虚拟仿真技术在计算机教学的应用研究

苏燕　梁武

摘要：随着技术的不断高速发展，虚拟仿真的应用出现了全新的局面。它突破了传统的军事、航空等领域，开始在科学计算机可视化、建筑设计、产品设计，以及教育培训、工业、医疗和娱乐等方面广泛地应用。虚拟仿真技术近年来在我国发展极为迅速，被广泛应用在城市规划、教育培训、文物保护等各个行业。

关键词：虚拟仿真；传统领域；教育培训

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）31-0151-02

Research on the Application of Virtual Simulation Technology in Computer Teaching

SU Yan， LIANG Wu

（Beihai Vocational College， Beihai 536000，China）

Abstract：With the rapid development of technology， the application of virtual simulation has a new situation. It has broken through the traditional military， aviation and other fields， and has been widely applied in scientific， computer visualization， architectural design， product design， and education， training， industry， medical treatment and entertainment. In recent years， virtual simulation technology has developed rapidly in China， and has been widely used in urban planning， education training， heritage protection and other industries.

Key words： virtual simulation； education training

虛拟仿真技术是指利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。虚拟现实是一种高逼真度地模拟人在自然环境中视觉、听觉、动感等行为的人机界面技术。这种模拟给用户提供了一种身临其境的体验，为用户提供最佳的人机交互方式。

1 虚拟仿真系统开发工具

虚拟仿真系统是将各种硬件设备和软件技术集成在一起的复杂系统，开发模式可以归纳为三种。第一种是从底层做起，例如利用C或者C++等高级语言

2 虚拟仿真技术在计算机教学的研究应用

传统的黑板写字教学已经无法适应当今社会发展教学的潮流，对计算机课程而言更是如此，计算机课程的教学，更应该是有血有肉的教学，更应该是最先走在信息技术前端的教学，虚拟仿真技术教学此时最能体现它的特点及适应它的教学方式。虚拟仿真技术能模拟现实生活中的真实场景，让学生在课堂上更高集中注意力提高学习兴趣，掌握其中的重点难点，通过虚拟仿真技术还能节约成本，提高效率，例如，在网线接口的虚拟仿真教学中，通过仿真技术能较好的让学生理解及掌握网线各条线的接入顺序，理解其中的奥秘。虚拟仿真技术不但适应计算机课程教学，也同样适合其他课程的教学。

2.1 仿真教育与实验

虚拟仿真技术可以模拟那些在现实中存在的，但在教学环境下用别的方法很难做到或者需要花费很大代价才能显现的事物，供学生学习和探索。例如，当学习计算机硬盘的结构及工作原理时，传统的教学方法是利用图示向学生展示，由于感受不到硬盘的实体结构，有些知识学生不易理解。应用虚拟仿真技术不仅可以表现和原因，从而使教学得到事半功倍的效果。

目前，国内外许多的高校都在积极研究虚拟仿真技术及其推广应用，并成立投入资金发展建立适合自己院校的虚拟仿真技术研究室，例如航空高校，通过虚拟仿真技术教学，极大的提高学生模拟飞行的真实场景，能迅速掌握飞行技术，节约成本。近些年人工智能发展迅猛，机器人的仿真研究更是突飞猛进，未来机器人必然将替代普通劳动工人的工作，提供工作效率。我院的计算机网络课程极大限度的使用了虚拟仿真技术教学，例如通过访问控制列表的仿真教学，讲授防火墙技术，让学生通俗易懂的理解防火墙的功能及缺陷。

（1） 节省成本：通常由于设备、场地、经费等硬件的限制，许多实验都无法进行。利用虚拟仿真系统，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验类似的体会，在保证教学效果的前提下，

（2） 规避风险：有些真实实验会带来某种危险，而利用虚拟现实技术进行虚拟实验，即使闯“大祸”，也不会引起任何“恶果”，最终在安全的虚拟环境中获得经验。

（3） 打破空间、时间的限制：利用虚拟仿真技术，可以彻底打破时间与空间的限制。

2.2 虚拟仿真实训基地

根据各门课程的特殊性，通过软件或虚拟设备建立不同虚拟仿真实训基地，虚拟仿真实训基地的成立对后期学生兴趣爱好及技能掌握提供了非常有利的条件，学生在实训基地学生在上课过程跟随着教师在虚拟仿真环境中扮演着一个角色，沉浸在专注的学习中，这对于学生掌握技能技术非常有利，并且学生可以不厌其烦地去重复操作练习，直到达到熟练掌握为止。

2.3 虚拟仿真校园

国家教育部多次在文件中提到建立虚拟校园，阐述了虚拟校园在当今信息时代发展的地位和发挥的作用。虚拟校园也是建立在虚拟仿真技术的基础之上，通过三个方面适合不同学校的需求。

1） 通过电脑制作简单的模拟校园环境，供游客参观浏览。

2） 日常的一系列校园活动，以学生为中心建造功能相对完整的三维可视化虚拟校园，增加了一系列人性化的功能。

3） 虚拟仿真技术对远程教育教学同样发挥着举足轻重的作用。

3 发展趋势

从虚拟仿真技术的社会应用需求和技术发展长远看，未来的虚拟仿真技术领域主要体现在以下几个方面。

3.1 提高构建虚拟场景信息模型的效率

当前的虚拟环境系统若要建立一个真实可信的多模态信息模型，尤其是动态信息模型，通常由于信息量错综复杂及规模极其庞大，这必然造就需要大批量的专业技术人才，并且耗费大量的人力、物力和财力。虚拟场景信息环境的搭建因其效率不高，导致形成了高昂的成本，也严重成为了阻碍它快速发展和推广的最重要原因。

3.2 增强现实技术将得到越来越多的重视

增强现实技术是虚拟仿真技术的进一步发展。该技术将虚拟环境与现实环境与现实环境进行多层次的融合，既可以将现实对象的信息模型融入虚拟环境来增强虚拟，又可以将虚拟信息叠加到现实环境来增强现实，从而减少了虚拟环境建模的工作量和感知信息合成的计算量，并借助实物或实际场景的信息模型来增加用户体验的真实感。可以说，增加现实技术是提高虚拟环境可信度和可用性的一个有效途径。

3.3 数据规模增大，对真实感需求提高

数据规模不断增大，对模拟的真实感需求就越来越苛刻，尤其在军事模拟、飞行，遥感器等应用。真实感体现包括人机交互自然、数据真实、操作真实、可视化真实以及业务逻辑处理真实等多个环节的整体考虑。

3.4 需要努力完善多种通道交互手段

目前，大多数虚拟环境仅仅智能感知周围环境，还暂时不能提供相对完善的自然和谐的交互手段。为此，须大力开展基于多通道信息融合的计算机感知理论与方法研究，实现人与虚拟景物的自然交互以及分布式虚拟环境中人与人之间的自然交流。

3.5 技术的集成度需要不断增强

当前以及未来的虚拟现实应用往往综合运用了虚拟现实中的输入、建模、绘制、显示和交互等技术与设备，单一技术与系统难以满足实际的需求。

3.6 随着网络需求应用的快速发展

虚拟仿真应用越来越多的通过网络来协同工作或提供各种各样灵活多变的服务。虚拟仿真环境通过网络技术连接在一起，建立在网络基础上的虚拟仿真技术应用是现实技术领域发展的一个重要方向。

4 结束语

正如许多新兴技术一样，虚拟仿真技术也是多个相关学科领域交叉、集成的产物。虚拟仿真技术的发展潜力是不容忽视的，应用前景及范围也非常的广泛，但也存在着尚未解决的关键技术和许多细节。就目前虚拟仿真技术所取得的成就，绝大部分都还只是处于扩展了计算机的接口能力。只有真正找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统之间的隔阂才有可能被彻底克服。

随着计算机技术，尤其是网络技术的飞速发展，虚拟现仿真技术为将得到更为长足的发展，广泛地应用于各个领域，并为人类的生产，生活带来全新的面貌。

参考文献：

[1] 高飞.虚拟现实应用系统设计与开发[M].清华大学出版社，2012.3.

[2] 蒋理.计算机网络虚拟实践操作[M].西安电子科技大学出版社，2014.1.

[3] 刘正东，姜延，丁恒.虚拟现实制作与开发[M].清华大学出版社，2012.7.

[4] 刘洁群，马婷婷. 高校计算机实验教学中心的维护与管理[J].廊坊师范学院学报：自然科学版，2015（4）.

[5] 秦文虎，等.虚拟现实基础及可视化设计[M]. 化學工业出版社， 2009.