高职院校虚拟仿真实验室构建技术和功能设定的实践和研究

马 亮，蒋 峰

(南京交通职业技术学院，江苏 南京)

实验教学是培养学生操作技能和创新能力的重要途径。虚拟仿真实验室是基于计算机仿真、虚拟现实、网络、多媒体等信息技术融合创建的虚拟实验环境，相较于传统实验，虚拟仿真实验突破了空间、时间上的约束，节约了成本、提高了安全性。虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要内容，是实验教学的重要组成部分[1]。高等职业院校和其他类型高等教育的人才培养目标和模式有所不同，虚拟仿真实验室的功能也会不同，本研究在总结实践的基础上，对其技术选型和功能进行了深入研究。

1 高职院校虚拟仿真实验室构建技术的实践和研究

虚拟仿真实验有效地解决了传统实验的不足，如观察难、进入难、动作难、再现难、污染高、环境极端、成本高、瞬间即逝、反应周期过长、微观不可视、大型综合训练等问题[2]。虚拟仿真实验室分为半实物虚拟仿真实验室和纯软件虚拟仿真实验室。

半实物虚拟仿真实验室，是指计算机虚拟仿真与部分实验实物相结合，如学习航海技术、地铁驾驭技术的练习系统；纯软件虚拟仿真实验室，功能全部通过计算机仿真完成，不借助非计算机硬件实物。半实物虚拟仿真实验室和学科结合过于紧密，应由有学科专业背景的科研人员研究。本研究主要针对纯软件虚拟仿真实验室的建设和功能进行研究。

由于部分课程专业性较强，需要由专业的虚拟仿真软件构建。如高职电子技术课程一般会采用Multisim 仿真工具，其主要运行于Windows 操作系统，由美国公司NI 生产，此套软件可以模拟仿真出十分真实的电子电路实验平台。本研究侧重于对通用虚拟仿真实验室建设进行研究，此类虚拟实验室构建大致经过如下三个阶段：3D 数字建模、基于虚拟仿真编程平台进行编辑、发布，建设流程见图1。

图1 虚拟仿真实验室建设流程

1.1 3D 数字建模

对实验室中的各种实验对象进行建模仿真，是建设虚拟仿真实验室的基础[3]。建设虚拟仿真实验室，首先要对实验环境中各种对象进行3D 数字建模，3D 数字建模的精度要遵循焦点对象高精度、非焦点对象低精度的原则。如图2 所示，建模方式主要分为两类[4]：（1）基于360°全景照片的建模方式；（2）基于3D的建模方式。虚拟仿真实验室建设可以结合上述两种建模方式。

图2 3D 数字建模方式

对于虚拟仿真实验室背景环境构建，应优先采用第一种建模方式，该方式本质是照片的360°拼接，特点：容易、逼真，虽不是真正意义上的3D 建模，但对于构建虚拟仿真实验室的背景环境已足够。实验仪器和实验设备的建模应采用第二种建模方式，该方式细分如下：照片建模、人工几何建模、激光扫描建模。采用照片建模，先对建模对象全方位拍照，然后导入图片建模软件进行模型构建；人工几何建模，是指使用建模软件，如Maya、3Ds Max 等，按照实物参数从零搭建；激光扫描建模，使用激光技术能对复杂物体快速建立起数字模型。上述三种3D 建模方式，各有优缺点。由于对实验仪器和设备的模型数据的精确性要求十分严格，因此有时需要合并使用才能达到更优效果。

1.2 基于虚拟仿真编程平台进行编辑

虚拟仿真实验的功能核心是交互和反馈。对实验仪器和实验设备进行三维数字建模后，需要把数字模型导入虚拟仿真编程平台进行编程，加入交互、反馈和其它附属功能。此类编程平台较多，如Unity、ue4等，其中Unity 在建设虚拟仿真实验室中使用较多。

Uity 软件是三维互动内容实时编程平台，它提供了强大的虚拟仿真场景和交互的编辑功能。开发人员可以高效地生产品质高、性能高的虚拟仿真产品，而无需了解繁多复杂的底层技术。它的三维产品支持如下设备：个人电脑、平板设备、游戏机、虚拟现实设备、手机。Uity 也能出色开发具有虚拟现实功能的仿真产品。现阶段虚拟仿真实验通过加入虚拟现实功能，提供了沉浸式实验环境，使虚拟仿真实验有更强的临场感。虚拟仿真实验室应该提供虚拟现实功能，为用户进行沉浸式实验提供可能和选项[5]。

1.3 发布

虚拟仿真实验的发布模式要考虑教学网络化、泛在化的趋势，考虑对在线学习的支持。软件类型决定了发布模式。纯软件虚拟仿真实验室可以分为桌面单机类型、C/S 类型、B/S 类型等。C/S 和B/S 类型的虚拟仿真实验室基于网络技术，能更好的实现远程教学、资源共享。B/S 类型程序直接通过游览器访问，完全不需要安装，相对于C/S 程序需要在用户电脑上安装更为方便。因此，在满足功能和使用体验良好的前提下，虚拟仿真实验室建设应优先选择B/S 类型程序。

WebGL 是一套3D 绘图技术标准，该绘图协议把OpenGL ES 、JavaScript 相结合，在网页浏览器中增加了一个OpenGL ES 的JavaScript 绑定，WebGL 可以为HTML5 Canvas 提供3D 绘图功能和GPU 硬件加速渲染，该技术已被各平台网页浏览器广泛支持，无插件、跨平台，运行原理见图3，基于该技术可以创建大型3D 场景交互式网站应用。Unity 平台具有发布基于WebGL 3D 的B/S 应用的功能，应将虚拟仿真实验室优先发布成此类应用。

图3 WebGL 网页客户端技术组成

2 高职院校虚拟仿真实验室功能设定的实践和研究

2.1 虚拟仿真实验室功能

虚拟仿真实验室完善的功能是学生完成高质量实验的基础。一个学校的虚拟仿真实验中心应建设仿真实验中心门户网站，用于发布实验教学类信息和通知等，并内嵌虚拟仿真实验教学集成平台，该平台一般包含多个虚拟仿真实验室。见图4。

图4 虚拟仿真实验中心功能

其中实验教学信息发布功能用于发布和虚拟仿真实验有关的一般信息和通知；虚拟仿真教学集成平台实现核心功能，主要包含三部分：B/S 虚拟仿真实验室模块、单机版（C/S）虚拟仿真实验室模块、虚拟仿真实验室辅助模块，见图5。

图5 虚拟仿真教学平台功能

2.2 单机版（C/S）虚拟仿真实验室模块

如前文所述，部分较专业的虚拟仿真实验软件是单机版或者C/S 结构版，此类虚拟仿真软件需要安装于实验计算机中，本研究认为，采用全部集中安装于高性能服务器，学生通过定制虚拟仿真客户端远程登录服务器的方式进行实验为更佳方案，此方案便于程序更新、管理，也提供了学生基于互联网远程进行实验的可能性。

2.3 B/S 虚拟仿真实验室模块

B/S 虚拟仿真实验室模块运行基于B/S 结构的WebGL 3D 虚拟仿真实验室，此类虚拟仿真实验室将是以后的主流模式，其运行于网页浏览器，并且免安装、免插件，可完美嵌入spoc、mooc 等网络学习平台，为基于网络的泛在学习提供了轻量级较完美的实验实训方案。

2.4 虚拟仿真实验室辅助模块

虚拟仿真实验室辅助模块，主要包括实验室管理、实验申请、实验报告管理、实验成绩管理、实验互动答疑功能，该模块同时对B/S 虚拟仿真实验室模块、单机版（C/S）虚拟仿真实验室模块提供支持。

虽然本研究提供了学生使用个人计算机进行远程实验的完整方案，但高职院校的学生自控能力较差，另外集中式课堂实验更有利于师生互动、生生互动、社交能力培养，更有利于学习。因此正常实验教学，应该在实体计算虚拟仿真实验室以集中式课堂式虚拟仿真实验模式为主。依本研究方案建设的虚拟仿真实验中心，安装有网页浏览器和定制虚拟仿真客户端程序的普通计算机实训实验室，配置好网络，即可进行虚拟仿真实验。

结束语

虚拟仿真实验是实践教学发展的一个重要方向，教师必须提高应用能力。虚拟仿真实验适应了信息时代高等教育开放办学、资源共享的趋势，为学生开展探究性学习、自主实验、创新实践提供了先进手段、优质资源。教育部明确指出虚拟仿真实验室建设应该遵循“能实不虚、虚实结合、相互补充，实是核心、虚是补充、以虚促实”的原则，侧重解决传统实验环境和校本条件下难以实现的问题。