基于虚实模型的创新实验平台研究

殷复鹏 王立群＊

（山东建筑大学<管理工程学院>，山东 济南 250101）

0 引言

学科之间的交叉融合和管理创新人才的培养是高校发展的重要途径[1]，实验室作为培养学生创新能力、实践能力的重要场所越来越被高校重视[2]。传统的实验室内难以完成施工过程或生产过程的模拟，对学生创新能力的培养受到限制。随着虚拟仿真技术的发展与成熟，建设虚拟仿真平台成为工程管理和工业工程类专业实验室建设的主要内容之一[3]。然而受虚拟仿真资源的限制，大部分虚拟仿真实验教学平台资源单一，内容简单，可扩展性差，实验形式多以演示和验证为主，无法发挥学生的自主性，在创新意识和创新能力培养方面存在一定的缺陷[4]。将信息技术、虚拟仿真技术等技术相结合，开展虚实结合的实践教学新方法研究，将实体模型与虚拟仿真模型相结合，能够丰富虚拟仿真教学资源，发挥学生创新主动性[5]，对培养管理类创新人才具有积极的促进作用。

1 创新实验平台架构

虚拟仿真技术已成为人们认识世界、分析问题和解决问题的重要手段，以仿真驱动创新的理念在各行业中逐渐建立起来，一些高校基于虚拟仿真技术建立了相关创新实验平台。对于工程管理和工业工程类专业来说，实验教学的主要目的是培养学生发现并解决工程或生产中存在的现实问题，因此，现实问题是虚拟仿真模型的来源。基于虚实模型的虚拟仿真创新实验平台架构如图1所示。

图1 基于虚实模型的虚拟仿真创新实验平台架构

首先从认识现实问题出发，构建能够反映工程实例的静态实体模型；其次通过对抽象的问题，构建虚拟环境下的动态系统模型和仿真模型，实现对现实工程系统的动态仿真；实体模型与虚拟模型之间通过先进识别、物联网等技术进行实时关联；最后通过对仿真结果与现实问题的对比分析，解释导致现实问题的因素并予以解决，从而支持认知验证、综合设计、开放创新等不同类型的实验。

2 创新实验平台组成

2.1 实体模型子平台

对于复杂的动态研究对象，难以在实验室环境下进行完全呈现，有些院校通过建立小型现实物理环境的方式为学生的实习和实验提供认知环境，但这种方式投入大，占用空间大，且仅仅呈现部分现实问题，难以让学生从整体上对研究对象进行综合把握。实体模型是对现实系统按比例进行缩小制作而成的物理模型，是现实系统与虚拟系统之间的有效衔接，具有体积小、投入少、制作简单、占地面积少等优势，在一定程度上能够满足学生对研究对象的感性认识，与虚拟仿真模型进行交互，则能够实现对研究对象运行过程的展现。实体模型子平台为师生提供了研究现实系统、制作实体模型的环境和技术。

2.2 仿真资源设计子平台

基于现实系统创作的实体模型仅能从结构和外观上对现实系统进行反映，却不能展现现实系统的动态过程，只有借助虚拟仿真模型才能实现对现实系统的动态呈现。仿真资源设计子平台通过特定的系统仿真和虚拟现实资源创作软件，能够实现由实体模型到虚拟仿真模型、由现实环境到虚拟仿真环境的转变。平台所用软件系统根据专业学科的需求确定，所创建的模型包括系统仿真模型和虚拟现实模型。系统仿真模型对所研究对象从结构或行为过程方面进行描述，为系统的运行仿真提供资源；虚拟现实模型是基于现实系统所建立的一种逼真的、虚拟的、交互式的三维空间环境，用于虚拟现实的模拟。系统仿真模型、虚拟现实模型和实体模型之间通过二维码、物联网等技术实现信息交互。

2.3 虚拟现实与仿真子平台

虚拟现实和仿真子平台基于VR/AR/MR等虚拟现实技术和相关系统仿真软件，对虚拟模型进行仿真，并输出仿真结果。常用的系统分为系统仿真系统和虚拟现实系统。系统仿真系统基于系统仿真模型，对所研究对象进行仿真模拟，以获取系统的运行和动态演化过程，为现实系统的控制与决策提供依据。虚拟现实系统由虚拟现实软硬件设备构成，能够实现现实系统在虚拟环境中的再现，支持人机交互操作，完成类似真实环境的体验。平台通过所建立的虚拟仿真模型与现实系统形成交互，支持多专业实验教学与科研，为师生提供了一种创新的实验手段，可用于收集和积累信息，对现实系统进行预测、分析与评价，并基于仿真结果启发新思想，提出改进系统的新方案。

3 基于创新实验平台的实验体系

实验教学体系的建立应遵循以学生为中心，以现实系统出现的问题为先导，以开放项目为驱动，以创新为核心的实验教学理念。创新实验平台以创新实验为主，同时也支持课程综合实验，包括认知验证型实验、综合设计型实验和开放创新型实验。认知验证型实验是针对某一门课程或某个知识点开设的实验项目，可以是课内实验，也可以由学生课外自主完成；综合设计型实验是对专业知识的综合运用与验证，如课程设计、毕业设计等；开放创新型实验是本平台的核心实验，具有开放性、创新性、综合性和应用性等特点，包括各种学科竞赛、课外开放创新实验以及由教师科研项目引出的科研实验等。

虚拟仿真创新实验体系不断迭代更新，注重知识的关联性和系统性，实现学科的交叉融合，为培养创新性人才提供指导纲领，面向相关行业发展新趋势，实现了“教—学—练—用”的实验目的。

4 结语

随着虚拟仿真技术的快速发展，如何发挥虚拟仿真实验室的优势，培养学生创新能力成为高校迫切需要解决的问题。针对工程管理和工业工程类专业，集成传统物理环境实验室与虚拟仿真实验室，以现实问题为导向，以项目为驱动，以实体模型和仿真模型为基础，以虚拟仿真为方法，建立基于虚实模型的创新实验平台，能够充分发挥学生积极性和创新能力，对高校培养创新人才具有重要作用。建立创新实验平台还需要借用物联网、三维打印、人工智能等先进技术。