仿真科学与技术范文

仿真科学与技术篇1

关键词：关键词：计算机技术 虚拟现实 计算机仿真技术

一、计算机仿真发展历史

仿真模拟方法可以追溯到1773年，法国科学家用仿真模拟的方法做物理实验，然而，第一个用这种方法做随机试验的人也许是美国统计学家E.L De forest，那是在1876年。比较早而且著名的蒙特卡罗方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”为笔名时，使用了蒙特卡罗方法来证明他的t分步法；尽管蒙特卡罗法起源于1876年，但是直到约75年后，它才命名为蒙特卡罗法。其原因是直到数字计算机出现以前，这种方法在许多重要问题上不能运用。从1946年到1952年数字计算机在一些科研机构得到发展。

与今天的计算机相比，早期的计算机预算速度慢且不能存储任何东西。现在可并行计算机已成主流。自计算机诞生以来，性能的提高，几乎是每四五年提高100倍，每十年提高1万倍的速度持续发展着。

二、仿真的定义和分类

1.仿真定义

计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件和经济系统，在若干周期内的特征。

系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。

三、需求牵引 技术推动

相互推动

计算机技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学技术的飞速发展，除了本身日趋成熟，并且或得了广泛运用外，目前正面临挑战。

“需求牵引、技术推动“是促使计算机仿真技术在近年内去得飞速发展的重要。计算机仿真的形成是当代科学技术飞速发展的结果。

计算机仿真技术首先可以以高效地处理科学数据和解释科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段。

计算机仿真技术的形成推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。

四、仿真软件

仿真软件的应用和定义

仿真建模软件系统，是为科研人员进行仿真实验提供支持的系统。如果在计算机上进行仿真实验必做一场军事演习，那么科研人员就是这场军事演习的指挥官，仿真建模系统则为这场演习提供场地和手段。他能为指挥官加工信息、预计结果和进行辅助决策。其用途非常广泛，经济价值极高。仿真软件是一项面向仿真用途的专用软件，他的特点是面向用户、面向问题。仿真软件一般是由模型和描述语言、翻译程序、使用程序、算法库、函数库、模型库、运行控制程序等组成。应具有建模、运行控制、结果处理以及相关的数据库等组成。

五、计算机仿真的基本理论

计算机仿真是由系统工程、现代数学方法和计算机技术相结合的新型学科。

计算机仿真是一种科学方法，科学研究通常有三种途径：理论推导、科学实验和仿真模拟。

计算机与数学学科的相互作用促进了进算计技术的发展。在本质上数学是计算机的灵魂。

在计算机仿真技术中引入人工智能技术，能够优化系统，做到有优化机制自动修改系统参数，并启动仿真模块，最终获得最优解，但在离散事件系统仿真重这种机制还处于研究阶段。

新技术的研究开发、利用，大大提高计算机的仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。随着以智能化、集成化、自动化、并行化、开放化以及自然化、为标志的计算机仿真软件新技术的深入研究、开发、利用，不仅是仿真软件的功能与性能迅速提高，而且有可能从根本上解决仿真软件生产率低下的问题。结合软件工程实践，探讨软件理论，有可能从理论弄清楚软件开发的复杂度，进而采取有效的测试进行控制，从理论与实践两方面解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。

六、计算机仿真技术的支撑技术

计算机仿真技术的支撑技术主要有分布式计算机仿真技术、协同式计算机仿真技术、沉浸式计算机仿真技术、基于网络的环境计算机仿真技术。

计算机仿真技术分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示目的的重要手段，分布式计算平台有互联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC机机群系统。

来自不同地区、不同学科的学者过去式通过出差或开会等方式进行交流的，现在，随着高速网络投入使用，采用多媒体技术支持下是、的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。

计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境所装用的投影式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。

七、仿真系统的作用和意义

随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成各种复杂系统研制工作的一种比不可少的手段。尤其是在航空航天领域，仿真即使已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段。在研制、坚定、和定形全过程必须全面的应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。

计算机仿真技术在军事的应用是很广泛的，如运用交战模型进行的计算机仿真，新型武器装备发展过程中的仿真、部队作战训练方面的仿真、高层论证和规划计划中的仿真、军事作战理论和学术研究中的仿真、作战指挥和战争计划中的仿真，以及战后后勤保障的仿真等。

参考文献

[1] 尹建璋.《局域网组建实例教程》.西安电子科技大学出版社 2007-8-1出版.

仿真科学与技术篇2

公司技术优势

公司产品是通过综合性技术整合平台进行开发，是通过工业自动化控制技术与3D/U3D技术、软件工程技术、网络技术、通信技术、视觉图形技术、仿真技术、人机互动技术等多学科技术相结合，再造虚拟现实（VR）工业生产工艺流程，通过虚拟仿真实训室、网络平台及VR硬件为用户提品应用。产品在工业生产过程控制、虚拟仿真软件开发、VR技术实现等领域累计已申请国家发明专利7项、软件著作权9项，在申请中发明专利11项、软件著作权61项。

公司自创立以来就一直坚持技术型导向，始终以科研的态度坚持自主创新，技术实力和研发水平行业内领先，主要产品和技术均拥有自主知识产权，独创了工业生产全流程虚拟仿真实训软件开发平台及衍生产品开发模式，通过与行业技术研究所、知名院校建立了良好的产学研合作关系，在每个工业生产全流程虚拟仿真实训软件开发完成的基础上，衍生出工业能源管控、工业大气治理、工业安全生产、工业专业虚拟实验等多系列产品。公司承建的武汉科技大学、北京科技大学、重庆科技学院、华北理工大学等多所高校虚拟仿真中心被评为教育部部级虚拟仿真实训中心，邯钢技校虚拟仿真实训中心、甘肃钢铁职业技术学校（酒钢职工大学）虚拟仿真实训中心被评为省市级专业示范教育基地，河北工业职业技术学院的钢铁厂、电厂能源管控虚拟仿真软件做为河北省33所高职院校联合实训教学平台。

公司所开发的转炉炼钢生产仿真实训软件，经过国家教育部科技发展中心查新工作站的全面查新，于2014年1月经国家一级学会中国金属学会组织专家进行了冶金工业科技成果鉴定，鉴定结果为该产品达到了国际先进水平。

拥有全部自主知识产权的仿真平台集成了操控模型、工艺模型和人机交互技术，它实现了钢铁生产全过程虚拟化、可视化，将钢厂搬进了教室、将原理丰富成了现象，让真实生产操控变成可能，既是企业、高校培养高水平工程型人才的基础，也是进行探索性科研实验的平台。对于创新教育模式，完善人才培养体系是极大的补充；对冶金工程技术人才的培养、教学模式的创新都有着重要推动作用，有着显著的社会意义。

公司研发团队优势

公司研发团队由专业博士后带队，硕士以上学历人员占公司员工总数超过25%。公司聘请了十几位行业带头人、知名专家学者、教授、博导、高工组成了公司技术专家团队为产品研发提供技术支持，同时公司与北京科技大学、武汉安全环保研究院、国家安全生产监督管理总局中国安全生产协会相关行业分会、安徽工业大学、重庆科技学院、中国金属学会等相关知名高校及科研院所合作，不断拓展新的产品领域。

公司品牌优势

钢铁生产虚拟仿真实训教学软件，获得中国金属学会和相关专业领域专家的高度评价及广泛的应用。中国金属学会先后多次组织专家对北京金恒博远冶金技术发展有限公司开发的炼钢仿真实训平台进行了认真的比对、审查，最终认定北京金恒博远炼钢仿真实训平台符合国内钢厂生产实际、能反映当前工艺技术要求，为我国冶金多媒体教学软件的自主开发与应用，促进我国钢铁行业技能培训、竞赛模式的创新与国际化做出了很大的贡献。并于2013年9月运用北京金恒博远炼钢虚拟仿真实训教学软件在北京举办了首届全国模拟炼钢大赛、2016年9月在宁波举办宁钢杯全国转炉模拟炼钢大赛，获得了圆满的成功。

公司营销和服务优势

仿真科学与技术篇3

关键词：计算机仿真；工业工程；实验教学

计算机仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法。基于计算机仿真技术的虚拟教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。这种教学方法生动形象，接近现实工作场景，有利于提高学习兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实的体验如在现实中执行任务的感觉，以达到更快掌握技术手段的目的，而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作场景且不受行业限制，使学生对实践问题的认识更深入，采用的应对方法更灵活。由此“计算机仿真技术”便成为专业学习及实际应用中的重要方法和技术手段。工业工程作为管理科学与工程的二级学科，其人才培养目标是培养出面向生产、管理、服务的高级专业技术和管理人才，面向的工作岗位主要有制造业现场管理、产能计算、生产计划与控制、项目管理、精益生产等，以及服务业的流程优化、工作研究等。其中，制造业涉及行业范围广、产品种类多、工序过程各异，因此，在教学过程中需要通过一系列系统的实验项目培养学生专业的问题提炼能力及问题分析能力，并采用专业的技术方法和手段有针对性的对问题本质进行处理。然而，正是由于工业工程方法应用行业的广泛性及多样性，使得我们不可能如其他5类工程学科般拥有自己典型的实验实训设备，亟需我们在实践教学过程中探索新的教学方法与实验支撑技术。

1工业工程实验课程教学现状分析

工业工程类实验课程的教学，在传统的教学模式中，主要是以“理论课+实验室”的模式，强调学生对工业工程专业基本方法和技能的掌握与应用，如，工作研究、动素分析、人机工程、物流工程、流程优化、现场改善等基本技能与方法论。传统的实验教学过程中，基本上遵照如下流程：首先，引导学生进行以上理论课的学习，使学生知道、了解并掌握这些基本的专业手法与技能；其次，通过开设相关实验课程让学生对所学的这些技术方法展开实践，从而帮助学生达到训练并养成工业工程专业素养的目的。然而，目前所开设的相关实验课程均是就某一独立技术方法而展开的较为单纯的技能训练，如，工作研究的实验主要是针对动作研究、动素分析、生产节拍平衡开展具体分析过程实践，帮助学生深刻体会这些基本专业手法的实际应用场合；人因工程，主要是通过系列人因实验带领学生亲身体验，感受高度、亮度、颜色、频繁度、规律度等人因影响因素带给人视觉、听觉等感官的切实感受，从而探讨基于人因的合理化设计、布局及工作安排；设施规划布局则是基于物流分析方法，通过物流强度度量，分析部门间的相关性强度，从而为合理布局、物流优化提供有效参考。以上这些实验均对学生在工业工程专业基本方法技能的培训上起到了有效效果。然而，却并未在促进学生养成工业工程职业素养上发挥强化作用。原因在于，缺乏像物流工程、系统工程、系统建模及仿真优化等这类有关工业工程系统设计、管理及优化的主干课程的综合性实践项目，要设计出针对本专业基本技能方法的综合性实践项目，需要的制造业相关设备、产品品种等数量巨大，且耗费大、成本高，很难从实际操作入手，计算机仿真方法不失为解决此问题的一种有效方法。基于计算机仿真技术的虚拟教学则以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。因此，应该将“项目教学”“案例教学”“教、学、做”一体化和基于计算机仿真技术的虚拟教学的方法结合起来，充分发挥各自的优点，提升实践教学效果。基于计算机仿真技术的虚拟教学很容易与其它先进的教学方法相结合，因此，在工业工程类实验课程的教学中，将基于计算机仿真技术的虚拟教学与其它教学方法相结合，有助于提高实验课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地、行业、设备与产品的限制，使学生更好的掌握专业技能和方法，并通过基于计算机仿真平台开发的综合性实践项目，锻炼学生的工业工程系统设计、管理及优化的综合能力，培养学生的专业素养，从而促进本专业人才培养效果的提升，计算机仿真技术在工业工程类实验课程的教学中具有重要的意义。

2计算机仿真技术在实验课程教学中的应用

计算机仿真技术为人们提供了一个理想的实践教学手段，目前国内外已经普遍将其应用于军事训练、课程教学、运动训练以及医学研究等方方面面。美国是计算机仿真技术虚拟现实的起源地，现在美国计算机虚拟仿真技术的发展水平也比较高，在这个领域代表了国际先进水平，也是第一个把虚拟仿真技术应用在教育教学中的国家，目前在感知、用户界面、后台软件和硬件等几个方面，形成了一个比较系统的虚拟仿真教学仪器架构。如，美国的卡罗莱纳州立大学利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于JavaApplet的虚拟实验设备和实验设施、相关的实验课程模块、实验结果评价模块、协作模块。在欧洲，英国在计算机仿真技术虚拟现实的相关领域处于领先地位，研究出了虚拟仿真软件包，并应用在教学仪器和工业安全培训等方面。如，英国的诺丁汉大学在教育和学术方面对虚拟仿真技术进行了研究与探索，其目标主要在于探索桌面虚拟仿真的输入设备应用上。此外，该小组还和其他学校紧密合作，将其仿真系统应用在了特殊学生教育中。在中国，目前各个大学和科研机构也广泛采用计算机仿真技术建立虚拟场景进行相关领域的教学与研究。例如：中国科技大学开发出第一套基于虚拟仿真的教学仪器系统——利用虚拟仿真技术进行几何光学实验平台的开发，系统将计算机辅助教学仪器的智能化仪器、计算机技术、虚拟仿真和物理教学仪器等有机结合，把物理教学仪器系统推进到了新的领域；北京润尼尔网络科技有限公司以北京邮电大学强势的网络、通讯、电子三门学科为基础，采用JavaApplet技术、B/S结构、J2EE框架，为解决高校日趋紧张的实验设备及实验场地等实验教学问题，由北京邮电大学网络教育技术研究所组织精英力量，经过多年研究，开发出了配套的虚拟实验系统。通过对国内、外的基于计算机仿真的虚拟现实教学应用情况进行对比，我们发现：当前，国外基于计算机仿真的虚拟实验比国内开发时间早，应用相对成熟，不管是在仿真器材还是仿真软件上都比较丰富、且功能较多；同时，国外很多成熟的仿真实验产品价格普遍偏高，且技术难度也不太适合本科学生，更适合研究所或工程师使用。尽管如此，我国还是有很多现行的成熟的计算机仿真软件供我们选择，这些成熟的仿真软件具有界面友好、可扩充性、支持二次开发等特性，甚至大多实现模块化利于定制化实验的开发，基本上能满足国内高等院校实验教学需要及丰富的仿真实验需求。因此，国内很多高校及科研院所普遍采用购买成熟的仿真软件产品，基于自身的仿真实验需求进行对应的二次开发，从而设计出适合自己的基于计算机仿真的虚拟实验平台，并得到了很好的应用发展。就工业工程类实验课程而言，现在市面上流行的仿真软件，如，Flexsim、witness、em-plan等都能提供给我们一个良好的仿真实验平台，供我们在这些平台上进行综合性实践项目的构建和开发。

3基于计算机仿真技术的实验教学模式开发

在深度分析学生学习特点和企业真实需求的基础上，基于建构主义学习理论和混合式学习理论，按照社会发展对人才培养的要求，结合计算机仿真实验教学设计的基本原则，借鉴信息化和项目教学、案例教学设计方法，探索出基于实践项目、真实案例和工作任务的计算机仿真实验教学模式，实现了“教、学、做”一体化的实验设计。该模式由“项目导入、制定计划、实施计划和成果展示与评价”4个环节组成，其中，计算机仿真实验教学贯穿了该模式的所有环节。下面简单介绍该模式的具体实施方案。

（1）在“项目导入”环节，专业教师的活动包括：借助选定的计算机仿真实验平台，导入项目任务及目标、展示项目结果，让学生对项目有一个直观的认识，然后再布置具体的实践任务；利用计算机仿真实验平台，让学生明确自己应当完成的具体任务和完成任务后可以获得哪些知识以及达到什么样的技能水平；在充分考虑学生的现有知识和能力水平的基础上，适当采取分工协作方式，安排具体的任务完成时间及成果的评定方法等。

（2）在“制定计划”环节，学生的活动包括：通过自主学习、分工协作等方式，对具体实践项目的目标、任务进行分析；确定任务所涉及的专业方法和技能手段，充分应用已掌握的专业知识和能力，借助计算机仿真实验平台，设计出仿真实验模型帮助决策与优化；确定仿真实验任务的实施步骤，为仿真实验任务的实施做好充分的准备。

（3）在“实施计划”环节，学生的活动包括：在计算机仿真实验平台上，按照拟定的计划，逐步完成实践项目的仿真任务；在完成实践项目仿真任务的过程中，学生通过应用所学专业知识和技能，建构自己的专业知识，从而帮助自己养成专业素养。

（4）在“展示与评价”环节，学生的工作包括：在计算机仿真实验平台上展示自己的实践项目仿真成果；参与讨论和评价；通过对比分析，学生对自己的实践项目展开进一步的仿真优化处理。

4结语

将计算机仿真技术与项目教学、案例教学更加紧密的结合起来，能够更好的实现“教、学、做”一体化，并且，在显著改善实验教学条件、提升实验教学效果的同时，减少了设备消耗，尤其是耗材的使用量，节省了实验经费，而且克服了时间与空间上的限制，使工业工程综合实验课的开课率和学生的专业综合能力得到显著提升。计算机仿真技术在专业实验教学方面的应用前景广泛,值得深入研究。

参考文献

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仿真科学与技术篇4

［关键词］实验室技术和方法；教学方法；仿生学；计算机通信网络

1虚拟仿真实验教学中心可持续发展的内涵与建设任务

虚拟仿真实验教学中心可持续发展的内涵包含2个方面：（1）具有智能发展性。虚拟仿真实验教学中心建设要根据学科的发展规划以及学科建设的新要求，在当前现有的资源基础上不断加入新的内容、新的知识和新的技术手段［3］。（2）具有可持续发展性。即保证发展的长远性和不间断性，这就要求虚拟仿真实验教学中心要立足学校的高度，打破学科的局限，整合各学科信息化实验教学资源，发挥企业开发实力强、支持服务能力好的优势，以培养学生扎实的综合实验设计能力与创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学［4］。具体应做到以下几点：（1）管理平台的建设。虚拟仿真实验教学中心不是单一学科专业的封闭式实验室，而应该是多学科、多学校、多地区的实验教学资源平台，需要一个兼容性强，且具备扩展性和前瞻性的共享管理平台来管理实验教学资源，以实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享。（2）保障持续性运行经费的投入。虚拟仿真实验教学中心的建设与发展需要虚拟仿真实验项目与软件的不断开发、维护与更新，必须要有持续性的经费支持，没有持续性的经费支持，虚拟仿真实验教学中心不可能得到良好持续的发展。（3）建立管理体制与运行机制。完善良好的管理体制和合理的运行机制是虚拟仿真实验教学中心高效运转的前提，多学科、多专业的实验教学资源融合平台需要有好的管理体制与运行机制以确保各项实验教学目标的实现［5］。（4）探索校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

2虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

培养创新型和实用型的“一专多能”高素质检验人才离不开实验教学这一重要环节。医学虚拟仿真实验是针对医学实验的现象及过程，通过仿真、虚拟现实、多媒体等技术及相关设备将操作实践与实验材料、实验仪器、实验内容、实验方法步骤等相互结合构建高度仿真的虚拟实验对象，学生能在高仿真度的虚拟环境中开展实验，达到教学目标所要求的教学效果［6］。而医学检验技术是一门实践性和应用性均很强的学科。临床检验工作者要熟练掌握常用检验仪器的实验原理与操作技能，具备分析问题和解决问题的独立工作能力，这需要经历一个较漫长的过程。长期以来，检验专业的教学常以教师授课、学生听课及进行常规的实验操作和课后看书复习的传统教学模式为主，学生实操能力的培养受到一定实验条件的限制［7］。因此，可依托虚拟临床实验室系统与虚拟实验操作流程，让操作者可以通过计算机虚拟的实验环境，摆脱传统实验的种种限制，让学生“身临其境”地操作虚拟仪器和其他实验器材自主选择实验内容、模拟操作过程，通过对虚拟世界的体验和交互作用加快熟悉检验的相关内容，从而达到教学大纲的教学要求与学习效果。虚拟仿真教学作为实验教学的辅助有段可有效解决过去医学检验教学的难题：（1）为解决医学检验技术高、精、昂贵仪器培训难的困扰提供了条件。医学检验离不开高、精、昂贵的仪器设备（如全自动生化分析仪、高精酶标仪、流式细胞仪等），然而在学生上实操课、见习及各级各类培训过程中不可能拆分仪器和实时亲手操作这些仪器设备，而通过虚拟的仪器设备可很好地解决这一难题，实现对高、精、昂贵的仪器设备的操作，达到医学检验实验机能与培养学生综合实验思维的目的［8］。（2）规范检验技术的标准化操作培训。通过模拟操作检验过程（如细菌接种培养、静脉血标本和骨髓标本的采集等）规范学生的临床检验实验操作，掌握相关技术的标准化操作程序，提高临床实践能力。（3）规避检验技术培训的生物安全问题。在虚拟环境下进行仿真仪器操作与实验项目训练不需要接触真实的设备和疾病标本，避免了受感染、受伤的危险性。（4）节约检验技术培训的实验器械、试剂等耗材成本。在虚拟实验室中学习及操作虚拟实验可反复多次训练，不存在实验器械、耗材与试剂（如昂贵的抗体）的消耗，节省使用、维护成本。（5）解决临床检验中疑难罕见形态学资源短缺问题。在虚拟形态学图片库中可随时搜索并学习到一些在临床工作中少见的细菌（红斑丹毒丝状菌）、病毒（汉坦病毒）、寄生虫（环孢子虫）、白血病细胞及一些罕见的实验现象、结果等，可达到实际实验难以实现的效果，使操作者的学习事半功倍，大大缩短了学生进入临床检验工作的适应期。（6）增加学生对检验技术的学习兴趣和效果。在逼真的软件系统与丰富的数字化资源中自由寻觅，远比枯燥的课本、笨重的仪器、漫长的实验等待更能吸引学生的兴趣，从而提高学习效果。（7）临床检验人员的再教育也可充分利用虚拟仿真实验教学中心。让临床检验人员在工作之余根据自己的兴趣和爱好在逼真的软件系统与丰富的数字化资源中自由学习新知识、新技术、新进展，达到再次提升技能的目的。（8）在课余时间，学生可利用虚拟仿真实验教学中心进行科研设计和预实验。学生进入虚拟场景，根据实验要求自行设计实验并完成实验，这样不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，且能激发学生的科研兴趣，更有利于培养具有创新型和实用型人才。

3制约虚拟仿真实验教学中心可持续发展的问题

从2013年启动部级虚拟仿真实验教学中心的建设工作至今已有数年，全国已有300余家部级虚拟仿真实验教学中心，但在管理机制和运行机制等方面尚不尽完善，存在一些问题：（1）资源利用不高及浪费严重。部分虚拟仿真实验中心利用率不高，加上新技术的快速发展，导致一些资源的折旧率很高。应将每个高校各自不同实验室的资源进行整合以提高利用率［9］。（2）后续投入的经费不足。大部分高校虚拟仿真实验中心建设模式为一次性建设，在建设完成后很少有经费的持续性投入，但虚拟仿真实验中心的建设是一个持续性过程，虚拟仿真教学实验项目的增设、软件的更新均需要后续的扩展与完善，均需要持续性的经费投入。（3）管理机制和运行机制尚不够完善。部分高校虚拟仿真实验教学中心无法发挥多学科的优势，缺乏统一的管理平台，在资源整合方面做得不够细致，从而导致利用率不高［10］。（4）知识产权的保护力度不够。在虚拟仿真实验教学的建设过程中每一个新的虚拟仿真实验教学项目与实验软件的开发均是工作人员智慧与汗水的结晶，应该对其进行知识产权的保护与奖励。但目前大部分高校仅将此当作其工作职责与工作义务看待。对知识产权保护和建设人员的效益激励力度不够，在一定程度上阻碍了虚拟仿真教学中心的可持续性发展［11］。

4虚拟仿真实验教学中心可持续发展的资源利用与开发举措

仿真科学与技术篇5

关键词：虚拟仿真；森林保护学；实验教学体系

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0268-03

实验教学体系是与理论教学有机结合，以“拓展式实验教学”为主导，以能力培养为核心，多层次、多模块、衔接紧密的科学系统，虚拟仿真实验教学体系与教学内容建设是虚拟仿真实验教学中心建设的核心[1]。广西大学自2014年入选国家首批卓越农林人才教育培养计划试点高校以来，根据卓越农林人才培养计划目标，加强学生实践能力培养，强化实践教学环节。其中，广西大学林学院林学专业作为国家首批复合应用型农林人才培养模式改革试点专业，积极推进实验教学改革和实验手段创新，把虚拟仿真技术应用于实验教学，构建了虚实融合的森林保护学虚拟仿真实验教学体系，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

一、森林保护学实验的特点

森林保护学是以保障林业植物健康和森林生态安全为目标，研究病、虫、草、鼠等林业有害生物的生物学特性、发生危害与灾变规律及其防治理论和防治技术的学科。它主要由森林病理学、森林昆虫学、病原真菌学、病原细菌学、病毒学、植物化学保护、林业有害生物预测预报学和林业植物检疫学等多学科组成的综合性学科。森林保护学的功能主要是预防和持续控制林业有害生物的发生和危害，减少灾害损失，保护森林资源和生态安全，促进林业经济可持续发展。森林保护的学科性质和功能决定了森林保护学实验具有以下特点：

（一）实验对象的鲜活性

森林保护学实验的对象往往是鲜活的生物体，如昆虫发育有效积温的测定、昆虫的人工饲养、林木病原菌的分离与鉴定等实验的对象均是鲜活的生物体，实验过程需要确保这些生物体正常的生活环境。

（二）实验事件的偶然性

森林病虫害、火灾等是一种灾害，具有偶然性，也是现实中不希望发生的，当它发生的时候也只有在教学进度和时间合适、实验经费允许的条件下可以安排学生去进行防治实验。相反，当按照实验教学日历要进行森林病虫害防治实验以及森林防火等有关实验的时候却很难找到大片发生病虫害或火灾的森林进行防治和灭火实验。

（三）实验过程的危险性

森林病虫害的化学防治是森林病虫害防治的一种常规技术，但是此类实验由于需要使用具有较大毒性的化学农药，该实验过程及其实验废物的排放均对人体健康造成威胁而不能开设。

（四）实验时间的季节性

森林保护学实验对象的鲜活性决定了森林保护学实验具有季节性。病虫害的发生往往具有明显的季节性，高温高湿的季节发生比较严重，冬季和春季发生比较轻，森林火灾则在干旱的秋冬季较易发生。

（五）实验场所的开放性

森林保护学的一些综合性实验（包括探索性实验、生产性实验和研究性实验），如林业有害生物普查测报、林业有害生物灾害监测预警、林业有害生物综合防治、农药药效试验、重大林业有害生物灾害的应急处置、森林火灾隐患排查、森林火灾扑救、森林可燃物类型的划分、森林火险等级预测预报等实验需要在广阔的林间进行。

二、森林保护学实验虚拟化的必要性

虚拟仿真实验教学是对传统实验教学在思想体系、实验内容、实验方法和手段等颠覆性的变革。它综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术，通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果[2-5]。虚拟实验具有沉浸感、模拟性、交互性、感知性和构想性等特点[6]，有利于提高实验教学的效果，培养学生创新能力和解决问题的能力。采用虚拟仿真技术于实验教学，可以为学生营造“自主实验”的氛围，具有实验成本低、无污染、突破现实实验中时空的限制等优点[7，8]。

因此，将森林保护学实验中一些由于受到场地、时间季节、实验成本、危险性以及不可再重现等方面的限制，难以在传统实验教学中实施的实验开发成虚拟仿真实验是非常必要的。虚拟仿真实验作为真实实验的补充和扩展，具有仿真性、参与感、安全性等特点，与传统实物实验结合，可以使学生获得全面的训练，对培养学生动手能力、观察能力、独立思考能力和创新能力具有重要意义。

三、森林保护学虚拟仿真实验教学体系的构建

广西大学林业科学与工程虚拟仿真实验教学中心根据“虚实结合，能实不虚，以虚扩实”的建设原则，建了“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系（如图1所示），即“森林昆虫、森林病理、化学保护和森林防火”4个模块，每个模块包含“基础实验、专业技能和综合创新”3个层次。形成了虚实融合，以综合创新为特色，以能力培养为核心，多层次、多模块、衔接紧密的森林保护学虚拟仿真实验教学体系。

（一）虚拟仿真实验的四模块

1.森林昆虫虚拟仿真实验模块。本模块主要针对森林昆虫的个体发育、行为习性、危害调查与综合防治等方面的实验进行虚拟仿真。如在森林昆虫多样性调查虚拟仿真实验中，采用虚拟仿真技术虚拟仿真实验背景，制作调查样线及3D化的智能昆虫模型，每种模型昆虫的数量参照当地森林中的丰富度来设定。开展多样性调查时，可将各种昆虫在树林中出现的限制因子设定为季节，以便在不同季节进行多样性调查时得出的结果与自然界相吻合。对调查到的每一种昆虫，配以真实照片，以便学生进行鉴定，做到虚实结合。

2.森林病理虚拟仿真实验模块。本模块主要针对森林病原物的分离鉴定、病害发生发展与综合防治等方面的实验进行虚拟仿真。如桉树青枯病菌主要通过根部和根颈部伤口入侵，在植物体内繁殖，沿着维管束蔓延全株发病，植株失水萎蔫枯死。但这一过程无法在常规的实验课中让学生观察到，也难以让学生理解和掌握。通过虚拟仿真技术，把桉树青枯病症状诊断、发病规律、侵染循环以及防控技术直观呈现，提高学生对桉树青枯病的诊断和防控技术水平。

3.化学保护虚拟仿真实验模块。化学保护的核心是如何科学地使用农药，根据农药、有害生物与环境之间的关系合理使用农药。农药往往具有较大毒性，实验过程及其实验废物的排放均对人体健康造成威胁。本模块主要包括农药的毒力测定、药剂室内药效筛选、林间小区药效试验、农药对植物的药害作用、除草剂的选择作用及防除效果、农药残留分析等仿真实验。

4.森林防火虚拟仿真实验模块。真实森林火灾发生与控制实验具有极其危险性与不可重复性。通过虚拟仿真技术，可以模拟森林火灾场景，通过调整参数输入设置不同火灾发生发展过程，针对不同火灾发展阶段调用不同控制火灾策略和技术，直观展示火灾控制效果。本模块主要包括火灾发生过程的仿真演示、森林火灾隐患排查、森林可燃物类型的划分、森林火险等级预测预报、森林火灾发生与控制技术等仿真实验。

（二）虚拟仿真实验的三层次

1.基础实验层次。该层次主要是演示性试验，让学生了解掌握森林保护学的基础知识和基础技能。

2.专业技能层次。该层次主要是专业技能实验，让学生了解掌握森林有害生物的调查与防治、森林植物检疫、物理防治、生物防治、森林火灾隐患的排查与扑救、农药的配制与使用等专业技能。

3.综合创新层次。该层次主要面向学科前沿和林业生产第一线，让学生参与教师的科研项目，将科研项目研究成果转化为虚拟仿真实验教学资源。此外，森林保护学是一门应用性很强的学科，常常需要解决林业生产上有害生物防治的实际问题。如天敌昆虫的人工饲养及其应用仿真实验可以结合生产实践开展花绒寄甲人工饲养并用于防治松褐天牛。

四、结语

虚拟仿真技术在实验教学中的应用，极大地拓展了实验教学的内容和时空，一些在传统实验条件下难以安排的实验得以全面的开展[9]。但是虚拟仿真实验不能完全代替真实实验，只能作为真实实验的补充和扩展，虚拟仿真实验必须与传统实验相结合，使学生获得全面的实验训练。

多层次、多模块、衔接紧密的森林保护学虚拟仿真实验教学体系把各种森林保护学实验有机串联起来，注重纵向知识体系和横向知识的相互浸透，注重森林保护的基础知识、专业技能和综合创新各个方面的衔接。该体系把实验教学、专业能力培养和科研综合创新有机结合，为卓越农林人才培养和深化教学改革开辟了一条新的途径。

参考文献：

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仿真科学与技术篇6

关键词：机械制造；仿真技术；结构设计；加工设计

1机械设计制造与仿真技术概述

1.1机械设计制造

机械设计制造具有工作内容复杂等性质，机械设计制造过程中需要电气自动化、电子工程等技术的支持，相关科技的快速进步，也推动机械设计与制造工作向更多元化的方向发展。以往的机械设计一般以设备零件、工业器械为主要内容，在制造中需要先建构模型，进行多种科学实验，才能保证机械模型的合理性。利用各种自动化技术和仿真技术，能更科学、高效地进行标准化、非标准化的零件设计与加工。

1.2仿真技术

仿真技术应用多种硬件、软件工具，基于仿真实验、相关算法及问题求解，达到构建反映系统某一运行过程或行为的仿真模型的目的。仿真硬件以计算机和相关硬件为主，包括数字计算机、混合计算机、模拟计算机，以及目标仿真器、环境仿真器、运动仿真器等多种物理仿真设备；仿真软件包括各类仿真语言及相关数据库。在应用仿真技术过程中，为了构建基于仿真目标的系统模型，必须进行仿真实验，一般会进行离散事件的系统仿真实验和连续系统仿真实验。在机械设计和制造中应用仿真技术，能大幅度提升机械设备研发速度，减少制造中花费的时间、资金，从而帮助相关机械生产企业获得更高的经济收益。

2仿真技术在机械设计制造中的应用意义

2.1节约设计与制造成本

在机械产品的研究开发过程中，企业需要投入大量资金及人力，特别是在大型机械设备的研发中，因为工程量大、结构复杂，需要统筹全方位的设计工作，因此设计成本相当高，而设计的合理性、效率与研发成本息息相关。应用仿真技术，能够基于相关设计参数建立产品的二维、三维模型，对机械产品的全过程进行相应的模拟和实验；还能基于计算机完成传统研发过程中烦琐复杂的内容，有利于降低工作人员的研发难度和劳动强度。利用机械模型研发产品，能不断调整参数，降低利用实体模型等方法进行研发的经济成本，从而提升产品的研发质量与效率，节约设计与制造成本。

2.2提升参数的准确性

我国各行各业均向机械化、自动化等方向快速发展，当前所需的机械产品类型越来越多，结构越来越复杂，对零部件精密程度也提出了更高的要求，机械设计的过程也变得更为多元、复杂，对相关零部件参数的准确性提出了更高要求。利用传统机械设计方法难以满足当前的标准要求，利用传统计算机技术手段分析大量数据，不仅处理效率低，还无法直观地显示和调节相关数据，一旦出现数据计算失误或数据传递失真，就会降低产品的技术性能。利用仿真技术，能124够通过模型更直观、准确地分析和优化大量设计参数，降低设计难度与出错率，帮助设计人员快速完善产品设计和加工方案。

2.3确保设计方案的合理性

在传统机械设计研发过程中，设计方案的制订过程相当复杂，需要进行大量的人工分析，既浪费时间和精力，又难以保证设计方案的合理性、科学性，这主要体现在方案精细化程度不足，设计师未能全面分析制造过程等方面，导致最终制造出的机械产品在性能等方面往往与设计预期相去甚远，甚至达不到相关技术要求。科学应用各项仿真技术，能使设计人员更合理地整合相关数据，确定机械产品的各项参数，如基于各项仿真实验，获取环境、运动等仿真数据，构建机械设备在实际工作环境下的三维模型，从而更便捷、直观地调整相关参数，对比分析各个设计方案、制造方案，最终选择最优方案。

3仿真技术在机械设计制造中的应用优势

仿真技术在机械设计制造中得到广泛应用，在机械产品的设计、制造、检测等环节均发挥了重要的作用，这使得仿真技术在机械设计和制造中占据重要地位。仿真技术不仅能够更好地把控产品的质量与制造效率，还有利于优化相关技术，更快地进行产品的更新迭代，制造出符合市场要求的高质量、高性能产品，提升生产企业的经济收益。如今仿真技术应用范围仍在扩大，仿真对象、仿真目标更为清晰准确，进一步提升了仿真技术在制造行业的应用有效性。

3.1集成度高

仿真技术的集成化属性能更好地适应当前机械设计与制造工作的需求。仿真技术融合了多种科技与理念，本身十分复杂、多样，因此能够模拟不同类型机械产品的各个复杂模块，进行模块化、集成化的产品设计与制造，从而满足当前市场对机械产品提出的模块化、灵活组装等要求。

3.2分布性强

仿真技术的分布特性十分明显，这是由于仿真技术十分依赖网络技术、计算机技术及各种电气自动化技术。技术的不断发展，使仿真技术的分布特性不断加强。对仿真技术各软硬件工具及相应的运行环节进行分析，可以发现各种仿真功能的实现充分应用了各种网络技术、制造技术，整个技术的运行环节均需要配合各种理论和图形规定进行。分布性强这一特点会在一定程度上强化仿真技术在机械设计制造中发挥的积极作用，更好地保障设计工作的合理性和设备的制造质量。

4仿真技术在机械设计制造中的应用前景及发展方向

4.1应用前景仿真技术

随着各类计算机技术、电气技术的进步而迅速发展，一些仿真硬件设备及软件的水平快速提升，使数字化仿真技术的优势进一步凸显，当前主要体现在超小型计算机、处理器等工具相互配合方面，能够降低传统仿真技术中对大型仿真设备和实际仿真实验的依赖性，从而有效降低研发成本。在仿真软件方面，仿真技术正与AI技术融合，有利于提升仿真软件的精确性、全面性，推动机械设计向虚拟设计与制造方向发展，虚拟设计与制造将更多地应用虚拟仿真技术，在更多的机械产品设计及制造内容中应用计算机对仿真对象、目标进行全过程结构设计、参数调整及资源调配，从而显著提升机械产品研发水平和研发过程的管理水平，显著降低机械设备设计与制造的周期及成本[1]。由此可见，仿真技术在机械设计领域具有广阔的前景。

4.2发展方向仿真技术

在机械制造中的应用将向精确化、智能化方向快速发展。仿真过程的精确化发展体现在机械制造中的数控加工等过程将与仿真技术进行更深入的结合，通过模拟加工过程，可以更好地调整相关的加工参数或产品参数，从而以更低成本优化加工方案，使各项加工参数更精确、合理。仿真过程的智能化发展体现在机器人技术和网络通信等技术与机械设计仿真过程更深入融合，将使仿真过程更自动化、智能化，技术人员将更多地通过计算机软件进行仿真过程的设计与控制，基于各种通信技术进行数据交换和实时控制、监测。另外，仿真技术在机械领域的应用内容也将更为广泛、精细化。

5仿真技术在机械设计制造中的应用流程和具体应用

5.1仿真技术的一般应用流程

仿真技术的应用涉及图形学、几何造型学知识，在对目标产品进行实质抽象化的数学模型处理时，需遵循一般的应用流程。首先，应确定目标产品的结构和相关参数，建构基础的模型。基于各仿真工具建构能模仿真实环境及产品的可靠系统，加上边界条件、约束条件等参数。其次，应用电气工程、自动化、网络通信等方面的技术，将数学模型中的参数进行相应的阐述，并结合时空关系划分模型，构建每种环境下的动态模型与静态模型。以构建动态模型为例，需要构建连续时间下的仿真模型、离散时间下的仿真模型、混合时间下的仿真模型，并重视各模型之间变换层面的构建[2]。再次，应用相关算法、仿真软件及计算机语言，对仿真模型开展全面的分析。需要满足模型自由变换、参数分析全面等要求。最后，进行仿真模型实验工作，即将创建的仿真模型输入搭载某一实验环境的计算机中，使仿真模型虚拟运行，由此得到产品仿真运行的结果[3]。开展仿真实验前，需要进行先期设计，并对实验方案进行预运行，根据仿真实验想要达到的实验结果确定具体的衡量指标和标准，对仿真实验结果进行合理的分析。为验证实验结果的可靠性，需要通过反向验证等方法进行检验。经过这一系列的应用流程，才能保证仿真技术被合理地应用于机械设计制造。

5.2仿真技术在机械设计制造中的具体应用

5.2.1仿真技术在机械产品结构设计中的应用根据机械产品结构设计的一般工作流程可知，机械产品结构由完成不同功能的多个结构协同组建而成。结构设计直接关系到机械设备运行的安全性、效率及其他重要性能，研发人员在利用仿真技术进行结构设计时，需要优化产品结构的模拟实验等工作，如通过高负荷环境下的功能性实验来测试产品结构的安全性、可靠性等性能，然后基于各项测试最终确定最优的产品结构模型。与此同时，研发人员需要借助仿真技术、三维设计软件及运动学理论，对产品结构设计模型进行多角度、多维度的展示、观测和测试，在保证产品结构的运动状态可靠性符合设计标准的基础上，对不同零部件进行干涉实验和细化分析，从而发现各零部件存在的金属疲劳等问题或技术瓶颈，然后进行参数、材料等方面的优化调整，以全方位提升机械设备结构设计的合理性[4]。三维设计软件在机械设计中已较为普遍，将运动仿真与三维设计进行更高程度的融合，能够使研发人员实时地观测机械结构在具体运动环境下的各项性能，有效提升结构设计质量，节约设计所需的时间和物料成本。例如，在一些机械设备的齿轮设计中，研发人员利用仿真技术能提升这些重要部件的质量和设计的合理性。齿轮是一些机械设备的关键部件，其性能直接影响整个机械产品的使用寿命与生产效率。应用仿真技术，能对齿轮结构设计及相应设计参数进行测试，判断齿轮设计能否满足产品的设计目标和相应的加工要求[5]。在具体应用中，基于仿真软件模拟齿轮在相应环境中的工作环境，以此检测齿轮结构设计、参数设计是否符合规范。若发现设计问题，还能进行相关参数的调试，最终完善齿轮设计。如利用仿真技术模拟和测试圆弧针齿的运行轨迹，测试齿轮是否能在相应环境下正常运行，并基于仿真技术深入完善各齿轮转动接触点的相关参数。5.2.2仿真技术在机械产品加工设计中的应用机械产品从设计到制造需历经多个步骤，许多步骤的流程较复杂，特别是在设计和生产大型、超大型机械设备时，其过程尤为复杂，而应用仿真技术能在一定程度上使这一过程更加便捷[6]。机械加工设计过程中应用仿真技术，能切实优化研发设备的各项性能和工作效率。例如，在数控加工工作中，需要编写相应的加工方案，而应用仿真技术能更便捷地完成加工方案的编写，调试机床运行程序，生成相应的二维、三维图形及加工数据，在机械设备生产中合理选择刀具等加工工具，利用合理的流程、准确的加工指令高效完成设备加工作业。此外，应用仿真技术还能有效减少人为操作、降低失误率。

6结束语

综上所述，仿真技术已在多领域得到应用，具有很强的技术优越性，推动其在机械设计制造中的应用，能够为机械制造领域带来新的活力和发展机会。因此，相关企业需要积极、合理地应用仿真技术，优化相关的设计、制造工作，提升机械产品的质量与研发效率。

参考文献

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仿真科学与技术篇7

该项目侧重于研究如何利用视觉、听觉、嗅觉，使虚拟仿真技术更加逼真，并拥有更高的质量与更出色的功能。项目将为制造业提供创新、一流的仿真工具与流程，为工程师配备性能更加出色的计算机，提供更加直观的设计效果。举例来讲，此类研发将助力汽车制造商如捷豹路虎，更高效完成复杂的汽车项目。虚拟仿真技术减少了制造商在生产过程中对于实体原型的依赖，为产品开发过程缩减了成本，并极大有助于环境保护。五项学术科研的启动，标志着英国 20年战略计划已开启第一阶段，该计划有助于加快英国将虚拟仿真技术推向世界前沿的步伐。

捷豹路虎工程总监Bob Joyce表示：“我们在新车型的设计、制造和测试阶段，早已广泛应用虚拟技术，但我们热切需要虚拟仿真能力的不断提升，并期望能为汽车产品开发定制虚拟技术。我们希望以更加逼真的视觉、听觉甚至嗅觉效果，不断优化虚拟驾乘体验。项目也将极大有益于整车、系统及零部件方面日趋复杂的分析工作。不仅如此，先进的虚拟仿真技术还将优化计算机功能，以深度挖掘更多、更复杂的数据。捷豹路虎坚信，在工业创新方面，英国会始终在全球保持强大的竞争力。”

该项目的者Cable博士表示：“拥有像捷豹路虎这种世界顶尖公司以及世界一流大学的鼎力支持，英国将有望在未来成为促进创新、发展高科技的引领者。此次投资将促进英国制造业的发展，并助力英国提升全球竞争力，这是对英国政府工业战略的全面支持。”

该五项科研项目是英国仿真创新项目（PSI）的重要部分。仿真创新项目将在未来五年中，分为两个阶段进行，由捷豹路虎（出资400万英镑）、英国工程和自然科学研究理事会（出资400万英镑）、拉夫堡大学、利兹大学、剑桥大学和华威大学制造工程学院（四所大学共出资200万英镑）共同支持完成。

项目包括：

车辆复杂系统分析

多物理场与多功能仿真

模拟驾驶

高性能计算与仿真知识调研归纳

可视化与虚拟体验

英国工程和自然科学研究理事会首席执行官David Delpy教授表示：“这是一次完美的合作，这种企业与学术机构的紧密协作会将技术、工业推向极致。作为创新科研的支持者，我们将继续与捷豹路虎携手并肩，共同致力于工业领域的长远发展，并呼吁业界同侪互相监督，共同进步。”

TIPS：英国工程和自然科学研究理事会

英国工程和自然科学研究理事会（以下简称理事会）是英国为工程和物理研究提供资金的重要机构。理事会每年投资约8亿英镑用于研究以及研究生的培养工作，以帮助英国迎接新一代的科技进步。从信息技术到结构工程，从数学到材料科学，理事会涵盖了众多科技领域。这些研究为英国未来的经济发展、生活健康及文化的促进打下了坚实的基础。通过英国研究理事会，工程和自然科学研究理事会还与众多机构协作，对其共同关心的问题进行调查研究。

仿真科学与技术篇8

关键词：虚拟仿真；医学；实践操作

中图分类号：G642.0 ？摇文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）39-0043-03

随着高等教育改革的不断深化，传统的教学模式受到场地、设备、师资等众多因素的限制，极大地制约着学生创新意识和创新能力的培养。新兴的虚拟仿真技术在高等学校教学、实验中向着网络化、智能化以及互动化等方向发展，可以发展现代教育思想、提高教学水平、改善实验环境以及优化教学过程，从而增强学生的实验动手能力。虚拟仿真化教学模式可以极大地克服传统教学模式的一些弊端，必将成为现代化高等教育的重要途径和方式之一，并在飞速发展的信息化时代日趋完善和成熟，承担起培养现代化创新人才的重任。

一、虚拟仿真教学平台

虚拟仿真（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，具有交互性、真实性以及多感知性等特点。其以计算机软件及硬件为基础，相关的技术手段为辅助，通过对己知或未知世界的仿真，使人获得真实感受的一种先进的计算机应用技术。虚拟仿真技术可以依靠计算机的图形处理进行图像再现，与传统的图像再现手段，如电影、电视以及DV等相比，有着本质的飞跃。虚拟仿真技术对于图像的再现不仅仅局限在对实物的再现，它更多地被应用在超现实画面的再现上。随着计算机硬件技术发展的突飞猛进，虚拟仿真技术已普遍应用于各个领域，如训练、教学、仿真、娱乐、遥控操作以及模拟预测等方面。[4]现阶段，尽管虚拟仿真技术优点诸多，越来越受教育界所青睐，但是虚拟仿真教学平台在医学教育领域的应用还处于起步阶段。如果能将虚拟仿真技术成功地运用到医学教育领域，势必会具有广阔的发展前景。

二、现代医学教育引入虚拟仿真教学平台的迫切性

医学是一门实践性非常强的学科，实验室操作和临床实习贯穿着整个教学的过程。实验教学环境的优良与否直接关系到学生们能否掌握好该门课程。心理学家瑞特拉研究表明，同样的知识采用不同的教学方式呈现时，其效果有着显著的差异，采取对不同感官进行多方面的刺激，所达到的记忆效果会有所不同。因此，现代教育技术有必要把多媒体技术、虚拟仿真技术、网络技术以及控制技术等进行综合运用并引入课堂，虚拟各种实验设备和实训环境；充分发挥现代信息技术的集成性、交互性和控制性，生动形象地展示教学内容，综合处理超文本、图形、图像、动画、视频、声音等多媒体信息，展现那些在传统的教学模式中无法实现的教学过程。现代医学教育也是如此，虚拟仿真教学平台正是在现代教育思想的指导下，使用新技术改进教学方法的尝试。在现代医学教育课程中，医学生只有通过足够的实验室训练操作才能获得必要的综合技能，并初步具备一定的临床实际工作能力。在虚拟仿真技术平台中，教师能够采用“做中学”的教学模式，多种媒介的信息同时作用于学生的各个感官，有助于提高学生的理解能力和实践能力，直到形成合适的行为模式以及行为系统。同时，循序渐进的教学过程也符合学生的认知规律。三维虚拟仿真教学平台的引入，可对现代医学教育起到很大的促进和推动作用。虚拟仿真教学平台和虚拟课堂系统相结合，能够突破课堂实验教学的制约，打破时间和空间的局限性，充分发挥学生的自觉性，利用其各自适合的时间在本地计算机上完成实验过程，为学生提供真正“开放性”的教学环境。但是，由于虚拟仿真技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。[7]同时，医学领域又有着极强的专业性，其专业技术的要求比较高；另一方面，人体是一个非常复杂的系统，即使超大型的计算机虚拟仿真系统也与医学的模拟要求有相当的差距。现阶段，虚拟仿真技术在医学教育中的应用仍处于比较早期的纯画面展示类型，仅仅是将传统的图片、图谱变成了3D动画，缺乏应有的交互性。在少量有一定交互性的使用中，也局限于多角度的观看。因此，有必要在现代医学教学中引入虚拟仿真教学平台，充分发挥虚拟仿真技术的优势。

三、虚拟仿真教学平台在医学教育中的优势

医学虚拟仿真教学平台环境是虚拟仿真技术与医学教学实践高级复杂的结合，是信息化教学的高级应用。随着现代信息技术的飞速发展、软硬件性价比的大幅度提高，医学虚拟仿真技术正逐渐从科研院所、实验室走向实际的临床教学应用中，有着传统教学手段所没有的众多优势。

1.虚拟仿真教学平台运用计算机全面仿真临床中现实的世界，为医学生提供生动、逼真的学习环境，在虚拟环境中模拟给患者进行操作。例如在口腔医学实践教学中，由于口腔视野狭窄、结构复杂、与颅颌面又是一个整体，学生掌握实验操作技能比较困难。然而医学虚拟仿真技术可以充分发挥其优势，利用仿真软件进行现场模拟构建，使教学活动更加生动形象、直观易懂，以此激发学生学习的兴趣和提高教学的效率。

2.虚拟仿真教学系统能够使学生们主动成为虚拟教学环境中的一名参与者，不仅仅成为教学“教”的工具，也起到与“学”的互动作用。这对调动其学习积极性、突破教学的重点难点、培养学生的临床操作技能都将起到积极的作用。同时，虚拟仿真教学平台可以解决许多真实实验中实现不了的困难，使学生在虚拟环境中接受多感官的刺激，并进行具体操作、感受和体验，更容易调动学生的情感参与，将抽象的内容具体化、形象化，留下深刻的记忆，以提高学习效率。

3.虚拟仿真教学平台提供开放性的实验平台，能够解除课堂实验教学时间、地点的限制，打破时间和空间的局限性，充分发挥学生的自觉性，利用其各自适合的时间在本地计算机上完成实验过程，为学生提供真正“开放性”的教学环境。在课堂上没能按要求通过实验的学生可以在课余时间利用网上虚拟仿真系统进行模拟实验，随时随地进行实践操作训练。

4.虚拟仿真教学平台为学生提供平等的实践操作资源。实验室操作与实践教学在整个教学过程中起着举足轻重的作用，能够促使学生将所学知识进行灵活运用，引导学生掌握规范操作的技能技巧，培养学生观察、分析和动手操作的能力。由于医学院校教学条件依然存在其多变性、复杂性等客观原因，各个学校实验环境存在一定的差异，虚拟仿真教学系统能够充分发挥网络的优势，使教学实验资源共享，以弥补实验室资源的不足。

5.虚拟仿真教学系统的应用还能在实验教学中节约相当的成本。在虚拟系统中训练可以为学生在实验室的实践操作奠定一定的基础，能在实践中收获更多，体会更加深刻。其次，虚拟仿真教学系统也可以代替传统实验条件下无法完成的实验操作，或由于实验设备昂贵而难以实现的实验训练。因此，虚拟教学和实验室相结合也是合理地利用、开发教育资源的一种途径。尽管计算机虚拟仿真系统与临床医学中的模拟要求还有相当的差距，但是也可以作为医学实验室操作训练的另一种补充。通过运用形象、直观、生动的现代教育技术手段为学生们创设学习情境，开拓教育信息交流的新渠道，使课堂教学具有交互性，其组织形式更加丰富和完善，可以充分调动学生的学习兴趣，发挥其主观能动性、独立性和创造性，让他们尽快熟练掌握临床操作技能。

四、虚拟仿真教学平台在医学教育中的前景

随着现代信息技术的发展，应用于医学实验室操作与实践教学的系统也将不断推陈出新，给教育的发展和改革带来了机遇、动力和挑战。虚拟仿真教学平台为学习者提供了一个既先进又灵活的环境，可以锻炼学生的独立构思和设计能力，激发其学习的兴趣，对提高教育技术水平、改善教学及实验实训环境、优化教学过程、提高教学效率、节约教学成本、加速培养现代化的医学专业技术人才产生深远的影响，并将推动学科研究，促进教学改革。

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基金项目：重庆市教学改革研究项目：结合口腔医学专业认证标准，优化口腔正畸学PBL教学模式（1203112），重庆市研究生教育优质课程（2011-56）

作者简介：曹礼，女，博士，主治医师，主要从事牙颌畸形矫治以及机理研究。