虛擬仿真實驗技術范文

導語：如何才能寫好一篇虛擬仿真實驗技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：生命科學；技術虛擬；實踐教學；實驗教學體系

伴隨著互聯網技術的不斷發展，現階段我國教學模式在各個階段、各個領域均呈現出了信息化和數字化。從小學到大學，從社會研究到企業研究。教學模式的信息化，標志著教育體制的發展邁向了一個新的發展高度，其中，信息化的教學方式是提高受教者享受技術教學的根本。所以，要不斷挖掘傳統教學模式中的弊端，不斷將信息化與數字化的教學模式引入教育中去。其中技術虛擬仿真實驗作為推動信息化教學的重要模式，不僅能夠彌補傳統“填鴨式”教學模式的不足，更能夠通過互聯網技術來滿足智能類和通訊類的專業的試驗需求。借此來推動教學質量的提高。

一技術虛擬仿真教學體系建設的必要性

（一）滿足信息類與技術類專業的需求

互聯網技術的發展與信息化生產市場的形成都是相關技術知識普及的結果，為此，便與教育中的知識推動技術的發展和技術反推動教學的進步形成了相互作用的關系，為此，強化技術虛擬仿真實驗教學體系的建設，便可以對現階段高校的技術類專業進行支持。例如，計算機專業、通訊專業、智能化專業、電子元件專業等?，F階段我國高校在進行信息與自動化專業的教學時，必須要結合相應的教學器材和教學設備進行，只有讓學生擺脫傳統的課本理論學習方式，將理論付諸于實踐才能促進實用性價值的提升。為此，部分高校在對相關專業進行教學時，便采購了相關的大型設備，如中央空調和交直流電機等。值得注意的是，這些設備的應用率并不高，加之高額的經費需求，便形成了資源浪費的狀況[1]。而且，許多高校的經費緊張。為此，就要大力推廣技術虛擬仿真實驗教學，該教學模式不僅能夠讓學生在學習的過程中，通過分組實驗的方式加強學生的理論應用能力，更能夠提升教學質量和學生的探究能力。通過技術虛擬仿真實驗教學與實驗室中的試驗實物進行結合，讓學生在仿真試驗教學中體會相關知識的原理結構，進而滿足相關專業的需求以及避免教學資源浪費。

（二）提高教學的時空范圍

技術虛擬仿真實驗教學已經成為了現階段我國對相關智能化與信息化專業教學的必備方式。這不僅是學校自身經濟條件限制所決定，而是教學模式科學化、高效化的要求[2]。為此，在對計算機專業和電子設備類的專業進行教學時，為了能夠加強學生的理論研究能力和實踐操作能力，就必須加強技術虛擬仿真實驗教學的應用，唯有如此，才能真正實現教學信息化和智能化。技術虛擬仿真實驗教學是以互聯網技術為依托的。眾所周知，互聯網技術的互動性和時效性極強。為此，通過技術虛擬仿真實驗教學，不僅能夠提高相關專業教學的時空范圍，更能夠促進學生對所學知識的良好“消化”。

（三）培養學生對試驗教學的自主性與積極性

在傳統的試驗教學課程中，學生的實驗經常受到儀器數量的限制而不能高效的對所涉及的知識與理論進行了解。很多學生在課程中缺乏詳細的指導而對相關知識點產生抵觸情緒，對教學質量的提高產生了消極影響。而技術虛擬仿真實驗教學不僅能夠讓學生通過虛擬的試驗進行隨心所欲的實踐操作，更在每一步的試驗過程中添加了詳細的指導。讓學生在試驗學習的過程不斷形成自主實驗、自主學習的習慣[3]。能夠讓學生在學習中體會到實踐學習的樂趣，進而提高學習的積極性。

二構建生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的流程

在生命科學與技術虛擬仿真實驗教學中，其具體體系的構建要遵從一定的流程。為此，筆者對相關過程做了整合，具體如下：

（一）內容建設

實驗教學中要對相關的教學內容做出具體的分類。因為，不同專業的學生所涉及的知識點差異極大，將不同學科的知識進行分類才能有針對性的進行教學，技術虛擬仿真實驗教學的應用從外在的形式上看就是對不同專業的學生進行“因材施教”。通過新媒體的虛擬技術來為學生搭建生命科學實驗學習平臺，進而提升針對性的知識教學。

（二）加強對實驗教學的預判

在這部分內容上，旨在加強學生對所學知識點的預習。學生在進行技術虛擬仿真實驗之前，首先通過計算機對相關的知識結構和理論體系有一個明確的認識[4]。例如，紅白細胞病變過程中，要在實驗進行之前就對相關的內容進行預習。進而避免在實踐操作的過程中產生理論上疑問。

（三）提高實驗項目的標準

技術虛擬仿真實驗教學要具備良好的直觀性和立體性。為此，在對專業化的數據進行分析研究時，讓學生在實驗的過程中多添加一些表格和圖形。避免通篇的文字理論，若條件允許，還可以通過紅外探測等設備來作輔助教學器材，讓學生在實驗中體會到更好的視覺效果。

（四）方式建設

在進行技術虛擬仿真實驗教學時，要充分將人物和場景進行有機結合，打破“傳統信息化教學”模式的單一性，積極利用電子顯示屏來對相關內容進行講解。

（五）增加協同實驗研究性

技術虛擬仿真實驗教學中，增加學生之間的協同工作能力是其中重要一項。虛擬實驗中，學生無論是時間還是空間，都處于同時進行的狀態。為此，通過加強學生之間的協同配合來完成實驗，便對學生合作能力的培養具備重要意義。技術虛擬仿真實驗教學的過程中，要積極調動學生之間的互動，學生分組進行試驗研究，并對學習中所產生的問題通過共同探討的方式解決。增加協同配合學習的能力。

（六）“軟件”與“硬件”兼施

技術虛擬仿真實驗教學的過程中，要重視對試驗器械的選擇，對實驗中所運用新媒體設備要過關，避免學生操作的過程中出現硬件意外事件。否則會打亂學生實驗的進度，影響學生學習的連續性，對教學質量產生消極影響。此外，還要強化軟件場景的建設，在對血紅蛋白分離純化的實驗進行研究時，要對實驗學習的內容進行“模塊化”，將學生要研究和實驗的領域進行不同模塊的構建，讓學生從不同模塊中挑選出對自己實驗有幫助的數據[5]。這樣不僅能夠讓實驗針對性強，更能讓學生自主的對不同知識點進行安排分析，形成有序的研究學習過程，提高學生的邏輯能力和綜合運用能力。

（七）教學評估

在生命科學與技術虛擬仿真實驗教學的體系中，教師在教學中所呈現的引導作用被逐漸弱化。為了能夠明細教學質量標準，就必須對相關的教學評估進行體系化的建設。第一，要對方案的流程進行評價，學生在進行實驗學習的過程中，其提供的方案選擇，必然會存在一定的差異性。為此，要對其中的優秀方案進行整理；第二，虛擬試驗教學中的交互環節評估[6]。在這部分，旨在評估學生是否在學習中建立完善的理論知識儲備，在實驗進行的過程中，對每一步的試驗彈出一個相關問題，只有答對才能進行下一步的操作。

三結語

伴隨著教學模式的不斷完善，信息化教學模式的興起衍生了技術虛擬仿真實驗教學模式，該教學模式不僅符合現階段高校教學的標準，更是教育在時展下的必然產物。該教學模式能夠充分提高教學質量，促進學生的均衡發展。目前，我國部分大學已經逐漸實施生命科學與技術虛擬仿真實驗教學。這種“虛實結合”的教學模式標志著我國教育體系邁向了一個新的發展高度。

參考文獻

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篇2

關鍵詞：虛擬仿真；齒輪傳動裝置；機械設計；實驗教學

齒輪傳動作為各種工業生產設備的核心裝置被企業大量應用。齒輪的與密封性能，對于延長傳動裝置使用壽命、節能減排、保護環境都有重要意義。由于實驗成本較高、安全性難以保障等問題的限制，當前高校的機械設計課程中并未開展有關齒輪傳動裝置與密封的實驗教學，難以滿足當前機械工業發展趨勢對人才培養的多樣化需求。因此，結合中國制造業、鋼鐵冶金業的綠色化發展方向與新工科發展要求，建設機械設計課程“齒輪傳動裝置的與密封設計虛擬仿真實驗”，對于提升機械類專業學生的創新設計能力和實踐能力具有重要意義。探索促進機械類專業學生的實踐與創新能力培養的新方法，開發教學新模式是新工科背景下高校教學改革的發展方向[1]。虛擬仿真實驗教學已成為專業教學體系的重要組成部分[2]。將虛擬仿真、虛擬樣機等先進技術應用于機械類實驗教學中，向學生直觀展示機械結構和工作原理，允許學生進行創新性自主實驗，實質性推進知識與能力并重的復合型創新人才培養進程[3-6]。因此，掌握齒輪傳動裝置常用的與密封方式及其結構特點，能熟練掌握其運用原則和方法并通過虛擬仿真實驗進行強化，是培養“大國工匠”必備的基本技能之一[7-9]。綜上所述，我校以單級直齒圓柱齒輪減速器為載體，將齒輪傳動裝置的與密封基本知識與虛擬仿真技術深度結合，構建交互式、立體式、可視化的三維沉浸式虛擬實驗教學系統。教學過程中對給定工況的傳動裝置進行和密封裝置的全流程設計，并通過虛擬仿真呈現其設計結果，使學生能夠將知識運用到實驗設計中，培養學生的實踐能力和工程創新能力。

1齒輪傳動裝置與密封原理

齒輪傳動是目前傳動效率最高的一種傳動裝置。當前技術條件下，由于齒面間的相對滑動及其他原因，摩擦、磨損及功率損失仍不可避免。為更好地發揮齒輪的傳動性能、提高工作壽命、降低振動和噪音、保護環境等，必須對齒輪傳動裝置的進行合理的設計，包括齒輪的和軸承的。同時還需要防止灰塵、水分等進入軸承，并阻止劑的流失，影響或破壞環境等，必須要進行密封設計。齒輪傳動的包括方式的選擇和劑的選擇。常用的方式有油池、循環噴油、油霧、離心、脂、固體等，通常依據齒輪節圓圓周速度進行選擇。齒輪劑的選擇可根據齒輪材料、屈服強度及節圓圓周速度確定油的黏度推薦值，再根據黏度及工作工況選擇相應的油牌號。軸承密封方法的選擇與的種類、工作環境、溫度、密封表面的圓周速度有關，通常有接觸式和非接觸式密封兩大類，若無法適應使用場合或密封不當，可能導致密封失效。

2實驗教學設計

2.1教學內容設計

我校以單級直齒圓柱齒輪減速器為載體，實驗教學的主要設計思路如圖1所示。給定已知數據，學生根據所學機械設計理論課程知識在線下進行相關計算，得到計算數據并輸入虛擬系統作為與密封設計的依據。以此確定油的種類、和密封的方式及其結構，并在虛擬系統中進行可視化、交互式的虛擬操作，完成和密封的虛擬設計。最后，通過啟動傳動裝置對設計結果進行自動評判。虛擬實驗任務由系統隨機給出，學生根據給定的實驗任務，在線下進行計算。通過對話框界面讓學生輸入計算結果，如計算錯誤，系統會給出相應的提示。根據計算結果，進一步確定相應的方式和密封方式。

2.2實驗步驟設計

根據實驗教學內容的設計，本虛擬實驗設計任務的步驟與流程如圖2所示，被分解為9個子任務，各子任務又被分解為2～4個子步驟，相互之間為串聯式關系，只有上一子任務完成且正確后，方可進入下一實驗環節。第1個子任務是齒輪傳動裝置與密封的基本知識認識，這是整個實驗的理論基礎，此處通過一定數量的選擇題進行測試。第3個子任務是線下計算。后續6個子任務全部是交互式虛擬實踐操作環節，每一個子步驟均給出了相應的提示和正確與否的評價。整個虛擬仿真實驗操作被限定在90分鐘以內，學生可以進行多次反復實驗，直至完全掌握為止，而且每次實驗的任務均是隨機給定，不會出現重復，實驗成績以最后提交的為準。在認知過程中，全部以動畫的形式展示齒輪與軸承的原理，學生可以非常直觀準確地看到齒輪傳動過程中油的流動及的全過程。

2.3實驗教學考核評價

本實驗教學考核評價由虛擬實驗系統自動評價和實驗報告教師主觀評價兩部分組成，其具體的組成如表1所示。其中，虛擬系統客觀評價占75%，由虛擬仿真實驗系統自動給出成績，學生在系統進行實驗預習并進行測試。整個實驗過程均為有記錄的交互式操作并由系統給出操作得分。線上實驗操作完成后，學生需在線下完成實驗報告，由實驗指導教師進行主觀評價，該部分占考核評價的25%3虛擬仿真實驗教學系統本實驗基于Unity3D工具進行開發[10]。圖3所示為我校開發的實驗教學系統，該系統虛擬了實驗室環境，將減速器放置在實驗臺上。系統窗口的上方為工具欄，包括基本認知、設計任務和實驗過程等按鈕，單擊可以彈出相應的菜單欄，依次單擊可進入相應的實驗環節或步驟。窗口的下方為實驗關鍵步驟的進度條，系統會高亮顯示當前的進度。該系統具有交互式、可視化、沉浸式、立體式和多層次的顯著特點。實現虛擬仿真實驗的有效開放與共享，提高使用率和使用效益，是教學資源建設急需解決的重要課題[11]。因此，我校將本虛擬仿真實驗教學系統加入“高等學校機械工程學科虛擬仿真實驗教學共享平臺”，將其作為機械設計課程實驗，在全國各高校的機械類和近機械類專業學生中進行應用推廣，如圖4所示。該平臺包括了該實驗的教學視頻，可為實驗操作提供指導。同時，學生完成實驗后，可以直接在該平臺提交實驗報告。

4虛擬仿真實驗教學實例

4.1完成基本知識學習和認知測試

獲取實驗任務下面以系統給出的隨機實驗任務的設計實例進行展示。學生進入該虛擬實驗系統，完成基本知識的學習和認知測試后，單擊菜單欄的“設計任務”彈出本次實驗的設計任務參數，見表2。4.2根據表2所示的參數進行線下計算學生根據實驗設計任務參數進行線下計算，將得到的數據輸入系統的輸入框中，如圖5所示，單擊確定即可進入下一實驗步驟。如果數據不正確，系統會提示錯誤原因，且不能進入下一步。4.3確定與密封方式根據圓周速度確定軸承和齒輪方式為油。根據傳動裝置的使用場合，確定油的類型為CKD系列。由此確定輸入軸上的軸承為“毛氈密封”，輸出軸上的軸承為“擋油環+毛氈密封”，如圖6所示。

4.4倒入油至箱體中

在窗口右側的工具箱中選擇CKD系列油，按住鼠標左鍵，油就會自動倒入箱體中，注意觀察油面的高度動態顯示標尺，油面高度應在計算范圍內，當油面接觸輪齒后，應緩慢倒油，如圖7所示。

4.5設計箱蓋坡口和箱體安裝面油槽

軸承的方式為飛濺，齒輪飛濺的油濺到箱蓋內壁上，然后順著箱蓋的內壁流入箱座的油槽中，油槽與軸承之間相連，軸承端蓋處的缺口方便油進入軸承中進行。如圖8(a)所示，通過鼠標點擊箱蓋內壁拐角設計坡口；如圖8(b)所示，通過鼠標點擊箱體法蘭安裝面處設計油槽。

4.6安裝密封結構零件

如圖9所示，從右邊選擇欄中點擊擋油環，并拖到圖9(a)中所標注的位置，單擊鼠標完成安裝。點擊毛氈，同樣拖到圖9(a)中標注的位置。最后，從右邊選擇欄中選擇軸承端蓋，拖到圖9(b)中標注的位置。

4.7啟動傳動裝置

查看結果并提交實驗報告依次完成上述操作后，單擊啟動按鈕，電機開始啟動，傳動裝置開始工作。若和密封設計合理，則提示實驗設計和操作成功。若設計不正確，則提示相關的失效結果。最后，單擊菜單欄的實驗報告，查看實驗得分情況，并提交實報告。

5結語

齒輪傳動是機械設計中必不可少的傳動部件。基于操作的可行性和便捷性，學生通過該虛擬仿真實驗，可以有效地了解傳動裝置的和密封方式及工作原理，避免在實際操作中因失誤而造成損失，有效解決了實體實驗教學成本高、周期長、過程煩瑣等問題，完善了虛實結合的實踐教學體系，取得了良好的教學效果。本虛擬仿真教學平臺可應用于選修機械設計課程的機械類及近機類專業學生的實驗操作訓練，有助于夯實學生對傳動零件與密封知識的運用能力、設計能力和實踐能力。截至目前，本實驗系統已在本校的兩屆學生試用，覆蓋學生約1000人。尤其是在病毒肺炎疫情期間，為學生提供虛擬實驗資源，受到了學生的好評，中國教育報以《“空中實驗室”破解實踐教學難題》為題目進行了專門報道。本實驗系統集趣味性和學習性于一體，除本校以外，已有全國48所院校的5000余名學生在共享平臺使用本虛擬仿真實驗教學系統。

參考文獻

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篇3

[關鍵詞]虛擬仿真技術 運動生理學 實驗 立體化

[中圖分類號]G712 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349（2016）06-0236-02

運動生理學主要是研究人體在體育活動和運動訓練影響下機體在結構和機能方面的各種變化，探索人體在運動過程中機能變化的規律，以及形成和發展運動技能的生理學規律，探討人體運動能力發展和完善的生理學機理，論證并確立各種科學的訓練制度和訓練方法。人體在體育活動和運動訓練影響下機體機能變化的動態數據是運動生理學研究的重點和難點。因其變化的動態性和不易感知性，使學生學習起來特別抽象，難以理解。單純的依據課本的數據進行比對，就更加沒有說服力，極大增加了學生學習和掌握的難度。在運動生理學實驗課堂上開展實驗教學過程是增加降低理論學習難度，提高學生學習積極性的有效措施，但在目前的運動生理學實驗教學過程中，由于受實驗標本的采集與存放、試劑的調配與更新、實驗器材的種類限制、教師預實驗的準備、場所與時間限制和一些復雜設備的影響等，很多實驗課開展的效果并不理想，學生獲得的實驗數據較少并且缺乏說服力，后期重復實驗更是無法獨立操作完成。很多大型實驗由于沒有時間準備預實驗，教師操作的效果也不理想，開設運動生理學大型實驗的成本較高，耗費人力、物力較大卻收效甚微，使學生深刻理解運動生理學知識受到很大限制。

為了節約成本，很多學校就只開展幾個傳統型的簡單實驗，但是最新的理論知識和科學研究，學生就難以接觸，且這幾個實驗由于脫離高端技術使學生難以對實驗印象深刻。實驗知識的匱乏也影響了學生獨立感知，自主研究的積極性，理論應用起來更加捉襟見肘。因此，我們迫切需要一項技術既可以節省實驗成本，提高實驗成功率，又能使學生自主感知，自主鉆研，使學生得到專業便捷的技能訓練，虛擬仿真技術應運而生。他不但簡化了實驗課程準備工作，而且高速的數據處理庫提高了實驗的精確度和動態呈現機體對刺激反應的敏感度，大大激發了學生學習的興趣，大量數據的多角度呈現，更加激起學生探索的欲望，可以說完美解決了運動生理學實驗所必須的多項技術。

一、虛擬仿真技術簡介

虛擬現實技術又稱虛擬現實技術或模擬技術，就是通過計算機模擬技術將一個真實的系統在另一個占用空間比較小的、制作相對容易的虛擬系統中進行模仿實現真實人機對話體驗的技術。隨著計算機人工智能技術的不斷進步和發展，虛擬仿真技術越來越精良并逐步自成體系，成為繼數學推理、科學實驗之后人類認識自然界客觀規律的第三類基本方法。人投入到這種環境中，立即有“身臨其境”的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環境進行交互，虛擬環境還能夠實時地做出相應的反應。

虛擬仿真技術，是仿真技術與虛擬現實技術結合而產生的一種更高級的仿真技術。在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，虛擬仿真技術以構建全系統統一的完整的虛擬環境為典型特征，并通過虛擬環境集成與控制為數眾多的實體。實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統，也可用一些簡單的數學模型表示。實體在虛擬環境中相互作用，或與虛擬環境作用，以表現客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術的這種集成化、虛擬化與網絡化的特征，充分滿足了現代仿真技術的發展需求。

虛擬仿真實驗系統的特點：首先虛擬實驗系統的仿真引擎代替了實物，實驗過程不再需要反復消耗標本和試劑，且實驗結束不需要廢料收集和處理，完美解決了傳統實驗過程中所缺乏的節能和環保處理；第二，學生做實驗不再受到實驗器材的限制，學生沒有理解的實驗允許反復操作，增強了學生動手動腦的實踐能力，大型實驗也省去了繁瑣的準備過程，節約了教師的準備工作；第三，虛擬仿真技術因其技術的成熟性，允許學生自我提升與拓展，課本之外的實驗，學生也可以自主鉆研，不受材料限制，大大提高學生學習與思考的積極性。此外，虛擬仿真技術平臺還為學生提供在線測評功能，網絡化的學習模式，為學生自我鞏固與提升提供了一個良好空間，抓住了學生學習的興趣點。

二、運動生理學實驗與虛擬仿真技術相結合

以前學校進行的運動生理學實驗主要是通過課本理論的教授進行理論學習，然后再通過小白鼠、青蛙等動物進行實驗驗證，這種探究方法單一而且讓學生很難完全信服。幾乎所有運動生理學實驗的理論，都來自觀察動物在運動過程中的機能活動并對其因果關系的分析來實現。放到人體之后的結論顯得單薄而且缺乏說服力。另外，由于人力及物力資源的種種限制，實驗課本身課時較短，很多實驗結果本身缺乏科學性和完整系統性，所以很多實驗的結果與最終需要印證的結論相關性不符，做得有名無實。

近年來虛擬仿真技術的廣泛應用大大提高了運動生理學實驗的應用廣度和深度，很多難以實現的實驗技術經過模式過程之后學生可以真切地感受到學習起來更加容易，記憶也更加深刻。將虛擬仿真技術運用到運動生理學實驗教學，是傳統教育手段與現代教學技術的創造性結合。虛擬仿真技術的優點主要體現在：多媒體展示的集成性、人機交互的操作性、大容量存儲的豐富性、高速傳輸的便捷性、超時空交流的共享性等。

虛擬仿真技術應用于實驗可以分為三個階段：一是初級階段，即學生剛開始接觸系統階段，這個時期學生對虛擬仿真系統還比較陌生，很多的功能還不熟悉，教師需要對學生加以引導，根據學生的反饋對系統加以修改和調整，盡量達到彼此合作融洽；二是模塊建立階段，當學生對系統有了初步的了解之后，就需要根據教學的進度和學生學習的側重點對系統里面的實驗加以增減和調整，做到既能滿足學生知識掌握，又可以達到能力提升效果，并將最前沿的知識嵌入實驗模塊，讓學生一起走進實驗室觀摩也是很好的教學方式，觀摩過程中學生對知識的理解和應用會更加深刻，讓學生明白科學探索的過程其實就是知識應用的過程，這個過程真正存在并不是遙不可及，培養起多思考多動腦的習慣；三是模塊應用階段，即通過所學的知識，所做的實驗，探究人體運動生理學知識的運用與開發，這個過程是一個開放的過程，根據每個人理解的不同，所能探索的結果也各有千秋，沒有標準的答案，探索永無止境。

例如在學習“人體安靜與運動過程中心率和動脈血壓變化”課程時，單純的文字說明和表格對比雖然可以使學生直觀的看到數值的變化，但是體現在人體中的動態變化卻很難發現和感受。通過查閱大量文獻，進行總結歸納，并通過計算機輔助教學把實驗課的內容搬到理論課上，經過文本、圖片、動畫、視頻、仿真空間體驗等幾步的動態體感之后，讓學生直觀地觀察到人體從靜態到運動再到運動逐步加快的過程中心率和動脈血壓的直觀的、動態的、連續的變化過程，把實驗的結論與學生的多種感官相互關聯，把知識的傳授過程由被動的灌輸、被迫接受轉化為學生自己總結、歸納、探索，使學習過程變得快樂且學生更加容易接受。運動的方法有好多種，速跑和慢跑是兩種不同的運動方式，他所牽動的器官不同，達到的效果不同，學生為此進行了一次愉快的辯論，最終大家都為自己的觀點鼓掌叫好。每種運動背后都包含著大量的科學知識，合理的運動就是最好的科學。

三、現狀與前景展望

實驗課一定要“重視學生在教學活動中的主體地位，充分調動學生學習的積極性、主動性和創造性”，一門課程的學習，結果只是一方面，重視學生在實驗過程中的參與度和知識獲得過程，才是我們教學的目的。對于運動生理學的掌握我們完全可以直接告訴學生結果：做擴胸訓練有助于增加肺活量，做引體向上可以鍛煉背闊肌，仰臥起坐可以鍛煉腹肌，等等，我們單純的教授完畢對學生有什么效果呢？他的擴胸運動很到位，肺活量大有增加；他的引體向上很到位，卻導致了肌肉拉傷；他的仰臥起坐連貫而有力，卻導致脊柱受損……這種風險不僅對普通人是存在的，而且對那些經常鍛煉的人亦然。現代人的養生觀念很強，每個人都需要運動，但是運動也需要講究技巧與方法，我們學習運動生理學的目的就是知其然，更要知其所以然。大量逼真完備的實驗設備，解放了學生的思想，相應的研究過程中碰到的問題也就越多，為了滿足學生探索的需求與我們日常面臨的挑戰，我們的路任重而道遠。

隨著人們對虛擬仿真技術的逐步完善，虛擬仿真技術的應用范圍越來越廣，下一步我們將搜集更多的文字、圖片、音頻、動畫等素材，組建更多的虛擬仿真實驗模型，讓虛擬仿真技術更好地服務于運動生理學及各個學科的實驗，尤其是以后更可以豐富中小學課堂的教學課堂。通過虛擬仿真技術的應用讓學生處于一種多層次、多角度、立體化的學習空間中，直觀真切地感受到外部因素變化對身體的影響，改善了學生對體育運動的理解形式，提高了運動生理學課程的趣味性，提高學生學習運動生理學實驗的積極性，也提高了學習效率。虛擬仿真技術的廣泛應用，必將使運動生理學迎來新的生機和活力，根據教師的指導得到更加專業的技能訓練，使人們更加科學的通過體育訓練，改善人體技能，提高身體素質。

四、小結

體育學科是一門理論與實踐完美結合的基礎學科，越來越受到學生及普通民眾的歡迎。運動生理學作為體育科學的輔助學科也是一門非常重要的理論課程，他主要研究人體在體育活動和運動訓練影響下機體的內部結構和機能的動態變化規律，進而探討出完善人體運動能力發展的科學機理，指導人們科學準確的完成各種訓練。虛擬仿真技術作為一門理論與科學結合的科學手段，極大地提高了運動生理學實驗的可操作性和趣味性，滿足了當前運動生理學實驗的操作需求，可以加深學生對實驗的認識，使學生通過豐富多彩的教學手段，多層次、多角度、立體化、真實化的得到專業便捷的技能訓練，加深學生對實驗內容的理解和鞏固，提高學習的效率和應用的直觀性，更加深刻地理解所研究的內容和意義，從而提高運動生理學實驗課的應用效果。

【參考文獻】

[1]張敬南，張謬鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013（12）：101-104.

[2]柯中爐，牟惠康，楊林生.以虛擬仿真技術提升高職實踐教學有效性的探索――以生化制藥技術專業實踐教學為例[J].中國職業技術教育，2009（05）：64-66.

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關鍵詞：虛擬仿真技術；實踐教學；學習場景；教學訓練

一、概述

虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。虛擬現實技術是先進的人――計算機接口技術，其實質是利用計算機產生一個三維的、基于感知信息的臨場環境。人可以參與和控制環境，同時環境能夠對人的控制行為做出動態的交互反應。系統仿真技術是隨著計算機技術的發展而形成的新興學科，它是通過建立真實系統的數學模型，利用計算機來達成對系統的分析、研究、設計等目的。目前，虛擬仿真技術在軍事、教育、醫學、工業設計等多個領域都得到了應用。在教育教學領域，虛擬仿真技術能夠進行教學活動或實驗操作的模擬，具有經濟性好、安全性高以及可重復等多種優勢，已經開始替代某些費時、費力、費錢的真實試驗和教學演示，對傳統的教學活動產生了強烈沖擊，引發了教學領域產生一系列深刻的變化。

虛擬現實仿真技術在高職實踐教學中應用研究的意義：利用虛擬仿真技術可以構建一個虛擬的實訓場地和教學場景，在沒有實際設備的情況下可以有效提高教學效果。并且可以減少高職院校因設備不足的高額開支。通過仿真技術可以進一步整合教學資源，提高實訓設備的利用率，提高學生知識和技能。在教學中對仿真技術感興趣的學生可以做再次開發，這樣能更好的提高實踐教學效果和學生的實踐應用能力。

二、虛擬現實仿真技術在高職實踐教學中的研究內容

傳統設計是設計者根據產品用戶的需要，將所設計產品的結構通過圖紙表現出來，經過計算或者經驗認證后，再投入生產試制中進一步檢驗其結構設計的正確性與合理性。而虛擬現實仿真技術在實踐教學應用研究中主要體現在以下幾個方面：

1. 利用虛擬現實仿真技術開展三維模塊實踐教學的應用研究

Solidworks作為一款三維設計軟件，功能強大，組件繁多。Solidworks有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，這使得SolidWorks 成為領先的、主流的三維CAD解決方案。對于熟悉微軟的Windows系統的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內完成大型裝配設計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，學生能在比較短的時間內完成更多的工作，能夠更快地將高質量的設計應用到虛擬設備中。

在強大的設計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協同下，使用SolidWorks ，整個產品設計是可百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間的是全相關的。

（1）全動感用戶界面：

①只有SolidWorks 才提供了一整套完整的動態界面和鼠標拖動控制?！叭珓痈械摹钡挠脩艚缑鏈p少設計步驟，減少了多余的對話框，從而避免了界面的零亂。

②嶄新的屬性管理員用來高效地管理整個設計過程和步驟。屬性管理員包含所有的設計數據和參數，而且操作方便、界面直觀。

③用SolidWorks資源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks資源管理器是唯一一個同Windows資源器類似的CAD文件管理器。

④特征模版為標準件和標準特征，提供了良好的環境。用戶可以直接從特征模版上調用標準的零件和特征，并與同事共享。

⑤SolidWorks 提供的AutoCAD模擬器，使得AutoCAD用戶可以保持原有的作圖習慣，順利地從二維設計轉向三維實體設計。

（2）裝配設計：

①在SolidWorks 中，當生成新零件時，你可以直接參考其他零件并保持這種參考關系。在裝配的環境里，可以方便地設計和修改零部件。對于超過一萬個零部件的大型裝配體，SolidWorks 的性能得到極大的提高。

②SolidWorks 可以動態地查看裝配體的所有運動，并且可以對運動的零部件進行動態的干涉檢查和間隙檢測。

③用智能零件技術自動完成重復設計。智能零件技術是一種嶄新的技術，用來完成諸如將一個標準的螺栓裝入螺孔中，而同時按照正確的順序完成墊片和螺母的裝配。

④鏡像部件是SolidWorks技術的巨大突破。鏡像部件能產生基于已有零部件（包括具有派生關系或與其他零件具有關聯關系的零件）的新的零部件。

2. 利用虛擬現實仿真技術開展三維動畫交互實踐教學的應用研究

虛擬現實系統的目的是為了開發虛擬現實應用，所以任何一個完整的細膩顯示系統都需要有一套功能完備的虛擬現實應用開發平臺，一般包括兩個部分，一是硬件開發平臺，即高性能的圖像生成及處理系統，通常為高性能的圖形計算機或者虛擬現實工作站；另一部分為軟件開發平臺，即面向應用對象的虛擬顯示應用軟件開發平臺。VRP（Virtual Reality Platform，簡稱VR-Platform或VRP）即虛擬現實平臺，VRP是一款由中視典數字科技有限公司獨立開發的具有完全自主知識產權的直接面向三維美工的一款虛擬現實軟件。VRP可廣泛的應用于城市規劃、室內設計、工業仿真、古跡復原、橋梁道路設計、房地產銷售、旅游教學、水利電力、地質災害等眾多領域，為其提供切實可行的解決方案。

三、虛擬現實仿真技術在實踐教學中擬解決的關鍵問題

1. 虛擬現實仿真技術在高職實踐教學中的應用與研究，有效地避免了高校實驗實訓設備不足的影響因素。學生通過虛擬實驗項目的學習與訓練，減少其真機操作時出現許多失誤問題。

2. 虛擬現實仿真技術在高職實踐教學中的應用與研究，教師利用虛擬現實仿真技術教學時，與實訓室技師經常切磋技藝、探討操作問題，提高了教師的實踐教學水平。

3. 虛擬現實仿真技術在高職實踐教學中的應用與研究，改變了學生被動學習的方式，提高了學生學習興趣、綜合實踐能力和高職實踐課堂教學效果。

四、結束語

隨著科學技術的不斷進步，虛擬現實仿真技術也進入了一個充滿活力和具有廣闊市場前景的高新技術領域，它的出現也漸漸取代了傳統模式中許多教學的新方法與新手段。目前，利用我院現有和二次開發虛擬現實仿真實訓軟件系統，進一步完善學院虛擬仿真實訓室的硬件和軟件設施，構建虛擬實訓室嶄新的教學與學習場景，實施機電產品虛擬仿真設計、制造、裝配等模塊實踐教學的應用與研究。對提高我院課堂教學改革實踐效果，具有深遠的意義。

參考文獻

[1] 尹湛華，朱海洋. 虛擬仿真技術在高職實踐教學中的比較優勢[J]. 南昌高專學報，2008（08）

[2] 王嵐等. 虛擬實現EON Studio應用教程[M]. 天津：南開大學出版社，2007

篇5

1 環境工程學的特點及傳統教學中存在的問題

隨著環境控制技術迅速發展，污染控制工程理論和實踐的知識量也越來越多，知識點的更新速度也越來越快。我國各理工科院校的環境科學專業基本都開設有環境工程學課程，但縱觀課程的教學現狀，存在諸多不盡如人意的地方。

1.1 教學內容多且廣泛

環境工程學包含廢水污染控制、大氣污染控制、固體廢物處理以及噪聲控制等，內容多而雜，容易造成學生對知識的掌握廣而不深，學而不精。對應的專業教材知識更新慢；理論課程課時過多，實踐課程課時少，專業技能訓練難以保證[1]。

1.2 實習實訓教學效果差

環境工程課程實習實訓都是集中將學生帶到某個與專業相關的單位比如污水處理廠，學生只能參觀某些處理單元，不得隨便操作任何設備、儀器，對于如何控制管理水處理工藝的運行、如何解決運行問題等，仍然得不到學習和鍛煉。實習實訓教學現場通常比較嘈雜，學生對參觀的內容往往是“走馬觀花”，不能達到實習實訓的目的。

1.3 實驗項目偏少且單一

環境工程實驗作為環境工程學理論課程的后續實驗課程，該課程不僅能加深、鞏固學生對環境工程基本理論的理解，同時還可增強分析問題和進行科學實驗的獨立工作能力；有利于掌握有關環境工程實驗研究方法和實驗技巧，培養整理、分析數據能力，提高環境工藝、工程方面的科研思維能力和創新意識。但是目前環境工程實驗教學僅限于幾個固定實驗，比如：活性污泥實驗、大氣除塵演示實驗、氧傳遞系數測定實驗等，實驗項目偏少。教學方式大多是在教師講解之后，學生“依樣畫葫蘆”進行實驗，學生對實驗目的和步驟理解得不夠透徹，在整個實驗過程中處于一種被動的地位。另外，學生對實驗設備缺乏感性認識，即使把實驗指導書中對設備的基本構造、使用方法和注意事項看了多遍，仍不得要領，甚至不能正確地操作設備。另外，某些實驗項目受到設備數量、品種、成本等方面的限制而無法開展。

2 虛擬仿真技術在環境工程學理論及實驗教學中的應用

虛擬仿真教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。隨著科學技術的迅猛發展，虛擬仿真技術越來越廣泛地被應用于各領域的專業教學，如自動化[2]、水電機組監測與故障診斷等[3]。虛擬仿真教學可以根據教學的實際需要和效果，對教學內容進行動態的組織和修改，具有很強的針對性和互動性，能夠充分發揮學生的主動思維[4]。

2.1 虛擬仿真技術水污染控制的運用

虛擬仿真技術教學可以提升學生對城市生活廢水、工業廢水處理系統的認識，提高教學效果。在仿真系統中，學生按照時間操作規程的要求對各個工藝參數進行調整，最終確定處理后的廢水與污泥能否與實際設計的標準要求相符[5]。學生可根據提示熟悉虛擬水廠構筑物分布和水廠概況，查看主要動力設備的知識點，了解水廠主要動設備能耗和藥劑成本，了解污水處理廠的相關工作規定和安全章程等。比如：虛擬仿真水廠包含巡檢項目和事故預案工況等，分別是正常工況巡檢、出水總氮超標、出水總磷超標、出水COD超標、反應池曝氣量調節、初沉池排泥撇渣、內回流的調節、SVI調節，從而掌握污水處理廠常見事故的應急處理預案和解決措施。

2.2 虛擬仿真技術在大氣污染控制的運用

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關鍵詞 GIS技術 三維可視化 數字模型 虛擬戰場地形

0 引言

近年來，隨著GIS和虛擬現實（VR）技術的發展，軍事演習和指揮決策在概念上有了新的飛躍，通過建立虛擬作戰實驗室來進行軍事訓練和研究。利用基于GIS三維動態可視化仿真技術，場景建模技術和圖形圖象處理技術，開發出關于某一特定的戰場地形區域的真實全面的虛擬戰場地形環境系統，使指揮人員有身臨其境的體驗。

1 GIS及其可視化原理

1．1 GIS簡介

地理信息系統（GIS）是一門地學空間數據與計算機技術相結合的新型空間信息技術。它以空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間數據進行采集，管理，操作，分析和顯示，并采用地理模型分析法，適時提供多種空間和動態地理信息的計算機系統。近幾年來把GIS技術用到軍事上的戰場地形的研究已經取得了不少的進步。

1．2 基于GIS的圖形表達

GIS中的圖形以矢量表示和存儲的。圖形的實質就是空間點在三維平面的投影，可以分解為：點，線，面，體等幾種不同的圖形元素。因為矢量化圖形的各個部分可以用數學的方法加以描述，可以對其進行任意的變換，放大，縮小，旋轉，變形，移位，疊加等，并保持圖形的空間拓撲關系不變。而且矢量圖形的基本組成是點，線，面，體，可以進行單獨定義，控制，操作，分析，查詢圖形對象的空間信息及其相關的屬性信息。

1．3 基于GIS的戰場地形信息的組織

GIS將空間實體對象用空間數據和屬性來共同描述并分別存儲。前者描述實體的數據和拓撲關系等，后者描述實體的屬性和兩者的關聯標識，空間數據和屬性數據通過內部代碼和用戶標識碼作為公共數據項連接起來，使得空間對象的每個圖元與描述圖元的屬性一一對應起來（如圖1）。利用GIS特有的混合空間數據組織形式為反映戰爭中復雜的地形環境提供了條件。戰場數字建模是把客觀存在的戰場地形環境實體在計算機中用真實的空間位置來表示，實現了地形空間實體與屬性數據一一對應（如圖2）。

2 三維虛擬戰場地形的可視化數字建模

2．1 DEM地形數據的組織和表達

地表數字地形模型（Digital Terrain model，即DTM）是虛擬戰場地形模型的重要組成部分。三維地形數據結構是構造虛擬戰場地形環境的基礎，關鍵技術是DEM（數字高程模型）的表達。對DEM數據的組織較多的用不規則三角網（Triangulated Irregular Network，即TIN）模型或規則網格（GRID）模型（如圖3）。TIN模型是由分散的地形點按照一定的規則構成的一系列不相交的三角形網組成，所表示的地形表面的真實程度由地形點的密度決定，并能充分表現高程細節的變化，適合于地形復雜的地區。TIN可以利用原始高程點重建地形表面，地形平坦的地方多邊形較少；復雜的地區多邊形較多，對地形的描述具有很好的合理性。GRID模型具有較小的存貯量和簡單的數據結構。

對復雜的戰場地形的建立一般用TIN。TIN的存貯采用文件集的形式，每個文件存貯網格的節點坐標，高程坐標，節點號，空間索引標識，邊界，渲染和文件指針等信息。建立地形實體DTM一般由地形等高線原始數據按一定的算法生成TIN。算法包括Delaunay三角形的分治算法，點插入法和三角網生長法。這些算法都遵循以下原則：

a)TIN的唯一性。

b)使每個三角形盡最大可能接近等邊三角形。

c)三角形的邊長總和最小。

對初始的TIN，應消除由于等高線數據過于密集或采集信息缺少而形成的細小的，狹長的三角形，來提高TIN的精度。

根據GIS地形信息組織的基本原理，對TIN的數據結構的組織，采用了面向對象的程序設計思想，以Visual C++6.0 為開發語言，設計了CTinLine三個點的主要成員。

1． 測量點類：

Class CsurveyPoint: Public CObject

{.............

Float x， y， z; //點x ，y ，z的三維坐標，由數字勘測系統外業獲取

Int SvyPtID //點的ID號隱含屬性信息

CsurvyPoint *Next; //單向鏈表，用于數據管理

..........操作函數.......

}

2. 三角形邊類

Class CtinLine: Public CObject

{.............

CsurvyPoint *P1， *P2; //指向三角形的兩端點

int TinLineID; //三角形邊的ID號

int left ， right; //三角形的左右三角形號

CtinLine *Next; //指向下一個節點索引的指針，形成單向鏈表

................

}

3. 三角形CTIN類

Class CTin: Public CObject;

{.............

CsuryPoint *P1， *P2， *P3；

或CtinLine *TL1， *TL2， *TL3; //三角形三個點或三條邊的指針

int Tr1， Tr2， Tr3; //三角形三個相鄰的三角形的索引值

Ctin *Next //下一個三角形的索引，形成單向鏈表

..............

}

所開發三維地形仿真成圖系統建立的不同的TIN數目的地形平面模型圖（含高程值）如圖4 圖5所示。

2．2 地形實體的數字建模

用GIS的空間數據組織結構實現地形環境實體的數字建模。按照地形對象的屬性，可以將地形對象分為點，線，面，體四類數據結構來表達。

下面給出某山體地形環境的存貯結構：

Struct HillPart {

int Part_ID; //山體局部標識

char Part_Code; //山體局部編號

Struct Body *BodyList; //山體局部數組

Attributes_List //山體局部屬性列表

}

Struct Body {

int Body_ID; //體標識

int Part_ID; //包含該體的山體局部標號

char Patt_Code; //山體局部編號

int Body_Type; //體構造類型

Struct Mesh *MeshList; //構成體的面數組

Attributes_List; } //體屬性列表

Sruct Mesh {

int Mesh_ID; //面標識

int Body_ID; //包含該面的體標識

char Part_Code; //山體局部編號

int Mesh_Type; //面構造類型

Srucut Line *LineList; //構成面的線數組

Attributes_List; //面屬性列表

}

Struct Line {

int Line_ID; //線標識號

int Mesh_ID; //包含該線的面標識

char Part_Code; //山體局部編號

char Line_Type; //線構造類型

Struct Point *PointList; //構成線的點的有向數組

AttributesList; //線屬性列表

}

Srtuct Point {

int Point_ID; //點標識號

int Line_ID; //包含該點的線標識

char Part_Code; //山體局部編號

double x; //x， y， z

double y; // 坐標

double z;

AttributesList //點屬性列表

}

3 三維數字地形模型的可視化操作與分析

3．1 三維數字地形的動態顯示

為了達到逼真的顯示效果，在三維幾何模型上疊加實物影象數據。地形的紋理的構造可由TIN模型中的三角形與山體的正射影象圖的掃描坐標匹配，從而取得三角形內影象的恢度值或RGB值，然后把數據疊加到TIN模型上，由此得到真實光照和表面紋理的顯示效果。為了提高三維地形模型的顯示速度和效果，以及為了降低紋理貼圖時，影響數據的量，使用視點相關的動態多分辨率紋理模型（View-dependent and Multi-resolution Texture Model）。距離觀察者遠近不同的區域其紋理分辨率不同，即影射的距離觀察者較遠的區域，其紋理具有較低的分辨率，相反具有較高的分辨率，這也符合視覺原理。（具體算法可參照文獻[4]）

觀察者遠距離（在高空中）觀察看到的是粗略的地形；近距離觀察的是細微的地形。在虛擬的戰場地形環境中要表現這一特點，實現地形的動態地近乎人性化的顯示用了一種叫做視相關的實時Lod地形模型的多分辨率顯示技術（View-dependent and real-time LoD model of Multi-resolution terrain Rendering）。

在距離視點較近時用較多的多邊形描述；較遠時用較少的多邊形描述?？梢云胶鈭D形負載，符合場景的真實地表現的特點。（該技術的詳細介紹可參閱參考文獻[5]）

3．2 可視化的三維數字地形查詢

實現查詢的前提是數字模型的空間數據與屬性數據的一一對應。問題是二維屏幕顯示的點和三維模型的實際點不是一一對應的。這就必須用計算機圖形學的知識進行二維到三維的轉化。若屏幕捕獲到的點對應著地形點的坐標，到對應的真實三維坐標。 即

（其中為三維到二維投影的變換矩陣）。若鼠標捕捉到對應的屬性信息為山體的ID號。則由以下語句可實現山體屬性的查詢。

Select ( *， * ， from datebase ， where ID="***")

這樣就實現了數字地形的空間圖到屬性的查詢。

3．3 三維空間地形數據的分析

主要給出地形剖面繪制及空間距離量測的方法。由鼠標在顯示的三維數字地形DTM上任取兩點由可視點判別法得到對應的實際的地形的三維坐標，。 根據它們的平面位置和TIN模型存貯的數據結構和所在的TIN模型的三角形編號，由起點和終點的三角形位置和連線，可以得到與該連線相交的三角形的編號，從而求得剖線與一系列三角形相交的點的三維坐標把這些點兩兩相連構成一條三維曲線。選取合適的比例尺可以繪制出 兩點的地形剖面圖。并由公式：

計算出兩點的空間距離（沿地形面的兩點直線距離）。

4 結束語

把GIS的三維動態可視化技術引進到虛擬戰場地形環境中去，以數據的直觀可視 化為出發點來形象地描述戰場地形的特征，并能實現查詢 分析 功能，為全面準確快速掌握戰場的實時地形信息，提供了有力的工具。 6參考文獻

[1] 鄔倫 劉瑜 馬修軍 韋中亞 田原，地理信息系統原理方法和應用 科學出版社，2002。

[2] 劉建永 王源等，戰場環境信息學 理工大學工程兵工程學院 2002

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[4] 楊必勝 李清泉 史文中 三維GIS中多分辨率文理模型研究 中國圖形圖象學報

2003 3

[5] 潭兵 徐青 馬東洋 用約束四叉樹實現地形的實時多分辨率繪制 計算機輔助設計與圖形學報 2003 3

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一、虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱[2]。虛擬仿真技術又叫虛擬仿真或者模擬技術，是將一個真實的系統用虛擬的方法模仿出來。虛擬仿真技術是隨著計算機技術發展而逐步形成的一種實驗研究技術，是數學推理、科學實驗之后人類認識客觀規律的第三類方法，已逐漸成為人類認識和改造客觀世界的通用性、戰略性技術[3]。虛擬仿真技術在多媒體技術、虛擬現實技術、網絡通信技術等技術的基礎上，將仿真技術與虛擬現實技術結合在一起，構建逼真的虛擬環境。虛擬仿真可以是一個模擬器，一個仿真軟件，或者一個數學模型等[4]。虛擬仿真技術應用在軍事演習、醫學手術模擬、廣告宣傳等。近年來，隨著計算機技術與網絡技術的發展虛擬仿真技術廣泛地應用于實驗教學，虛擬仿真實驗已經成為一種新的教學模式[5]。

虛擬仿真技術在實訓中具有真實性、交互性、開放性及擴展性[6]。真實性是指虛擬仿真實訓中實驗環境具有很強的真實感，學習者在虛擬仿真實訓中感覺進入了真實的實訓室，操作虛擬設備，體驗真實的操作過程。交互性是指學習者可以通過鍵盤、鼠標操作虛擬設備，虛擬設備會在真實實訓中所出現的現象。開放性是指可以將虛擬仿真實訓以網頁的形式，學習者可以隨時隨地進行虛擬實驗，突破了時空的限制。擴展性是指虛擬設備或虛擬軟件等可以實現靈活地配置與組合，而且更新與維護方便，可以對虛擬設備或虛擬軟件進行二次開發。

二、Packet Trace軟件在計算機網絡實訓中的應用

（一）Packet Trace軟件簡介

Packet Tracer是思科公司開發的一種虛擬仿真軟件，可供網絡課程的初學者在虛擬環境中設計網絡、配置網絡、排除網絡故障。該軟件采用圖形化用戶界面，學習者可以通過鼠標拖曳設備及配置線構建網絡拓撲;提供的數據包在網絡中的流動過程可以適時地觀察網絡狀態;可通過IOS配置對設備進行配置管理，鍛煉學習者檢查、排除網絡故障的能力。

Packet Trace支持大量的設備仿真，比如路由器、交換機、Hub等各類網絡連接設備的仿真，每類設備還提供不同的型號;雙絞線、同軸電纜、光纖等各種傳輸介質的仿真;DNS、FTP、WEB、DHCP等服務器的仿真;還可以仿真很多模塊。而真實的實訓環境中往往不可能提供這么全面的實訓設備。Packet Trace運行很多網絡協議，支持TCP/IP協議，UDP協議、OSPF協議、HTTP協議、SMTP協議、Telnet協議等常見協議，及不常見的ARP協議、Ethernet協議、HDLC協議、ICMP協議、IPv6等協議。Packet Trace支持邏輯空間設計及物理空間設計兩種模式。Packet Trace中的數據包可采用實時傳輸模式和仿真傳輸模式，實時傳輸與真實傳輸過程一樣，仿真傳輸可以看到數據傳送的過程。

（二）Packet Trace軟件的應用

假設某公司需要構建自己的網站，并在網站上提供郵件系統服務。通過分析，為了完成本實驗需要用到的設備有：首先需要一臺網站（Web）服務器、一臺郵件（E-mail）服務器;另外還需要一臺域名解析（DNS）服務器（通?？梢杂蓪ｉT的機構提供，為了方便在仿真軟件中構建了自己的DNS服務器）;還需要幾臺可以上網的PC機;為了將這些設備連接起來，需要一臺交換機。還需要配置每個服務器的協議及每個服務器和PC機的地址;如果需要遠程登錄交換機還需要對交換機進行配置。這個實驗可以在真實的環境中完成，也可以在虛擬仿真軟件Packet Trace中完成。以下先通過Packet Trace軟件進行虛擬仿真實驗。

1.構建網絡拓撲

將Web服務器、E-mail服務器、DNS服務器、兩臺PC機拖曳進主界面，并連接好配置線，將設備分別重命名，得到實驗的網絡拓撲，如圖1所示。

圖1  網絡拓撲結構圖

2.配置各設備

（1）配置DNS服務器。鼠標單擊DNS服務器，首先在Desktop選項中選擇“IP Configuration”設置靜態分配（Static），設置好各地址參數，其中IP地址192.168.1.2;然后在Config選項卡中設置GLOBAL項中的Gateway為：192.168.1.1，DNS Server為192.168.2;最后將DNS項以外的其他協議全部關閉，并在DNS中添加網站（fly.com）及郵箱（pop3.163.com，stmp.163.com）的域名解析，如圖2所示。

圖2  DNS域名解析配置

（2）配置Web服務器。鼠標單擊Web服務器，在Desktop選項卡中配置好IP Configuration中各地址，IP地址為192.168.1.8;然后在Config選項卡中設置GLOBAL項中的Gateway為：192.168.1.1，DNS Server為192.168.2;再后將HTTP項以外的其他協議全部關閉，還可以在此處修改網頁代碼，以修改網頁的顯示內容。

（3）配置郵件服務器。點開E-mail服務器，配置好IP Configuration中各地址，IP地址為192.168.1.3;然后在Config選項卡中設置GLOBAL項中的Gateway為：192.168.1.1，DNS Server為192.168.2;再后將E-mail項以外的其他協議全部關閉，并在E-mail項中設置Domain name及添加郵箱用戶名及用戶密碼。

（4）配置交換機。如果交換機不需要遠程登錄進行配置管理，則無需配置。如果需要進行遠程登錄管理那么需要給交換機配置地址。交換機配置地址需要通過IOS配置方式。給交換機配置地址為192.168.1.253。點開交換機，進入CLI選項，回車后鍵入命令，下面進行簡單的配置命令：

Switch>en//進入特權模式

Switch#conf t //進入全局模式

Switch（config）#inter vlan 1（默認交換機的所有端口都在VLAN1中）//創建并進入VLAN1的接口視圖

Switch（config-if）#ip address 192.168.1.253 255.255.255.0//在VLAN1接口上配置交換機遠程管理的IP地址

Switch（config-if）#no shutdown//開啟接口

Switch（config-if）#exit//回到全局配置模式

（5）配置兩臺PC機的地址。點開PC0，在Desktop選項中選擇“IP Configuration”設置靜態分配（Static），設置好各地址參數，其中IP地址192.168.1.4。PC1的設置同PC0，其中IP地址為192.168.1.5。

3.測試驗證實驗

（1）驗證網站功能。在PC0（或PC1）上，點開進入Web Brower選項，輸入網址fly.com，再點擊go，如果能夠正確顯示出Web服務器上的主頁，則說明Web服務器實驗成功。否則需要重新檢測故障，并排除故障，直到能夠成功顯示。

（2）驗證郵件收發功能。鼠標單擊PC0（或PC1）上，選擇Desktop選項，單擊E-Mail，進入MAILBROWER，單擊Configure Mail，然后進行相應的配置。保存后返回MAIL BROWER，進行收發郵件測試，如果能成功收發郵件，則說明郵件服務器實驗成功，否則需要檢測并排除故障。

三、Packet Trace虛擬仿真實驗與真實實驗的對比分析

在Packet Trace虛擬仿真軟件中，學習者可以通過圖形化界面，對虛擬的設備進行連線、配置、測試、排除故障等，在逼真的環境中，體驗真實實驗的過程，完成實驗，得到真實實驗的結果。而且虛擬實驗中需要用到的實驗設備，只需要用鼠標拖曳出來即可，仿真軟件提供不同的設備和相同設備不同型號的選擇，實驗非常方便靈活。而在真實的實驗中，很多實訓場所不可能提供這么多的設備，更難具備各種不同型號的設備，仿真軟件大大地節約了設備成本。在虛擬實驗中，可以不斷地重新配置，嘗試不同的配置方法，不會損壞設備，配置不成功，可以刪除設備，重新拖曳進新設備進行配置，而在真實實驗中配置不正確，操作不當，可能損壞真實設備，而且不可能把真實設備丟掉后再用新設備進行配置管理，因此，虛擬仿真實驗提供了更靈活的配置方法，增強了學習者的學習興趣。在虛擬實驗中，不需要專門的實訓場所，不需要實訓室管理維護人員，節約了實訓場所成本以及管理人員成本;虛擬實驗可以在任意一臺電腦上完成，突破了時間與空間的限制，可以使學習者隨時隨地進行實驗，學習更輕松，效率更高。

但是在虛擬仿真實驗中有一些與真實實驗不完全相同的地方，比如設備之間的連線，只需要選擇一種介質即可，甚至可以由系統智能判斷選擇什么介質，所以配線環節不會出現錯誤。而在真實實驗中，學習者可能不知道具體的設備需要選擇哪種傳輸介質，或者傳輸介質沒有連接好、松動、串擾等都可能造成實驗不成功，而這些在虛擬實驗中都不會出現。另外，如Web服務器配置，在虛擬實驗中沒有設備Web站點，只需要將HTTP協議打開即可，而在真實的實驗中Web站點的配置存在版本的不兼容、默認站點的位置不正確以及登錄用戶的權限設置等問題都可能引起Web服務配置不成功。

因此，虛擬實驗仿真實驗需要與真實實驗結合起來，不能只是單純地進行虛擬仿真實驗。比如，可以讓初學者先通過虛擬仿真實驗，熟悉設備、設備的型號、設備的配置方法、設備的管理方法、設備的排障方法等，然后再結合真實設備進行實驗，這樣將使學習效果更佳。

篇8

基于虛擬仿真技術和計算網絡技術的實驗教學方法已經成為不可或缺的實驗教學手段。虛擬仿真實驗教學體系的構建，將促進教學資源的科學規劃和持續發展。以學科發展為依托、以培養具有綜合實踐能力和創新能力的人才為目標，本著能實不虛、虛實結合的原則，在實體實驗的基礎上，打破原有實驗教學環節和專業內容所固有的界限，探索構建了三平臺、三層次、一體化的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系。“三三一”體系的構建既豐富了專業實驗教學內容，又為學生在基于虛擬仿真技術的跨專業大型綜合實驗教學資源中，提供更多的應用技能、綜合能力和創新能力訓練的機會。

關鍵詞:

電氣工程;自動化;虛擬仿真

天津大學電氣與自動化實驗中心承擔著面向全校10個專業、47門課程的本科生實驗教學工作，其中包括課程實驗、課程設計、生產實習、畢業設計等多種教學實驗環節。近年來，實驗中心為了解決大型綜合實體實驗項目在建設、運行、維護等工作中受場地或經費等條件限制、阻礙學科建設與發展的問題;為了滿足學生創新訓練的需要，積極促進科研成果向教學資源的轉化，在實體實驗教學環境不斷完善、發展的同時，對部分專業課實驗教學內容進行了虛擬實驗環境及仿真系統的開發與建設。先后建設了“智能電網仿真實驗教學平臺”、“多相流虛擬仿真實驗教學系統”、“高電壓虛擬仿真實驗教學系統”、“機器人及自主系統虛擬仿真實驗教學平臺”、“工業生產線虛擬環境”等一批虛擬仿真實驗教學資源［1－2］，并全部應用于實驗教學中。2012年9月為了更好地管理和優化教學資源，學校成立了電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心。按照培養具有綜合能力、實踐能力和創新能力的高素質人才的需要，本著“相互補充、互融互通”的原則，構建了“三平臺、三層次、一體化”的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系。經過5年的時間，依照“能實不虛、虛實結合”的原則，完成了15個虛擬仿真實驗教學項目的建設工作。虛擬仿真實驗教學體系為實驗資源開發提出了明確的目標。

1虛擬仿真實驗教學的特點

充分發揮虛擬仿真實驗教學的特點和優勢，是構建一套科學、高效、可持續發展的虛擬仿真實驗教學體系的關鍵。其特點如下。

1．1豐富的教學內容

基于互聯網的虛擬仿真技術為實驗教學帶來了不受時間、空間限制的特點，它可以將學生帶入未知的科學世界。相比傳統實體實驗課程的內容，虛擬仿真實驗項目可以是千變萬化的［3］。學生不僅可以利用所學知識靈活地解決問題，還可以按照自己的興趣愛好設計問題，探索未知的世界。例如:傳統的電機學實驗，學生只能觀測電機外特性結果，無法從根本上理解電機的內部磁場分布、不同運行工況下的磁場變化。而虛擬仿真實驗利用電機電磁場有限元分析軟件，使學生能通過虛擬仿真環境，了解電機內部磁場分布及性能特性曲線。同時，虛擬仿真技術打破了不同專業實驗室的隔墻，為跨學科的交叉應用提供了廣闊的實踐天地。

1．2靈活的教學環節

為體現“以人為本”的教育、教學理念，適應個性化學習需求，有利于創新能力的培養，實驗教學體系應該包含多層次的實驗教學環節，學生可以選擇適合自己知識水平、興趣愛好的實驗內容。并且隨著學習進度的變化，可以跨越教學層次提升(或回顧以往)實驗內容［4］。這在實體實驗教學活動中是很難實現的。靈活的虛擬仿真實驗資源建立了不同教學環節之間的知識鏈接，使學生在夯實基礎知識的前提下，有更多接觸專業實驗和創新實踐的機會。

1．3不可及和不可逆過程的實現

在涉及高?；驑O端環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時［5］，虛擬仿真技術提供可靠、安全和經濟的實驗手段。例如:在“高電壓虛擬仿真實驗教學系統”中學生可以隨時觀察高壓放電的模擬場景。

1．4無處不在的實驗室

基于互聯網的虛擬仿真實驗教學資源不僅可以為學生在任何時間和地點開展實驗提供條件［6］，同時也可以將優秀的實驗教學資源開放，為兄弟院校、企業、社區提供教學服務。

2虛擬仿真實驗教學體系的構建

虛擬仿真實驗教學體系在教學大系統中，與實體實驗教學體系相互補充，同樣需要遵循實驗教學的客觀規律和基本準則［7－8］。通過利用“互聯網思維”和“虛擬仿真技術”對現有實體實驗教學活動中的內容和環節進行了全面的、系統的再設計，形成了科學的和可持續發展的虛擬仿真實驗教學系統。首先將基礎實驗、專業綜合實驗和創新與實踐訓練的三個虛擬仿真實驗教學平臺按照理論應用、綜合設計、系統構建劃分三個教學層次;然后利用虛擬仿真實驗教學的特點和優勢，將不同平臺(教學層次)的實驗項目進行互聯互通、相互融合，形成了教學體系的一體化。

2．1以教學環節為導向的實驗教學平臺

以教學環節為導向的實驗教學平臺包括基礎實驗教學平臺、專業綜合實驗教學平臺以及創新與實踐教學平臺，如圖1所示。

2．1．1基礎實驗教學平臺

該平臺側重基礎知識的教學工作。通過驗證基礎科學和技術原理，使學生切身體驗科學發現與工程技術的發展歷程，進而內化為其自身的工程意識與素養［9］。虛擬仿真實驗教學可以為學生提供不受限于時間、地點的實驗環境，“無處不在的實驗室”有助于提高學生做實驗的興趣、培養獨立思考問題和解決問題的能力。

2．1．2專業綜合實驗教學平臺

專業綜合實驗平臺主要包括課程設計、綜合實驗、工程設計綜合訓練等集中教學環節。由于部分綜合類實體實驗受實驗設備功能的限制，學生可以選擇的實驗內容有限，尤其是一些大型、高風險、高能耗、高成本、不可及或不可逆的項目根本無法對本科生開放。構建虛擬仿真專業綜合實驗教學平臺，將不可能變成可能，不僅可以開設大型綜合實驗項目的仿真環境，還可以實現跨專業的綜合實踐訓練。為學生提供貼近實際的工程應用，對解決現實條件無法滿足專業綜合實驗教學需求的矛盾有著不可替代的作用。實現了實驗室與生產現場的“無縫對接”。

2．1．3創新實踐教學平臺

科學的創新實踐教學方案需要良好的教學平臺支撐。利用虛擬仿真技術針對電氣工程及自動化專業的學科特色，結合“智能電網”、“航空航天”、“機器人”、“工業自動化”以及“新型傳感器”等專業領域前沿技術建立虛擬仿真系統，從實驗教學環節加強學生對相關學科前沿成果的深入理解。

2．2以教學目標為導向的三層次

在三個教學平臺中學生可以循序漸進的完成知識學習和技能訓練。但是，由于學生在專業方向、學習進度、興趣愛好等方面存在個性差異，所以在學習過程中就會需要在不同的教學平臺之間進行廣泛的聯系，尤其是學科交叉的教學資源中，需要橫向的、跨平臺的知識融合。每個虛擬實驗教學平臺分別按照理論應用、綜合設計、系統構建三個層次進行劃分，充分發揮虛擬仿真技術的優勢，建立實驗教學平臺之間相互補充、互融互通的橫向鏈接。如圖2所示。

2．2．1理論應用層

理論應用層重點突出的是圍繞基礎理論知識，利用虛擬仿真技術為學生提供豐富的實驗內容，包括一些看不見、摸不到的物理現象，基礎理論在實際工程應用的案例等。更為重要的是，通過互聯網虛擬仿真技術的應用，學生可在任何時間和地點直觀形象的完成本專業科學理論與科學技術的基礎性實驗，有助于學生夯實理論知識。

2．2．2綜合設計層

綜合設計層是將相關專業基礎知識交叉綜合應用。著重培養學生運用專業基礎知識、實驗技術和實驗手段、分析問題、解決問題的能力，使學生不論在知識的積累上還是實驗技能的提高上都有較大的飛躍。通過虛擬仿真技術的應用，實驗場景可以更加貼近工程實際，有效解決以往受實驗設備或場地限制［10］，用抽象的示意模型代替復雜受控對象的問題;在大幅度提高實驗項目豐富程度的同時，通過互聯網技術的應用也可以提高教學資源的共享率。

2．2．3系統構建層

系統構建層是讓學生在虛擬環境中將所學到的工程研究與創新方法得到應用和訓練。讓學生體會利用掌握的知識和技能在復雜工程實踐中解決問題的快樂，真正做到學以致用［11］。該類實驗可培養學生從事科學研究和技術開發的綜合能力，為培養具有創新能力的高素質專業人才提供訓練條件。虛擬仿真教學體系中的系統構建層實驗教學資源有效的解決了生產實習、畢業設計等環節與工程實際脫節的問題。

2．3互融互通、互為補充的一體化理念

虛擬仿真實驗教學體系如圖3所示，其中教學平臺的教學資源根據教學目的而設計，課程內容貫穿資源;教學層次是以培養應用能力為目標，將不同平臺教學資源橫向連接。在注重專業培養、因材施教的同時，教學平臺之間互融互通，教學層次之間相互補充［12］，是虛擬仿真實驗教學中心“一體化”建設核心。虛擬仿真實驗教學體系一體化建設打通了學科專業界限，是培養創新型人才的新機制。

3結語

篇9

關鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；網絡工程；多元協同；虛實互動

實驗教學作為學生實踐能力和創新能力培養的重要載體，需要有相應的實驗教學平臺作為支撐。傳統的實驗教學平臺采用實體形式，以物理空間中的實體設備、器件和材料為實驗對象或載體，具有真實、直觀、直接的優點，但存在更新運維成本高、規模與復雜度受限、可擴展性差、開放共享難等不足。虛擬仿真實驗教學綜合運用信息與通信技術，在信息空間中構建高度仿真的實驗操作環境和實驗對象，提供類似于實體實驗教學的體驗與效果，具有近似、抽象和間接的特點，并在可視性、交互性、安全性、可擴展性與可共享性等方面具備優勢，是對實體實驗教學的有益補充與完善。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設需要解決的關鍵問題

作為專業人才培養的重要教學保障和優質實驗教學資源共享的主要載體，虛擬仿真實驗教學中心建設不能簡單停留在對實體實驗教學項目的信息化再現或資源堆砌，必須思考并解決以下六方面的關鍵問題。

第一，建設理念。涉及虛擬仿真實驗教學中心的基本指導思想、建設目標、服務面向，以及在專業人才培養中所應承擔的角色或發揮的作用。

第二，建設內涵。與指導思想、建設目標與服務面向相適應，涉及虛擬仿真實驗教學中心建設的教育教學品質與特色，例如是以基礎研究與教學為特色，還是以工程研發或工程應用教學為特色。

第三，建設主線。涉及虛擬仿真實驗教學中心建設的核心線索或體系，需要系統而有效地組織有關的實驗教學資源，以滿足中心的服務功能與特色。

第四，建設方法與途徑。通過什么樣的方法與途徑實施虛擬仿真實驗教學中心建設，是院校單獨建設，還是校內外協同；是自主開發，還是購買服務，抑或是多方面結合。

第五，使用模式。如何將虛擬仿真實驗教學中心資源運用于課內外教學，其與實體實驗之間是什么關系，如何發揮各自的優勢與長處，以提高實驗教學的實效。

第六，開放共享機制。虛擬仿真實驗教學中心如何實現優質實驗教學服務的開放共享，包括服務的對象與范圍、策略與機制以及服務能力等。

二、面向工程應用型人才培養的虛擬仿真實驗教學中心建設思路

作為地方本科院校，溫州大學網絡工程專業以培養工程應用型人才為目標。為此，針對前述六大關鍵問題，我們提出了“學生發展為中心、工程應用為特色、能力培養為導向、多元協同為抓手、虛實互動增成效、開放共享促輻射”的基本建設思路。

（1）學生發展為中心，解決建設理念問題。服務于網絡工程專業工程應用型人才培養目標，作為該專業實踐教學平臺的重要組成部分，虛擬仿真實驗教學中心立足學生創新精神、綜合素質與實踐能力的協調發展，支撐問題分析、問題研究、解決方案設計以及現代工具使用等相關畢業要求與培養標準的達成，并促進學生的自主性學習與個性化學習。

（2）工程用為特色，解決建設內涵問題。虛擬仿真實驗教學中心建設內涵與品質必須和網絡工程專業工程應用型人才的培養目標與特色相契合，并著重在三個層面上予以把握：一是教學內容有效覆蓋網絡工程生命周期的主要應用環節，包括規劃與設計、部署與開發、運行與維護等；二是實驗平全支持當前主流的網絡設備廠商及其產品，與業界主流網絡技術及其應用無縫對接；三是綜合性、設計性和創新性虛擬仿真實驗教學項目都來源于網絡工程實際問題或相關項目案例。

（3）能力培養為導向，解決建設主線問題。改變傳統的以課程為核心的教學組織框架，體現以能力為導向，圍繞工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力培養，針對遞進性的分級能力培養目標，對虛擬仿真實驗教學資源在實現技術、方式和手段等方面進行系統而精細地設計與開發。

（4）多元協同為抓手，解決建設方法與途徑問題。為了落實能力培養核心與工程應用特色，依托高校與企業、教學與科研、教學研究與教學實踐的多元協同，建立由教師、研究人員與工程師組成的專業化團隊，融合虛擬仿真實驗教學相關的教育、科技與工程優質資源，深度協作致力于虛擬仿真中心的開發與建設。

（5）虛實互動增成效，解決使用模式問題。充分發揮虛擬仿真實驗教學與實體實驗教學各自的優勢，改革單純基于實體實驗教學資源的傳統模式，結合分級能力培養目標，構建與實施虛擬實體高度互補、線上線下有機互動的新型實驗教學模式，貫穿課內課外的各項教學活動，全面提高實驗教學效果。

（6）開放共享促輻射，解決推廣機制問題。建立管理服務與技術服務的“雙輪驅動”機制，促進虛擬仿真中心的開放共享。在管理服務方面，面向兄弟院校、業界企業的團體與個人用戶提供“Lab as a Service”形態的虛擬仿真實驗教學云計算服務，為兄弟院校提供以全面降低使用門檻在技術服務方面，利用先進的虛擬數據中心網絡技術提供安全、穩健、靈活的虛擬仿真實驗教學服務，充分保障虛擬仿真實驗教學服務的品質。

三、網絡工程國家級虛擬仿真實驗教學中心建設實踐

依據上述基本建設思路，溫州大學網絡工程國家級虛擬仿真實驗教學中心主要進行了以下建設實踐。

1.能力培養為導向的虛擬仿真實驗教學體系

以“專業基本技能一綜合實踐能力一工程實踐能力一工程設計/創新能力”的遞進式模型為主線，圍繞綜合分析和解決復雜網絡工程問題的能力進行了虛擬仿真實驗教學體系建設，如下表所示。

其中，專業基本技能培養階段的虛擬仿真實驗以演示認知型、分析驗證型以及基礎操作型等形式為主，以對少量技能點的認知或理解為教學目標，以可視性、交互性表現突出的軟件仿真技術為主要實現途徑，網絡工程問題復雜度低；綜合實踐能力培養階段的虛擬仿真實驗以綜合訓練型為主，以對數個領域的大量技能點的整體掌握為教學目標，以仿真程度高的硬件虛擬技術為主要實現途徑，網絡工程問題復雜度較高；工程實踐能力培養階段的虛擬仿真實驗以工程演練型為主，以掌握真實網絡工程項目的部署與實施、測試與驗證為主要教學目標，以仿真程度高的硬件虛擬技術為主要實現途徑，網絡工程問題復雜度高；工程設計/創新能力培養階段的虛擬仿真實驗以創新設計型為主，以掌握真實網絡工程項目的規劃、設計與開發為主要教學目標，結合軟件仿真技術與硬件虛擬技術實現，網絡工程問題復雜度最高。

2.工程應用為特色的虛擬仿真實驗教學項目庫

在虛擬仿真實驗教學項目庫的建設中，主要通過以下三種途徑實現工程應用內涵與特色。

（1）虛擬仿真實驗教學項目的技術與產品覆蓋面接軌當前網絡工程行業的熱點應用領域與主流產品。包括網絡互連、網絡安全、無線局域網、協作網絡、數據中心網絡、運營商網絡等，支持對這些領域各主流廠商設備的軟件仿真或硬件虛擬。

（2）虛擬仿真實驗教學項目的能力點定位與設計源于網絡工程應用的實際需要，根據當前網絡工程生命周期各階段對工程能力要求的分布，對實驗教學內容進行細致的梳理與篩選。每門課程精選出若干能力點，并依據規劃與設計、部署與開發、測試與驗證、運行與維護等不同階段內能力點之間的關聯性，有針對性地設計虛擬仿真實驗教學項目的能力點組合方案。

（3）在虛擬仿真實驗教學內容的組織與設計上，以能力點目標組合方案為出發點，以網絡工程案例為背景素材，以實際需求和工程問題為導向，進行虛擬仿真實驗教學項目的設計，保障其真實性、時效性以及針對性。網絡工程案例主要來源于合作企業工程師參與或主持的工程項目，經過有豐富經驗的工程師根據分級能力目標對復雜網絡工程問題的分解、梳理與萃取。

當前，虛擬仿真中心建成的306個實驗教學項目對應于分級能力培養目標的項目數量比例大致為4：4：1：1，其中直接來源于實際網絡工程案例合計占總數的一半以上。

3.多元協同的虛擬仿真實驗教學中心開發與建設方式

多元協同的開發與建設方式體現在三個方面，即高校與企業協同、教學與科研協同、教學研究與教學實踐協同。

首先，通過與兩家業界領軍企業（思科系統與思博倫通信）的校企協同，在技術層面獲得了網絡功能虛擬化的授權，解決了對網絡系統進行高度虛擬和仿真的核心技術難題，同時獲得了工程師的加盟，增強了開發與建設隊伍的整體技術實力；在資源層面得到了企業一線工程師隊伍的寶貴經驗，解決了虛擬仿真實驗教學項目案例主要來源的關鍵問題；在管理層面借鑒了企業在線實驗室開放與管理模式，解決了虛擬仿真實驗教學服務的安全性和穩健性問題。

其次，充分利用高校教師隊伍教學與科研并舉的優勢，依托教學與科研協同實現了科研反哺虛擬仿真實驗教學。一是通過學生課外科技與創新活動等形式，將科研成果直接或間接轉化成虛擬仿真實驗教學項目，此類項目占總數近14%；二是在虛擬仿真中心的開發與建設中，轉化了許多虛擬化與云計算領域的科研成果，到目前為止直接實施應用的發明專利共有6項，主題涉及網絡服務質量、虛擬機資源配置以及云計算調度等。

最后，依托教學研究與教學實踐的協同解決了虛擬仿真中心建設各個層面的多個關鍵理論問題。例如，針對虛擬仿真中心硬件平臺的建設，先后依托兩項浙江省提升地方高校辦學水平專項資金項目開展了主題為“多租戶虛擬數據中心網絡建設”的研究；針對虛擬仿真中心軟件平臺的建設，依托浙江省高校實驗室工作研究重點項目開展了主題為“‘實驗教學即服務’的云計算模式構建”的研究；針對虛擬仿真實驗教學的應用，依托浙江省高等教育課堂教學改革項目開展了主題為“依托虛擬仿真實驗教學平臺的混合式實踐教學模式探索”的課題研究；針對校企合作開發與建設虛擬仿真中心的機制，依托浙江省高等教育教學改革項目開展了主題為“基于企業生態系統的分布式工程實踐教育中心建設模式探索與實踐”的課題研究。

4.虛實互動的實驗教學資源使用模式

相對于傳統的網絡工程實體實驗教學，網絡工程虛擬仿真實驗教學在以下方面具有明顯的優勢，對實體實驗教學起到補足與增強作用。

首先，彌補了實體實驗教學在開放時間、地點和方式上的不足，實現在任意安裝有瀏覽器的終端設備上隨時隨地訪問虛擬仿真實驗教學資源以及實體實驗教學資源進行練習，為自主性學習和個性化提供充分的保障。

其次，克服實體實驗教學可見性與交互性差的弱點，實現對網絡協議和網絡系統工作原理的交互式可視化呈現，促進對基本技能點的J知、理解與掌握。

再次，克服實體實驗教學在拓撲規模、網絡特性以及管理便捷性等方面的局限，以低成本構建特性更豐富、結構更復雜的虛擬仿真實驗教學環境，進而實現簡捷高效的連接與配置管理，提高綜合性實踐教學的品質。

最后，克服實體實驗教學由于成本因素而明顯滯后于工程應用發展水平的局限，支持跨廠商、多系列高端網絡設備，支持對復雜網絡系統連接與配置的多視角可視化交互管理，用于在專業實習或畢業設計環節中對實際復雜網絡工程項目進行快速概念驗證。

為充分發揮虛擬仿真實驗教學在支撐實踐能力培養目標的不同維度上的優勢，結合能力分級目標的特點，依據兩者之間的內在邏輯關系，可以將實驗教學資源的組合使用模式分為四種：虛輔實主、虛實并舉、虛主實輔以及純虛擬仿真。

（1）虛輔實主模式。利用上述第一與第二項優勢，適用于專業基本技能培養階段。虛擬仿真實驗教學項目是對實體實驗教學項目的近似仿真，虛擬仿真實驗平臺用于課前預習以及課后練習，而在課堂中使用實體實驗平臺與虛擬仿真實驗相互印證。

（2）虛實并舉模式。利用上述第一與第三項優勢，適用于綜合實踐能力培養階段。虛擬仿真實驗教學主要面向開放實驗項目、學生科技創新項目、專業技能競賽等課外教育活動，而實體實驗教學面向日常課堂。

（3）虛主實輔模式。利用上述第一與第三項優勢，適用于工程實踐能力培養階段。虛擬仿真實驗平臺用于前期耗時較長、不依賴于實體設備的建模與部署環節，實體實驗平臺用于后期耗時較短、依賴于實體設備的驗證與測試環節。

（4）純虛擬仿真模式。利用上述第一與第四項優勢，適用于工程設計/創新能力培養階段。學生在進入企業學習階段后，用于大規模復雜網絡工程解決方案的概念驗證，包括規劃與設計、建模與開發，用于新建網絡解決方案的展示、客戶網絡割接方案的預演以及客戶網絡故障排錯方案的驗證等。

當前，虛擬仿真中心所有實驗教學項目覆蓋10門專業課程、5門綜合實踐課程、4大類課外教育活動以及專業實習與畢業設計，時間跨度從大二下到大四。從整體人才培養過程來看，隨著專業教育階段的逐步深入，實踐能力培養目標逐步提升，所涉及的工程問題復雜度隨之提升，對實驗教學平臺支持能力的要求越來越高。相應地，所依托的實驗教學環境也由以實體中心為主逐漸演變為虛實結合，最終過渡到以虛擬仿真中心為主。

5.虛擬仿真實驗教學開放共享的實現與推廣

虛擬仿真中心對外開放共享提供虛擬仿真實驗教學服務的內涵包括管理服務與技術服務兩個方面。在管理服務方面，使用高級服務調度引擎將所有虛擬仿真實驗教學資源整合起來，以“實驗教學即服務”（Lab as a Service，LaaS）的形態統一對外提供開放共享。此外，對于兄弟院校與行業企業等團體用戶，為其提供專有的管理門戶，便于自我管理。在技術服務方面，構建了安全、健壯、高效、可擴展的技術平臺架構。其中，軟件仿真前端提供可視化的實驗教學體驗；而硬件虛擬后臺創建虛擬仿真網絡的運行實例并提供遠程配置與管理手段，而云監控與管理、云備份與安全提供充分的服務質量保障。

篇10

關鍵詞：應用型 經濟管理 虛擬仿真 實驗教學 建設思路

一、引言

國務院總理在2015年2月26日召開的國務院常務會議上提出要“引導一批普通本科高校向應用技術型高校轉型”。在國務院印發的《關于加快發展現代職業教育的決定》（國發[2014]19號）（以下簡稱《決定》）中也提出“引導普通本科高等學校轉型發展”，強調“采取試點推動、示范引領等方式，引導一批普通本科高等學校向應用技術類型高等學校轉型，重點舉辦本科職業教育?！泵鎸Ω咝Ｈ瞬殴┙o與社會需求突出矛盾，大學生“就業難”與企業“用工荒”的矛盾，高校的發展與經濟社會轉型不相適應的問題，高校轉型勢在必行。武漢工商學院作為應用型本科院校轉型的試點學校，較早的把虛擬仿真技術應用于培養適應現代經濟社會所需要的應用型、技能型經濟管理人才的實驗教學中，利用虛擬現實、多媒體、數據庫和網絡通信技術，構建仿真模擬實驗環境，改進傳統實驗不具備或難以完成的教學功能，以達到理論認知驗證、專業技能訓練的教學效果。經濟管理虛擬仿真實驗教學平臺的建設順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，必將對提高高等教育質量和深化實驗教學改革發揮積極而重要的作用。

二、經濟管理虛擬仿真實驗教學平臺的建設思路

我校經濟管理虛擬仿真實驗教學中心緊緊圍繞學校的轉型發展和“應用技術型”人才培養目標，根據應用型人才（知識+技術+能力+素質）的結構和教育教學要求，按照應用本科人才培養規格和人才培養體系，以經濟管理虛擬仿真實驗教學為抓手，重點開展資源、平臺、隊伍、制度等方面的建設，著力打造起經濟管理虛擬仿真綜合實踐平臺，形成持續服務實驗教學和優質實驗教學資源開放共享的有機整體，以應對經濟發展方式的轉變對人才需求的變化。

經濟管理虛擬仿真綜合實踐平臺的建設以突出應用、強化能力、提高素質為目的，集合“教學、實驗、實訓、實習、科研、培訓”六大功能為一體，通過虛擬仿真的技術手段，以校企合作、產教融合、區域支柱產業、戰略性新興產業為依托和支撐，形成具有武漢工商學院經濟管理人才培養特色的完整的虛擬仿真實驗教學體系。該平臺由經濟管理專業集群虛擬仿真實驗平臺和經濟管理跨專業綜合實訓實習平臺兩大板塊組成，兩者相互聯系、相互融通，形成一個完整的有機體，同時，在不同的教學環節和培養學生的應用實踐能力、專業綜合能力和創新創業能力方面發揮各自相對獨立的功能。平臺總體結構，如圖1所示。

（一）經濟管理專業集群虛擬仿真實驗平臺

專業集群虛擬仿真實驗平臺建設按照專業集群建設的改革思路，以“應用技術型”人才培養目標為核心，以行業和產業為背景，積極推進產教融合、校企合作，構建起以各虛擬仿真實驗模塊為主要內容的基礎實驗、專業實驗、專業綜合實驗三個實驗層次的專業集群實驗教學平臺。該平臺依托中心指揮管理平臺，結合經濟管理實驗教學改革的新動態，依照人才培養目標要求開展虛擬仿真實驗教學工作。經濟管理專業集群虛擬仿真實驗平臺構架，如圖2所示。

經濟管理專業集群虛擬仿真實驗平臺包括國際貿易、金融市場、財務會計、企業運營、旅游管理、人力資源、電子商務、物流及供應鏈等8個虛擬仿真實驗教學模塊，覆蓋了學校兩個專業集群主要的經濟管理類專業，實驗教學內容緊密結合湖北、武漢現代農業、工業、服務業和新型戰略產業的發展，為培養生產服務一線知識型、技術型、創新型高素質勞動者的專業綜合能力和職業能力，提供了有效地支撐。

（二）經濟管理跨專業綜合實訓和實習平臺

經濟管理跨專業綜合實訓和實習平臺是基于企業價值鏈理論的仿真實訓項目，整合了企業管理、市場營銷、會計、金融、物流、政務服務等多方面的知識，將各個專業涉及的上下游崗位串聯起來，使學生形成立體化的知識和能力，是跨學科、跨專業的綜合型、設計型、創新型實驗大平臺。

經濟管理跨專業綜合實訓和實習平臺采用連續集中、分散集中、半集中教學形式，通過博弈、實景、角色扮演、協作、討論、激勵、驗證等多種實習方法，完成企業經營到供應鏈競合與服務業協同的仿真環境實習，從知識、能力、職業素養三方面進行綜合評價，最終形成各階段實習成果，綜合實習的特殊性決定了考核評價的綜合性，在考核評價中將過程考核與結果考核相結合、教師考核與學生自我考核相結合，團隊考核與個人考核相結合，個人表現考核與工作業績考核相結合，履行崗位職責考核與特別貢獻考核相結合，通過評價指標庫建立評價方案，從團隊精神、分工協作與溝通交流、經營決策、經營業績、管理制度、業務完成情況、公司績效、資料管理、部門或公司經營報告、實驗報告、業務處理情況、出勤率、提交書面材料等多點、多方位進行評價。經濟管理跨專業綜合實訓和實習平臺，如圖3所示：

經濟管理跨專業綜合實訓和實習無疑是經濟管理虛擬仿真實驗教學模式的一種探索與創新，該平臺的建設表明中心的虛擬仿真實驗教學進入了新的發展階段。學生在近似真實環境中運用已掌握的專業知識進行與現實接軌最真實化、最低成本、零風險的具有社會層面的、行業層面的、企業層面的、崗位層面的各類體驗和訓練，得到一個完整全面的認識和鍛煉。經濟管理跨專業綜合實訓和實習平臺的建設，以系統論、信息論、控制論思想統領全局，以教學設計為主導，以計算機、網絡、云技術、大數據等信息技術為依托，將網絡信息技術與課堂教學有機整合，以制造業為主體，虛擬了商務環境、政務環境和公共服務環境，仿真生產經營全流程活動，使學生可以在這一社會經濟活動的虛擬仿真平臺上獲得與真實社會經濟活動相近的實戰效果，同時提高學生的團隊合作意識和自主創新能力。

三、經濟管理虛擬仿真實驗教學平臺的創新與特色

（一）構建了基于云技術的數字化、網絡化虛擬仿真實驗管理與教學平臺

在武漢工商學院數字化校園建設的基礎上，實驗教學中心以互聯網和移動互聯、云計算、大數據以及現代通信技術的開放式實驗教學管理與服務支持系統為依托，建立起網絡化實驗教學平臺和經濟管理學科實驗項目共享資源服務體系兩大項目。實現了實驗教學和實驗教學管理的信息化和智能化，利用現代技術教學手段在實驗、實訓中的應用，構建起資源開放與共享的虛擬仿真實驗教學信息化環境；建立了經濟管理學科實驗項目共享資源服務體系，針對遠程教學的環境，結合經濟管理學科專業實驗的特點，完善和優化了實驗教學資源。

（二）建立起虛實結合的實驗環境，提供可靠、安全、經濟的實驗項目

利用現代教育信息技術，以計算機網絡為基礎，將虛擬網絡平臺與有形實驗環境相結合，構建仿真化、虛擬化相結合的實驗教學環境。把社會、企業搬進校園，把經管類各專業的實習融合在實驗室平臺上，形成高仿真的實驗教學環境，訓練學生根據自己的所學專業在實訓中操作不同的崗位認知和了解企業內部經營管理及環境及其關系，拓展學生實踐知識的寬度，體驗企業經營的整體框架，使學生提前感知和適應未來實際工作時才有的崗位環境，增強了學生的自信心和勝任感。以虛擬現實、依托多媒體、進行人機交互、利用數據庫和網絡通信等技術，讓學生在虛擬的經濟社會環境中開展實驗，幫助學生掌握理論知識，增加了動手、實踐機會，實現了實驗教學環境和實驗教學內容、方法、手段的大膽創新。

（三）依托轉型發展、深化校企合作，培養區域經濟發展需要的應用型人才

經濟管理虛擬仿真實驗教學緊緊圍繞學校的轉型發展和“應用技術型”人才培養目標，根據應用型人才的結構和教育教學要求，按照應用本科人才培養規格和人才培養體系，依托轉型發展、開展校企合作，以經濟管理虛擬仿實驗真教學為抓手，重點開展資源平臺的建設，在培養區域經濟發展所需要的應用型人才過程中形成了自己的特色與創新。

四、結束語

武漢工商學院經濟管理虛擬仿真實驗教學中心通過對虛擬仿真實驗教學平臺長期的探索與實踐，在實驗教學、創新人才培養模式取得了新的進展。提高了應用型本科院校的人才培養質量，培養了有實踐經驗的創新創業人才。所取得的成果充分展示了虛擬仿真技術在虛擬仿真實驗教學、實踐育人方面起到的巨大的作用，夯實了轉型發展高校的實驗教學基礎，突出了教學特色，促進了實驗教學的改革與創新。

參考文獻：

[1] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[EB/ OL].（2010-07-29）.http：//.