基于虚拟仿真技术的创新训练研究与实践

安建强

(南京邮电大学 实验室建设与设备管理处, 江苏 南京 210023)

基于虚拟仿真技术的创新训练研究与实践

安建强

(南京邮电大学 实验室建设与设备管理处, 江苏 南京 210023)

阐述了虚拟仿真技术的概念、特征，以及在创新训练中发挥教学功能的理论基础和具体体现，提出虚拟仿真技术在创新训练中运用的2个关键因素是构建实践共同体和虚拟环境。在此基础上，提出了基于虚拟仿真技术的创新训练的一般模式：实践共同体三要素循环创新训练体系。最后介绍了实践的案例。

虚拟仿真； 创新训练； 实践共同体

“国家大学生创新训练计划”(以下简称创新训练)是教育部直接推进的、面向本科生立项的科技创新训练政策，旨在探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，倡导以本科学生为主体的创新性实验改革，调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，逐渐掌握思考问题、解决问题的方法，提高其创新实践的能力[1]。创新训练计划作为教育部高校教学质量与教学改革工程的重要组成部分，是创新人才培养模式的探索，对其进行信息技术支撑下的教学与学习变革，开展理论和实践的探索，具有较强的现实意义。

1 基于虚拟仿真技术的创新训练模式

1.1 虚拟仿真技术的概念

虚拟仿真技术(virtual reality，VR)又称虚拟现实技术、灵境技术或模拟技术，是利用计算机技术、网络通信技术、人工智能技术、自动化控制技术仪器仪表与测量技术等交叉产生的一种现代信息技术，是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，能够创造一种高端的人机接口,包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉同等的实时模拟和交互，可以获得多维交互体验的虚拟环境。虚拟仿真技术成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术[2]。

1.2 虚拟仿真技术的特点

Burdea在《虚拟现实技术》一书中描述了虚拟仿真技术的4个基本特征:

(1) 沉浸性(immersion)。根据虚拟仿真系统的不同类别，使用者可以获得视觉感知、听觉感知以及力学感知、触觉感知，甚至包括味觉感知和嗅觉感知等。同时,人投入到虚拟环境中操纵数据变量,可以观察到现实生活中不可能观察到的现象，如分子结构的改变、地质结构的变迁等。这种观察印象深刻，产生一种身临其境、沉浸其中的感觉[3]。

(2) 交互性(interaction)。使用者对虚拟仿真物体的可操作性以及得到的反应、反馈(包括实时性)，例如使用者用手抓取虚拟对象，手可以感受到物体的质量、移动，甚至是体积的变化等。

(3) 构想性(imagination)。该特征包含2个方面的含义：一方面指虚拟环境通过人的构想而创造,因为虚拟环境既可以是对真实世界的模拟，也可以是主观想象的虚构；另一方面,人沉浸于虚拟环境中与所处环境的自然交互,多维的体验激发人丰富的想象,突破原有思维的限制。

(4) 智能性(intelligence)。指VR系统具有的智能因素。虚拟环境中的物体具有认知、推理、决策等能力，是人工智能、人工生命(artificial Life)技术和VR的结合，表现为人在虚拟环境中的各种感觉与真实世界是一致而逼真的。另外，虚拟环境和仿真对象对于人的动作与行为的反馈、反应是符合客观规律的。虚拟仿真技术的特性给我们的学习、实验、训练、设计、管理提供了新的方式和途径，可以有效地避开危险的环境，有效地降低实验、训练的成本，把不可及、不可逆的客观存在进行呈现，从而大大提高效率与效益。例如波音公司完全使用虚拟仿真技术设计波音 777新型客机获得成功，加拿大政府使用虚拟仿真技术进行多伦多市的城市规划与管理取得好效果等。

1.3 虚拟仿真技术在创新训练中应用的理论基础

建构主义是当代学习理论的一种革命，是信息化教学模式与学习模式的关键理论基础[4]。虽然建构主义有很多的流派，内涵丰富，但其一些关键的要素还是获得了比较广泛的认同，即情境、建构、专注、能力和共同体[5]。从建构主义五大要素可见，虚拟仿真技术作为学习支撑和工具有其独到之处。有学者认为，在教育中运用虚拟仿真技术是与建构主义学习理论高度一致的[6]。

(1) 情境。建构主义学习理论注重基于情境的学习。虚拟仿真技术提供了多种感知的多维环境，学习训练的任务与现实条件的匹配更加优化，使知识从一个情境到另一个情境的迁移更加直观与高效。

(2) 建构。建构主义学习理论认为知识是认知主体积极建构的结果，建构需要通过新旧经验的互动才能实现。学生在虚拟环境与仿真对象进行互动，有利于先验知识的建立与发展，促进知识发现、探究与情境之间的广泛联系，有利于同化、顺应新经验，达到学习的意义建构和心智模式的建构。

(3) 专注。建构主义学习理论注重内在动机的激发。虚拟仿真的环境对学习者有更直接的感受、共鸣，易于理解，富于吸引力，有助于学习者更加关注自己的学习任务，从而产生高效的学习结果。

(4) 共同体。学习具有社会性的特点，而在知识时代，学习、训练、实践、创新都需要多专业人群的分工、协作。虚拟仿真技术具有网络化、分布式、实现性等特点，为创新训练中实践共同体的产生提供了条件[7]。

(5) 能力。建构主义学习理论注重多元智能的发展。虚拟仿真技术是多学科交叉而产生的，在构建虚拟环境和对象过程中，不同的学科能力得到发展与体现；同时，不同专业背景组成的实践共同体在学习训练的过程中都得到不同程度的发展(也包括学习能力、沟通能力、组织能力的发展)[8]。

1.4 虚拟仿真技术的教学功能

创新训练本质是一种个性化的研究性学习，虚拟仿真技术在其中的教学功能体现为：

(1) 创造良好的创新训练环境。虚拟仿真技术能够构建逼真、生动的学习环境。学生是虚拟环境中探究知识、解决问题的主体，从而产生一种存在感和成就感。

(2) 将抽象的、深奥的学习内容具体化、形象化，帮助学生探索那些不能接触到的地点和事物，学习和探究变成具体的、体验的、现实的、生动的、安全的[9]。

(3) 有助于激发积极的情绪和动机。创新训练是学生个性化的自主学习，虚拟仿真技术有助于学生摆脱枯燥的课本与理论，在一个可以自己控制的环境里，自由地探索新知识、新技能，这是对学生内部需要和动机的满足，可以较好地调动学生的学习积极性[10]。

(4) 为不同地域上的学习者提供交流环境。虚拟仿真技术是一种信息化技术，具有网络化、跨时空、交互式、智能化、分布式的特点，为不同地域的实践共同体开展集体的协同创新训练提供了基础[11]。

2 虚拟仿真技术在创新训练中的应用

2.1 构建实践共同体

Kathryn Fulton和Margaret Riel认为实践共同体是由一些成员组成，这些成员分享着关于某一主题或领域的共同旨趣，讨论某些现象的特定方式，完成集体建构合作知识的工具和意义生成的方法[12]。创新训练是由若干名有共同兴趣与爱好的学生自发地组成一个临时群体，就某一研究问题开展学习、讨论、研究，并最终完成学习和研究目标。他们既有分工，有各自的研究子任务，同时也有合作，具有明显的实践共同体的特征。

Wenger提出了实践共同体三要素：相互介入(mutual engagement)、共同事业(ajoint enterprise)、共享技艺库(shared repertoire)[13]。

Wenger认为，由一组关键事件或问题来定义的知识领域形成了实践共同体的成员所共同追求的事业，也是共同体存在的根本原因。实践共同体不一定存在明确的组织边界，它的存在和维系体现在共同体中的意义协商活动中。意义协商提供给成员互动的工具和机会，允许成员从不同的路径进入以及不同程度地参与，共享的技艺库是在共同体演化过程中逐渐积累并共享的一整套资源，包括惯例、用语、工具、做事的方式、故事、手势、符号、样式、经历、态度、行为、概念等。这些资源都是在共同体存在的过程中产生或采用并成为共同体实践的重要部分，同时也构成了该实践共同体中的文化特征。

在创新训练的项目小组中，都涉及以意义协商和身份形成来诠释知识的理解、产生和创新的过程，它隐喻着一种研究学习的社会境脉和分析工具。参与创新训练的学生，需要在实践共同体发展的过程中合作建构新知识，提升创新意识、创新能力，并完成从认知的成长走向身份的发展。

2.2 构建虚拟环境

虚拟环境是学生开展创新训练的必要平台，可以为学生提供非抽象的情境，在构建中应当注意以下原则[7]：

(1) 支持实时交互。实时交互是虚拟仿真环境的基本要求，要求系统和虚拟对象能在一个很短的时间内对各种操作或参数的改变做出正确响应。

(2) 建模容易。创新训练是学生自主的个性化的学习训练，虚拟平台的易用程度和开放程度有助于为学生提供成熟的、易实现、可扩展的技术。

(3) 便于网络传输。这包括2个方面内容：一是虚拟环境的体量尽可能小；二是采用流技术来传输虚拟场景。这样有助于开展网络及时响应和网络协同训练。

(4) 具有开放的国际标准。开放的国际标准，一是便于虚拟环境和对象资源的共享和交流，二是利用免费的开放软件，有利于降低成本。

(5) 运行环境要求低。对学生科技创新而言，虚拟环境最好可以在大众化的个人计算机上实现。

3 虚拟仿真技术在创新训练中的应用

我校是以工学为主体、以信息学科为特色、理工文经管教艺法多学科协调发展、本硕博多层次人才培养的教学研究型大学，立足江苏、辐射全国、面向行业、服务社会，培养基础知识扎实、知识面宽、实践能力强、具有创新精神和社会责任感的信息科技及其他相关领域的高素质专门人才，在长期的人才培养和科学研究中建立了系统的人才培养体系和学科特色。学校较早地开展了虚拟仿真实验教学和实践教育的改革和研究，分别在2013年和2014年获得2个国家级虚拟仿真实验教学中心称号。近年来，在各虚拟仿真实验平台上开展创新训练项目，取得了丰硕成果。现对一个国家级大学生创新训练计划项目(项目名称为Robocup3D仿真竞赛中双足机器人的运动规划与智能决策)的案例展示如下。我们设计了虚拟仿真技术在创新训练中应用的一般模式，即实践共同体三要素循环创新训练体系(见图1)。

图1 实践共同体三要素循环创新训练体系

3.1 确定创新训练的目标任务(即共同的事业追求)

本项目的主要目标是：实现复杂环境中机器人的全向行走和动态避障算法；在个体智能实现的基础上，研究动态环境中多机器人的有效协作对抗策略，提高团队的整体进攻防守效率，最终实现建立一支完整的并具有竞争力的类人机器人足球仿真队伍。

研究内容是：

(1) 采用多层结构控制器来实现机器人的双足全向行走，并利用学习算法训练实现最快速度下的稳定步态；

(2) 研究并实现机器人在复杂环境下基于蚁群算法的动态避障方法；

(3) 研究仿真比赛中的动态角色分配和占位策略，运用学习算法实现多机器人之间的协作和对抗机制。

3.2 组建实践共同体(开始相互介入)

本小组汇集了3名对机器人有着浓厚兴趣的学生，并通过Apollo3D实验室组织的机器人方面的培训和交流，已经具有了一定的机器人控制方面的多专业知识和合作基础，在数学和编程方面各有所长。

学生李：成绩优秀，具有自动控制方向的专业背景，同时在多项编程比赛中取得佳绩，具有深厚的C/C++编程基础。作为新加入Apollo团队的一员，在培训和选拔中表现突出，赢得了其他队员和指导教师的肯定。负责机器人行走避障算法的设计实现。

学生赵：长期在自动化学院实验室帮助教师负责管理和维护网络、硬件、系统工作，工作能力、动手能力很强，有丰富的Linux平台开发经验，思维活跃，善于与他人沟通交流。负责机器人算法总体框架的构造和代码整合，系统、平台的维护，代码测试工作。

学生郝：主持人，做事情认真负责，对编程有浓厚兴趣，在课余时间自学了人工智能、机器人学方面的课程，并参与过相关软件的开发，已经在Apollo3D创新实验室参与足球机器人仿真开发工作超过1年，在此期间取得了2011年RoboCup土耳其世界杯3D仿真足球比赛季军和2011年RoboCup中国公开赛冠军等奖项，具备了一定的项目背景知识，有较为丰富的研发经验和较强的编程能力。主要负责项目总体统筹策划及报告撰写，同时负责多智能体协作方面的工作和双足行走的相关算法设计、实现。

本小组成员对学习和研究有着很高的热情，彼此之间是同学、也是队友，能够默契配合。团队学术氛围浓厚，其中不乏思维活跃、编程能力出众的成员，在该项目研究方面，无论是理论研究还是程序的开发测试工作，都有多年的经验累积，能够保障该项目的出色完成。

对于小组成员在各自开发过程中遇到的问题和测试过程中发现的问题，会一同商讨解决。

3.3 构建虚拟环境，开展学习与创新训练(循环发展共享的技艺库)

此项目采用微软仿真Nao平台作为虚拟仿真平台，其平台上的类人机器人以法国的Aldebaran Robotics公司生产的Nao机器人作为仿真模型。Nao机器人身高约57 cm，重约4.5 kg。Nao机器人共25个自由度，其中腿部有12个。

项目组成员在Nao虚拟仿真平台上开发了具有行走、奔跑、踢球等能力的虚拟Nao机器人，并组成球队进行对抗，深入研究其运动规划和对阵策略(见图2、图3、图4)。

图2 类人机器人的全向行走步态定义

图3 类人机器人踢球动作设计

图4 团队配合的战术设计

项目组成员会经常评估项目目标的达成情况，以便以对项目分工进行调整，对技艺库的内容进行利用、更新和协商，以达到更好的创新效果。

4 结束语

我们在虚拟仿真环境中开展学生的创新训练活动，取得了丰硕的成果。以自动化学院为例，在2010、2011、2013年的RoboCup机器人足球世界杯赛中分别获得冠军、亚军和冠军，每年在此类竞赛中有30多人次获得省级以上奖励。创新训练是个性化的研究性学习，而虚拟仿真技术具有很强的自主、自控性和知识的自适应建构性，两者存在高度的契合性。

References)

[1] 教育部.国家大学生创新性实验计划指南[Z]. 2007.

[2] 王宁. 浅谈虚拟仿真技术[J].大观周刊,2011(38):18-19.

[3] 孙启美.现代教育技术与学习模式[M].北京:科学出版社, 2010:205-206.

[4] 钟志贤.信息化教学模式:理论建构与实践例说[M].北京:教育科学出版社, 2007:18-23.

[5] Trilling B.Learning,Technology and Education Reform in the Knowledge Age or “We are wired,Webbed and Windowed,Now What?”[J]. Educational technology,1999(39): 5-18.

[6] Chien C. Developing a networked VRML learning system for health science education in Taiwan[J]. International Journal of Educational Development,2001(21):293-303.

[7] 李奇.桌面虚拟现实及其在网络教育中的应用研究[D].上海:华东师范大学,2004.

[8] 刘承波.信息时代高等学校教学过程的变革及其运行机制[D].厦门:厦门大学,2002.

[9] 邵鹏.网络虚拟实验体系结构研究[D].武汉:华中师范大学, 2003.

[10] 钟秉林.国际视野中的创新型人才培养[J].中国高等教育,2007(增刊1):37-40.

[11] 钟秉林.中国大学改革与创新人才教育[M].北京:北京师范大学出版社,2010:45-46.

[12] 高文.学习科学的关键词[M].上海:华东师范大学出版社, 2009:100-105.

[13] 周楠.实践共同体理论的三要素对课堂建设的理论意义[J].现代教育技术,2011(2): 86-89.

Study and practice of innovation training based on virtual simulation technology

An Jianqiang

(Office of Laboratory and Facility Management，Nanjing University of Post & Telecommunications, Nanjing 210023，China)

This paper introduces the concept and character of virtual simulation technology, analyzes the theoretical basis of application for innovation training, then proposes that the key factors are the structure of practice and virtual environment. This paper also structures the common mode including three factors of practical community circle system for innovation training. In the end, this paper introduces a specific case.

virtual simulation; innovation training; practical community

2015- 07- 20

安建强(1974—),男,浙江天台，硕士，副研究员,研究方向为高等教育信息化、实验室与设备管理.

E-mail：anjq@njupt.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)12- 0179- 04