虚拟仿真技术在高职教学中的应用探析

熊淑平

（黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002）

教育部、财政部联合发布的《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》 指出：“加强实训、 实习基地建设是高等职业院校改善办学条件、彰显办学特色、提高教学质量的重点。”[1]虚拟仿真技术为人们提供了一个理想的教学仪器手段。 在高职教育中应用虚拟仿真技术，具有重要的现实意义。高职院校应当充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验，积极应用虚拟技术来解决当前实训中存在的诸多问题。 本文试结合有关教学实践，对高职教学中虚拟仿真技术的应用进行探讨。

1 虚拟仿真技术的发展及其教学应用

1.1 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。 虚拟现实技术是指先进的人—计算机接口技术，其实质是利用计算机产生一个三维的、基于感知信息的临场环境。 人可以参与和控制环境，同时环境能够对人的控制行为做出动态的交互反应。 系统仿真技术是随着计算机技术的发展而形成的新兴学科，它通过建立真实系统的数学模型，利用计算机来达到对系统的分析、研究、设计等目的[2]。虚拟仿真技术以其高效率、低成本、内容丰富和富有有效性、安全性等优势得到越来越多的应用和推广。 目前在国内和国外广泛于应用于军事训练、教学仪器、运动训练、医学研究以及其他一些技术领域，促使国外大企业向数字化企业方向发展。

1.2 虚拟仿真技术的教学应用

虚拟仿真技术为人们提供了一个理想的教学仪器、手段。 美国是虚拟仿真技术的发源地，也是第一个把虚拟仿真技术应用在教育教学中的国家，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[3]。 目前，虚拟教学就是指利用计算机的虚拟仿真技术，对教学环境、教学内容进行仿真的一种教学模式。

2 高职教育采用虚拟仿真技术的必要性、可行性和优越性

高职院校一般以工科专业为主体和特色，注重实践教学环节，因此，虚拟仿真技术非常适合高职院校的人才培养模式。 高职教育采用虚拟仿真技术具有必要性、可行性和优越性。

2.1 高职教育采用虚拟仿真技术的必要性

环境对于学习的意义是至关重要的，高职教育采用虚拟仿真技术，旨在构建仿真实验情景。 由于客观条件的限制，高职学生专业技能学习绝大多数不可能在现实情境中进行。 其原因是：（1）教学方法和教学手段难以及时跟上时代的发展。 目前采用的教学方法和教学手段主要是以传统的教案加多媒体课件传授基本的理论和方法。 在当今这样一个不缺信息的时代，靠一本教案加一份课件授课，是远远不能满足当前高职学生的学习兴趣和学习要求的。（2）教学设备先进性保持时间较短。很多实验室的教学设备不能满足教学需要。 由于经费问题，所购实验实训设备要使用到设备的报废期为止，而实际生产企业的设备和技术日新月异，更新换代是很快的，要达到教育部提出的“基地设备保持同期企业生产设备水平，并具有一定的超前性”要求，是非常不易的。 （3）实验、实训服务的开放性不够。 高职院校要面向学生、企业、社会，提供全方位的社会服务。 但在满足教学实验、实训要求的前提下，去承担面向企业、社会的培训的时间和机会较少，这主要就是实验实训的资源少、受时间和空间约束过多等原因所造成的。 其中也有院校内的设备档次较低、设备更新换代远远赶不上企业实际发展的步伐等方面的原因。 致使校内实验实训环境与企业生产环境不一致、实训与职业岗位工作不一致，达不到企业和社会的要求。 而利用计算机化的情景模拟，可以克服时间和空间的限制，模拟现实情况下难以完成的任务，使学生如身临其境，符合高职教育的“现场感强”的要求。

2.2 高职教育采用虚拟仿真技术的可行性

较低水平的仿真实验情景（如电子电工虚拟实验系统） 可以利用多媒体教学软件来平面化地实现，学生可以自主选择做什么实验，利用计算机提供的实验器件等连接线路、检查故障等工作，并能及时给予提示、纠错，激励学生向广度、深度探讨。较高水平的仿真试验情景，则可以通过运用虚拟现实技术，在计算机上建立虚拟实验室，来模拟现实情境，利用二维、三维图像模拟出实际教学内容，对抽象、微观、不可见或难以解释的部分（如机械部件、模型等）逐步进行深入讲解，使之形象化和直观化。 那些代价高、危险性大或难以进行实物操作的实训实习环节（如高压操作过程），也可以通过虚拟技术来模拟实现。 现今高职院校的教学普遍存在着理论教学与实践教学分离、教学内容与实际工作要求相差甚远等现象，这将导致学生综合职业能力培养的教学目标难以实现。 传统的教学模式在很大程度上难以保证应有的教学质量，难以培养学生的创新能力。 因此，职业能力培训可以通过构建以虚拟仿真为核心的课程教学模式来实现。 在这种教学模式下，虚拟现实技术为教师、学生提供了一个无危险性、成本低的学习方式，以及与真实世界交互的平台。

仿真虚拟实验是在计算机上虚拟出一个元器件种类齐备、性能先进的电子工作台〔这是目前国内最流行的通用电子设计自动化（EDA）软件的组成部分〕在电路模型上所进行的系统性能分析和研究的方法[3]。 它一方面可以克服实验室各种条件的限制，另一方面又可以根据不同的实验目的（验证、测试、设计、纠错和创新等）进行有针对性的训练，培养学生分析、应用和创新的能力。 与传统的实验方式相比，采用电子工作台进行电子线路的分析和设计，突出了实验教学以学生为中心的开放模式，不仅实验效率得到了提高，还能使学生熟练地使用仪器，并正确掌握测量方法。

2.3 高职教育采用虚拟仿真技术的优越性

仿真教学是对传统教学的一个补充。 可以完成现实中很多由于各种条件限制而无法完成的教学内容，从而弥补实际教学中的缺陷。 由于计算机技术的快速发展，软件的功能越来越强大，能够提供的内容日益丰富。 学生可以通过对仿真软件的使用来拓宽自己的知识面。 仿真软件还可以帮助学生对所学的课程进行有效的预习和复习，从而极大地提高学习效率。

用仿真软件完成实验，实验效率也会大为提高。 这主要体现在两个方面：一是采用仿真软件做实验，同一时间参加实验的人数可以大大增加。 另一方面，调用仿真软件虚拟仪器做实验，操作简单，用台式仪器做实验，操作复杂。 以时域信号的谱分析为例，调用仿真软件的频谱分析仪后，只需要一次设定好设备号和通道字符即可运行，其他参数可在显示中设定。 而采用HP3562A 动态信号分析仪则不然，需要经过测量方式、测量选择、窗口、平均、频率范围、量程、显示方式、坐标等十多个子菜单的正确设定后，才能启动谱分析功能，学生很生疏，很难熟练掌握。 过去，做5～6 个实验需要近20 个学时，效果也不理想；现在，采用虚拟仿真技术做十多个实验只要6～8 个学时，学生就比较熟悉了。 仿真实验的实践证明，它的应用只需调动学生的学习兴趣和积极性，无需增加教学中材料消耗性费用的投入，就能使学生掌握到各类仪器仪表的使用、测量方法，还能模拟故障现象，使学生提高分析问题、解决问题的能力。 这种方法有利于提高高职教育的人才培养质量。

3 虚拟仿真技术教学应用的步骤

3.1 建立仿真模型

这里所说的仿真模型，既包括电子装备外观、结构的三维物理模型，也包括揭示其内在工作机理及行为的数学模型。 对三维物理模型的建立，主要依据装备本身的物理状态，其原则是在尽量减小面数的同时提高逼真度。 对系统数学模型的建立，则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化，本着够用为度的原则，尽量减小运算量。 建立数学模型时，还应考虑到系统运行时的参数调整。

3.2 创建仿真装备的虚拟场景并驱动

对于虚拟场景的驱动，应根据使用方式的不同，采用不同的方式[4]。 如果进行的仅是装备外观、结构的展示，可使用EON 进行动作的编辑和驱动；如果需要对装备进行虚拟操作仿真，则使用GLStudio 软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作，然后再利用Vega Prime 驱动以实现更复杂的交互操作。

3.3 系统集成

系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式其有机地整合在一起，使之成为一个完整的、规范的教学软件。 系统集成可以使用目前常用的软件开发平台（如VB、vc++等）。 由于上述虚拟现实驱动软件 （如EON、GLStudio 及Vega Prime 等）均以ActiveX 控件方式提供了可用于常用软件开发平台的运行插件，因此，系统集成变得十分方便。 编写程序时，只需考虑软件功能的安排，注意程序间的兼容性即可。

在进行系统集成时，还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来，即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。 由于系统行为仿真采用了专门的运行平台[5，6]，与视景仿真处于不同的系统进程中，因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。 这里还需要考虑进程间的同步问题。

4 结语

高职院校的毕业生必须能够较快地适应生产第一线的岗位技能工作，具有较强实践操作技能和勇于改革创新的精神，这是高职院校毕业生在人才市场竞争中所必须具备的条件。 所以，搞好实践教学，并为学生创造一个发挥想象空间的氛围是很必要的。 但由于经费、安全等各方面的原因，一些实验实训项目要么由老师进行演示，要么无法开展、无法记录结果，从而难以开展。 而运用虚拟仿真技术，可以很好地解决这些问题，取得良好的教育教学和人才培养效果。 因此，虚拟仿真技术在高职教育中有良好的应用前景。

[1] 教育部.关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见[DB/OL]. [2012 -12 -26].http://jw.czqgxy.cn/jwzx/jsfw/Show Article.asp?ArticleID=1553.

[2] 周运金. 虚拟技术在高职实训中的应用研究[J].企业科技与发展，2009（24）:25-26.

[3] 佚名.虚拟仿真技术在电子类课程教学模式中的应用研究[DB/OL]. [2012 -12 -26]. http://wenku.baidu.com/view/566d8d0e844769eae009edc4.html.

[4] 李兴玮. 仿真技术基础本科课程教学改革思路初探[J].高等教育研究学报，2009（1）:35-36.

[5] 奚玉芹. 关于多媒体教学软件开发的探讨[J].泰安师专学报，2001（5）:67-68.

[6] 杨洋虚.拟仿真技术在高职学院教学中的应用[J].中国现代教育装备,2007（6）:90-91.