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虚拟仿真应用

2018/11/9 13:25:23

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案例介绍

虚拟仿真软件教学化应用

       一、概述

       虚拟现实智能实验室是高等教育信息化建设的重要内容;是现代虚拟现实技术、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术构建的一种先进实验系统;是学科专业与信息技术深度融合的产物;是应用虚拟现实技术,实现真实实验不具备条件或难以完成的实验教学功能,能提供涉及工程技术、高危或极端环境、不可及或不可逆操作、高成本或高消耗、大型或综合训练等实验教学资源。虚拟现实智能实验室建设包含虚拟现实硬件系统和虚拟现实软件系统。通过与制药装备制造企业合作,为产品研发和贴近实战教学提供了有利保障。

       软件系统以3D虚拟仿真实验或工厂为基础,结合大型、综合的虚拟实训锻炼,贯通学生对课程体系构建的理解和工程综合能力的培养。同时将项目延伸至工程设计软件、3D设备拆装软件、GMP知识点管理软件等知识拓展模块。

        二、WebLab虚拟仿真网络学习平台架构图

      三、项目设计方案概括

      利用仿真软件开发平台,可开发工厂级的操作员培训仿真软件,以动态仿真软件为核心基础,在实际DCS架构下完成学生仿真培训操作。仿真工厂由学员站(仿DCS操作站+现场操作站)、教师站、OPC通讯、网络平台段组成。

在学员站上既可以显示仿DCS界面,其画面和功能与甲方使用的DCS完全一致,也可以显示现场操作界面,仿DCS界面和现场操作界面可以任意切换。

       教师站作为总体监控软件,负责仿真系统的运行管理、监视与控制,实现仿真系统的各种功能。

教师可通过网络平台的管理端组织仿真考试和理论考试,并可通过在线监控和在线答疑实时掌握各种资源的使用情况、并进行在线辅导;学生通过该平台的学员端可与老师互动、分享学习经验、做课程笔记、提交实验报告、参加考试;

        四、项目总体架构及技术解决方案

                                                                                   项目开发和管理工具一览表

序号

开发工具名称

内容

1

数据库开发工具

TeachingLib仿真引擎

2

3D建模工具

3D Maya

3

模型管理工具

ModelManage

4

数据库建模工具

AlgDesigner模型组态

5

项目组态工具

ItemBuilder事故组态

6

3D引擎工具

Unity3D

7

VR引擎工具

VRTK

五、虚拟仿真的特点

具有沉浸性(immersion)、(interaction)和构想性(imagination),使人们能沉浸其中,超越其上,出入自然,形成具有交互效能多维化的信息环境。

业界很多公司只能提供三维漫游等简单的视景开发支持,其拥有的几何模型干涉检查、交互操作支持等也非常简单,而为此特殊开发的专用模块不但价格昂贵,且源代码有限开放难以满足用户个性化开发应用需求。真正的虚拟仿真应提供复杂场景图形、声音、交互操作、干涉检查等多方面的支持,从而可以简化应用系统的开发,提供应用系统的功能和性能。平台系统表现为一个视景和声音开发支撑平台和多个开发支持工具(几何对象干涉检查工具包、通用虚拟手开发工具包、粒子生成与控制工具、不规则几何体构造工具、流场可视化工具包)。可以为用户提供各类VR应用系统的开发。概括地说,是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实中的"现实"是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是实际上可实现的,也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而"虚拟"是指用计算机生成的意思。因此,虚拟现实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"投射"到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。

       六、虚拟仿真教学发展前景

       一、校企合作

  虚拟仿真实验作为真实实验的有益补充,越来越得到认可。但目前看来,“作为技术提供商的企业,与作为资源提供者的高校之间,在对接上还存在一些问题。”张新祥说。

  从一项虚拟仿真实验的设计源头来看,高校教师应该处于主导地位。各个知识点怎样去讲、用什么样的资源去讲、什么样的方式去讲,高校教师是最有发言权的。因此,在虚拟仿真实验的设计、制作和应用中,他们才是导演、编剧和制片。

  但高校教师在虚拟仿真实验建设中仍有缺位。首先,虚拟仿真实验对于教师来讲也是一个全新的东西,需要花时间适应。而且,虚拟仿真实验涉及虚拟现实、交互、编程、建模、动画等内容,不可能指望一个教师能掌握如此多的知识。此外,很多教师把时间和精力放在评职称和发论文上,而对虚拟仿真实验技术的发展关注较少,不了解企业能够提供什么东西。

  从企业角度看,目前还多只是提供技术,尚未深入到各学科理论知识体系和实验架构内部。某个学科的实验需求可能是小众的,企业可能看不到,或者看到了理解不了。这也是联席会组织虚拟仿真技术与教学资源建设论坛的原因,就是希望为双方搭建一个合作平台。

  除了校企对接不畅外,在虚拟仿真实验教学软硬件市场中,也出现了一些乱象。由于相关企业多是各自为战,有时候,很多企业都在做同一个虚拟仿真系统,既造成资源浪费和重复,企业之间也很容易陷入恶性竞争。

      二、教学要“虚实结合,能实不虚

     学者普遍认为,虚拟仿真实验尽管有很多优点,但也只能处于补充和辅助教学的地位。来自中国石油大学的几位学者在一篇文章中指出,“如果完全用仿真实验来进行教学,会弱化学生对仪器设备的真实感受,不利于学生对基本实验操作技能的学习和掌握。”

  因此,很多高校教师向记者表示,应该根据不同学科的特点,决定虚拟仿真实验的采用力度。“学农科的学生,怎么能不下地呢?这虽然是一句玩笑话,但也说明,在农业学科领域,很多真实实验是不能用虚拟仿真实验代替的。”山东农业大学农业生物学实验教学中心的李滨教授说。

  此外,当前也出现了个别高校“为评而评”的现象。如果某高校虚拟仿真实验教学中心获评为国家级,就可能获得更多的课题经费、知名度等收益。因此,很多学校都在努力申报。但申报成功后,一些虚拟中心却陷入了“僵尸”状态——实验场所关闭,实验设备闲置,达不到应有的效果。

  事实上,教育主管部门在推动虚拟仿真实验教学中心建设之初,就已经明确了一系列的准入门槛和指导原则,制定了包含近30项标准的国家级虚拟仿真实验教学中心遴选要求,基本涵盖了可能遇到的问题。教育部要求,虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则——即虚拟仿真实验和真实实验要有机结合,能够做真实实验的就不采用虚拟仿真。这个原则所表明的,正是要避免一窝蜂地脱离真实实验。





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