虚拟仿真范例6篇

虚拟仿真范文1

虚拟仿真的世界由计算机生成,由投影机等显示设备呈现,可以是现实世界的再现(虚拟实境),也可以构想一个全新的世界(虚拟虚境),通过创造身临其境的沉浸感,并配合头盔显示器、数据手套等辅助传感设备,让用户可以与虚拟世界自然实时交互,直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化,像在真实环境里一样进行各种操作。这种虚拟环境具有极高的准确性,可以节省昂贵的现实培训开支,减少真实资产的浪费,更有效地整合信息和数据,帮助用户对关键任务和决策做好最佳准备,优化产品开发流程,从根本上改变人们工作的方式。

作为窗口的显示技术

在虚拟仿真系统中,显示设备是呈现虚拟世界的窗口,而投影机是其中最常使用的设备。标准的投影机通常只是在平面上投射单一图像,而虚拟仿真中的投影机通常用于多通道、边缘融合系统,显示无缝连续的图像,而且经常需要投射在球幕或柱形的表面。因此,与普通的工程应用相比,用于虚拟仿真系统的投影机需要具有更高水平的色彩校正和光输出控制,以及更先进的图像处理能力,例如几何校正。作为创建锐利图像的重要一环,投影机镜头同样重要,可帮助实现无缝的边缘融合。

“虚拟仿真系统力求达到模拟真实环境的标准,不但对整套显示系统的性能有着极高要求,系统形式也会针对不同行业的不同需求带来有不同的呈现效果。总体来说,大多数行业的虚拟仿真系统普遍会有好的色彩呈现、高分辨率、高亮度、高对比度、高一致性、高刷新率、多种立体方式、很好的沉浸感,以及观看视点位置、多视点观看等需求。在不同行业的应用中,虚拟仿真项目通常需要多台投影机拼接融合组成不同的系统形式来满足使用要求。” 巴可大中华区虚拟仿真系统产品经理赵易时指出,“就投影机来说,为满足以上需求,单机方面就要有高分辨率、不同亮度的系列,氙灯和3DLP芯片级的色彩呈现,要能够实现多种立体表现形式并能实时切换,具备高系统刷新率、低噪音、模块化易于更换、自动亮度、色彩实时检测和调整以及多通道间的融合羽化等能力。”

随着应用的不断深入,更高对比度尤其是支持夜间模拟操作的投影机成为趋势,此外,投影机刷新率的提升也增强了图像的真实感。“针对某些特殊领域,如专业级飞行模拟器等虚拟系统的使用和模拟过程中,对投影机还有夜视模式、超高对比度增强模式、快速消隐、能上运动平台等特殊要求。” 赵易时补充道。

显示技术本身的进步,也为虚拟仿真系统发展创造了更好的条件。在过去几年,受到世界经济环境的影响,机构对成本效益的考虑以及紧张的资金成为虚拟仿真系统建设面临的重大挑战,但是LED以及激光光源技术的发展,实现了更低的使用和维护成本。

同时,显示技术正不断挑战人眼的极限分辨率,对于4K、8K等技术来说,虚拟仿真是真正的利基市场。石油公司、汽车设计、军事简报室等都是对于分辨率非常饥渴的,并可能最早尝试4K的领域。赵易时指出:“4K技术的成熟对仿真应用有着重要意义,随着各个行业的不断发展,用户对虚拟仿真系统的需求也在不断增强。4K推出只有两三年左右的时间,现在已经在很多行业替代了以往的系统形式,用更少的投影显示单元实现更大的视场角以及更精细的画面表现力,带给用户更逼真的体验,促使4K的应用需求在各个行业都在快速上升。巴可是最先将4K技术应用在虚拟仿真领域的厂商,目前我们在国内已为包括上海通用、广汽及北京现代汽车等公司安装了4K仿真项目,应用在汽车制造中。”

如今的4K平板显示器亦非常适合用在虚拟仿真系统中,JVC近日在其的84英寸4K显示器上演示了“谷歌地球”的内容,这款产品针对虚拟仿真市场,有4路HDMI输入,支持60帧/秒的4K内容。地图等内容要求宽广的视野和高精度显示,非常适合在大的4K平板上播放。

不同类型的系统

虚拟仿真系统应用的范围广泛、环境复杂,应用需求多种多样,为此,市场上也有各种类型的系统提供。“根据显示系统的不同来划分,仿真系统主要有平面投影系统、弧形投影系统、CAVE投影系统和球幕投影系统,其他一些异形投影系统严格来讲都可以划分到前述的四种当中去。系统搭建的难点主要是根据客户的需求选择最适合的软硬件来完成整个系统,避免系统中的软硬件冲突。” 赢康科技的技术人员为我们介绍道。

根据实现功能的不同,有很多专门的系统应用在不同的环境中。例如,飞行模拟器和其他“4D平台模拟器”(例如安装在移动液压升降塔架上模拟重力效果)通常被用作特殊和专门的功能,它们由1个、3个、5个或更多的大型背投屏幕加上3D快门眼镜、环绕立体声和位置跟踪系统组成。头部位置和方向并不一定需要追踪(因为身体就在这个投影环境里),但是头部追踪可以在人走过空间时,实现自然视场和角度变化。追踪带有触觉反馈的数据手套可以支持对虚拟物体的操作。

CAVE协作虚拟环境,源自Collaborative automatic Virtual Environment的缩写,是近年来出现的一种标准配置,其结构通常是一个3m×3m×2.4m的长方体,由3到6个背投屏幕墙面组成。不论是在科研机构还是跨国企业,用户可以在CAVE里面通过网络与世界各地的团队就复杂问题进行协作。在CAVE当中,若干投影机由计算机或计算机集群驱动,由外向这些屏幕投射。由于近距离观看需要非常小的像素来保持真实感,因此要求投影系统有非常高的分辨率。用户在CAVE里面佩戴3D眼镜观看由CAVE生成的3D图形,其动作通常由3D眼镜附带的传感器跟踪,并不断调整视频,以保持观看视点。CAVE以及音频系统都由计算机来控制,在CAVE中,通常会在多个角度安装多个扬声器,提供配合3D视频的3D音频效果,以实现全面的3D体验。

LVC(Live, Virtual, and Constructive),现实、虚拟和建设性的仿真被广泛用于模型和仿真系统的分类。LVC有助于解决时间和空间、操作预算的限制,不用现实设备就能实现更多的培训。例如,在下一代航空领域的培训中,包括很多在无人驾驶机上的培训,都需要考虑不同的人为因素以及在不同地点的分布式培训。

另外,带有全面人体运动跟踪架构和设计的沉浸式虚拟现实系统也会有大的增长,并且在应用中有强大优势。例如对于军队的医疗团队来说,可以在虚拟空间检查新手术室的设计,移动仪器和重新定位设备,直到他们认为配置正确,这样就不用建立物理模型,从而节约时间和金钱。

尽管一个封闭的环境已经能满足需要,但是有时3D协作可能只需一面显示墙屏幕甚至是在桌面上就能实现。由于模拟项目涉及人员众多,空间常常成为问题,因此带有位置追踪的头戴式显示器或许会成为最佳解决方案。

平台软件与系统整合

相比只是简单显示信号的普通工程应用而言,虚拟仿真系统更加复杂,是各种技术的集成,除了投影显示系统外,组成系统的还有服务器、VR外设和平台软件。要让所有零散组件和工作成为一个无缝整体,秘密武器就是平台软件,没有软件的粘合,虚拟仿真系统就只剩一堆硬件。现在,大量的公司从事虚拟仿真软件的开发,确保以高速的立体数据渲染,让用户拥有更好的图像质量,增加沉浸体验。

“在一个系统中,所有外设整体的整合主要靠软件来完成,平台软件包括三部分:第一部分是仿真软件平台,所有的开发都是基于这个平台来做的;第二部分是接口开发,没有接口软件就无法认出硬件的数据,没有统一的数据接口就没有办法把所有的数据进行整合与处理;第三部分是应用开发,只有平台和数据是无法完成搭建一个系统的最终目的――解决一个实际问题――的要求的,而且前端的AV系统也需要开发出来的应用来提供显示内容。平台软件作为把整个硬件系统连接成为一个整体的桥梁,通过必要的接口开发把所有硬件部分连接成为一个无缝的整体。AV设备提供相应的音视频输出,而手势控制、头盔显示器、跟踪系统都可以作为输入端,通过采集输入端的数据,发送到软件中进行分析运算,最终形成图形图像等信息输出给AV终端设备。” 赢康科技强调了平台软件在系统中的重要性。

系统集成商可以提供很多设备,如屏幕、投影机、计算机、图形卡。制造商针对虚拟仿真设计的投影机,可以满足诸如7×24小时持续运行的特殊专业需求,其组件和保修通常都指定了更长的运行时间和耐用性。但设备提供并不是最重要的,赵易时指出:“其实,对虚拟仿真来说,单机方面的要求仅仅是冰山一角,更重要的是系统级的‘know how’(知道如何去做),系统集成的经验对项目的成败非常重要,比如光路的设计、性能的分析是否能满足使用要求等。此外,屏幕类型以及配比,系统级的对比度、系统亮度、对环境光的抗干扰能力以及针对观看眼点的系统对比度分析等,都是系统级的要求。所以说搭建一个虚拟仿真系统,不仅仅是依靠仿真级的投影机,更重要的是系统级的‘know how’和经验。”

对于AV系统集成商来说,针对每个定制设计安装需要具备测量和规划的技能,还要整合其他设备,并与不同的供应商合作。例如,在操作软件以及将现有3D资产模型转换为适合实时操的作格式等方面,就要与VR供应商合作。同样,3D HMDs、触感手套、触觉力反馈控制的供应与集成也可以找有经验的合作伙伴。这些都要求集成商的项目管理技巧能够从整体上控制这些工作并管理好客户关系。

不同行业的应用

利用虚拟仿真的物理实时计算功能和高画质的渲染技术,赋予虚拟环境以真实体验,并实现其各种内在特性,如真实模拟场景重力、环境阻尼等环境特性及动力学特性等,使得虚拟仿真技术在各行各业的应用中都可创造出极大的现实价值。

飞机、动车、轮船、汽车制造中应用虚拟仿真系统会极大缩短产品的开发周期;在军事作战指挥、训练中利用虚拟仿真技术,可以丰富战术,提高部队训练水平;虚拟实验室,能够使学生身临其境参与实验,同时解决资金、空间、时间等问题;虚拟仿真可以将历史建筑、文物、自然现象等进行虚拟展示和复原,从而使其脱离地域限制,减少破坏的同时让更多人分享和体验;通过与电力信息系统紧密结合,虚拟仿真系统可逼真再现变电站现场各种设备的操作过程和设备运行状态,从而为电力行业提供可视化系统解决方案;虚拟现实仿真平台可以实现水利工程仿真、地震应急救援仿真、地震应急推演仿真、地质灾害仿真,实现地质灾害虚拟环境功能与展示的结合,在虚拟环境中进行预防地质灾害的模拟演练。

虚拟仿真以其不可取代的优势,被广泛应用在国内各个行业,并发展迅速。据赢康科技介绍,虚拟仿真目前主要集中应用的行业包括:军工(九大军工集团及下属院所)、航空、航天、工业制造、汽车行业、能源行业。其次是建筑、园林、文物、古建,以及教育、文化、艺术、娱乐等领域,近几年在一些民用小领域也开始出现仿真应用。

同时,每个行业都会根据自身行业的特点设计不同的应用需求,巴可公司赵易时谈道,比如有些场景需要突出沉浸感,有的则要求大视野,或者对互动和固定眼点后的分辨率有着极高要求,甚至还有的要求系统能应用在特殊的运动平台上,不一而足。这就需要投影厂家对各个行业的显示需求有深入的理解,具备满足各个行业不同需求的全系列产品线以及系统集成经验,才能够最终满足不同领域用户的专业需求。

不论厂商还是集成商都需要吃透用户的需求特点,才能使虚拟仿真系统发挥最大价值。“仿真系统主要实现的功能包括:外观评审、样机评审、虚拟装配、虚拟维修维护、虚拟漫游、过程仿真、人机功效分析等功能。不同行业客户的需求基本就是上述这些功能,只是侧重点有所不同,最主要的差异就是应用的差异,每个领域都有自己的特点,有自己的技术,要针对每个领域的需求定制不同的软硬件解决方案,这其中也包括了软件的开发。”赢康科技介绍道。

广阔的市场前景

虽然虚拟仿真系统发展很快,但相比AV行业的其他垂直市场还是相对比较小众化,且对于设备、技术要求较高。随着各个行业自身的不断发展,对虚拟仿真系统的应用需求与日递增,使其开始从过去相对高端的专业领域向民品行业迈进。在未来,有理由期望通过拓展潜在用户的范围,令虚拟仿真系统变得更受欢迎。

“虚拟仿真已经逐渐涉及到民品行业,目前国内家电行业已经开始使用仿真系统做外观评审了。其实仿真在国外的应用非常广泛,大到航空航天,小到家居装修,都已经用到了相应的技术,只是国内在这方面的起步较晚而已。”赢康科技指出,“平民级应用将成为未来虚拟仿真系统的一个发展方向,在满足视觉和听觉的基本沉浸感和交互感的基础之上,采用最便宜的软硬件来进行集成,将以前高不可攀的仿真设备价格变得大部分公司都能消费得起,使采用这种集成技术的成本远低于平时的研发或训练成本,甚至是普通大众都能接受,这样虚拟仿真才能够走向大众化。”

显示技术以及虚拟仿真系统涉及的其他技术都在不断进步,进一步推动虚拟仿真应用的拓展。赢康科技还指出了虚拟仿真未来的另一个方向,即向更加深入的沉浸感体验发展,视觉方面,同样大小的显示终端从2K变到4K,以后甚至会达到8K、16K,直至人眼无法看到像素点的分辨率,除视觉听觉外,其他感觉体验(如:触觉、味觉等)已经开始逐步应用,这将实现更加贴近真实感觉的体验。

“未来,虚拟仿真和虚拟可视化会在各个行业扮演越来越重要的角色,会有越来越的行业和客户在未来需要借助虚拟仿真的技术平台满足其专业化的需求,市场前景非常广阔,市场需求在不断上升而且对各个细分的领域会有着越来越高的、独特的专业要求。以后的虚拟仿真的市场一定是不断扩大而且细分化的。” 谈到未来前景,赵易时如是说。

案例1:

中国商用飞机责任有限公司(“中国商飞”)成立于2008年,是一家承载国家大型客机项目的国有大型企业。为提高航空工程师的日常训练水平,中国商用选择巴可为其提供沉浸式虚拟仿真系统。该套定制化视觉解决方案采用Holospace L型立体环境搭配Galaxy NW-12立体投影机,同时融合虚拟装配软件应用,是国内商飞领域第一套虚拟仿真训练系统。项目中, 5台高分辨率?Galaxy NW-12立体投影机,分别投射于正面、地面和侧面三面,将虚拟的飞机内部座舱布局、机械引擎设备等三维立体影像以1:1的比例逼真地呈现出来,真实地还原机务工程师所面对的物理环境。模拟训练区拥有进行模拟装配训练时所需的大视野及交互式的立体操作环境,可允许3至?4人同时进行演练。此外,系统还可为公司专家及管理者提供绝佳的会议汇报场所。

案例2:

“青岛国棉6虚拟现实产业园”规划打造成为一个具有历史气息的文化创意产业园区。在此项目中,赢康科技完成了包含360度环幕、城市仿真、登陆火星、地面互动、都市快轨、飞行模拟、建筑投影、全息迎宾、外星人游览、雾幕投影、虚拟漫游、虚拟商场、虚拟装备、自然互动等项目的显示系统。

虚拟仿真范文2

1工程机械虚拟仿真实验教学平台的总体架构

本文设计的基于互联网和计算机虚拟仿真技术的实验教学平台,将理论分析与实验教学融合于一身,能够从理论和实践的双重视角分析工程机械运动的原理,利用虚拟仿真实验平台实现工程机械理论与实践的统一,为工程机械专业教学活动提供了一个动态化、智能化、交互性的教学与实验环境[8-9]。该虚拟仿真实验教学平台能够通过视频、图像等方式将机械设备的工作过程进行动态化展现,产生更加直观和生动的教学效果,使学生更容易掌握工程机械运动的原理。

依托于互联网和大数据的计算机仿真平台的突出特点是智能化,可以提供更多种类的教学模式和实验模式;在交互性的表现方面具有强大的AI性能[10-11],易于教师与学生的互动和交流,学生在选择性学习方面有了更大的自主性。由于虚拟仿真实验教学平台的教学资源由网络和大数据平台提供,一方面可以保证所提供的工程机械模型的科学性、时效性和多样化,能够应对不同方向的教育教学任务;另一方面也提高了教学资源网络的共享性和开放性,节约了教育教学成本。

本文设计的基于网络与计算机虚拟仿真技术的工程机械实验教学平台,是在工程机械设计与机械运动原理的基础上,结合计算机仿真技术和多媒体技术,以更为直观和透彻的方式展现工程机械设备的工作原理。它改变传统实验教学平台中过于抽象和单一的表现方式,具有更好的交互性和实验教学效果。计算机虚拟仿真实验教学平台作为一种新型教育教学系统和媒介,为工程机械实验教学提供了一个高效、稳定和经济的教学方式。该虚拟仿真实验教学平台的最大特点是以虚拟3D的方式呈现,可以在虚拟与现实之间进行转换,是多媒体VR技术在教学中应用价值的体现[12]。学生和教师都可以以用户的身份登录该平台,基于输入/输出设备向虚拟实验平台传达指令并获取相关的结果,反馈的结果包括视频输出、图形输出和文字输出等不同的形式。平台还能够依据登录者的要求提供更加完整的实验数据、实验图形及工程机械各种参数变化曲线拟合等。

工程机械虚拟仿真实验教学平台总体框架主要由平台信息导入模块、实验教学虚拟交互系统和平台信息导出界面等3部分构成。工程机械虚拟仿真指令从输入界面导入,用户的指令需要转换为虚拟的计算机语言并进入虚拟仿真实验教学系统。虚拟交互系统是虚拟仿真实验教学平台的核心模块,按照用户的指令提供平台控制功能、场景虚拟功能、场景选择功能及各种指令操控功能。平台信息导出模块将实验教学虚拟交互系统模块计算和处理过的数据信息、仿真模型以图像或视频的模式显示出来,从理论和实践两个视角展现工程机械运动的过程和基本原理。

2虚拟仿真实验教学平台的基础硬件设计

工程机械虚拟仿真实验教学平台由硬件系统和软件系统两个部分构成,其中硬件部分是实现虚拟仿真系统基础功能的前提和保证,也是软件功能得以实施的实物载体。

用于工程机械虚拟仿真的实验教学平台核心硬件模块包括虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真运动平台、信号感应模块和LED显示模块。当用户开始操作平台时,信号模块会将用户的要求和信息以控制信号的模式导入驱动模块,同时虚拟上位机系统参与协同控制,共同控制虚拟仿真平台的工作与运行。虚拟仿真实验教学平台除了具有必要的电机结构、联轴器结构、台体结构、电控装置及运动结构之外,还通过编码器、光栅尺、传感器等与上位机系统连接,以虚拟现实技术为依托,实现工程机械实验教学平台系统的更新与变革。工程机械虚拟平台系统依靠编码器、传感器等读取用户的指令信息,再利用信息控制模块及平台的电控装置,传导信号、输出指令和导出实验教学用的相关数据和虚拟模型。

3实现流程与关键技术

工程机械虚拟仿真实验教学平台的系统软件程序设计,与系统整体框架设计及硬件模块设计相匹配,平台的各软件模块都围绕着工程机械设计的基本理论展开。平台软件的实现流程包括系统用户时域信号的分析和系统频域特征的分析,最终通过对用户需求的分析和平台虚拟程序的运转,输出各类工程机械工作原理视频或图片,以达到提高教育、教学效果的最终目的。

平台启动后,用户按照自己的教学需求和平台使用规则载入原始数据,并开始进行数据转换,提取符合工程机械标准的性能指标值及相关数字信号的空间坐标值。系统的软件模块和软件实现流程能够以程序的方式写入平台系统,也可以按照用户的需求及工程机械的基本原理进行修正,以呈现出不同的信号频域特征和工程机械模型。

虚拟仿真实验教学平台信号的响应速度是衡量平台软件系统功能性的主要指标之一。平台系统在数据信号和系统本身固有特性共同作用下,可以将用户的实验目的及实验要求转化为最终的工程机械虚拟仿真实验结果,并在显示模块中显示出来。初始阶段由用户数据转换过来的信号为阶跃信号,阶跃信号可以直接调动系统平台的资源,但受到虚拟仿真实验教学平台硬件兼容性的限制。当信号无法调动系统平台资源时,就需要将阶跃信号转变为脉冲信号。平台的响应信号实质上由系统内部软件程序的微分方程及其全部的解构成,在系统平台开始进行仿真实验的过程中,基于对仿真信号的传递、识别和处理,能够得到实际的工程机械仿真模拟输出,但在绘制信号的仿真输出曲线时会出现一定程度的系统误差(t),影响微分方程正确解的总体数量,因而需要对信号传输误差进行有效控制。系统信号输出误差的控制可以通过调整系统硬件参数设定或更新软件程序的方法实现。虚拟仿真实验教学平台的频率响应效率是影响平台信号谐波输入及系统稳态响应的一个重要因素,输出曲线的正弦波相位变化及幅值的变化,是显示虚拟仿真平台基础性能的重要指标之一。当进行虚拟仿真实验时,可以通过修改信号频率的模式,得到若干组数据信号输出值,使虚拟仿真实验教学平台的误差最小化,得到结果最为真实、准确。

在工程机械虚拟仿真实验教学平台的实际应用中,本文采用的UGNX虚拟技术,能够导入各种3D模型制作软件,具有更加良好的适配性和兼容性。在虚拟仿真实验教学中,软件程序的设计主要基于UGNX虚拟技术来实现,包括3D建模、3D渲染和仿真教学模型的优化。利用UGNX虚拟技术进行工程机械仿真实验教学,基于UGNX技术优化虚拟仿真实验教学平台的系统属性和软件实现流程,并按照用户的需求模拟真实的工程机械设备进行场景的选择与设定,添加各种属性和行为。

虚拟仿真软件程序在UGNX内创建并内嵌于虚拟仿真实验教学平台之中,实现工程机械的3D建模。创建仿真程序需要对原始的数据信号进行标准化处理及虚拟场景的交互,导入机械设备模型的三维数据,其中工程机械设备的格式是以系统插件的形式完成的,在数据信号格式的转换中,基于网络和校园内部浏览器向平台输出相关的实验教学数据,确定虚拟仿真实验教学的实施路径,并将最终的虚拟仿真结果以视频或图像的形式更为直观地展现出来。

在工程机械虚拟仿真实验教学中,为了提高三维展示的直观性,工程机械内部零件都具有一定的透明度,并可以利用UGNX技术将不同的零件辅以不同的颜色,在实验教学中有助于使用者更为细致地观察工程机械的运行原理,认识各个内部零件之间及与设备整体的逻辑关系。与传统的工程机械类实验平台相比,本文设计的仿真实验平台,在仿真的直观性、准确性、交互性及实验课堂教学效果方面都具有较大的优势。特别是在平台系统交互性能方面,利用UGNX技术平衡虚拟仿真平台总体的架构与节点安排,使工程机械设备结构的各种特性都能够全面地展示出来,显著提高教育教学的交互性与智能性。

4实证结果与分析

4.1虚拟平台的功能性验证

首先验证虚拟仿真实验平台的功能性。采用问卷调查的方式对使用了平台的师生进行问卷调查,对于文中提出平台设计的满意度问卷调查统计情况问卷调查结果显示,各专业教师和学生对于虚拟仿真平台的满意度均在95%以上,说明文中提出的虚拟仿真平台相对于传统平台具有良好的功能性和实用性,能够获得更好的实验教学效果。

4.2虚拟仿真平台的性能验证

教学实验平台的信号响应值是衡量系统平台性能的重要指标,信号响应值越小则证明实验平台的信号响应越快速、性能越强。本文以车辆工程专业教学中的底盘设计为例,分析传统实验教学平台和虚拟仿真实验平台的信号传输响应值分布情况。该基于互联网和大数据的工程机械虚拟仿真实验教学平台的信号响应值被控制在±1.0之内,最高值和最低值分别为0.65和–0.65。从实验结果可知:本文设计的虚拟仿真实验教学平台在系统响应时间上更有优势,尤其是在复杂三维建模中可以提高仿真教学的效率和效果。

虚拟仿真范文3

关键词:土工虚拟仿真实验室;继续教育;实践教学

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)20-0224-03

虚拟现实技术发展迅速,在大众化教育及军事、医学、航空等的教育方面都得到了广泛应用。自从1989年,美国费吉尼亚大学(University of Virginia)的William wolf教授提出虚拟实验室(Virtual laboratory)概念以来,虚拟实验室的研究在发达国家十分普遍[1]。美国北卡罗来那大学的LAAP物理试验室和Howard Hughes医学院开发的Biointeractive系列软件[2]。国内对网络虚拟仿真试验室的研究虽然起步比较晚,但是也出现了一些非常优秀的虚拟仿真试验室。如:中科院上海有机化学研究所虚拟化学试验室Chemlab套装软件、大连理工大学analab的化学虚拟试验室系列、中国科技大学的大学物理仿真试验、中学电路虚拟实验室、生物虚拟实验室、南京大学物理实验室[3]。文章选择土工试验作为研究对象,通过利用目前比较成熟的WEB技术、多媒体技术、虚拟仿真技术构建一个基于网络的土工虚拟仿真试验室,实现了试验相关知识的辅助学习、试验过程的模拟仿真操作、试验记录表的提交、试验后的教师批改评语、学生查看成绩等网络化的虚拟试验教学和管理功能。

一、土工虚拟仿真试验室的系统设计

土工虚拟仿真试验室的系统设计包括试验室平台搭建和虚拟仿真试验开发。

1.土工虚拟仿真试验室平台搭建。平台采用的是基于Web的B/S架构,客户机上只要用一个浏览器(Internet Explore、Firefox、Chrome)就可以了。该模式最大的优点在于,用户可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件,只要有一台能上网的电脑就能使用。服务器端采用PHP+MYSQL技术,在浏览器端采用Ext 2.0javascript库进行开发,使用ajax技术使浏览器端与服务器端通信。

搭建由学生、教师、管理员三界面组成的网络试验平台,包含试验演示系统、试验仿真操作系统、试验结果记录系统、试验结果评阅系统、成绩反馈系统、后台管理系统等,如图1所示。

2.虚拟仿真试验开发。开发11个高交互、高仿真的土工虚拟仿真试验:土的含水率试验(烘干法)、土的密度试验(环刀法)、土的比重试验(比重瓶法)、击实试验、颗粒分析试验(筛析法)、颗粒分析试验(密度计法)、直接剪切试验(快剪法)、土的压缩试验、变水头渗透试验、浅层平板载荷试验、十字板剪切试验。

试验系统采用Flash作为开发工具。开发出和实体仪器形似并具备其对应实体的所有特性或功能的虚拟仪器;具备真实土样一切物理性质的虚拟土样。试验的仿真模拟操作:学习者可以自主选择仪器和土样,在虚拟界面上进行试验,如图2、图3和图4。

二、土工虚拟仿真试验室的过程设计

在传统课程以及真实试验教学中,教师都会按照一定的教学过程来实施教学活动,在虚拟仿真试验系统中,为学习者的学习活动设计了以下几个部分。

1.用户登录。在虚拟试验室中,学习者必须是通过用户界面与虚拟试验进行交互。构建了和谐友好、方便操作、逼近物理原型的试验环境。如图5~图9。

2.试验过程模拟。虚拟试验过程模拟与仿真阶段,学习者通过鼠标选择工具栏的工具和土样,拖曳到试验操作界面中,按照自己的步骤进行虚拟仿真试验,虚拟仪器会显示出试验数据。将试验数据记录在试验记录表中,并处理试验数据,得出试验结果。提交试验记录表。试验过程中不设置错误提醒,即使过程错误虚拟试验也能进行下去,如操作者发现操作试验过程错误,可重新操作。这种过程模拟更接近真实操作过程,学生不是被牵着鼻子。进行探究式学习,有助于提高学生的自主学习能力,发现问题、解决问题的能力。

3.试验评价。教师登录到虚拟试验室中,可以查看学生提交的试验报表,给出分数和评语。学生在我的成绩中可以看见成绩和评语。通过虚拟试验,学习者可以分析虚拟试验的进程、描述自己的感觉和反应,以判断自己对概念的掌握程度以及分析问题、解决问题能力的提高程度。同时,把虚拟情境与真实世界相比较,把虚拟试验和实际应用相联系,使得学习者在虚拟试验中掌握的概念和解决问题的方法迁移到真实试验环境之中。

三、结论

1.突破了空间和时间的限制,实现了继续教育实践教学的开放性。对于在职在岗的绝大部分继续教育学生而言,相对集中安排进行的试验实训直接与他们的工作时间发生了冲突而使工学矛盾更为尖锐。利用基于网络的土工虚拟仿真试验室,学生只需一台可以上网的电脑,就可随时随地进行虚拟仿真试验。

2.节约现实教学资源,共享教学资源。土工虚拟仿真试验室投入少、收益大,实现了实践教学内容的重复实践。在虚拟仿真试验室学生能完成在线试验记录、试验结果提交、成绩查询;教师能完成试验报告的批阅。实践教学手段与组织管理方式的现代化,缓解了实践教学中学生人数多与指导教师人数少的矛盾。

3.解决了继续教育网络学习无法动手操作、达不到实践教学效果的问题。继续教育网络试验多数拘泥于文字和图片的表现,或者偶尔配以简单动画、视音频的辅助。真正基于网络的实时操作性的试验寥若晨星,多数网络试验都是演示性质的,学生多是通过浏览网页或者观看多媒体教学来了解试验过程,不能达到预定的试验目的,对学生理解所学知识的帮助也不够理想。学生利用土工虚拟仿真试验室,通过操作虚拟仪器进行试验,并得到了试验原始数据,学生可以输入试验界面上的试验记录表中,通过公式计算即可得到试验结果,也可输入试验记录表内。试验结束后,学生对试验结果进行存盘提交。教师可以进行评阅,对试验做出评判。通过动手试验,培养了学生选择试验仪器、独立操作、观察现象、正确测量、试验数据处理与误差分析等方面的能力,以及分析和解决问题的能力,增强了实践教学效果。

参考文献:

[1]郭桂苹,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学,2010,(05).

虚拟仿真范文4

关键词:虚拟仿真;eNSP;Cloud桥接

引言

本文主要通过对华为虚拟仿真软件eNSP中Cloud桥接设备的学习研究,实现虚拟仿真软件中的交换机、路由器、防火墙等网络设备与本地多台计算机的互通,使得本地多台计算机可以通过Xshell等客户端软件,登录虚拟仿真软件中网络设备,进行相关的配置练习或工程仿真,就像真实操作相关的网络设备一样,可以进行实验教学或专业技术人员的工程训练[1]。通过这样的虚拟仿真技术,既可在很大程度上节约网络设备投资成本,又可方便地进行操作训练,还可以进行团队协作等方面的配合工作,对于提升网络工程技术人员的专业技能和完成岗位职责效率有很大的帮助。

1虚拟仿真简述

虚拟仿真是一种可以测量网络性能的科学手段,即在计算机等设备上运用虚拟化技术建立模拟软件,通过虚拟仿真运行,在计算机中构建计算机实验平台并能够得到相关数据[2]。目前在计算机网络工程技术中常用的虚拟仿真软件很多,例如PacketTracer、eNSP、GNS等,根据国内网络工程技术的应用状况和发展前景来说,华为系列的网络设备及技术越来越普及,所以对华为网络技术的学习和应用就变得很重要,eNSP这个华为专用的网络虚拟仿真软件也就成了广大工程技术人员应当熟练掌握和应用的工具之一了。网络工程技术专用虚拟仿真软件eNSP功能非常强大,本软件内部集成了常见的交换、路由、安全及无线等网络设备,还有自带的案例库,既能满足初学者学习练习,又适合具备一定网络工程技术基础的专业人员根据具体工作任务设计、模拟工作情境,搭建相关网络模型,提前把客户的需求及设计方案演练成熟,为真实的工作提供了事半功倍的效果。本软件主界面如图1所示。

2虚拟仿真软件eNSP中的Cloud桥接

对于eNSP中的Cloud桥接,功能非常强大,既可以在虚拟仿真软件中把所有的网络设备根据工程设计要求进行连接和通信,更为重要的是可以通过这个Cloud桥接,把本地计算机的网络接口卡进行绑定,通过相关的配置,实现了虚拟设备与本地真实计算机的连接,再配合相关的远程终端软件如Telnet或Xshell等,把本地其他计算机与虚拟仿真软件进行通信,可以用多台计算机对虚拟仿真软件中的网络设备进行配置和操作,可以提升工作的效率,更高效完成网络工程任务。下面就实现上述虚拟仿真技术进行阐述。(1)搭建如图2所示的网络环境,交换机、路由器、防火墙及Cloud各一台。(2)接下来要把Cloud与其他网络设备连接起来,关键是要在Cloud中增加相关的接口,要注意Cloud中接口的类型要选择GE类,这样便于与其他三台网络设备进行连接。可以双击Cloud,打开其属性对话框,增加三个绑定信息为UDP的接口,然后在虚拟仿真主界面中用线缆把三台网络设备具体属性设置及最终结果如图3所示。注意,以上各个设备的IP配置时,交换机的管理IP地址与路由器和防火墙的接口IP地址应该和本地物理主机是在同一网段,建议先获得本地物理主机的IP地址,具体方法在下一步,这样便于后面进行测试和登录配置。(3)接下来的一步很重要,要实现Cloud桥接与本地物理主机的连接,这是整个仿真技术的核心步骤。首先要获得本地物理主机的上网IP地址,可以在“运行”中键入CMD命令,打开CMD的对话框,再键入IPCONFIG/ALL,找到本机上网的IP地址,如图4所示。在上面的图示中找到本地物理主机连接网络时使用的IP地址,假如本机使用无线网适配器上网,通过DHCP获得的IP地址为192.168.0.106,返回到虚拟仿真软件中,在图3中的界面左上角的绑定信息中选择刚才找到网络接口卡,再单击增加按钮,可以看到下面的接口列表中增加了一个属性为PUBLIC的接口,并显示本地无线网络接口卡的信息。如图5所示。(4)完成上面的工作之后,还要把本地物理主机与虚拟仿真软件中的网络设备进行连通,除上面要求的IP地址的配置条件之外,还需要在Cloud桥接属性中进行端口映射设置,把上述步骤中增加的所有接口进行双向通道的连接,本案例中有4个接口,故在端口映射表中有8条记录。最终效果如图6所示。(5)接下来应该是在虚拟仿真软件主界面中启动所有的网络设备,以便于进行本地物理主机与仿真软件中各个设备的连接登录测试。相关设备的启动界面如图7所示。以上所有的过程完成后,用本地物理主机进行网络设备的登录测试,应该可以进行正常登录。由于交换机和路由器及防火墙验证方式不一样,且也不是本文研究重点,故这里不再详细演示各个设备的登录过程。

3远程登录实现简析

在本地其他主机上正常安装远程登录软件,如Xshell,并且这些主机的IP地址应该和运行虚拟仿真软件的物理主机的IP地址处在同一个网络之中。然后运行Xshell软件,进行正确的配置,实现从其他主机上登录虚拟仿真软件中的网络设备进行操作和配置。Xshell的配置主要如图8所示。

虚拟仿真范文5

关键词:药学实验教学;虚拟仿真技术;应用分析

0引言

实验作为理科教学中的一个重要组成部分,对于提高教学质量有着重要的作用。所谓的虚拟仿真技术就是在教学中借多媒体、数据库以及网络通讯等多种技术手段,构建一个逼真可视化的虚拟现实环境,进而开展实验操作,达到教学的效果。故此,在药学实验教学中,借助虚拟仿真技术进而提高实验教学的质量和效率[1]。

1虚拟仿真技术的优势

1.1安全。

在实验教学中借助虚拟仿真技术,可以提高实验教学的安全性。在理工科的实验中,尤其是物理和化学实验,在实验的过程中会经常使用到一些化学物品和一些重量性的用具,在实验时如果不注重安全实验,进而影响实验教学的安全。故此,借助虚拟仿真技术,可以提高药物实验教学的安全。

1.2效果。

在实验教学中采用虚拟仿真技术会使教学内容更加直观,学习兴趣更加浓厚。在实验教学中,借助虚拟仿真技术可以让学号是呢过对于一些较为复杂的设备结构进行仔细观察以及剖析,进而让学生把握复杂零部件内部结构特征,进而使教学内容更加直观,同时借助虚拟仿真技术,将仿真模型装配和实体拆装相结合,可以提高学生对实验的兴趣和积极性,进而提高实验效果。

2虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用分析

2.1实验操作技能的训练和培养。

在药学的实验教学中,首先要对学生进行实验操作技能的训练,并对学生进行培养。由于虚拟仿真技术是最近在教学中应用,而操作也存在一定的困难,如果仅仅依靠教师对学生进行示范操作办法,并不能让学生掌握其操作技术。故此,在药学实验中运用虚拟仿真技术,要首先要让学生进行实时的操作,让学生借助对试验项目进行反复操作训练,进而节约实验的原料,进而掌握实验操作技能。同时,要对学生进行实验能力的拓展。故此,学生通过虚拟仿真操作训练。培养学生对大型分析仪器的结构、原理等有更深入的认知理解,提高操作仪器设备的能力。

2.2仿真训练。

在药学实验教学中,仿真的训练也是其中的重要内容。在药学实验教学中,虚拟仿真技术的训练可以提高学生的实验效果。在药学实验教学中,采用计算机虚拟仿真技术,包括了GMP标准下的药物颗粒制剂生产、片剂生产、胶囊剂生产、水针剂生产以及卫生水系统、空调空压设备等,进而具有操作能力高、操作便捷以及形象生动等优势,且对许多复杂设备、间歇性生产控制、GMP质量管理等进行了三维立体的场景仿真,具备一定的智能化反应能力,同时学生在药学实验中使用虚拟仿真技术进行实验,可以让学生熟练的练掌握药物制备GMP认证要求及生产操作训练,保证学生在生产实习时能快速适应、掌握药物制备的能力,更好地培养学生的实践能力。故此,仿真训练在学生进入实习企业有着重要的影响[2]。

2.3创新设计能力以及评价。

在药学的实验教学中,要培养学生的创新设计能力,且进行实验自测和考核评价。在药学实验的教学中,学生借助虚拟仿真技术,让学生用计算机模拟的手段设计出和筛选出具有潜在结合功能的药物利用实验验证的方式,进而选择候选药物,同时,中心建设的药物分子虚拟筛选模块转化成供学生操作实训的虚拟仿真平台。实现真实实验难以开展的药物筛选的操作实训,培养学生创新实践能力,之后可以对试验的模块进行仿真考试,利用虚拟仿真技术进行自我测试和考核评价,根据系统给出的评价进行修改实验数据。故此,在药学实验教学中,要创新学生的设计能力,借助虚拟仿真技术对其实验模块进行测评,进而提高药学实验教学的质量[3]。

3结论

总而言之,随着科学技术和大数据的发展,其科学技术以及大数据的应用已经渗透到社会的各个方面,学校教学也不例外。故此,在一些实验教学中,随着科学技术的进步,其实验手段也在不断的发生变化。故此,在药学实验教学中应用虚拟仿真技术,借助虚拟仿真技术的安全、节约、直观以及吸引学生兴趣和注意力等优势,打破原有的实验教学模式,进而提高学生的自主学习能力和创新能力,进而在教学中发挥着重要作用。

参考文献

[1]陈章宝,肖国君,邓君,等.虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用研究[J].中国教育信息化,2015(10):86-87.

虚拟仿真范文6

关键词:虚拟仿真 实验教学 项目管理

《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》对高校教育数字信息化建设提出要求。《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》要求重点建设一批部级实验教学示范中心,并加强实践教学管理。高校教育数字信息化和实验教学示范中心建设的重要内容非虚拟仿真实验教学莫属。中国石油大学(华东)石油工业训练中心,作为第一批部级虚拟仿真实验教学中心,高度重视虚拟仿真实验教学建设,在大力建设和完善实验教学硬件条件的同时,也抓好实验教学管理,提高教学质量和效果,作为建设实验教学的软实力的总要求。

一、项目化管理的必要性

项目化管理的实质就是将虚拟仿真实验教学作为一个项目,按照项目的进程进行管理。将该实训课程按照项目的生命周期从计划、实施、评价这几个方面进行质量管理,规范教学过程中的各个环节,能够明确实验教学目标、避免实验教师在教学内容、教学设备的使用中的随意性,也大大提高设备资源的利用率;能够及时发现和反馈实验教学过程中存在的问题,并作出相应调整,保证项目有效地按照计划进行;便于进行科学的量化考核,有利于教学师资队伍质量的提高,也有利于提高学生的实验教学效果,确保实践课程目标的实现。因此,对虚拟仿真实验教学实施项目化管理是提高教学质量的重要途径。

二、项目化管理主要措施

(一)项目计划:制定合理的质量标准

制定有效的项目质量标准是项目计划阶段取得成功的保证,规范标准的教学文件是实现教学质量的基本保证。应用到虚拟仿真实训项目中,一方面要建立健全虚拟仿真实验教学的各项管理规章制度。在教务处统一的基本制度下,根据虚拟仿真实验教学的特点,围绕实验项目的目标制定各项管理实施细则。包括对学生、指导老师、设备资源的管理制度以及实践活动中的行为管理制度等。另一方面要编制合理的教学目标和教学内容。根据各专业不同的教学计划及教学大纲编写配套的实验教学大纲、训练指导书、实训设备与器材单等,并制定详细的教学教案和考核内容、方法、标准。具体来说,虚拟仿真实训课程的内容应结合不同专业不同的教学计划和实验教学设备、软件等资源。即根据不同专业合理安排实训课程内容的深度与广度,同时要充分利用并合理配置现有的实验教学资源。另外在制定人才培养计划时,应与其专业的行业需求接轨。

(二)项目实施:落实过程质量监控

对项目的实施过程进行质量监控,有利于及时发现项目执行过程中出现的问题并及时纠偏,保证项目完成的质量。对虚拟仿真实验教学过程的质量监控,一方面需要检查实验教学项目的准备情况。教师应充分准备实验教学文件,如教案或实验指导文件,满足实验教学大纲要求,达到实践目标。另一方面需要检查实验教学项目执行情况。成立教学督察组监督实验教学过程,可通过随堂听课、问卷调查或座谈会等方式听取学生对老师及课程内容的评价、对教学方法、资源利用情况等方面进行评估,及时反馈相关意见。最后还需要检查实验教学项目的考核情况。除了检查学生的实验报告质量以及理论知识、现场实操的考核情况,还可鼓励学生改进现有实验内容甚至自行设计实验,增强学生的实践动手能力和创新思想是衡量实验教学质量的重要指标。

(三)项目评价:构建完善的质量评价体系

对虚拟仿真实验教学项目进行评价,项目准备阶段侧重对教学目标及教学条件的评价,如人才培养目标、师资队伍、教学资源、经费投入、教学环境等方面;项目实施过程中侧重对教学质量保障措施的评价,如管理运行机制、教学内容、方法、考核方式等方面;项目结束后侧重于对学生的能力评价和社会评价,考察学生的实践动手能力和综合能力以及社会满意度。还可通过在网上开通实验教学留言板的方式,收集学生反馈信息及用人单位对学生实践能力的评价,及时调整、更新实验教学的内容、方法和考核方式,深化实验教学改革。质量评价体系如下图所示。

三、提高虚拟仿真实验教学质量的保障措施

如今,不仅各大高校,甚至中小学也在大力建设虚拟仿真实验教学中心,虚拟仿真实验教学已经成为教师非常重要的授课方式。虚拟仿真实验教学有其不可取代的优势,以中心石油工业虚拟仿真实验教学实训课程来说,借助虚拟仿真手段,使不可及、不可逆、高风险、高污染等操作过程变得直观、形象、更具可操作性,并且增强了实验趣味,提高了教学效果。虚拟仿真实验教学是现今乃至未来的发展趋势,因此,无论是学校、教师还是学生都必须高度重视,加强虚拟仿真实验教学建设,保障教学质量。

(一)加强虚拟仿真实验教学资源建设

学校要加大资金投入,加强虚拟仿真实验教学资源建设。开启校企合作模式,借助企业的技术、服务,合作开发实验教学项目。教师应重视实验教学,改变以讲为主的授课方式,课程内容也不能停留在演示性、验证性实验上,多研发一些综合实验、设计性实验,让学生自主学习,提高学习的趣味性,提高学生的积极性和实践操作能力。

(二)加强实验师资队伍建设

要提高实验教学质量,必须建设一支高水平的实验教学师资队伍。学习发达国家高校“理论教学、实践指导、科学研究”于一体的教师建设机制,一方面鼓励、引导高水平的理论课程教师参加实验教学工作,也可从企业、研究所聘请有相关实践经验的工程师来学校兼职授课,充实实验师资队伍,促进“产、学、研”结合。另一方面制定相关政策,支持年轻老师去企业学习锻炼,提高实践技术水平,并参与科研,实现教学与科研的结合。

(三)加强实验教学资源建设,搭建资源共享平台

要加强实验教学数字、设备一体化建设,能够通过配置和连接,真正实现虚实结合的虚拟仿真实验教学平台,并能够自行设计、搭建实验项目。另外要进一步探索资源开放共享机制,搭建资源共享平台,能够实现项目共享、信息共享、设备资源共享,还能互动交流、展示成果、考评成绩等。

四、结语

上述内容,是笔者在从事虚拟仿真实验教学过程中,针对教学管理提出的一些想法。当然,只有在制度上完善、各教学部门、教学主体及管理人员达成共识,协调配合,才能将实验教学项目化管理落到实处,规范教学项目的计划、组织、实施、监控、评价,提高虚拟仿真实验教学质量,培养高综合能力、高创新能力的人才。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划(2011-2020年)[EB/OL].2012-03-13.

[2]中华人民共和国教育部.教育部关于全面提高高等教育|量的若干意见[EB/OL].2012-03-16.

[3]刘福华,闫景丽.实施实践教学项目化管理提高实践教学质量[J].China after School Education,2007,(02).

[4]施俏春.构建实践教学体系 对实践教学进行全程质量监控[J].教育教学论坛,2012,(13).