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1、虚拟仿真技术助力实验新方法雷静赵志明高羡明张功学摘要：以互联网为代表的信息和网络技术的广泛应用，使得虚拟仿真技术可以模拟真实实验场景，让学生在虚拟的空间完成实验操作，尤其对于实际难以运行的，比方高危行业、大型综合训练场景、实验条件需高温高压等极端环境等方面，虚拟仿真技术具有无法比较的优越性。通过虚拟仿真手段搭建实验教学平台能够将新的研究理论、创新技术融入自动化实验设计中，通过虚拟仿真进行展示。文中通过不同行业实验案例阐述了虚拟仿真实验系统的构成，表达了其实验教学、实验研究和实验演示的高度设计性和互动性的特点。关键词：虚拟仿真;实验教学;案例展示;系统构成用虚拟仿真技术模拟真实环境，让学生在虚拟
2、的空间完成实验操作，其间，体验身临其境的真实感受。虚拟仿真一词最早是由计算机科学家杰伦拉尼尔在1987年提出的1-2，即用一套网络虚拟系统模仿一个真实系统。通俗来讲就是利用计算机技术复原具有视觉、听觉、触觉的“真实实验室系统”。教师和学生可以在特定的三维空间里感受真实场景下难以体验的危险性实验，进行远程复杂实验3。2022年，全球爆发的COVID-19疫情打乱了高校的正常教学安排。为了保证教学质量，最大程度减轻疫情对学校教学的影响，教育部号召“停课不停教、停课不停学”。不少高校积极响应教育部号召，开展线上授课和线上实验等教学活动。比方：1.理论教学充分利用“互联网+教育”的模式，以慕课的形式呈
3、现给学生。2.实验教学做虚拟仿真实验，学生即使在家，亦可完成实验操作，达成实验要求。一、虚拟仿真技术工程制图实验在虚拟仿真实验课堂里，抽象的知识会变得非常具体。虚拟仿真技术给课程带来了不可思议的变化。如图1中学生通过虚拟仿真平台了解圆锥齿轮传动的运转方式，图2中学生通过虚拟仿真平台完成齿轮油泵的拼装实验，掌握齒轮油泵运行原理及拼装结构。实验过程中，学生可以通过视频仔细观察齿轮的机械结构，掌握其工作原理，在此根底上进一步尝试拆装齿轮油泵，学以致用。本例说明虚拟仿真实验这种全新的教学模式能够很大程度上激发学生的学习兴趣和创造力。目前，虚拟仿真技术正在被各行各业广泛应用。尤其对于实际难以运行的，比方
4、高危行业、大型综合训练场景、实验条件需高温高压等极端环境等方面，虚拟仿真技术具有无法比较的优越性4-5。例如：深海探测，核反响堆实验，人体解剖，大型工程操作。二、虚拟仿真技术的特征及优势1.复杂、危险实验的展示和操作帮助老师展示不可能完成的实验如复杂实验、危险性高的实验和其它无法在传统实验室完成的实验，把抽象的实验过程立体、逼真的演示，有助于学生更好地理解掌握，大幅度提升教学效果。2.培养学生的自主学习能力学生通过电脑操作，进入虚拟界面，可以自己独立观察，分析问题，解决问题，自主学习能力无形中大幅度提高。3.激发学生的学习兴趣三、虚拟仿真实验教学系统的构成一个完整的“虚拟仿真实验教学系统”通常
5、包含效劳器、数据库、网络环境、客户端运行设备、显示设备、实验交互设备等。虚拟仿真实验教学系统软硬件系统典型构成如图3所示。效劳器是系统的核心，主要运行相关虚拟仿真教学实验;而数据库那么为实验提供数据存储和读写访问效劳。由于虚拟仿真实验内容大多涉及三维模型和精细纹理数据，因此还需适宜的网络环境。学生进行实验时，主要通过客户端设备来实现，客户端设备包含运行设备如个人计算机、平板电脑、等。除了最常见的电脑显示器之外，还可选配的其他更为高端的显示设备如虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR等头盔型显示终端，以及立体显示器、投影球幕、环幕、透明屏、互动式LED大屏幕、立体投影等等，这些可供选择的扩展设备能为学生实验带来更为良好的画质体验和真实感受。实验过程中的人机互动局部由鼠标和键盘等交互设备完成。但对于一些沉浸感要求较高、交互复杂的实验，还可选配数据手套、力反响装置，以及位置追踪、空间定位、动作捕捉、眼动跟踪、脑电交互等设备。四、虚拟仿真实验教学案例介绍各个学科关于虚拟仿真实验教学案例有很多，下面，我们筛选几个有代表性的案例呈现给大家：案例1航空航天类：