虚拟仿真技术在实训中的应用

叶建海，张营营

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

高职教育的目标是培养适应生产、建设、管理、服务第一线需要的德、智、体、美等方面全面发展的高等技术应用型专门人才。 学生动手能力强、操作技能强、熟悉生产一线的流程等，是高职学生区别于普通高校学生的根本点。 高技能培养目标要求课程教学进行重大变革，现代化教学手段就成为教学改革突破口，在高职教学中尽可能引入现代教学手段，成为当务之急。

现代职业教育的核心是职业能力的培养，而这种能力的培养主要是通过实验、实训等实践教学环节来实现的。 传统的实践教学，往往需要相应的仪器设备、场地条件和现场指导教师，花费较长的时间，并产生一些材料消耗，甚至会有一定的危险性，从而使具体的实施受到资金、时间、空间等因素的限制，制约了学生能力的发展。 为打破这些制约，提高职业教育质量与效率，需要充分利用现代技术发展成果。 应在教学中引入虚拟仿真技术，构建虚拟仿真实训系统，使其成为传统实践教学手段的有效补充，从而有效地对学生进行技能培养。

1 虚拟仿真实训系统的功能与组成

虚拟仿真系统是指以计算机为主， 综合利用三维图形、多媒体、仿真等技术构建起一个逼真的虚拟系统。 使用者借助于专用的视、听、触觉等感知设备，便可进入虚拟空间，与虚拟环境中的人和物体实时交互，感知和操作虚拟环境中的各种对象，从而达到身临其境的效果。

1.1 虚拟仿真实训系统的功能

虚拟仿真实训系统的目标是完善传统的实践教学手段，为学习者提供一个自主学习的平台， 让其能通过计算机或网络接受操作指导，进行模拟操作练习，并可根据操作过程与结果，进行技能评测。 同时，系统能够方便指导教师进行维护、管理和监控，为学习者提供适时的和有针对性的辅导。

1.2 虚拟仿真实训系统的组成

整个虚拟仿真实训平台由服务器、教师客户机、学生客户机及网络数据库组成。 教师客户机和学生客户机以服务器为中心，并通过服务器进行身份验证和信息传递[1]。 教师和学生的客户信息以及实训项目、实训指导、模拟操作、技能测评等信息存储在管理信息库中，教师可通过客户机对学员实训进行远程指导与管理。

2 虚拟仿真实训系统提供的实训学习环境

虚拟仿真实训系统技术实质上在于提供一种高级的人机接口，具备交互性(interactive)、想象性(imagination)、沉浸性(immersion)3 方面特征[2]。 虚拟仿真系统能够为教学提供全新的、传统教学无法提供的实训学习环境。

2.1 真实开放的实训环境

虚拟实训系统可通过网络系统向用户开放，学习者可自由地进入或退出实验系统， 具有良好的开放性。 主要表现为两个方面： 一是资源开放。 虚拟实训系统储存了大量虚拟实训仪器设备、 各种实验器件或构件、 各种虚拟实验环境，学习者可根据自己的需要自由地选择使用。 同时，在系统内收集大量的操作说明、操作指导等相关资料，供学习者参考。 二是利用网上虚拟仿真实训系统数据平台， 学生可通过网络在任一时间、任一地点进行自主的学习，彻底打破空间的限制[3]。 利用虚拟仿真技术，学生除了能观察到设备的运行情况外，也能进入某一子系统内部进行详细观察，还可以将一些需要长时间才能获取的实验结果， 在短时间内呈现出来。

2.2 交互与自主的实训环境

基于虚拟仿真技术的实训与传统实践教学有一个明显的区别，那就是实训的模式是非固定的、动态的，具有良好的交互性和自主性。 并可借鉴游戏开发技术，设计丰富多彩的人机交互方式，强化学习者的参与性和自主性，激发学习者的兴趣。 学习者可以根据自己的爱好与需要，自行设计虚拟的操作过程与方法，主动探索有效的实施途径，因而有利于培养学习者的创新能力[4]。

2.3 低耗与安全的实训环境

传统的实训教学受设备数量、类型、实训条件等制约，学习者所能进行的训练是有限的， 尤其是一些材料消耗多、实训成本昂贵、危险性大的项目，学习者进行相关训练的机会更少，从而会制约了其能力的发展与提升。 而虚拟仿真实训系统不依赖于设备实物， 仅依靠计算机所模拟的在功能、性能、界面上等效的虚拟装备，就能够逼真地模拟实际设备的操作、运行及周围环境，通过可视化的虚拟场景，完美模拟实机、实景操作，解决教学过程中采用实物仿真、半实物仿真所无法或很难实现的使用大量设备、协调关系等问题。 学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做比较危险的实验(如虚拟的爆破工作、碰撞实验等)[5]。

3 虚拟仿真实训系统的开发

虚拟仿真系统开发采用的关键技术主要包含三维建模及虚拟交互技术。 根据系统应用的要求，构成虚拟仿真的境界都必须建立在模型的设计与交互功能的基础上，这也就是三维技术的综合应用。

3.1 三维建模技术

三维模型能真实、直观地反映实物，特别是建筑物中隐蔽部位的零部件和土建形状不能在真实的工程或建筑场景中看到的问题， 可以通过三维模型图全真模拟得到解决，从而实现教学目的。 以水电站主厂房结构为例，水力发电机组和厂房下部混凝土结构之间布置关系复杂，设备因埋入混凝土中，学生难以看到，不能认知，但通过系统的模型制作及其不同方向的剖视图和动画演示，可以让学生一目了然。 通过三维动画的画面，还可以提高学生的注意力，激发其学习兴趣，加深其印象，将某些复杂的主体构件及其与建筑物间的关系准确形象地表述出来， 使隐蔽工程透明化地凸现出来，从而使学生在感性认识中对知识的理解有质的飞跃。

三维建模技术是虚拟仿真中最重要的技术，也是系统成败的关键技术之一。 好的模型不仅能表现出真实的三维效果，而且还能带来强烈的视觉感官冲击力。 因此，根据虚拟仿真的要求和特性，需要即时生成相应的图形画面，达到一定的动态性和感官真实性。

为了完成符合虚拟仿真场景所需的模型文件，使用典型的三维模型制作软件3Dmax，采用基于模型的方法建立场景模型，安装相应的输出插件，即可直接建立场景模型文件。 除了基本的建模与实时渲染外， 利用它比语言建模更方便、全面的细分曲面技术，柔性选择曲面工具和NURBS 技术，能多快好省地完成虚拟现实模型的设计与制作。

3DMax 中建立的模型能以NMO 格式导出，然后在VT 资源菜单中导入NMO 文件。

3.2 交互技术

虚拟仿真系统中的人机交互技术是一种近乎自然的交互，而使用者通过自身的语言、身体动作等技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。在使用中，不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，还能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。 在系统设计开发中， 可根据实际需要，用X3D、Viewpoint、Vitrools 等开发软件导入模型， 建立基本场景，添加关键的动作交互，达到系统的交互效果。 最后，通过对渲染、检测、精炼、碰撞测试等的整合工作，初步完成系统的开发。

3.3 系统的发布

利用Vitrools 的Web Plug 一in 网络插件， 并在设置保存时将音效与材质文件一起存放， 输出为htm 格式的网页文档，可将系统发布出来，并在IE 浏览器中发布、播放。

4 结语

虚拟仿真技术中各种环境条件、功能结果往往是对现实中典型状况分析归纳后预先输入系统而人为设定的，而现实环境中各种条件与结果却具有很多不确定性，因此，虚拟仿真技术与实际过程具有本质的差异。 在对学习者进行职业技能和素质培养的过程中，在真实环境下利用实际设备进行必要的操作训练，还是不可缺少的手段。 而虚拟仿真技术可突破空间与实体条件的限制，便于学习者自主学习，是实际技能训练的有效补充手段，可使教学行为更具有了交互性与灵活性，突破时空限制。 这样可以充分体现教学的服务性，有助于提升教学体系知识更新的频率，也能够使学生真正成为学习活动的主体，为教与学提供更加通畅的沟通路径，促进教学效果的提升[6]。 随着三维建模技术、动作交互技术等虚拟仿真技术的发展，为学习者提供直观、交互、自主学习的虚拟仿真系统也将不断推陈出新，必将成为现代教学中的重要技术手段，从而改善教学环境，提高教学效率，节约教学成本。

[1] 黄荣怀. 直面网络教育[N]. 中国教育报2001-11-25(4).

[2] 郑庆华， 刘均. 基于IP 网的多媒体远程教学系统的建模[J]. 西南交通大学学报，2000，34(8):31-35.

[3] 余胜泉，何克抗. 基于Internet 的教学系统[J]. 中国远程教育,1999(6):19-23.

[4] 余胜泉，路秋丽，陈声健. 网络环境下的混合式教学－种新的教学模式[J]. 中国大学教学，2005（10）:50-56.

[5] 舒炎泰， 薛飞. Internet 上的虚拟实验室[J]. 电子科技导报,1999(2):15-18.

[6] 单增郎杰. 虚拟仿真技术在教学实验系统中的应用研究[J]. 计算机光盘软件与应用,2010(5):176-178.