虚拟仿真技术在工程教育中的应用

作者：李 进 熊 亮

来源：《中国新通信》 2020年第18期

李进 四川邮电职业技术学院

熊亮 西南科技大学

【摘要】 随着信息技术的快速发展，虚拟仿真技术具有的沉浸式和交互式特点，很好的弥补了受成本、场地、安全方面限制的传统教育，将虚拟仿真与工程教育深度融合是适应信息化时代教育教学规律的一项重要举措。目前，虚拟仿真技术已经在机电类、医药类、化工类等多领域开发了创新性的虚拟仿真教学项目，并且效果良好。未来该技术将会在工程教育和人才培养方面成为知识传播的一种重要方式。

【关键字】 虚拟仿真 工程教育 深度融合

Abstract：With the rapid development of information technology ，immersive and interactive characteristics of virtual simulation technology makes up for the

traditional education limited by cost, site and safety. Deep integration of virtual simulation and engineering education is an important measure to adapt to the law of education and teaching in the information age. At present, virtual simulation technology has developed innovative virtual simulation teaching projects in

Electromechanical, pharmaceutical, chemical and other fields,and the good effect is gained. In the future, the technology will become an important way of knowledge dissemination in engineering education and personnel training.

Key words: Virtual simulation ; Engineering education; Deep fusion

引言

为深入推进信息技术与高等教育工程实验教学的深度融合，2017年9月教育部办公厅发布了《2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[1]，以不断加强高等教育工程实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育工程实验教学质量和实践育人水平。

在信息化条件下，知识的获取方式和传授方式、教与学的关系已经发生了巨大的变革，虚

拟仿真技术引入高等教育教学是适应人才培养的新要求、现代大学生成长的新特点的重要举措。

随着国家培养创新型、应用型人才目标的提出，工程教育环节越来越受到各高校的重视。工程教育通过其独特的教育方式最大限度的开发学生的潜力、激发学生的兴趣，将理论知识内化成解决问题的能力，目前工程教育在整个教育体系中已然有着举足重要的地位。并且，在社会科技的快速发展趋势下，工程教育的重要性与虚拟仿真技术的优势必然会实现完美的契合，实现高等教育在知识传播、能力培养、素质提高方面的协同发展[2]。

一、虚拟仿真技术的特点

虚拟仿真技术聚焦实际问题，坚持以问题为导向，因为有的真实的工程实践项目具有危险性高，环境恶劣，成本资源消耗大，操作不可逆转等问题导致实际运行困难[3]。坚持满足实际需求为导向，紧密结合市场经济发展对高校人才工程能力培养的需求，紧密结合学科特点和产

业发展最新趋势，紧密结合学校特色和人才培养目标，采用现代信息技术，开发原理准确、内容聚焦、新颖有趣、难度适宜的虚拟仿真工程实验项目[4]。

虚拟仿真项目需要依靠先进的科学技术，综合应用数字多媒体、大数据、3D建模、人工智能、人机交互、传感器、虚拟现实、增强现实等网络化、智能化技术手段，在虚拟的环境中模拟实验场地和相关设备，充分考虑不同层次、不同类型的学生特点，搭建具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学项目。这种基于虚拟仿真技术的沉浸式授课方式，在工程教育方面的应用具有很好的交互性和直观性。

工程实践与虚拟仿真相结合一是帮助学生理解基本原理、结构组成、操作程序，并且可以反复练习，有利于学生基本技能的熟练掌握。

二是虚拟仿真实践课程的兼容性和可扩展性，学生在掌握独立知识点基础上，可以综合分析，对实践环节进行改造优化，进行创新性设计。

二、虚拟仿真技术在工程教育中的应用

传统的工程教育受经费、场地、安全等因素的限制，难以让学生对真实的工程案例有个系统性的认识。比如在电工电子学科中，很多实验室设备不充足、更新速度慢、实验案例缺乏再创新等，导致电学类专业学生虽然基础理论较好，但是缺乏解决具体问题的能力和经验。因此，提高运用知识的能力才能有效增强学生的求职竞争力。

Proteus是一款单片机应用的仿真软件，该软件功能强大，集电路设计、制版及仿真等多种功能于一体[5]。特别是Proteus结合keil使用，用于模拟单片机的实际操作和程序的设计调试，能更直观更形象的呈现电路工作过程，把一些难以用语言或者图表准确描述的动态过程表现出来。单片机实训课程涉及硬件电路的搭建和C语言编程，是一门操作性很强的课程。

比如要设计一个由AT89S51单片机为核心的环境监测系统，不仅需要温湿度传感器、光敏元件、报警器、数据显示器等，还需要学生在课堂上花大量的时间制作电路板、焊接元器件以及调试程序。如果测试的环境参数发生变化或者系统要求的提高，需要对传感器的型号、数量进行调整，甚至对整个硬件电路重新布局和设计。

如果在Proteus提供的虚拟仿真环境中模拟整个环境监测的过程，学生可以自由、灵活的设计实验，实时跟踪电路的工作时的信号变化。并且Proteus软件的单步执行功能可以帮助学生更快的理解程序执行的步骤和软硬件的对应关系。Proteus虚拟仿真实验不需要购置实验元器件、测量的仪器仪表，节省了大量的教学成本

机械原理以及机械类课程是理论性和实践性很强的课程。原理类的课程通常抽象枯燥且不

易理解，很多场景需要将机械结构的动力分析和工作原理以三维立体动画的形式进行直观展示。

比如我校机械专业一门创新创业实训课程，课程内容是每个学生根据所学机械知识设计一个无碳小车，无碳小车是用纯机械结构实现小车的绕障和行进，可分为S、8字和双8字三种无碳小车。

无碳小车涉及多种加工方式，比如激光加工、数控加工、钳工、车削和3D打印等，不仅对加工设备和加工原料需求很大，而且加工过程安全难以保障，如果要达到一定的精度还需要反复调试和修改。设计一个虚拟仿真项目，集成无碳小车的设计任务、材料选择、加工过程模拟、调试场景设置等功能，使学生在高仿真的环境中反复操作，加强对无碳小车包含的原动机构、传动机构、转向机构、微调机构、曲柄摇杆机构等知识点的学习和理解，提高对工程实践的认知能力。

虚拟仿真技术采用软件模拟，场景逼着，参数调整性高，由于真实的实验装置受环境影响会产生一定误差，虚拟仿真环境输入的精确导致输出结果与理论推导完美契合。在基础理论学科能将枯燥的公式和文字通过三维或者动画的形式展示过程和结果，非常有助于理论知识的教学和实践。但是虚拟仿真缺乏真实环境的动态干扰，效果不能完全取代实际操作，为了达到最好的训练效果，需要将虚拟仿真练习和实际训练想结合，这是一个不能忽视的问题。

三、基于虚拟仿真技术的工程教学案例开发

虚拟仿真工程教学案例的开发是现代信息技术与高校工程教育的深度融合，可以有效的提高实训项目的深度和广度。虚拟仿真技术对于展示一些专业性强但是又缺乏示范说明的操作尤其重要。所以虚拟仿真教学课件需要兼具场景逼真性、人机交互性和文化娱乐性。

DyanVR虚拟仿真教学课件制作系统，能够还原最佳的真实场景，资源包充足，在工程应用上前景良好。DyanVR仿真系统在机械类教学课件的制作上表现出突出的优势。首先是可以直接使用机械学科的建模工具，其次是操作简单，不用编译程序。

但是DyanVR制作的课件需要进行几次格式变换，而且效果单调，缺乏新意。Unity3D的

API函数支持对外开放，可以进行个性化的设计，是一个可以灵活编辑，简单易学的开发技术。Unity3D最显著的特点是支持多平台开发，比如单机、网页、移动终端等21种平台[6]。所以既方便学生通过网页进行自主学习或者在移动端反复练习，也可以帮助教师单机教学。

虚拟仿真教学课件的制作除了需要选择一款合适的引擎软件，还需要掌握制作的关键技术。比如，场景编辑的重点是摄像机和光源的设置。物体交互过程中需要选择合适的碰撞检测方式来计算物体之间的关系和距离。UI界面的设计要根据课件的功能作逻辑规划，是虚拟仿真课件制作的难点。因为软件代码编译的工作量大，为了提高代码执行的效率，减少错误，需要作一定的约定，所以规范脚本非常重要。运动控制包括拆卸控制和转动仿真的实现，最后，在虚拟仿真课件正式发布之前需要作渲染设置和阴影设置，以及性能测试。

四、结语

随着现代信息技术的发展，虚拟仿真技术已经在生物制药、医学影像、自动化生产、化学化工、汽车驾驶等工程实践领域发挥了重要作用。虚拟仿真技术弥补了传统教育的不足，以虚实结合的方式更好的服务工程教育的发展。各高校应积极响应国家对虚拟仿真教学的号召，加快推进虚拟仿真技术与工程教育的融合创新，开发符合学科教学特点，能激发学生学习兴趣的教学案例。

参考文献

[1]教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知2017（9）.

[2]杜昱阳,王川伟,樊红卫.虚拟现实技术在理论与实践教学中的结合应用[J].才智,2020(02):195.

[3]黄焰,肖彬.基于虚拟仿真的激光加工实训系统的开发与设计[J].轻工科技,2018,34(09):87-88.

[4]蔡宝,朱文华,孙张驰,顾鸿良.虚拟现实技术在铣削加工实训教学中的应用[J].实验技术与管理,2020(01):137-140.

[5] 姬五胜,周伟伟,段扬.虚拟仿真软件在电类课程实验教学中的应用探究[J].职业技术:1-6.2020(05):003.

[6]栾飞. 基于 Unity3D 的液压传动虚拟仿真教学系统开发[D]. 2015.

李进 1987年5月，助教，硕士研究生，主要研究工程教育和电子信息；

基金项目： 2019年西南科技大学高教研究专项课题一般项目“训-研-赛”三位一体促大学生个性化发展的研究-以“智能机器人”创新班为例（19GJZX26）