械设备中的使用。在传统的减速器实验教学中,都会利用实物代替减速器的教学方法。虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用,实现了通过实物模拟模型的拆卸,进行减速器的构成结构的直观讲解。

3 虚拟实验室建设的构想

在进行虚拟实验室建设思路设计的时候,首先,可以不考虑实验室应用设备的操作性,也就是保证实验室需要操作实践的目标和任务与相关机械工程专业知识系统相统一,然后再研究实验设备的稳定性。其次,要构思虚拟仿真平台的建设,例如:机械操作平台中的仿真器、ECU和虚拟演示平台等。在整个虚拟仿真系统框架的设计中,主要是满足院校机械工程类专业学生实验操作的需要,所以一定要保证虚拟仿真实验结果的精确性,才能确保学生对理论知识的掌握和巩固。一般构建虚拟实验室要进行仿真计算,观察相关系数,观察预先系数与实际操作系统是否统一。再次,仿真器的构建设计,随着计算机软件技术在机械工程实验中的应用,虚拟仿真器代替了原来操作实验中的实物操作,最大程度简化了实验步骤。并且仿真器可以利用USB实现与虚拟演示平台的链接,在实验的过程中可以保证虚拟演示平台及时接收到虚拟实验仿真信号,通过PWM模块实现向ECU传输一定频率的方波,在多媒体上模拟机械设备的工作原理,在虚拟实验进行的时候仿真器利用USB将仿真实验得到的数据传送到模拟演示平台,实现学生实验操作的参数需要。最后,建立虚拟仿真系统,利用相关的计算机应用软件,编辑建立应用模块,结合相关的3Dmax建模工具建立虚拟演示平台中的技术模块,将模块中的内容以特定的文件格式导入虚拟演示平台中,最终让学生在虚拟演示平台中进行相关机械工程实验操作。

4 结语

综上所述,虚拟仿真技术在现代院校机械工程专业实验教学中的应用,可以克服传统实验中的众多实验问题,保证学生能够主动参与到实验操作中来,提高机械工程实验教学的质量。所以,院校应该重视对机械工程实验室的虚拟实验改进,以及虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的具体应用手段和方法,对传统的实验教学进行更新和补充。虚拟实验要紧密结合现代科学技术和先进的计算机应用技术,满足机械工程专业学生实验操作要求的同时,适应院校实验室敬爱教学的改革和发展。

参考文献

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虚拟仿真实验技术篇3

关键词:虚拟土工实验;flash技术;设计与开发;计算机辅助教学

中图分类号:TP391

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2012)17-0024-03

1 概述

随着虚拟仿真技术的新发展和计算机网络技术的快速普及,虚拟实验作为一种新的实验类型越来越受到关注,成为计算机辅助教学的一个重要组成部分。近几年来,各方面的关注和需求使虚拟实验有了较快的发展,并将拥有很好的前景。

实验教学在高等职业教育教学活动中具有特殊重要的位置,是培养学生搜集信息能力、独立思考能力、动手操作能力和创新思维能力的重要教学手段,是学生对所学知识进行实践的最直接最有效的途径之一,对培养学生的专业能力、社会能力和方法能力有不可取代的作用。

但是,多数学校由于空间和实验仪器设备数量的限制,多数情况下不能提供给每个学生都能亲手操作实验的机会,也不可能允许每个学生都全面完整的亲自操作完成每个实验环节。虚拟实验的逐渐成型,很好的解决了这一问题,不仅有效缓解很多高校在经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力,而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对“时、空”的限制,无论是学生还是教师,都可以自由、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室,操作仪器,进行各种实验,有助于提高实验教学质量。

结合目前学校土工实验课的实际教学情况和学校综合设计性实验项目的要求,以成本低效率高为前提,利用flash技术建立一个虚拟的实验环境。使用者可以利用鼠标、键盘等输入设备,进入虚拟土工实验环节,感知和操作网络虚拟实验,加深对教学内容的理解。

2 开发虚拟土工试验的意义

虚拟仿真实验的应用改变了传统的教育模式,使教与学的方式发生了颠覆性的变化:(1)虚拟土工实验不仅从形式到内容更加多样化,更加生动活泼,学生更容易接受、理解和掌握所学的理论知识,而且还弥补实验教学仪器不足,减轻了学校的资金投入压力;(2)虚拟土工实验让学生可以不受时空的限制来做课程实验。传统的实验教学使得学生只能在固定的时间、固定的实验室来完成实验,可是网络虚拟实验的开辟,使得学生在课余时间、在宿舍、在机房等都可以随心所欲的操作实验以提高自己对实验的理解;(3)虚拟实验用先进技术可实现虚拟现实对于沉浸性、交互性的

要求。

将虚拟现实技术与实验教学相结合,其设备或对象多是虚拟的,可根据发展需要重新生成新设备,也可使设备和教学内容在虚拟环境中不断更新,使学校教育可及时跟得上最新科技的发展,以培养高素质高级技能型的毕业生,满足经济发展的要求。课堂教学不再局限于有形的教室中,教学活动的空间和时间得到了无形延伸。

构建网络虚拟实验有多种方法,目前常用的实验构建技术包括JAVA、Active、VRML、QTVR、Flash等,这几种技术各有优缺点,见表1。这些技术基本采用软件方法来模拟硬件设备的功能和实验的基本特性,以实现和现实中的实际仪器的特性相一致,并具有很强的交互和实时反馈的性能,有的甚至能够实现多人合作实验的功能。

从表1的对比可以清楚地看到,三维的虚拟实验采用VRML技术开发综合性能较好,二维的虚拟实验采用Flash技术开发综合性能较好。为此在开发制作虚拟土工实验的过程中,考虑到学生的操作性和实用性,首先采用flash技术制作了相关实验的二维动画效果。

3 基于flash技术的虚拟土工仿真实验的开发过程

Flash是目前很流行的一种交互动画制作软件。通过flash的ActionScript脚本语言,可以方便地实现动画的控制,因其制作方法较简便,动画效果和交互性好而受到广大使用者的青睐。

虚拟土工实验是建立在真实实验的基础之上,对实验所使用仪器设备进行计算机虚拟,实验者通过鼠标和键盘,可以像对真实仪器一样对虚拟实验设备进行操作,进而逐步完成整个虚拟实验过程。

3.1 虚拟土工实验仪器的开发

虚拟实验仪器的开发是实现虚拟实验过程的第一步,通过flash自带ActionScript编写程序进行开发,呈现出二维立体效果。

根据真实的实验仪器(天平、酒精、土样等)用flash软件进行模型构建,可以实现仪器的基本功能(比如天平开关、数据的显示等)。

3.2 虚拟土工实验演示过程的开发

根据实际操作中的具体步骤,通过技术手段使其具体的实验过程得以实现。

3.3 虚拟土工实验交互过程的开发

当实验演示实现后,可以在其中通过技术手段添加命令,使其使用者通过鼠标、键盘等控制实验的过程,实现虚拟实验的二维交互过程。下面简述标准烘干法测定土的含水率实验交互的制作思路。

交互界面分为上中下三个区间,上部显示实验步骤,下部显示实验仪器,中部为实验区域。当学生用鼠标点击界面上的开始实验后就进入实验交互过程,学生根据实验步骤的提示用鼠标拖拽正确的实验仪器到实验区域,若操作错误,则页面会出现提示界面“实验无法进行,请仔细思考”界面,直至学生选择正确的仪器和正确的操作过程实验才能继续,这时,页面上会显示下一步的操作提示,交互过程得以继续。学生通过用鼠标参与交互过程,不仅能加深对实验的理解,而且能大大提高学生的实训技能。

3.4 对虚拟成果的评价

当虚拟实验的演示和交互实现后,通过网络平台使学生进行虚拟试验操作,反馈意见后对其进行改进和修正,虚拟实验的网址为125.223.164.

95:85/content/4/sy1page.aspx?c=4&s=sy11mdyl。

4 应用前景

虚拟实验是对传统实验教学模式的革新,也是科技发展和信息化社会的必然产物。其鲜明的技术特点和在应用领域的优势,极大地满足了人们日益增长的学习需求,十分适合新世纪人才培养模式,在高校实验教学和培训领域具有广阔的应用前景。计算机网络的迅速普及为虚拟实验室的应用提供了有利的条件。目前国内高校互联网技术的应用十分普遍,网络已经遍及到校园的每一个角落。学生既可以通过学校的公用计算机,也可以用自己的计算机在宿舍里很方便地登陆互联网。便利的上网条件无疑为高校虚拟实验室的应用和发展提供了极为有利的条件。

将土工试验与虚拟技术结合,开展虚拟实验的开发研究,可以在以下方面得到很好应用:

(1)有利于挖掘实验教学的潜能,提高教育技术水平;(2)可以改善土工实验教学的实验环境,有利于解决土工实验设备缺乏以及实验场地等问题,未来可以解决实验设备型号落后、陈旧等问题;(3)可以解决学生时间和空间限制,提高学生实践能力;(4)可较容易地增加具有高新技术的实验,引导学生接触新知识、新技术,开发学生的智能,增强学生研究的意识;(5)将虚拟技术引入其他专业的教学过程中,可以优化教学过程,也可以引领其他课程建设,带动相关科研工作。

5 结语

基于虚拟实验的实践教学体系的构建具有投入少、见效快的优点,是高等职业教育实训建设的新思路、新途径、新方向。将土工虚拟实验与非虚拟实验两者有机结合,实现资金、资源、规模、结构、功能的最优化配置,未来有着广阔前景。

参考文献

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虚拟仿真实验技术篇4

【关键词】 虚拟仿真;新闻传播实验室;实验教学;应用

一、虚拟仿真技术

虚拟仿真技术包括虚拟现实和仿真两部分,其中,虚拟现实是指利用计算机技术、网络技术、传感技术等现代科技进行的高级人机交互技术。仿真则是指利用建模进行实验,模拟真实的实验步骤和流程,从而达到实验目的。

在我国,虚拟仿真技术主要在化工、机械、工程类学科中应用较多,如北京化工大学、沈阳化工大学、广西大学等高校获批的化工类虚拟仿真实验教学中心;北京航空航天大学、吉林大学、浙江工业大学等高校获批的机械类虚拟仿真实验教学中心;北京理工大学、南开大学、同济大学等高校获批的工程类虚拟仿真实验教学中心。在这些学科领域,实验成本较高,实验设备、场地、时间等诸多客观因素都受到制约,因此通过虚拟仿真技术,模仿实验过程,虚拟仪器操控面板及操作流程,用软件实现仪器的功能,从而达到学生实践、实训的效果。

虚拟仿真实验突破了原有课程实验的界限,增加了趣味性、综合性、设计性及创新性实验,加强现代实验方法、实验手段的应用,提出有代表性的、启发性的问题,加深学生对实验的理解,激发创新思维与兴趣。虚拟仿真实验为学生独立自主地进行学习与实践创造良好的条件,更有利于培养学生的实际应用能力和综合素质。[1]

二、虚拟仿真技术在新闻传播实验教学中的应用

对新闻传播实验教学而言,例如舞台灯光设计、戏剧影视场景搭建等教学高度依赖于活动情景;而摄影、摄像课程的教学实验又局限于器材数量、天气、人员操作等因素,因此,全媒体虚拟仿真教学主要采用以虚拟场景的虚拟现实技术和模拟流程的虚拟仿真技术,通过创建多类型的场景与多元化的操作界面,实现人机互动,完成虚拟仿真教学。

虚拟仿真在实验教学中主要分为环境虚拟和过程仿真两大部分,其中,环境虚拟是利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真。实际应用体现在,利用虚拟仿真技术,对舞台灯光、会议场景、采访情境等现实要素进行虚拟,改善教学环境、优化教学手段、增强教学效果。过程仿真则是利用虚拟演播厅,构建一个虚拟电视节目制的全部流程,以真实拍摄电视节目所处的内外部环境定义为规则,由进行实验的学生模拟各种场景中的主持、访谈、采访等工作,使学生能够模仿真实电视节目摄制的核心业务。在实践中是通过运营虚拟演播厅、虚拟摄像师等,创建虚拟的操作界面及环境,将真实过程运用其中,使学生触及摄影摄像及节目制作的核心业务。

“虚实结合”是其特色,按照虚拟仿真与现实存在相结合的原则,将不同类型场景的虚拟仿真与实体场景相结合,实现教学资源多元化;将不同类型节目制作过程虚拟仿真与教学实体相结合,实现教学情景多样化;将不同类型教学情景虚拟仿真与省台、市台节目要求相结合,实现教学素材本地化、教学成果社会化。

三、虚拟仿真技术对新传实验室建设的必要性

1、有助于解决实景灯光、场景等一经建设完成便不可更改的问题,丰富传媒实验教学资源,降低实验教学成本

传媒类本科生培养,具有很强的应用性和实践性。然而,在校内教学实践中,大多数专业存在理论与实践的严重脱节,致使学生在学习过程中,知识掌握模糊,理论和实践难以达到有效结合。例如播音主持、摄影、摄像、电视节目制作等课程,不同的教学理论需要不同的室内场景、灯光设置进行相应配合,而场景搭建耗时耗力,不同场景之间无法迅速变换,而且建造成本高,管理复杂,也制约了实体实验室的长远发展。因此,通过全媒体虚拟仿真技术,能够迅速为学生展现出真实、多元、可变的场景,学生亦可通过自身需要去对场景进行调节变换,使学生多方位去感受拍摄、主持、表演等业务的真实情景,领悟行业规律,提高实战能力。

2、有助于解决数字出版、电视节目从策划、拍摄、制作到生产、播出运营难以完整体验的问题,增强学生实战能力

在电视台,电视节目从策划、拍摄、制作到生产、播出运营需要很多部门通力协作才能顺利进行。在高校的教学体系中,涵盖以上节目制作生产步骤会涉及到多门课程,不同的课程又由不同的教师传授,课程一般会覆盖多个学期,因此学生所掌握的知识往往是碎片化的、缺少整体性。全媒体虚拟仿真教学中心通过虚拟整个电视节目从制作到的流程,让学生能够完整的体验电视台各个部门的工作,使培养出的学生一进入媒体工作能立刻将学校所学的技能投入运用。

3、有助于增强交互式的体验,提高学生传媒素养及应对变化的能力

以互动出版物模块为例,能够实现学生与出版物进行互动交流,打破传统媒体单向传播的壁垒,使出版物能够有声播放,可以通过PC端、ipad端进行交互,使读者更加直观地了解文章的相关背景知R及概况。通过互动出版物的交互式体验,不但能够让使用者在体验时有更深刻的沉浸感,而且为数字出版在电子书的发展上提供了一个具有发展潜力的方向。学生通过模拟实践,能够到提升媒介素养,培养应对媒介内容变化的能力。

4、有助于完善实践教学体系,提升实验教学效果

新闻传播专业课程的实验教学涉及各类环境与场景,存在隐蔽性、复杂性、突发性等问题,而实验教学又受到器材设备、天气因素、传媒行业规则等众多因素影响,使得很多教师在带领学生实验时避重就轻,实验设计不能很好地与传媒业界接轨,也使得学生的实验成果良莠不齐。通过建立全媒体虚拟仿真教学中心,能够全方位虚拟业界实操流程,有助于完善实践教学体系,使每一个学生都获得如临实地、如触实物的真实体验。

5、有助于让学生结合自身特点掌握学习进度,同时降低实验损耗率

在全媒体虚拟仿真教学中心,指导教师可以为每一位学生量身定做自主实验,学生可以对同一模块进行反复实验,也可根据自身情况进行分层次分阶段的实验。学生不同的操作流程会造成不同的实验结果。通过仿真实验,学生能够准备找出自己在技术层面的问题在哪里;同时,即使操作失误,其实验结果也不会对实验室造成损耗。

四、虚拟仿真技术的优势

1、虚拟仿真有利实践验证,节约成本

根据实验设计案例,思考其所具有的会议要素后,必须根据会场的具体情况来设计会议布置场景,此时策划虚拟仿真实验平台,将免除我们实际教学中所需动用大量桌椅,杯具,麦克风,鲜花等等道具,仿真实践场景,让学生轻而易举的可以进行实践验证,有利于节约成本。

2、虚拟仿真场景,有利学生尝试

通过虚拟仿真实验平台,学生可以轻松地应用软件不断地去验证自己所设计的实验是否符合理论实践。通过虚拟仿真,可以全面地展示各种场景布置的特点及应用范围,同时可以让学生直观了解不同场景下可采取的措施,达到以虚促实的作用。让学生能敢于尝试不同组合的可能性,激发学生的创造力和想象力,最终达到实践教学的目的。

五、结语

将虚拟仿真技术应用于新闻传播类学科的实践教学中,弥补了传统实验教学的不足,能够提高学生理解问题、分析问题的能力以及专业实践的能力。实验室作为平台能够给虚拟仿真技术不断拓展、升级的空间,同时,虚拟仿真技术也会给实验室带来从实验方式到实验内容的创新。

【注 释】

[1] 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,2013.30(7)94-97.

【作者简介】

虚拟仿真实验技术篇5

关键词 计算机仿真技术 网络技术 医学机能实验 应用

一、计算机仿真技术和网络技术相结合是实现医学机能实验的关键技术

与传统医学机能实验手段相比,利用计算机仿真技术和网络技术相结合的医学机能虚拟实验具有实验内容的丰富性、实验过程的完整性和实验结果的及时性、直观性。由于模拟仿真医学机能实验无需相关实验器具,无需实验准备即可引导学生理解实验的操作步骤以及实验效果,可以作为机能学实验教学的一个有益补充。对教师而言起到辅助教学的作用,对学生而言,则起到对所学知识的理解和强化作用。

(一)计算机仿真技术的发展为医学机能仿真实验提供了必要的技术条件

(1)仿真技术:仿真就是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。我们利用这样的模型进行试验,从中得到所需的信息,然后帮助我们对现实中的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念,任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。

(2)传统的仿真方法:是一个迭代过程,即针对实际系统某一层次的特性(过程),抽象出一个模型,然后假设态势(输入),进行试验,由试验者判读输出结果和验证模型,根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行,直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。

(3)计算机仿真技术:即是利用计算机进行仿真实验,也称为仿真机。从70年代末起,应用大规模集成电路计算机的发展,各种专用和通用仿真机得到极大普及和推广。随着计算机技术的迅猛发展,人们在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上,设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机,在一些特定的仿真领域内,这种智能仿真计算机机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的成果。

(4)计算机仿真系统构成:为了建立一个有效的仿真系统,一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统,除仿真机外,还需配有控制和显示设备。

(5)医学机能虚拟实验(仿真系统):随着现代医学的不断发展,对医学工作者提出了更高的要求,即不但要掌握人类已知医学领域的医学知识,也要具备解决未知医学问题的能力,即创新能力和科学实验的能力,而实验学科在医学学生能力培养中起着至关重要的作用。现代机能实验学把生理学、病理生理学和药理学实验有机的融合在一起,成为一门独立实验学科。医学机能实验课程以活体为主要实验对象,以正常生理功能——疾病生理——药物作用为主线,把机体的不同功能变化通过实验设计有机的联系起来。医学机能实验中,部分实验具有操作难度大、实验具有一定危险性,实验成本高等问题。譬如:医学机能学中研究药物对动物记忆的影响、安定的抗惊厥作用、杜冷丁的镇痛作用、神经体液因素及药物对心血管活动的影响、药物急性毒性实验、药物半衰期的测定等实验就存在一定的危险性,实验操作难度大等问题。我们利用计算机仿真技术,则可以在很大程度上解决目前医学机能实验中所面临的这些困难,并取得良好的教学实验效果。由于模拟仿真实验无需相关实验器具,无需复杂的实验准备即可引导学生理解实验的操作步骤以及实验效果,因此医学机能虚拟实验与传统医学机能实验有机整合,既丰富了实验教学手段,又提升了教学质量,有助于培养学生的实践操作能力、创新精神和科研兴趣。

(二)网络技术的飞速发展为计算机仿真技术在医学机能中的应用提供了广阔前景

(1)网络技术:网络技术是从上世纪六十年代末美国国防部远景研究规划局为军事实验用而建立的网络,名为ARPANET,八十年代初期ARPA和美国国防部通信局研制成功用于异构网络的TCP/IP协议(网际传输控制协议),并投入使用;1986年在美国国会科学基金会的支持下,用通信线路把分布在各地的一些超级计算机连接起来,以NFSNET接替ARPANET;进而又经历十几年的发展形成Internet(互联网)。其应用范围也由最早的军事、国防机构,拓展到科研教育机构,进而迅速覆盖了全球的各个领域。网络把分散的资源融为有机整体,实现资源的全面共享和有机协作,使我们能够透明地使用资源并按需获取信息。 网络可以构造全球性和区域性的网络,有广域网、城际网、企业内部局域网等。网络的根本特征就是实现资源共享,消除信息孤岛。

(2)网络的关键技术:网络结点、宽带网络系统、资源管理和任务调度工具、应用层的可视化工具。网络结点是网络计算资源的提供者,包括高端服务器、集群系统、MPP系统大型存储设备、数据库等。宽带网络系统是在网络计算环境中,提供高性能通信的必要手段。资源管理和任务调度工具用来解决资源的描述、组织和管理等关键问题。任务调度工具根据当前系统的负载情况,对系统内的任务进行动态调度,提高系统的运行效率。网络计算主要是科学计算,它往往伴随着海量数据。如果把计算结果转换成直观的图形信息,就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难。这需要开发能在网络计算中传输和读取,并提供友好用户界面的可视化工具。

(3)网络技术在医学机能虚拟实验中的运用:实验设备功能雷同的实验室,造成了实验场地、仪器设备、实验技术人员等教学资源的极大浪费。而通过网络技术将医学机能虚拟实验机联网组成医学机能虚拟实验室,既实现医学机能信息资源的共享,同时也大大降低了实验成本。教师利用网络技术可以方便地为一个班或几个班的学生演示和操作医学机能实验,大大提高了教学效率,而学生同样可以利用网络中的医学机能虚拟实验机跟随教师的演示进行实验操作,对提升学习效果也有一定的帮助。

二、计算机仿真技术和网络技术在医学机能虚拟实验中的应用

(1)医学机能虚拟实验系统是采用计算机虚拟仿真与网络技术相结合,运用服务器和客户端的构架模式,涵盖了目前大部分医学机能学实验而建立的模拟仿真系统。包括生理实验项目、药理实验项目、病理实验项目、人体实验项目以及综合实验项目等。随着医学机能仿真技术的发展,利用计算机技术和网络技术也便于对医学机能虚拟系统进行扩充和升级,这样可确保医学机能虚拟实验系统的长期生命力。

(2)医学机能虚拟实验均应包括该机能实验的总体介绍、原理、相关实验录像、模拟实验过程、仿真实验操作等部分。全方位介绍了整个实验,既注重整体,也着眼于细节,便于学生对实验操作的充分理解和掌握。譬如利用血压波形的核心模拟算法,对每一个波形的模拟都如此逼真,比如血压模拟,不仅模拟出每个血压波形的细节:收缩期、舒张期、心房波等,而且连二级呼吸波也进行了逼真的模拟。并且将刺激强度与反应的关系,刺激频率与反应关系等实验波形和肌肉收缩图形同步反映。为学生进一步理解和掌握书本知识提供有益的帮助,大大提高学生的实践操作能力。

(3)由于采用客户/服务器的体系结构,并通过网络将医学机能虚拟实验机连接在一起组成医学机能实验室,并在校园网范围内进行教学和实验,既方便教师教学,又方便学生的实验操作,最大限度地合理使用学校有限的教学资源。以我校的实际应用为例:首先我们将医学机能虚拟实验系统安装到教室里的教学用机上,教师可以在进行医学机能学方面教学时,通过学校的校园网络在任何一间教室都能很方便地使用医学机能虚拟实验中的资源和信息,极大地提升了医学机能学的教学效果,也充分激发了学生的学习积极性。同时我们在学校计算机机房内集中安装组成医学机能虚拟实验室,学生可以在教师的指导下进行医学机能虚拟实验操作,通过虚拟实验,将一些平时不具备实际操作条件的医学机能实验过程完整地展示给学生,不仅能加深学生对医学机能学知识的认识和掌握,更能在一定程度上提高学生的实践操作能力。

三、医学机能虚拟实验在卫生职业学校实验教学中的前景展望

(1)由于医学机能虚拟实验无需实验动物,无需实验准备即可帮助学生理解实验的操作步骤以及实验效果,可以作为医学机能学实验教学的一个有益补充。对教师而言起到辅助教学的作用,对学生而言,则起到加强知识的理解和强化作用。

(2)通过医学机能虚拟实验系统对医学机能学的背景知识、实验设备的用途、原理和操作进行大量的介绍,既开阔了学生的视野,又为学生进行探索性实验以及自主性设计实验提供了新的科学指导。

(3)医学机能虚拟实验还可以对相关医学知识进行模拟介绍,譬如信号采集的原理和性能指标,传感器原理及各种传感器介绍,试验试剂的配置,手术器械的介绍等。极大地丰富了学生的知识面,对他们今后的学习工作都起到很好的帮助作用。这也是我们传统医学机能实验由于受实验场地、实验仪器、实验经费等的局限所不能实现的。

参考文献:

[1]赫培峰等.《计算机仿真技术》.机械工业出版社

[2]郑倩.《医学机能学实验》.科学出版社

虚拟仿真实验技术篇6

【关键词】 网络虚拟实验室

1.网上虚拟实验室的基本概念

网上虚拟实验室,是以计算机仿真技术为核心、能在网上运行的、以虚拟实验仪器构成的虚拟实验室。所谓虚拟实验,就是按照教学、科研以及工程实验的基本要求,建立虚拟的实验环境,运用各种虚拟实验仪器仪表和设备,对建立起来的实验模型进行实时仿真,构成新型的产品开发、教学与科研实验。如一些基础性实验、力学物理实验、桥梁工程、和机械运动和电器线路等,都可以采用虚拟的方法进行实验。

1.1虚拟实验室的设备和功能,主要包括实验用的虚拟仪器仪表、虚拟实验环境、虚拟实验模型库、虚拟实验实时仿真软件等。具有在线式实验指导、仪器仪表使用帮助、实验结果记录与分析、实验结果或成绩的评定等辅助功能。虚拟实验结束后,系统能够自动产生实验报告,如实验过程与结果的合理性分析报告、实验效果评定报告等。

1.2虚拟实验室的特点:网上虚拟实验室以现代技术手段为支撑,以计算机实时仿真为核心,在教学、科研和新产品开发实践中表现出以下几个特点:

(1)交互性和自主性。虚拟实验与传统实验都是按照实验的计划或大纲进行的。但虚拟实验与传统实验相比,有一个明显的区别,那就是实验的模式是非固定的、动态的,具有良好的交互性和自主性。虚拟实验是计算机仿真技术、多媒体技术等高新技术的有机组合应用,特别是多媒体计算机具有的图文并茂、丰富多彩的人机交互方式,因而,交互性是计算机技术的显著特点,也是网上虚拟实验的显著特点。

虚拟实验项目的实验框架是不固定的。实验者可以依据实验大纲、根据社会需要、市场形势以及自己的兴趣,利用虚拟实验室的实验模型库自由搭接组合、拆装实验框架,自行设计实验步骤和实验方法,表现出实验者对实验的高度自主性。同时实验者可以利用虚拟实验室所具有的丰富的辅助功能。

(2)开放性。网上虚拟实验室通过网络系统向用户开放。实验者可自由地进入或退出实验系统,具有良好的开放性。开放性的具体体现为:

①资源开放。网上虚拟实验室储存了大量的实验模式,各种虚拟实验仪器、仪表、设备、器件和构件,各种虚拟实验环境,各种实时仿真软件包等,实验者可根据自己的实验需要自由地选择使用。

②网上虚拟实验室是一个开放平台,实验者也可根据自己的实验需要,自行构建实验环境、实验模块、实验仪器等,加入网上虚拟实验室,使得网上虚拟实验室是动态的,具有可持续发展性,从而使网上虚拟实验室具有良好的灵活性。

(3)高效率。网上虚拟实验拓宽了实验的时空观,传统的实验一般因实验室的空间、开放时间、仪器和技术指导人员的限制,不能及时的进行实验,实际使用实验室的时间很有限,接触实验设备的机会有限。但网上虚拟实验室是建立在网络上的,本身不受场地和时间的限制,同时虚拟实验室的虚拟仪器设备在网络上是共享的,因此在不同地域、不同终端上可同时进行相同科目的虚拟实验,拓宽了实验室的空间,增加了研究人员和学员的实验有效时数,提高了实验效率。

2.网上虚拟实验室建设的基本原则

2.1智能化原则。智能化就是用智能型的信息处理能力、启发式推理、专家系统、神经网络技术等来确定网上虚拟实验,从而代替人从事一些智能活动。智能化网上虚拟实验是按照人的思维规律引导人们解决问题,将某一领域的知识装入知识库,系统就像专家一样自动地工作。采用更接近用户的语言接口,可根据模拟结果自动地修改仿真模型的结构,模拟的方法及知识库,用试验和检验错误的办法来逐步逼近满意解,因而逼真地模拟决策思维过程。智能化网上虚拟实验具有自组织、自修复、自学习、自寻优、自规划、自搜索的功能,具有咨询、记忆、联想与推理的功能,也具有较强的免疫、容错能力和可扩充性。因而表现出很强的自适应能力。

2.2工程化原则。网上虚拟实验室是开展科研开发的一种新的手段,要强化实验环境的工程化、实验方法的工程化和实验步骤的工程化,使实验者有强烈的工程意识,要求虚拟实验所建立的虚拟仪器仪表、虚拟设备、虚拟器件和构件等高度逼近真实部件,对其操作使用方法也应高度逼近真实部件的操作使用方法。同时网上虚拟实验的仿真过程要高度实时,没有任何延迟,与使用真实实验设备进行实验完全一样,体现实验过程的工程化。

2.3综合化原则。网上虚拟实验室是以软件为基础,仿真技术为支撑的软实验室,没有空间的要求,因此网上虚拟实验室应该建成综合化实验室。网上虚拟实验室的综合化包含两个方面:

(1)实验内容的综合化。网上虚拟实验室将不同学科、不同等级的实验要求融为一体,构建成各种虚拟实验软件包,可以适应不同实验对象的需要。

(2)实验功能综合化。网上虚拟实验室要能够满足试验人员自主实验的需要,不仅能满足一般实验的需要,而且能对实验结果进行自动记录与评判,不仅能进行实验教学而且能进行新产品的开发,能对实验的数量、质量等进行自动记录与评估。

3.建设网上虚拟实验室要注意的几个问题

3.1网上虚拟实验室是以网络为载体的虚拟实验室。目前网络技术己相当成熟,所以网上虚拟实验室建设的关键是采用计算机仿真技术来构建实验模型,设计出用于测试的虚拟仪器设备、实验线路或回路、实验元器件或构件库、实验效果的判别标准等。

3.2选择合适的仿真开发工具。目前的仿真软件很多,为我们建设虚拟实验室创造了很多方便的条件。建立虚拟实验时,应根据具体需求,选用合适的仿真开发工具。比如,开发电子电路技术类虚拟实验时,可选用protel99、pspice、1abview、labwindows/CVI等仿真软件;开发汽车检测、内燃机测试、自动控制原理类虚拟实验时,可选用Matlab、Cadance、Mentor、Matri等仿真软件。总之,在选用仿真软件时要把握好仿真软件对虚拟实验开发的针对性和适应性。

3.3开发研制仿真软件与多媒体环境的接口。网上虚拟实验实际上就是用虚拟化的操作界面向仿真软件输入数据或指令,经过仿真软件的实时仿真,将仿真结果输送到虚拟化的显示设备或装置、虚拟化的操作界面和显示设备,通常是采用多媒体技术产生的,因此,如何将计算机仿真技术与虚拟化的仪器或多媒体环境有机地结合起来是虚拟实验建立的关键和核心技术,也是网上虚拟实验建设必须解决好的问题。网上虚拟实验给(下转第130页)

虚拟仿真实验技术篇7

目前高校经管类实验教学正逐渐走向信息化和智能化,本文通过分析经管类虚拟仿真实验教学的必要性和优势,对平台建设的路径进行探索,并对高校虚拟仿真实验教学平台的建设提出了几点建议。

关键词:

经管类;虚拟仿真;实验教学平台

1引言

2015年2月26日国务院总理在国务院常务会议上提出“引导一批普通本科高校向应用技术型高校转型”。在教育部批准的100个国家级虚拟仿真实验教学中心中,经管类虚拟仿真实验教学中心仅有8个(教高厅函[2015]3号),可以看出,经管类学科虚拟仿真教学发展相对缓慢,处于起步探索阶段。目前,很多高校正积极尝试将虚拟仿真技术用于培养技能型、应用型人才的实验教学中,实现传统实验教学模式难以实现的教学功能,从而达到理论与实践相结合、专业技能训练的实验教学效果。经管类虚拟仿真实验教学平台的建设必将对高校教学质量的提升、学生创新应变能力的培养、深化实验教学改革发挥积极而重要的作用。

2经管类专业虚拟仿真实验教学平台建设的必要性和优势

2.1经管类专业虚拟仿真实验教学平台建设的必要性

经管类知识对实践具有较强的指导意义,它是人类对经济管理活动的总结和提炼。单靠课堂上抽象的知识讲解,很难让学生理解和掌握全面的知识体系和专业技能。另一方面,传统的实验教学方式使得经管类人才培养在实习环节存在一系列突出问题。虽然学生通过四年本科学习,但其所构建的知识体系和专业能力,还无法适应岗位需求。随着现代社会市场竞争日益激烈,企业要保守商业机密,学生无法接触企业的核心业务;企业完整的经营活动运作周期长,经营活动复杂,学生短期内无法通过实习来体验;企业不愿接受实习生,怕破坏他们正常的工作秩序等。上述原因,导致高校对学生能力的培养与社会需求脱节,学生无法适应岗位需要。因此,为解决高校人才培养过程中急需解决的问题,有必要利用先进的现代信息技术手段,营造虚拟仿真实践环境和条件,对于专业实践性较强的课程可让学生在虚拟仿真的环境中进行模拟实践,着重开发、训练学生从事经济管理的综合决策,让我们的毕业生在学校就能全景接触企业的经营管理,多角色,沉浸式进行实践学习体验,为将来拥有一份良好的职业前景奠定坚实的基础。

2.2虚拟仿真实验教学平台的优势

虚拟仿真实践教学是指利用现代多媒体及网络技术,通过仿真现实环境,模拟企业经营中的业务活动及流程,学生可进行体验和实践,培养应变力和创新力。通过虚拟仿真实践教学平台的建设,可在一定程度上克服传统实践教学的种种弊端,解决其一系列问题,主要具有以下优势:

(1)打破时空限制,使学生能全景式接触企业的经营管理。

(2)在虚拟仿真的环境中,有利于学生实践创新能力和应变能力的培养。

(3)与传统实践教学相比,实践效率高,能使学生短期内全面接触企业复杂的经营活动。由此可见,学生通过虚拟实践,可提升对专业知识的应用能力,加强专业素养,从而使其实践创新能力有所提高。同时,虚拟仿真实验也是学生演练和学习危机应对策略的良好方式。

3虚拟仿真实验教学平台的建设思路

虚拟仿真实验教学平台的基本建设思路为“统一性”和“多元化”并存。“统一性”指的是对现有实验教学平台资源进行整合,统一管理、统一调度统一和维护,采用“云”技术将软硬件资源整合,大大降低实验室建设和管理维护成本。“多元化”指的是经管类实践教学的主要特性之一,在整合现有实验教学资源的基础上,针对不同类别的实验主体进行虚拟仿真实验教学平台建设,而每个平台又可支持多个实验教学模块。

3.1建立集群虚拟仿真实验教学平台

经管类集群虚拟仿真实验平台的建设应以行业和产业为背景,以培养“应用技术型”人才为目标,以各专业虚拟仿真实验教学项目为模块,构建互联网+的集“统一性”和“多元化”于一体的开放式共享式的经管虚拟仿真实验教学平台。经管类专业集群虚拟仿真实验平台应包含经管类各专业的模块,为培养知识、技术、创新综合能力于一体的专业人才,提供有力保证。

3.2建立经管类综合实验实习平台

经管类综合实验实习平台是在虚拟环境仿真和业务流程仿真的基础之上,融合各方面的专业知识,在教学中提供虚拟岗位角色,每个实验主体可根据业务流程扮演不同的岗位角色,做出相应行动和决策,从而形成立体化的知识和能力,培养学生综合应用知识的能力、提升团队协作精神,是跨学科、跨专业的综合型、创新型实验大平台。该平台主要采用集中或分散的教学形式,学生在实验中通过角色扮演、团队协作、博弈、小组讨论等多种方法,完成企业经营中一系列的业务流程实习,对实习成绩的考核可从专业知识、应变创新能力、职业素养三方面考虑,进行综合评价。在考核评价中应兼顾过程与结果相结合、团队与个人相结合,个人表现与工作业绩相结合,建立评价指标和方案,从经营决策和业绩、团队沟通和协作、业务处理、公司绩效、实验报告、出勤率等方面进行全方位评价。如《企业经营决策模拟实习》,在实验中学生可自行经营虚拟企业,展开市场竞争,通过对财务管理、运营管理、企业战略管理、营销管理、生产运作管理等各科目知识进行融会贯通,根据市场环境的不同,训练学生做出经营决策,培养了学生实践能力和协作能力。

4经管类虚拟仿真实验教学平台的建设思考

4.1领会虚拟仿真实验的科学内涵

虚拟仿真技术的内涵主要有三点:首先,是虚拟的;其次,人们可以通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官对环境产生逼真反应;最后,人可以通过自然的肢体动作与该环境进行交互,而虚拟环境也能够做出相应的回应。对于经管类来说,所开发的虚拟仿真实验项目在技术含量上可能无法与理工类专业相比,因此,经管类各专业更应该准确解读虚拟仿真实验的实质与内涵,将现代化信息技术与实验教学紧密结合,为人才培养服务。

4.2建设开放共享的虚拟仿真实验教学平台

该平台的教学实验实习资源的服务对象不仅是本校本专业学生,还包括其他高校和社会服务。高校首先应该制定全校统一的虚拟仿真实验教学平台技术标准,实现资源共享,其次,应尽可能的实现各高校之间、本地区及更大范围内的教学实验实习资源共享。但是目前各高校都是自行组织技术团队进行开发,技术标准的不统一和巨大的经费支出,使教学平台无法实现实验资源的开放共享,无法发挥其真正的社会效益。这就需要相关部门制定统一的技术标准和技术规范,有利于建立真正开放式和共享式于一体的虚拟仿真实验教学平台。

4.3立足人才培养的真正需要

虚拟仿真实验教学的根本目的是培养应用型人才,培养学生的实践创新能力。因此,虚拟仿真的实验项目不能盲目的代替所有的实验项目,在此基础上,还是应该尽可能地让学生接触实际业务岗位,真正立足于人才培养的需要。

4.4加强虚拟仿真实验教学资源开发

教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心工作,是要把各个高校已经开发好的虚拟仿真实验资源遴选出来,进行高校之间或高校机构之间的有偿共享。各高校应当将真实环境中学生无法接触的实验项目开发成具体的虚拟仿真实验项目,为人才培养中所需。若有了统一的虚拟仿真实验教学平台,各高校就可以对开发实验项目进行选择,避免了重复开发,又有利于平台的开放共享。

4.5加强信息技术队伍建设

为了虚拟仿真实验教学平台建设的可靠持续发展,必须将信息技术队伍与学科专业队伍有机地结合起来。加强专职的信息技术师资队伍的建设和提高专业教师信息技术水平两者并行,才能够真正站在从信息技术和专业的角度对实验教学资源进行开发,理解虚拟仿真实验教学的内涵,思考实验教学问题。

4.6制定相关激励机制

平台的建设和运行管理过程中,要充分考虑专业教师们在资源开发、运行管理当中付出的努力和做出的贡献,可通过经费和科研项目上给予支持,也可以制定量化指标给教师进行工作量的计算,对于虚拟仿真实验教学中心信息技术人员更应该引进创新管理机制。如国内的一些大学设置了教授级工程师岗位或实验岗教师,确保了虚拟仿真实验教学资源的顺利开发。

5结束语

信息技术时代,市场竞争日益激烈,企业对于经管类人才的实践创新和应变能力的要求也日趋提高。经管类虚拟仿真实验教学平台的建设,可充分培养学生适应工作需要的实践能力和团队合作能力。但是,目前虚拟仿真实验平台的建设尚无确定的模式,其建设和管理任重而道远。

参考文献:

[1]李文雷.经管类综合仿真虚拟平台与实验教学体系研究.实验技术与管理,2016,33(01):208-210.

[2]傅强.黄文斌.经济管理虚拟仿真实践教学研究.中国现代教育装备,2016(03):62-64.

[3]张勤.毛志山.应用型院校经济管理虚拟仿真实验教学平台建设探索.管理观察,2016(01):124-126.

[4]张红霞.杨渊.王向前.高校经管类学科虚拟仿真实验教学中心的建设.高教学刊,2015(18):238-239.

[5]朱科蓉.文科类虚拟仿真实验教学中心建设的问题与思考.现代教育管理,2016(01):87-91.

虚拟仿真实验技术篇8

【关键词】结构强度 虚拟试验 物理试验

1 结构虚拟试验技术介绍

随着现代信息技术的飞速发展,建模与仿真、虚拟现实、计算机网络等技术也有了巨大发展,促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合,正在改变着传统的飞机设计流程。

飞机结构强度分析与验证是飞机研制不可或缺的重要一环,飞机设计流程的改变必然要求强度分析与验证程序的变化。这种变化主要体现在,第一,在设计飞机数字模型的同时,利用有限元技术随时对结构的修改做出性能评估,相对于昂贵的结构试验而言,大大地降低了设计阶段的成本;第二,以经过验证的分析工具为基础,辅以必要的物理试验,采用虚拟试验(Virtual Testing)技术对结构进行认证,能缩短结构认证的周期,降低物理试验的成本。

结构虚拟试验一般指能够预测结构破坏能力的评估结构强度的数值分析技术,该技术适用于金属材料和复合材料,适用于结构的准静态和动态响应。飞机结构静力试验规模大,费用高,试验过程中无法预测的问题难以避免,试验风险较大。对此,开展结构强度虚拟试验技术研究有着极大的必要性和十分重要的意义。

2结构虚拟试验技术的内涵及特点

虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的力学模型以及各类三维模型的基础上,利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟设备,建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境,在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验,用可视化的方法观察被试物体的性能及其相互间的关系,并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容:

(1)试验手段即试验所需仪器设备的虚拟;

(2)试验对象的虚拟;

(3)试验环境的虚拟。

虚拟试验是相对于真实产品的物理试验而言的。虚拟试验技术属于可控制的、无破坏性的、耗费小并允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中,虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作,而且在一定程度上可以替代传统的物理试验,从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。

虚拟试验不能完全代替真实试验,虚拟试验与真实的物理试验具有互补性。物理试验除了可以为虚拟试验模型的确认提供必要的数据和信息外,还可以发现虚拟试验不能涵盖的问题。

3 结构虚拟试验技术的发展概况

早在1984年,英国国家有限元方法及标准局(NAFEMS)就提出了在航空及其它相关领域开展仿真试验的设想,欧洲在20世纪80年代就在Fokkerl00飞机上进行过用虚拟试验替代全尺寸试验的尝试,美国采用试验与分析相结合的方式,开展了星舟号(Starship)飞机强度的认证工作。近年来,美国Boeing公司建立了协同虚拟试验(Collaborative Virtual TestingCVT)平台GENOA和积木式的虚拟试验验证方法,采用虚拟试验技术对X-37设计寿命性能进行了评估。

欧洲空客公司正在形成结构虚拟试验的能力,在项目开发阶段,主要验证集成技术/潜力;在设计阶段,采用参数化建模工具,支持设计或验证新的设计概念,评估设计方案和降低设计风险;在认证阶段,替代从主部件到全尺寸试验的认证试验。空客以过去的试验经验为基础,对A340前梁屈曲(静强度)、A380座舱鸟撞(瞬态动力学)、A300的47框裂纹分析(疲劳与损伤容限)以及发动机挂架的瞬态热模型作了分析验证,并提出了虚拟试验项目的目标和发展路线图。在空客公司,结构虚拟试验已成为结构分析的一部分,并已取得了巨大的成就。

4 结构虚拟试验与传统结构分析和试验的关系

4.1结构虚拟试验与结构分析、强度校核的关系

结构虚拟试验是以微观力学的逐渐破坏分析为基础,采用不同层次的分析模型和高保真的破坏分析方法,利用已有的试验数据,采用经过认证的、可靠的分析技术和软件,对结构的响应性能快速做出反应,以比较不同的结构材料/工艺,判别结构设计的多种候选方案。虚拟试验采用的破坏模式及分析模型需要通过一定的试验标定或验证,常规的结构分析软件只是虚拟试验的工具之一。

结构虚拟试验软件是一个开放式平台,具有不断完善补充经验数据和有效的分析方法、对比评估数值仿真和真实的物理试验结果的功能,通过不断地积累提高虚拟试验的可信度。结构虚拟试验也不同于常规的强度校核,不仅要给出强度极限以及在使用环境下是否安全的强度结论,而且要模拟破坏过程,模拟破坏机理,挖掘结构潜力。虚拟试验范畴远大于强度校核。

4.2结构的虚拟试验与物理试验的关系

结构的虚拟试验与物理试验共同点都是验证结构的强度性能。但是虚拟试验与物理试验面向的对象不同,一个是数字模型,一个是真实物理模型,因此,所采用的试验方法和核心技术不同。虚拟试验主要研究如何建立准确的数学模型和如何利用数学模型准确分析结构响应,而常规结构试验则侧重于如何准确地加载和如何精确地测量结构的响应。

物理试验主要证明结构在试验载荷下结构是否破坏,用以验证飞机结构的安全性,但是,物理试验的成本很高,而且物理试验通常并不做到破坏,即使进行破坏试验,也只能选取一种最危险载荷情况,验证破坏模式和破坏部位。虚拟试验可进行上千种仿真试验,验证每一种载荷情况及每一种可能导致破坏的载荷情况,覆盖面宽而且成本较小。

5 飞机结构静强度虚拟试验技术

5.1飞机结构强度试验虚拟试验要求

一种新型飞机的研制需要进行全机结构强度静力验证试验以及大量的、各种类型和各种规模的飞机结构部件强度静力验证试验,以保证整个飞机结构在强度设计上是可靠的和最优的,对于改进、改型飞机,也需要经过试验来验证结构的强度性能以及所用的分析方法和工具的正确性,总之每种飞机结构及结构部件都要进行多种载荷情况的强度试验,整个飞机结构静强度试验过程不仅要耗费大量的人力和物力,还要花费相当长的时间才能完成,是造成新型飞机研制成本很高、周期很长的一个重要原因。

使用计算机仿真技术,通过飞机结构强度静力虚拟仿真试验系统,在计算机上对虚拟的飞机结构或结构部件进行结构强度静力虚拟仿真试验,即:虚拟结构静强度试验,可以验证与发现飞机结构设计中的各种缺陷并及时修改,这无疑将会极大地降低试验成本,缩短试验周期。

虚拟结构静强度试验是建立在大量真实的物理的试验结果基础之上的、解决现实结构静强度试验问题的计算机虚拟仿真试验,飞机结构静强度试验仿真系统就是进行这种虚拟结构静强度试验的计算机软件系统。是结构强度试验的计算机仿真。

飞机结构静强度试验计算机仿真系统通过虚拟的结构静强度试验过程可以预先演练真实飞机结构静强度试验,发现试验方案与试验过程中可能存在的各种缺陷,保证真实强度试验的成功进行;可以定性或定量地得到飞机结构的试验结果,并随着这种试验结果准确性和可靠性的提高,在一定程度上可以取代部分结构静强度试验。

飞机结构强度虚拟试验过程中存在着多种结构设计方案、多种分析模型,对这些设计方案和分析模型要进行对比分析和评估。对于每一种设计方案,无论是哪一种强度特征虚拟试验,都涉及到虚拟试验过程的流程组织与控制、过程数据的管理、不同部门之间的协调以及提高工作效率等问题。

为了解决上述问题需要选择一个仿真管理平台,在该平台上研发飞机结构强度虚拟试验系统,为强度虚拟提供操作平台,从而建立虚拟试验架构。

5.2飞机结构强度虚拟试验架构

飞机结构静强度试验主要包括三个组成部分:

(1)结构静强度试验大纲和试验方案:

(2)静力试验的飞机结构试件:

(3)结构静强度试验过程。

针对飞机结构静强度试验的三个方面,所建立的飞机结构静强度虚拟试验系统包含:飞机结构静强度试验的试验环境、试验样机和试验过程的虚拟仿真。

对于上述虚拟试验系统的要求,建立试验虚拟试验系统平台架构,由三个子系统组成,即:结构静强度虚拟试验环境子系统、试验虚拟样机子系统和虚拟试验过程子系统。这三个子系统既相互关联又相互独立,试验虚拟环境和试验虚拟样机子系统可以分别开发,并可以独立运行或联合运行,虚拟试验过程子系统是建立在这两个仿真子系统之上的,与它们一起共同完成完整的飞机结构静强度虚拟试验。

5.2.1虚拟试验环境

静力试验环境仿真子系统能够进行飞机结构静强度试验的试验设计并同时模拟设计的设备安装与运动,验证试验设计的正确性与可靠性。试验环境仿真包括了结构静强度试验的试验设计和环境仿真,

试验设计环境仿真以真实比例尺寸显示三维飞机结构的外形以及各种试验设备的安装效果,可以直观地检查胶布带的粘贴位置、重叠情况、粘贴角度,杠杆系统的分区情况、连接效果以及加载设备连接情况。可以动态地检查加载系统的干涉情况。

5.2.2虚拟试验样机

试验样机仿真子系统通过虚拟的飞机样机模拟真实飞机结构在承受各种载荷过程中结构发生的外部变化(几何变形等)和内部变化(应力、应变等)规律。虚拟样机仿真需要针对飞机结构的不同研究领域(静力学、动力学、疲劳寿命等)建立不同的飞机结构仿真模型,飞机结构静强度试验仿真系统中的试验样机仿真模型是飞机结构强度静力仿真模型。飞机结构的静力有限元模型可以作为试验样机的一种仿真模型,有限元方法分析的结果作为仿真试验的结果,有限元方法作为一种建模方法,即:建立飞机结构静力分析的有限元模型。通过结构静力有限元分析系统模拟飞机结构承受载荷时的表现行为(结构变形、应力和应变的变化)。

5.2.3虚拟试验过程

结构静强度试验过程的计算机仿真是通过虚拟现实(Virtual Reality)技术,在试验环境仿真与试验样机仿真的基础上,对整个飞机结构静强度试验体系与结果进行的计算机仿真。虚拟试验过程调用和协调试验环境仿真与试验样机仿真子系统动态地、直观地表现飞机结构静力数字试验的过程和结果。

试验过程仿真子系统不仅能对结构静力试验的执行系统(试验载荷加载系统)进行仿真,也能对试验的反馈系统(试验数据采集系统)进行仿真。使用试验过程仿真子系统演练飞机结构静强度试验并得到仿真试验结果数据,以仿真结果为参考数据,在真实试验中可以及时检测出采集数据的异常并诊断出异常的根源,保证真实试验的成功进行。

5.3实施飞机结构静强度虚拟试验的工作流程

基于现阶段飞机结构设计情况,以及结构强度虚拟试验的特点、优点,建议开展结构强度虚拟试验技术研究,实施静强度虚拟试验。

首先在总体、结构、强度集成设计平台中建立飞机结构强度虚拟试验系统,用于提供结构强度虚拟试验平台

飞机结构虚拟试验技术的核心内容是对设计的飞机结构进行准确地结构破坏能力的强度评估,给出数值分析结果以及结构破坏模式。

飞机结构静强度试验虚拟试验流程可以归纳为以下几个阶段:

(1)制定试验项目,编制试验任务书、试验大纲;

(2)进行结构有限元计算分析;

(3)进行虚拟试验件设计,建立虚拟试验环境;

(4)进行虚拟试验;

(5)试验结果评估,编制试验报告。

基于上述规划的流程,并结合CAD/CAE技术,定制飞机结构静强度虚拟试验过程。

6 开展飞机结构强度虚拟试验的一些思考

飞机结构静强度虚拟试验系统的建立是开展飞机结构强度虚拟试验技术的开始。通过飞机结构虚拟试验结果与真实试验结果的对比分析,不断修正试验环境、试验样机和试验过程的建模方法和虚拟模型,建立飞机结构静力模型的校核、验证和确认(Verification Validation and Accreditation VV&A)方法和标准,使得对于某些结构类型或某些试验类型可以使用计算机仿真试验代替。

飞机结构静强度虚拟试验系统的建立不仅是飞机结构静强度试验计算机仿真的开始,也是其他飞机结构强度试验计算机仿真的开始。以飞机结构静强度试验仿真系统为平台,共享已建立的计算机软件资源和数据资源将能很快地建立其他类型的飞机结构强度试验仿真系统。

参考文献:

[1] 张宝珍.虚拟试验与仿真验证技术在国外武器装备研制中的应用.

[2] 孙侠生,段世慧.飞机结构虚拟试验与认证方法的发展趋势.计算机测量与控制.

[3] 赵雯,廖馨,代坤,彭健.虚拟试验验证技术发展思路研究.计算机测量与控制.

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