虛擬仿真現實技術范文

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關鍵詞：虛擬現實；虛擬現實建模語言；Java；雷達干擾

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)12-21619-01

Application of Virtual Reality Technology in Radar Jamming Simulation

MA Jian-guo,JIN Li-shi,HE Ping

(The Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

Abstract:Three taches are presented in establishing the system such as the setting-up of mathematical model of radar jamming, the romance fulfillment of virtual scene and the interaction design with Java. The technical details of the taches are alse discussed in this paper.

Key words:VR; VRML;Java;Radar Jamming

虛擬現實（VR：Virtual Reality），又稱臨境技術，是最近幾年得到迅速發展的技術。將虛擬現實技術應用于計算機系統中，就形成我們常說的VR系統，即虛擬現實系統。

利用虛擬現實建模語言(VRML：Virtual Reality Modeling Language)構建從三維地形到空中目標，雷達，雷達干擾機等各個層次的模型，然后利用VRML的交互特性把所建的模型依據雷達干擾的空間能量關系的組織形式鏈接起來，并按照視點遠近進行分層處理，以達到電子戰虛擬仿真系統開設的目的。利用VRML電子戰虛擬仿真系統，把虛擬現實技術和網絡技術緊密地結合起來，運用于指戰員培訓及教學，節省資源、直觀明了。

1 VRML語言

VRML是一種基于網絡上的三維空間建模語言，其基本目標是建立網絡上的交互式三維環境。它是一種在Internet網上應用極具前景的技術，它沿用第一代www的C/S模式，采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時，在本地進行解釋執行，生成虛擬的三維場景。

VRML與其它實現三維場景的技術手段（如OpenGL,Cult3D,3DSMAX,Viewpoint）相比，具有語法簡單、三維建模功能強大、便于網上等優點。借助于Java等功能強大的高級語言?？梢杂行У貜浹aVRML本身的一些不足（例如邏輯判斷、文件操作、鍵盤輸入、精確控制場景等），進而完善與HTML等其它媒體的交互。

基于VRML的虛擬現實技術與常規的虛擬現實技術有所不同。典型的虛擬現實意味著可借助復雜設備（例如頭盔式顯示器、數據手套）進入虛幻境界，獲得沉浸式體驗。VRML與設備無關，既不強求沉浸感，也不排斥沉浸感，而是作為一種描述虛擬境界的語言獨立存在，以VRML為基礎可以建立不同檔次的系統實現，這是VRML得以快速發展的動力之一。

由于VRML能與Web緊密的結合，故由VRML所建造的模型、場景，都可容易在Internet上傳送。利用VRML建造的模型，基本上是放置于Web Server上，使用者則是透過一般網頁瀏覽器或虛擬實境瀏覽器來取得虛擬實境模型。

VRML為虛擬環境的建立提供了規范，綜合了現有三維軟件的景象描述語言的優點。它有基本元素、頂點、線和面的定義，坐標變換有縮放、旋轉和平移，并有優化的數據結構。

VRML語言具有的基本物體有:球體、錐體、柱體、立方體和文本等，這些基本物體為創建景像提供了方便。

2 網絡虛擬仿真系統的設計與實現

2.1對雷達進行電子干擾的數學建模

電子干擾機的基本任務之一是壓制雷達保衛目標，主要涉及雷達、目標和干擾機三個因素。

雷達收到的干擾信號功率與目標回波信號功率之比大于等于接收機輸入端干擾―信號功率比Kj時，便可得到干擾方程：

式中：Pt為雷達的發射功率；Gt為雷達天線主瓣方向上的增益；σ為目標有效反射面積；Rt為目標至雷達的距離；λ為雷達的工作波長；Pj為干擾發射功率；Gj為干擾天線增益；Rj為干擾機至雷達的距離；γj為干擾信號對雷達天線的極化系數；H為目標高度；θ為干擾信號偏離雷達天線最大方向的角度；θ0.5為雷達天線波束半功率角。

2.2建立VRML虛擬場景

按一般制作三維動畫的方法對要創建的虛擬現實對象建模，賦予材質及貼圖，指定動畫。

建模工作完成后，為了建立與ASP腳本的鏈接，可以點擊Creat/Helpers選單，在下面的下拉列表框中選取VRML2.0，出現一個工具面板，面板上列出了12個輔助工具，其中比較常用的包括Anchor和TouchSensor等。Anchor工具可以使場景中的對象與另一個URL鏈接，類似于HTML文檔的超級鏈接，這是最常用的功能。TouchSensor工具可以啟動一個動畫。

設置了合適的VRML工具后，選擇File/Export選單，出現一個對話框，點擊“存為類型”下拉選單框，選擇“VRML2.0(.WRL)”文件類型，最后取一個相應的名稱，這里取jamn.wrl，單擊“保存”，會出現一個VRMLEXPORT對話框，取其默認值，單擊OK即可生成我們需要的WRL文件。

在建立VRML模型時利用了Anchor工具，這樣在用戶選擇相應建筑物時將鏈接到指定的ASP文件，并根據參數的不同由ASP文檔負責實現數據庫的查詢和顯示。因為設計思想很明確，根據實際經驗，可以不設置Anchor工具，而是直接修改WRL文件，這一修改工作在任何一個編輯環境中都可以完成，需要注意的是由于VRML模型的參數較多，一定要注意前后正確的匹配。

2.3 VRML擴展交互

VRML本身交互機制是無法構建一個大型多媒體課件的,因為VRML本身不能完成普通程序設計中的轉折、分支、循環等基本特征。因此實際系統設計中，可利用Java語言提供的強大網絡編程能力，編寫與遠程系統通信和共享能力處理等功能的應用程序。Java對VRML的所有支持都通過附加的封裝類實現。通過這些類，Java程序就能夠訪問VRML場景、接受和發送事件、從頁面上得到VRML對象等，實現對VRML場景的完全控制。根據訪問方式的不同，又可分為：腳本編程接口SAI交互與外部編程接口EAI交互。

2.4實現虛擬現實的瀏覽

首先需要安裝專用的VRML瀏覽器插件，如CORTVRML、CosmoWorlds等都是較為常用的。安裝完成后，直接運行做好的VRML文件就能在瀏覽器中瀏覽了。在瀏覽器中通過鼠標或鍵盤控制漫游的方向，如同身臨其境。

3 結束語

網絡虛擬現實技術可實現在一個仿真平臺上進行多任務多人仿真。通過軟件可以方便靈活地進行更改和升級，從而可節省資源，提高利用效率，從而在教學和訓練中有巨大的優勢。

VRML在網上創建充滿真實感的三維虛擬世界，為用戶提供一種自然的、身臨其境的體驗方式，包括交互性、動態效果、連續性及參與感。

參考文獻：

[1]韋有雙,王飛.虛擬現實與系統仿真[M].國防工業出版社,2004.

[2]羅景青,賀平.等.雷達對抗原理[M].出版社,2003.

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化學實驗“綠色化”，目的是把現有化學和化工生產的技術路線從“先污染，后治理”改變為“從源頭上消除污染”，核心是“杜絕污染源”。隨著人們環保意識的提高及環保各項工作的深入，教學實驗的環保問題將被人們重視。同時，結合化學實驗自身的特點，化學實驗教學實現“綠色化”不僅非常必要，而且現實可行。

隨著計算機信息技術的高度發展，我們的中學化學實驗教學已經迎來了改革的春風，中學化學虛擬仿真實驗思想怦然誕生了。中學化學虛擬仿真實驗就是利用計算機編程工具模仿真實的實驗環境編寫的軟件，借助計算機營造一個虛擬的實驗環境，使實驗接近或優于真實的實驗環境，實驗者可借助操作計算機虛擬實驗系統完成各種預定的實驗項目。

事實上，計算機模擬仿真化學實驗是化學實驗擺脫實物教育的一場革命，它的產生和發展，不僅是教育方法、教育手段、教育技巧的更新，而且對保護自然資源、緩解化學實驗對環境的污染都具有深遠的意義。利用模擬仿真對實驗過程和實驗儀器進行剖視及仿真，對有毒物質出現的實驗進行模擬，避免有毒物質危害師生身體的健康。常規的、傳統的化學實驗不可避免的消耗許多藥品和大量的水資源，尤其對于那些要使用昂貴試劑藥品的、實驗中容易引起爆炸或必須采用有毒有害試劑（如氫氣、苯、苯酚、砷化物、重金屬等）的實驗，運用計算機多媒體系統進行仿真實驗顯得尤為重要。這樣，利用計算機多媒體技術對實驗原理、裝置、流程、實驗過程進行仿真，用文字、聲音、圖像、動畫的效果讓學生在計算機屏幕上做實驗，既讓學生學會了實驗方式，領會了化學原理，實現了化學教學與現代信息技術的整合，又節省了資源、保護了環境，使我們的化學實驗變成“綠色化”的實驗。

那么，我們應該怎樣來構建這種“綠色化”的實驗教學呢？這一課題正是我們亟待解決的問題。目前，我們正在著手研討這一問題，現已形成以下幾條研究思路。

思路一：建立新課標背景下的課堂實驗教學設計模型

為了實現新課標提出的化學實驗教學目標，貫徹綠色化學的教學思想，我們創立了下面化學課堂實驗教學設計（初始）模型。

確定實驗課題及類型――展示用品及儀器――實驗指導――實驗過程――總結――撰寫實驗報告

說明：實驗課題即實驗內容，實驗類型即教師演示實驗或學生動手實驗；用品即實驗使用的試劑和藥品，儀器即實驗所要用到的器具；實驗指導即實驗前有哪些準備工作和哪些注意事項；實驗過程即實驗操作流程；總結即實驗過程的注意事項與實驗現象；實驗報告即對實驗的總體匯報。

思路二：建立演示實驗課件平臺

演示實驗是老師為了說明某一化學反應過程或現象而做的實驗。這樣的實驗比較多，我們可以在校園網上建立演示實驗課件平臺，把老師們設計好的演示實驗課件收集其中，老師上課時可以任意選用。

思路三：建立學生實驗課件平臺

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    【論文摘要將虛擬仿真技術引進教學領域后對傳統教學手段產生了強烈沖擊。本文針對航空電子裝備教學中如何應用虛擬仿真技術給出了應用方法和心得。

    1.引言

    自 20世紀 9O年代以來,以計算機仿真技術 、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現,并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段,虛擬仿真教學對傳統的教學手段產生了強烈沖擊,并引發了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明,虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經驗,探索在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和心得。

    2.虛擬仿真技術簡介

    虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。

    2.1虛擬現實技術

    虛擬現實技術就是利用三維建模技術,構建一個和現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景,并能響應用戶的輸進,根據用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現實的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形 天生技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真,也稱為視景仿真,它主要用于產品設計和展示、貿易廣告、游戲設計等。

    在航空電子裝備教學中,大量用 到對裝備的外觀 、結構 、組成 、連接 、機安裝位置的展示 ,傳統教學大都采用實物展示 的方法 。近年來隨著大量航空電子裝備 的更新換代,因受經 費、場地及使用壽命等因素的限制 ,傳統教學方法 已遠遠不能滿足要求 ,而采 用虛擬現實技術的展示方法則 以其廉價 、無場地限制和效果 良好得以廣泛應用。

    目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿 真的開發,主流平臺Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虛擬現實數據庫 OPENFLIGHT已經成為 了產業標準 ,在軍事 、航空航天等領域應用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發的技術平臺 ,解決物理模型的創建、場景顯示等新題目。該平臺可以達到照片級 的視景仿真效果 .同時采用嵌進 OPENGL技術來解決物理模型 的交互新題目。

    2.2系統仿真技術

    系統仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一門新興學科 .它通過建立實際系統 的數學模 型 ,利用計算機運算來達到對被仿真系統的分析、探究、設計等目的。系統仿真技術主要側重于對真實系統的內在機理、運動方式 的仿真,也稱為行為仿真。系統仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統試驗難以實現等少數領域,后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要產業部分,并進一步擴大到社會系統、經濟系統、交通運輸系統、生態系統等一些非工程系統領域。 在航空電子裝備教學中,對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統教學方法主要通過教員的講述,配合一些靜態的圖形幫助學員理解 .教學效果主要依靠于教員的授課水平和技巧 。近年來.我們嘗試將系統仿 真技術應用到航空電子裝備教學中,根據被仿真裝備的工作原理,建立系統的數學模型,并根據裝備的不同工作狀態,對模型進行動態運行.結合虛擬現實技術實現的逼真場景.較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發、研制的教學軟件不但可供教員教學使用.也可供學員自學,并達到了較好的教學效果。

    目前,有很多成熟的系統仿真開發平臺軟件.如 Simulink、SystemView等,這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎.但價格較為昂貴,且大多未提供對外的仿真數據接口.仿真系統應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發適用 的仿真開發平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用的是自行開發的系統仿真平臺軟件。

    3.虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟

    3.1建立仿真模型

    這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型 ,也包括揭示其內在工作機理及行為的數 學模 型。對三維物理模型的建立,主要依據裝備本身的物理狀態,其原則就是在盡量減小面數的同時進步逼真度。對系統數學模型的建立,則需要視系統的復雜程度進行取舍和優化,本著夠用為度的原則 ,以盡量減小運算量。建立數學模型時 ,還應考慮到系統運行時的參數調整。

    3.2創建仿真裝備的虛擬場景并驅動

    對于虛擬場景的驅動,根據使用方式的不同采用了不同的方式假如進行的僅是裝備外觀、結構的展示,可使用EON進行動作的編輯和驅動;假如需要對裝備進行虛擬操縱仿真,則使用 GLStudio軟件先進行操縱面板、虛擬儀表的編輯和制作,然后再利用 Vega Prime驅動以實現更復雜的交互操縱。

    3.3系統集成

    系統集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起,使之成為_個完整的 、規范的教學軟件。系統集成可以使用目前常用的軟件開發平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現實驅動軟件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 軟件開發平臺的運行插件,因此,系統集成變得十分方便。編寫程序時,只需考慮軟件功能的布置,注重程序間的兼容性即可。

    系統集成時,還需要將系統行為仿真的結果通過視景仿真表現出來,即用行為仿真的數據來驅動三維物理模型的動作。由于系統行為仿真采用了專門的運行平臺,和視景仿真處于不同的系統進程中.因此這種驅動是通過兩進程間的實時通訊來完成的。這里還需要考慮進程間的同步新題目。

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關鍵詞：系統仿真設計

一、系統仿真技術

所謂仿真就是建立系統的模型（數學模型、物理效應模型或數學-物理效應模型），并在模型上進行實驗和研究一個存在的或設計中的系統。這里的系統包括技術系統，如土木、機械、電子、水力、聲學、熱學等，也包括社會、經濟、生態、生物和管理系統等非技術系統。仿真技術的實質也就是進行建模、實驗?，F代仿真技術的發展是與控制工程、系統工程及計算機技術的發展密切相關聯的。控制工程和系統工程的發展促進了仿真技術的廣泛應用，而計算機出現及計算技術的迅猛發展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。因此，計算機仿真在仿真中占有越來越重要的地位。

仿真技術得以發展的主要原因是它帶來了重大的社會和經濟效益。系統仿真的應用大致可分為：對已有系統進行分析時采用仿真技術；對尚未有的系統進行設計時采用仿真技術；在系統運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關系統過去的、現在的、甚至是未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策；

在系統運行前，利用仿真模型作為預測器，向用戶提供系統運行起來后，可能產生什么現象，以便用戶修訂計劃或決策；利用仿真模型作為訓練器，訓練系統操縱人員或管理人員。在工程領域仿真技術可以降低系統的研制成本，可以提高系統實驗、調試和訓練過程的安全。

一般認為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統仿真技術中，一個仿真系統要首先建立起系統的數學模型--一次仿真模型，然后再改寫成適合計算機處理的形式-仿真模型。仿真模型可以說是系統二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應的程序。

仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術。通過仿真實驗要了解系統中各變量之間的關系，要觀察系統模型變量變化的全過程，此外，為了對仿真模型進行深入研究和結果優化，還必須進行多次運行，系統優化等工作，因此，良好的人機交互性是系統仿真的一個重要特性。

二、虛擬現實技術

虛擬現實技術是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境--虛擬環境，用戶投入這種環境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，從而也大大推進了計算機技術的發展。目前，虛擬現實技術已在建筑、教育培訓、醫療、軍事模擬、科學和金融可視化等方面獲得了應用，漸已成為21世紀廣泛應用的一種新技術。

虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映，它具有以下主要特征：

（1）依托學科的高度綜合化；

（2）人的臨場化；

（3）系統或環境的大規模集成化；

（4）數據表示的多樣化和標準化，數據存儲的大容量、數據傳輸的高速化與數據處理的分布式和并行化。正是這些特征，使操作者沉浸其中，并通過多種媒體對感官的刺激，對所需解決的問題有了清晰和直觀的認識，從而，也使模型的建立和驗證更加方便。

三、系統仿真技術與虛擬現實技術的結合

傳統的系統仿真技術很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環境的感知(聽覺、視覺、觸覺)隨著多媒體技術、計算機動畫、傳感技術的發展，計算機模擬外界環境對人的感官刺激開始成為可能。事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠大于數字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術與虛擬現實技術相結合，利用虛擬現實技術進行仿真模型的建立和實驗的模擬，使仿真的過程和結果可以實現圖象化、可視化，使仿真的系統具有了三維、實時交互、屬性提取等特征，極大地促進了仿真技術的發展，同時也使虛擬現實技術更加具有生命力。

四、仿真與虛擬現實技術在結構工程中的應用

仿真與虛擬現實技術近年來在機械、電子、水利、社會、經濟、生態、生物等各個領域都得到了廣泛的應用。

在結構工程中，仿真與虛擬現實技術已經應用于如下幾個方面：

1．在工程結構分析中的應用

工程結構在各種荷載作用下的反應，其破壞特征和極限承載力是人們所關心的。當結構形式特殊，荷載及材料特性復雜時，人們往往求助于模型試驗來測定其受力性能，但模型試驗往往受到場地和設備的限制，只能做小比例模型試驗，難以完全反映結構的實際情況。若用仿真與虛擬現實技術，則可以進行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數。此外，有些結構難于進行直接試驗，用計算機模擬仿真就更能體現出優越性，如建筑物及構筑物在地震作用下的倒塌分析，橋梁受到汽車高速碰撞的檢驗試驗等只有采用仿真與虛擬現實技術，分析才能大量進行。又如在高速荷載作用下，結構反應很快，人們在真實試驗中只能觀察到最終結果，而不能觀察試驗的全過程。如果采用計算機模擬仿真試驗，則可觀察其破壞的全過程，便于破壞機理的研究。對于長期的徐變過程則可在模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。在運用傳統的有限元法進行結構分析時，結構應力的結果通常采用內力圖等力線的形式描繪出來，給人以直觀的印象。利用仿真與虛擬現實技術則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數據，以便對各種方案及結果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。

2．在巖土工程中的應用

巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現實技術則可把內部過程展現出來，有很大實用價值。例如，地下工程開挖經常會塌方冒項。根據地質勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節理的走向密度，通過小型試驗，可以確定巖體本身的力學性能及巖體夾層界面的力學特性、強度條件，并存入計算機中。

在數值模型中，除了有限元方法外，還可采用分離單元。分離單元在平衡狀態下的性能與有限元相仿，而當它失去平衡時，則在外力和重力作用下產生運動直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結構，邊坡穩定等問題時，可以把節理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來，最終可以看到塌方的區域及范圍，這就為支護設計提供了可靠依據。

3.防災工程中的應用

長期以來，人類一直與洪水、火災、地震等自然災害進行著堅持不懈的斗爭。由于自然災害的原型重復實驗幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現實技術在這一領域的應用就更有意義。目前已有不少抗災、防災的模擬仿真系統制作成功，例如洪水泛濫淹沒區的洪水發展過程演示系統。該系統預先存儲了泛濫區的地形地貌和地物，有高程數據可確定等高線，只要輸入洪水標準(如百年一遇的洪水)及預定河堤決口位置，計算機就可根據水量、流速區域面積及高程數據算出不同時刻的淹沒地區，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來。人們從屏幕上可以看到水勢從低處向高處逐漸淹沒的過程，這樣對防洪規劃以及遭遇洪水時指導人員疏散是很有作用的。又如在火災方面，對森林火災的蔓延，建筑物中火災的傳播均已開發出相應的模擬仿真系統，這對消防工程起到了很好的指導作用。

4．在模擬施工過程中的應用

建筑施工是復雜的大型的動態系統，它通常包括立模、架設鋼筋、澆注、振搗、拆模、養護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜，直接影響著混凝土澆筑的進程。模擬施工過程是為了通過仿真手段，去發現實際施工中存在的問題或可能出現的問題，這就需要對實際施工進行仿真。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實現對施工過程的模擬。現有的模擬只是對進度計劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用?；谝陨显?，需對施工過程建立合適的模型，以達到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運輸澆筑系統的模擬仿真模型，是由運輸子系統和澆注子系統構成的，模型是按進程交互的仿真策略建立的，按這種條件建立的模型能與仿真程序間保持緊密的對應關系，程序所要模仿的行為比較直觀、清晰。程序流程直接與模型結構和系統狀態相對應。

另外，仿真與虛擬現實技術在結構工程領域內，還可應用在建筑系統工程管理、建筑信息管理、建筑物及構筑物的空氣流場、空氣品質分析等方面。

我國是一個發展中國家，有著大量繁重的基本建設任務，特別是在十五計劃綱要中，提出進一步加強水利交通、能源等基礎設施建設和西部大開發戰略。這一大好形勢，為結構工程高新技術的信息化和集成化，為結構工程學科及相關學科的發展提供了良好的機遇。仿真與虛擬現實技術作為結構工程高新技術之一，開創了結構工程學科的新紀元，其技術潛力巨大、應用前景十分廣闊。

參考文獻

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（2）陳清來.建筑結構的現代設計設計思想和發展.工程設計CAD及自動化，1996年，（4）

（3）張躍、張叢哲。土木工程中虛擬現實技術的發展與展望，計算機世界，1998，（5）D版：1-3.

（4）袁耀明.從可視化到視算一體化.系統仿真學報，1996（5）

（5）張叢哲、張躍.計算機輔助設計(CAD)中虛擬現實技術.計算機世界,1998，（5）D版：5。

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一、虛擬現實系統的構成

虛擬現實系統的設計開發須涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制等多個學科，一般來說完整的虛擬現實系統由以下幾部分構成：

1.傳感器模塊：是用戶與虛擬環境的接口，一方面接受用戶的操作并將其作用于虛擬環境；另一方面將操作結果以綜合形式反饋給用戶，使用戶形成對虛擬環境的感知。

2.檢測模塊：用于檢測分析由傳感器模塊接收到的用戶操作，并將其轉換為系統操作指令傳輸給控制模塊操控虛擬環境。

控制模塊：是仿真系統的核心部分，既可以仿真控制虛擬環境以應對用戶操作，又可以將虛擬環境的反饋通過反饋模塊控制傳感器使用戶獲得仿真體驗。

3.反饋模塊：接收來自控制模塊的處理信息為用戶提供實時反饋。

4.建模模塊：獲得現實世界的三維表示，并由此構成對應的虛擬環境。

二、虛擬現實系統的關鍵技術及成本構成

虛擬現實系統的關鍵技術及成本構成主要包括以下幾個方面：

1.動態環境建模技術：虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以采用CAD技術（有規則的環境），而更多的環境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。這里的開發成本主要表現為環境三維模型和貼圖帶來的系統空間及時間占用，如果不能較好的優化模型和貼圖將會嚴重影響整個系統的視覺效果及運行速度，大量浪費計算機系統資源，甚至導致復雜場景環境無法實現。

2.實時三維圖形生成技術：三維圖形的生成技術已經較為成熟，其關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質量和復雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。隨著新一代高性能圖形處理器三維渲染技術的實用化，經過適當優化模型貼圖的虛擬環境實時生成已不再是系統設計的成本瓶頸了—大多數主流圖形處理器已可以輕松勝任此項任務，不必再增加額外的開發成本。

3.立體顯示和傳感器技術：虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展?，F有的傳感器技術還遠遠不能滿足系統的需要。例如，數據手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點；虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發新的三維顯示技術。由此可見，現有的立體顯示和傳感器技術還遠遠不能滿足高仿真度虛擬環境的構建要求，并且由于技術的不成熟性還極大的提高了系統開發的成本。據統計系統開發成本的40%以上將消耗在該方面，因此是低成本虛擬現實系統開發必須解決的問題。

3.仿真控制技術：自然環境中的各物體之間是有相互作用的，簡單的說就是各種力場的存在特性。幾乎所有的運動和交互動作都要涉及到約束力學，這意味著仿真環境及身處其中的用戶應該在合理的作用力影響下活動。因此虛擬現實系統需要模擬環境中出現的大量物體的材料及物理力學特性，單從需要仿真的數量及類型上看就會極大地增加系統實際的工作量及成本，更何況虛擬環境中物體之間紛繁復雜的相互影響關系了。事實上針對這些問題現代工程物理學也沒有一種簡單有效的解決方法，故而要想找到合理簡單的數學模型并最終形成算法是虛擬現實技術的重要研究方向。就目前的情況來看仿真度要求越高算法的實現就越困難，系統開發成本就越巨大。

4.系統集成技術：由于虛擬現實中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別和合成技術等等。目前的虛擬現實系統開發通常都是單獨開發相關的部分，致使系統存在開發難度及工作量巨大、可重復利用率低、通用性差等缺陷，這也是系統開發中成本高昂的重要原因之一。

三、低成本化虛擬現實系統解決方案分析

使虛擬現實系統在工業產品設計生產方面無法大規模應用的高昂開發成本，主要來源于高精度三維環境模擬，高度真實的動力學仿真設計及高度沉浸感的交互式感覺器及三維顯示技術等幾個方面。綜合來看，虛擬現實系統對虛擬環境及虛擬交互的仿真度要求越高則系統的開發成本就越大，因此有必要提出適度仿真的概念，以解決當前高成本阻礙應用的問題，至于完善的問題盡可以在應用擴展的同時，隨著技術的發展逐漸解決。

首先，合理的選擇虛擬三維環境模型的建模方式和優化方法就可以大大節省對系統資源的消耗，如手工建模方式中的可編輯多邊形建模，就可以在環境或物體尺寸精度要求不高的情況下，以少量的多邊形網格和極少的代價獲得非常精致的視覺效果，而使用有效的優化方法還可以進一步提高網格的效率。同時選擇通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原來用編輯手段實現的效果開發變得簡單、快捷，這就大大降低了相應的成本消耗。

其次，在工業產品的大多數虛擬現實應用中，降低對傳感器及立體顯示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相對較好的環境沉浸感，比如，技術比較成熟的環幕顯示技術，虛擬洞穴顯示技術雖然還不是立體顯示技術，但其視覺效果已可以滿足大多數的沉浸交互應用了，而使用傳統的鼠標指點設備代替復雜的數據手套等高技術傳感器，雖然對用戶的沉浸體驗有很大的影響，但依然可以滿足大多數的低成本系統的要求，而開發成本卻可以極大下降。

篇6

1建立虛擬仿真實驗室的必要性

實驗室是現代大學的心臟，是實踐創新設想、產生創新思維和培養創新能力的重要場所。21世紀信息化的快速發展使教育發生了重大變革，教育信息化受到了國家的高度重視?！秶抑虚L期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出：信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視［2］。教育部印發了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》，要求“利用先進網絡和信息技術，整合資源，構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施”，推進“實驗教學平臺等信息化建設”［3］。虛擬仿真實驗室的建設順應了新常態下高等教育的發展趨勢，是高等學校實驗教學信息化的最新舉措。以華中師范大學為例，近年來，學校堅持“一體兩翼，建設高水平大學”的辦學思想，大力推進信息化、國際化兩項重點改革舉措。在數字化建設和網絡教育建設的基礎上，華中師范大學整合心理、信息、工程等學科資源，依托2010年獲批的“青少年網絡心理與行為教育部重點實驗室”和2012年獲批的“國家級心理學實驗教學示范中心”，大力推進心理與行為虛擬仿真實驗室的建設，并于2014年1月獲批建設“國家級心理與行為虛擬仿真實驗教學中心”（以下簡稱“中心”）。該中心旨在貫徹教育部“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，將虛擬仿真技術引入心理學的教學和科研，更好地促進對處于多維信息空間中的個體如何與外部世界進行信息交流的理解和探索，成功模擬、實現了一批在傳統實驗室中無法做到，或者具有高風險和高成本的心理學實驗教學項目，體現了綠色實驗教學的理念，有效地拓展了實驗的時間和空間，提高了心理學實驗教學質量。

2虛擬仿真實驗室在心理學實驗中的作用

1989年，美國的Wulf教授提出了虛擬仿真實驗室概念。虛擬仿真實驗室使用虛擬現實（virtualreal－ity，VR）技術，綜合了各種計算機技術和網絡技術，是現代仿真技術的延伸。它是由計算機模擬真實的環境，參與人員對虛擬環境中的目標進行操控和交流，從而產生與真實環境相同或相近的體驗［4］。對于心理學實驗來說，虛擬現實技術可以很好地呈現視覺圖形，也能呈現聽覺刺激，而這兩種通道是人獲得外部世界信息的主要通道，占人所獲得外部信息量的95％，是進行心理學研究的主要領域。VR技術不但可以較好地模擬、再現現實場景，構建某些基于倫理學原因無法通過其他手段使用的實驗場景（例如道德兩難問題的實驗場景），還可以對其所模擬場景中的元素（包括刺激的內容和表象、任務的復雜度和被試的響應等）實施精確、實時、全面的控制與記錄?？傊蕴摂M現實為代表的虛擬仿真技術在心理學實驗教學、研究中具有廣泛的應用價值和深遠的意義。

2．1突破時空和各種因素的限制

虛擬仿真實驗室是基于網絡平臺的實驗室，因此學生可隨時隨地進行學習和交流，不受時間、空間和實驗次數的限制。對于某些傳統實驗教學中需要數天或更長時間才能觀察到的變化過程，虛擬仿真實驗室則可在較短的時間內將全部過程及結果模擬、呈現給學生進行觀察分析［5］。以虛擬“數字化生理心理實驗平臺”為例，它的界面設置簡潔、選單操作清晰，只需進行點選就能完成高度復雜的虛擬解剖實驗操作，獲得連續人體斷層掃描數據信息（每個斷層厚度約1mm），能涵蓋人體所有的解剖結構。該系統有助于教師和學生全方位觀察人體任一器官的形態、內部結構、在人體中的位置以及斷層中的位置，并且可以做任意角度的旋轉觀察，可方便地用于系統解剖學、局部解剖學、斷層解剖學以及運動解剖學等多門課程的教學，擺脫了傳統生理解剖實驗對實驗動物和人體器官模型實物的依賴。此外，通過借助校園高速無線網絡，學生在校園各場所（教室、圖書館、宿舍、運動場等）都可以隨時隨地登錄客戶端，高速、快捷、互動地開展生理心理實驗項目，從而達到突破實驗課時空限制，隨時隨地開展數字化生理、心理實驗操作。

2．2創新虛擬仿真實驗項目，豐富實驗教學內容

實驗項目建設是實驗教學的靈魂。虛擬仿真實驗室在改進、完善傳統實驗項目的基礎上，重點補充了有助于提高學生研究、創新能力和動手能力的創新型虛擬仿真實驗項目。中心在實驗課程建設方面明確提出：在虛擬仿真實驗項目建設中體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則。中心明確要求骨干實驗課教師根據自己實驗課程的專業特色，將傳統實驗項目與虛擬現實技術相融合，將每門實驗課程安排20％～30％的學時開展虛擬仿真實驗教學。在實驗內容方面，新增加的虛擬仿真實驗項目既包括相關學科最新、最前沿的一些實驗，也包括一些利用已有科研成果轉化的實驗教學內容。通過持續的實驗項目建設，實驗項目庫不斷擴大和創新，大大地豐富了實驗教學內容，為學生提供了實驗的多樣性和靈活性［6］。目前，實驗項目庫中已增加了近30項心理學綜合性、創新型實驗，例如：“虛擬學習情境中注意多動障礙兒童認知加工特征”、“虛擬現實在社交焦慮癥治療中的應用”、“虛擬現實在恐高癥治療中的應用”、“虛擬創造性問題解決實驗”、“虛擬兒童養育系統”、“虛擬情境下執行功能檢測和訓練”、“虛擬情景中人類空間導航”等實驗項目。

2．3模擬高危環境，避免實驗風險

利用虛擬仿真實驗室可以模擬一些在傳統實驗室中無法做到的有高度風險、高成本的實驗教學項目。以虛擬心理咨詢與治療實驗平臺為例，通過構建一系列能夠使恐高癥患者產生恐高心理的模擬實驗場景（例如觀光電梯、高樓頂層、空中索道、懸崖頂端等），然后讓患者反復暴露在這些場景中，利用系統脫敏法減少患者的恐高心理。虛擬仿真治療中的任何一個恐高癥模擬場景，都可以應患者要求隨時開始、暫停、中止和結束。這使得虛擬場景治療方法更安全、也更具有彈性。虛擬仿真實驗對真實事物的模擬，使危險系數較真實實驗降低很多，學生無需為自己的失誤承擔后果，給他們帶來更多的安全感，滿足學生心理安全的需要。

2．4開放性和共享性

虛擬仿真實驗打破了傳統實驗的模式。學生利用課余時間登錄網站，輸入正確的用戶名、密碼就可進入虛擬仿真實驗室，選擇相應的實驗項目就可以進行虛擬仿真實驗操作。以虛擬現實心理實驗平臺為例，該平臺依托虛擬現實、多媒體呈現、人機交互、數據庫和高速網絡通信等技術，構建高度仿真的心理與行為虛擬仿真實驗環境，讓學生在虛擬環境中進行實驗，達到教學大綱所要求的教學效果［7］。在實驗教學中，教師和學生無需親歷每個真實環境，卻能最大化地體驗真實環境，開展實驗教學和示范應用。中心的虛擬仿真平臺還可以幫助尚不具備真實實驗條件和心理學應用服務條件的地區，大幅度提高實驗教學和心理學應用服務水平，實現心理學實驗教學資源的地區平衡和最大化共享。再以“數字化生理心理實驗平臺”為例，該平臺所有教學過程的中間環節都能夠以圖像方式輸出，并支持音頻、視頻文件導入。因此，教師的教學過程、學生的學習過程以及師生的互動過程都可以通過添加語音、視頻標簽的方式保留記錄。該設計思路旨在方便教師編輯教案和解答學生提出的疑問。教師和學生也可以就虛擬仿真實驗教學和學習過程中遇到的問題，在中心教學管理平臺的“互動交流”頻道開展反饋與交流。

2．5提供多項虛擬心理學實踐技能訓練項目

華中師范大學是一所具有鮮明的“教師教育”特色的部屬重點師范大學，不但重視培養學生較強的基礎教育和基礎研究能力，也高度重視培養面向社會、面向市場的理論與實踐結合的復合型、高技術人才。利用本中心的專業資源優勢和虛擬仿真技術，華中師范大學心理與行為虛擬仿真實驗教學中心面向校內高年級本科生、研究生，提供了多項以實踐技能為導向的大型綜合性心理學實訓項目。這些大型實訓項目，依托當代最前沿的虛擬現實技術，廣泛采用網絡視頻、在線交流、多媒體演示等信息化教育手段，模擬學生在課堂管理、教學技術、心理咨詢與治療等過程中所接觸的實踐場景與環節。通過數字化教學演示和學生在虛擬實踐平臺中的反復練習，讓學生將心理學理論知識與解決實際問題的實踐技能相結合［8］。這種虛擬仿真的實訓方式既生動又安全，又可對場景多次重復，有助于培養學生的實踐創新能力。

2．6綠色環保，降低成本

傳統的實驗需要借助于具體實驗設備，然而實際使用的一些實驗設備昂貴、損耗大、實驗成本較高；而虛擬仿真實驗室最大的優點是成本低。虛擬設備只是概念上的設備，沒有磨損、損壞，可供學生無限次重復使用。另外，由于虛擬仿真實驗室設備是由軟件虛擬出來的，因此可有效避免大型設備重復購置，在同一計算機中運行不同的實驗系統就可構建不同的虛擬仿真實驗室，使實驗室建設成本降低。此外，虛擬仿真實驗室不會出現傳統實驗室因管理不善造成的儀器損壞、器械丟失等問題，使實驗室運行成本降低。虛擬仿真實驗室在教學前無須準備各種器械、材料，教學結束也無須進行瑣碎的整理工作，維護管理工作量減少，使實驗室管理成本降低［9－14］。

3結束語

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關鍵詞：粒子系統；虛擬現實；沉浸感

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)12-21677-02

Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation

YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.

Key words:particle system; virtual reality; immersion

1 引言

隨著計算機技術、圖形學技術、光電子技術、仿真技術等的飛速發展，綜合運用上述技術，高度逼真地模擬仿真人在現實世界中視、聽、觸等行為的人機界面的虛擬現實技術也日趨完善。在虛擬現實技術構建的接近真實的虛擬環境中，人可以通過形體動作與其它仿真實體交互并達到一種沉浸的感覺。主動地交互學習比被動地接受說教更具折服力，因而基于具有強大交互能力的虛擬現實技術的虛擬教學，如雨后春筍迅速發展起來。目前，大多數虛擬教學局限于簡單的二維仿真與演示，或者是操作的簡單交互，缺乏對特殊現象及過程的三維動態仿真，使得現有的虛擬教學在生動性、逼真性上與理想意義上的“靈境”交互教學有很大差距，粒子系統的引入恰好能彌補上述不足。本文通過研究粒子系統在虛擬實驗、虛擬教學效仿真，進一步探討了它在虛擬教學中的重要作用。

2 虛擬教學發展現狀

在高校連年擴招造成的資金嚴重不足、實驗設備的折損嚴重、高精度昂貴設備誤操作易導致重大損失、高危險性實驗對初學者人身安全存在的潛在威脅等因素影響下，又有綜合了計算機技術、圖形學技術、仿真技術等的虛擬現實技術的日趨成熟的外界動力下，虛擬教學出現并在虛擬實驗、虛擬培訓等很多方面得到成功運用。虛擬教學比傳統教學更能充分調動學習者的感官及學習激情，利用虛擬現實技術營造自主學習的環境，學習者由傳統的“以聽而學”的學習方式變為以通過自身與虛擬環境的相互交互獲取知識、技能的“以動而學”。本文簡單介紹虛擬教學的以下幾方面：

2.1 虛擬課堂

虛擬現實技術與課堂教學的完美結合打破了教學活動的時空局限性，學習者可在虛擬教室根據自身基礎與愛好自主進行課程內容選擇，避免了傳統課堂的“同時、同地、同內容”的授課形式與學習者基礎參差不齊之間的矛盾，使得教與學更人性化。

2.2 虛擬實驗

在傳統實驗中由于受設備、經費、危險性、時空限制等外因所限，許多實驗無法開設，而利用虛擬現實技術建立的物理、化學等各種虛擬實驗環境中，學生可以安全操作各種虛擬實驗，并可獲得與真實實驗相近的體驗。虛擬實驗能徹底打破時空限制，在虛擬環境中學習者只需花費幾分鐘時間便可觀測到現實中需要幾天甚至幾年才能完成的過程，并且不會產生誤操作帶來的人身傷害和財產損失，使得知識的獲取更高效、更安全。

2.3 虛擬培訓

針對職工崗前培訓，特別是高危行業的崗前安全培訓，傳統培訓方式中通常采用文字形式或簡單二維形式，缺乏生動性及真實性，學員在接受完培訓后僅在短期內對培訓內容有二維的記憶，遇到突發事件由于現場實景與各自對培訓內容的理解相去甚遠，往往無法快速運用所學知識解決生產實際問題。虛擬培訓使受訓者在培訓過程中感觸現場，在接受培訓后，對培訓內容有三維、逼真的系統理解，能夠將所學知識準確應用于生產實際，當真正經歷事故時能迅速反應，安全逃生。

3 粒子系統

3.1 粒子系統基本原理

粒子系統算法是Reeve于1983年提出，它通過采用大量形狀簡單且具有一定屬性的基本粒子作為基礎元素來表示不規則模糊物體，這些基本粒子都有一定的生命周期，基于它們不斷改變形狀、不斷運動，所以粒子系統能充分體現模糊物體的動態性與隨機性。粒子系統不是靜態的系統，而是一個動態表現過程，是隨時間變化處在不斷運動中的粒子群，粒子群的分布狀態可以隨機改變，動力學性質決定各粒子位置的移動方式，新粒子的不斷產生同時可以伴隨著舊粒子的消亡。

3.2 粒子系統繪制的基本步驟

Step1 由粒子源產生新的粒子并加入系統中；

Step2 給每一個新粒子分配一定的靜態屬性；

Step3 刪除系統中已存在且超過其生存期的所有粒子；

Step4 根據系統中剩余粒子的動態屬性對粒子進行移動和變換；

Step5 繪制并顯示由有生命的粒子組成的圖象。

可將粒子系統與所描述物體的自身特征與運動模型結合，進行相應的模型建立。為體現系統的隨機特性，常采用隨機過程進行粒子形狀、運動等的控制。每個粒子都有各自的變化范圍，該范圍內隨機給數以確定它的大小，而變化范圍則由即定的期望與方差來確定，基本表達式為：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需隨機確定的參數；Rand()為[-1，1]中的均勻分布的隨機函數；MeanPara為該參數的期望值；VarPara為其方差值。

4 粒子系統與虛擬教學

因在虛擬實驗與虛擬培訓環節中需進行大量特效模擬，因此本文僅以粒子系統在這兩方面的應用來介紹并說明它在虛擬教學中的重要地位。

篇8

關鍵詞：虛擬現實技術；數控技術；教育教學

前 言

隨著科學技術的迅猛發展，新的教學手段不斷涌現，繼多媒體技術之后，教學技術領域又出現一種新型教學媒體，它就是虛擬現實技術。虛擬現實技術是近幾年來國內外科技界關注的一個熱點，它的興起，為人機交互界面的發展開創了新的研究領域，為各類工程的大規模數據可視化提供了新的描述方法。

目前，虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、醫學實習、軍事訓練、建筑設計、教育培訓等眾多領域。以計算機仿真和數控加工技術為基礎，利用計算機來模仿真實的數控設備工作環境，形成了虛擬數控技術，如將其應用于數控技術教學上，必將對整個教學產生深遠的影響。

1 虛擬現實技術簡述

虛擬現實技術，簡單地說，就是借助于計算機技術及硬件設備，實現一種人們可以通過視、聽、觸、嗅等手段所感受到的虛擬幻境。虛擬現實作為一項尖端科技，它集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，由計算機圖形構成三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境，提供給人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式。虛擬現實的最大特點是用戶可以用自然方式與虛擬環境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經歷，就只能間接了解環境的模式，從而有效地擴展了人們的認知手段和領域。

2 虛擬現實系統的基本類型

根據用戶參與虛擬現實的不同形式，可把虛擬現實系統劃分成四類：

3.1桌面式虛擬現實系統

桌面式虛擬現實系統也稱為簡易型虛擬現實系統，它是利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，使用者通過鍵盤、鼠標便可與虛擬環境進行交互。這種系統的特點是結構簡單、價格低廉，因此應用比較廣泛，是一套經濟實用的系統。但桌面式虛擬現實系統會受到周圍現實環境的干擾，參與者缺少完全的沉浸，缺乏真實的現實體驗。

3.2沉浸式虛擬現實系統

沉浸式虛擬現實系統是一種高級的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。沉浸式虛擬系統是一套比較復雜的系統，它的優點是用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統設備價格昂貴，難以普及推廣。

3.3增強式虛擬現實系統

增強式虛擬現實系統是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統，它既允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象，這種系統既可減少對構成復雜真實環境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達到亦真亦幻的境界。

3.4分布式虛擬現實系統

分布式虛擬現實系統是利用遠程網絡，將異地的不同用戶聯結起來，多個用戶通過網絡同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的，從而將虛擬現實的應用提升到了一個更高的境界。

3. 虛擬現實技術的基本特征

虛擬現實技術具有以下四個基本特征:

沉浸性——指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。虛擬現實技術是根據人類的視覺，聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環境中，使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。

交互性——指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤，鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔，數據手套等傳感設備進行交互。

多感知性——是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，從而達到身臨其境的感。

構想性——是指虛擬現實技術具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類的認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境，它不僅可實現實物虛化，還可實現虛物實化等處理。

4 虛擬現實技術在教育教學中的實現意義

隨著計算機、信息、網絡等相關技術的發展，計算機作為一種高效能的信息傳播工具，在教育教學過程中得到越來越廣泛的應用，如果將虛擬現實技術作為一種新興的教學媒體應用到教育教學中，這種嶄新的技術會帶給我們嶄新的教育思維，解決我們以前無法解決的問題。

4.1虛擬現實技術開創了全新的學習場景——徹底打破空間、時間的限制

利用虛擬現實技術，可以徹底打破空間的限制，學生可以進入物體的內部進行觀察，如學生可以進入虛擬的分子、原子、航天工作站等內部，考察物體內部的工作情況。虛擬技術還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。虛擬制造技術還可以應用計算機、交互外設及軟件來構建一個虛擬的生產環境，使學生能如同在制造現場一樣，與熒屏上出現的制造過程進行自由交流。基于網絡的虛擬現實技術為學習者提供了全新的學習場景，構造出開放性的教學環境。

4.2虛擬現實技術提供了嶄新的教學手段——構建實物虛化、虛物實化的方法

通過虛擬現實、多媒體、網絡等技術的綜合應用，可在課堂和實驗室中展現在傳統的教學模式中無法實現的教學過程。虛擬現實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。虛擬現實系統可以進行實物虛化，虛擬各種人物，創建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發式教學。運用虛擬現實技術，還可以使學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應，通過學生自我組織，制定并執行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。還可通過小組或團隊的形式，組織學生進行學習，成員間共享成果，開展協作式教學。

4.3虛擬現實技術變革了傳統學習方式——營造開放性的網上探索學習

運用虛擬現實技術，突破傳統教科書的限制，使每一位學習者都可以根據自己的學習特點，在自己方便的時間從互聯網上自由地選擇適合的學習資源，按照適合于自己的方式和速度進行學習，這種探索性的學習，有利于激發學生的創造性思維，使學習者在具體情境中通過主動的探索獲得知識，從而提高學習者的動力。

4.4虛擬現實技術豐富了課堂教學內容——展示全方位、多角度的教學內容

利用虛擬現實技術，可豐富教學內容，將實驗、實訓等技能訓練搬到課堂中進行，由于這些虛擬的訓練系統無任何危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。應用虛擬現實技術，還可恰如其分地演示一些復雜的、抽象的、不宜直接觀察的自然過程和現象，全方位、多角度地展示教學內容。利用計算機多媒體技術，制作各種仿真課件，創設所需要的某種虛擬情景，讓學生進行模擬實驗，從而極大豐富課堂的教學內容。

4.5虛擬現實技術節約了有限的教育成本——開展虛擬實驗、進行虛擬生產

虛擬各種實驗設備、實訓環境和操作過程，使大多數課程可以在虛擬實驗室中進行，大多數的技能可以在虛擬實訓車間中進行訓練，從而不必購置昂貴的實驗實訓設備?？梢栽诠澕s大量昂貴的儀器設備費用的前提下，解決在教學中，因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因而無法進行的教學實驗，虛擬訓練又可避免實驗實訓設備的損壞、訓練材料的消耗等問題，從而有效節約教育成本。

5 虛擬現實技術在數控技術教學中的應用

隨著我國經濟建設的飛速發展，社會各行業對制造業提出了更高的要求，數控技術是現代機械制造業的核心技術，其技術的應用水平將直接影響產品的加工水平。在現今數控技術人才極度缺乏的情況下，如何將最新、最實用的數控技術高效地傳授給數控技術學習者，是數控技術教學要著重考慮的問題。由于數控技術教學和培訓都離不開數控機床，而數控機床本身價格比較昂貴，限制了學校的購買能力，若采用計算機建模和仿真技術來模擬實際的數控加工環境，同樣可以讓學生盡快熟悉數控機床的加工環境與真實的加工過程，從而提高數控技術的教學效果和教學質量。虛擬現實技術可從以下幾方面應用在數控技術教學上。

5.1利用虛擬現實技術實現數控教學儀器、設備、加工產品的立體展示

在傳統教學中，學生只有通過在書本上察看各種教學儀器設備的平面圖形，或在現場觀察實際的教學設備外形來獲得各種感性認識。平面的圖形限制了學生的空間想象能力，實際現場教學又增加了學校的投入。采用使用虛擬現實，我們可以構建一個與實物同樣的三維物體，如采用Pro/E建模，將各種教學儀器、設備和產品進行實物虛化，將這些物體以立體形式存放在虛擬教室中，我們只要進入這個虛擬空間，就可隨時隨地地認識這些儀器設備，而且可觀察到設備內部的結構，可輔助數控技術教學的學習過程，增強理解能力，提高學習效果。

5.2利用虛擬現實技術進行模擬實驗和仿真教學

在教學中，許多昂貴的實驗、培訓器材，由于受價格的限制而無法普及或有許多實驗是根本不可能做的，如果利用虛擬現實技術，建立虛擬實驗室，學習者便可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般的操作虛擬儀器，如進行各種虛擬的數控系統的連接與組裝。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結果。虛擬實驗室的另一優點還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故。

另外，我們還可利用虛擬仿真技術，制作虛擬仿真軟件，在多媒體計算機上進行數控機床操作面板的認識操作訓練，進行模擬編程訓練并產生加工結果的仿真，可有效地解決教育機構實驗條件與實驗需求，實驗效果之間的矛盾。

5.3利用虛擬現實技術實現的數控加工仿真教學系統

隨著虛擬現實技術及計算機技術的發展，出現了可以模擬實際數控機床加工環境及其工作狀態的計算機仿真加工系統，這就是某一特定數控系統借助計算機軟、硬件的功能，通過實驗者的控制在計算機上演示，分析數控加工從零件設計圖到動態切削演示的實現的全過程。仿真機床操作的整個過程包括：毛坯定義、工件裝夾、壓板安裝、基準對刀、安裝刀具、機床手動操作等內容。 虛擬數控加工仿真教學系統完全模擬真實零件的加工過程，可以檢驗各種數控指令是否正確，能提供與真實機床完全相同的操作面板，其調試、編輯、修改和跟蹤執行等功能也一應俱全。學習者可身臨其境的操作各類數控加工設備，能有充分的機會去練習數控加工中的常用操作，如基本運行方式的選擇操作、對刀操作、補償量的確定及輸入輸出操作和程序的編輯修改操作等。解決了初學數控技術者需要的大量操作練習，提高了機床操作訓練的時間。把數控加工仿真教學系統引入到教學之中，這樣既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過程中產生現場感和真實感。同時由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數控機床數量不足的難題，使每位學生都能有足夠多的實踐機會，從而為數控技術教學提供良好的教育平臺。

5.4實現虛擬仿真教學與真實生產加工的聯系

數控加工仿真教學系統既能單機系統獨立運行，又能實現在線運行。獨立運行即機床模型方式，其培訓設施只需一臺計算機，數控機床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進行，而零件切削過程由機床模型通過三維動畫演示。在線運行即機床工作方式，在這種方式下，教學系統將與實際機床連接，由硬件實現零件切削過程，這時除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實際機床的真實情況一樣。由于數控加工仿真教學系統具有完善的圖形和標準數據接口，用戶既能在真實的環境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數，并能將其他CAD／CAM軟件，如Pro/E、UG、Mastercam等產生的三維設計后置處理的NC程序，直接調入加工。

5.5虛擬現實技術可實現網絡數控培訓及考核

虛擬數控機床強大的網絡功能，可實現遠程教育培訓，它不僅在局域網上具有雙向互動的教學功能，還具有基于互聯網進行雙向互動的遠程教學功能，數據傳送可以采用衛星、寬帶等方式進行。這使得數控培訓遠程教學名副其實，而且還可采用遠程網絡學習、作業、考試等功能，并實現答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現無紙化的考核與測評。

6 虛擬現實技術在教育應用中存在的問題及展望

可以預測，隨著經濟和技術的不斷發展，虛擬現實技術將日益廣泛地應用于教育教學領域。但目前的虛擬現實技術還存在一定的問題，主要表現在：

6.1虛擬環境與真實生產的差異

學生在虛擬的環境中學習，與在真實的生產中訓練畢竟不同，因為如果僅考慮交互的真實性，那么無論如何身臨其境，真正動手操作機器的效果要強于任何媒體教學。因此，虛擬現實技術不能完全代替具體真實的操作，它只能在一定程度上代替某些實驗，而不能完全代替實踐教學，尤其不能代替有創造性目的的試驗。

6.2虛擬現實的效果還有待加強

虛擬現實的表示側重于幾何表示，缺乏逼真的物理、行為模型，虛擬現實技術在感知方面，視覺合成研究的較多，聽覺、觸覺關注較少，真實性與實時性不足，其虛擬的效果還需要進一步加強。

6.3硬件環境還有待提高

與虛擬現實技術相關的設備普遍存在使用不方便，效果不佳等情況，難以達到虛擬現實系統所需的要求，如中心計算機的處理速度還不足于滿足在虛擬世界中巨大數據量處理實時性的需要，對數據存儲能力也不足，基于嗅覺、味覺的設備還沒有成熟及商品化。硬件設備品種有待進一步擴展。

6.4實現成本問題還有待降低

虛擬現實系統應用的相關設備價格也比較昂貴，且這些設備局限性很大，需要進一步發展其結構和制造技術，使其輕巧化和降低成本，才能更有利于推廣應用。

虛擬現實技術作為一種新型的教學媒體，目前已引起教育界的極大關注。隨著計算機技術的發展，虛擬現實的硬件與軟件成本的逐漸降低，這種新的教學媒體必將廣泛應用于教育教學中，最終在現代教育領域中發揮其重要作用。

參考文獻

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[關鍵詞]PE管焊接；教育；虛擬仿真技術；PE管焊接教學虛擬仿真；

中圖分類號：TN0-4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0234-02

PE是指聚乙烯塑料，是基礎的一種塑料制品，塑料袋和保鮮膜等都是PE材料，PE管具有優良的耐大多數生活和工業用化學品的特性，所用范圍非常廣，一般可用于PE燃氣管道、PE給水管道和PE排污管道等，對于焊接技術，國家有關部門專門為此設立焊接工技術考試，設置專門的技術證明，可見國家對這項技術的重視及認可，不少高校將焊接技術列入工科學生的認識實習當中，讓學生接觸焊接技術，從大學開始培養學生的焊接技術，培養能從事燃氣和居民用水的輸送、存運等同時具備多種高素質技能型人才。

一、虛擬仿真與PE管焊接教學結合的必要性

關于國家教育部的《教育部2016年工作要點》內容第10點“優化高校人才培養機制”提及加強國家建設虛擬仿真實驗中心，《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》內容提及教育信息化改革的具體措施及發展規劃，著重強調了關于增強開發虛擬仿真實訓教學軟件、虛擬仿真實訓實驗系統以及建立虛擬仿真實訓基地的力度。

虛擬仿真技術是由計算機系統創建的一種令人感到身臨其境及獲得與環境交互體驗的虛擬世界。營造一個三維的教學環境，提高學生掌握知識、技能的效率，真正使教學者更容易地去表達自己的教學思想和教學內容，具體表現為如下：（1）在教學模式方面，有利于情境創設和大量知識的獲取與保持；（2）在教學手段方面，以一種直接的信息傳遞方式，提供直觀形象的思維材料；（3）在教學內容方面，用文字、語音和三位實景虛擬現實過程協同描述。 因此，虛擬仿真技術作為一項前瞻的科學技術，是繼多媒體、計算機網絡之后，在教育領域最具有應用前景的“明星技術”。

目前的焊接教學內容，主要為多媒體視頻播放及PPT的講解，但并沒有讓學生有一種身臨其境的體會，錯誤的操作，失誤的操作時常發生，學生的焊接技術并沒有質的提升，因此，為有效培養出高等技術應用型專業人才，提供學生的焊接技術，西南石油大學率先開發出PE管焊接實訓系統，應用于焊接技術教學，并獲得了很好的教學效果。

二、虛擬仿真技術的應用

1.虛擬仿真技術

虛擬仿真即虛擬現實技術或模擬技術，就是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統。其虛擬系統由計算機產生，而使用者可“進入”到該環境中，有身臨其境之感，并可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。虛擬現實（Virtual Reality）有其四個特性：（1）沉浸性（Immersion）：使用者能有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，應該具有能夠給人所有感知信息的功能。（2）交互性（Interaction）：即不僅環境能夠作用于人，人也可以對環境進行控制，并且人是以近乎自然的行為（自身的語言、肢體的動作等）進行控制的，而虛擬環境還能夠對人的操作回以實時的反應。 （3）虛幻性（Imagination）：系統中的環境是虛幻的，是模擬出來的。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現在真實存在的環境，也可模擬出當前并不存在的但將來可能出現的環境，或僅屬于人們幻想的環境。（4）逼真性（reality）：虛擬仿真系統的逼真性表現在兩個方面：一方面，給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，就如真實世界一樣；另一方面，當人以自然的行為作用于虛擬環境時，環境做出的反應也符合客觀世界的有關規律。

2.PE管焊接仿真實訓系統的應用

（1）工藝流程

根據焊接方法的不同，設置了電熔焊接和熱熔焊接不同的工藝流程。在應用之前，先讓學生首先大致了解PE管及各種設備的大概信息，和不同的焊接有哪些步驟。例如電源電壓的范圍，機架管材的放置，銑刀夾具的開啟取下等。其后就是針對各個小步驟的工藝，如各種信息的錄入，壓力的記錄等進行更為詳細的講解。

仿真系統的操作中，通過點擊鼠標實現設備的開啟，夾取，信息的錄入情況等。教師可設置不同的工藝流程參數，準確地模擬出現場不同的管材設備。如此，那么在老師授課輕松便捷的同時，學生不僅會輕松掌握一般PE管焊接的相關操作步驟，更會全面的讓學生處理各種不同條件狀況下的實際情況。

（2）仿真軟件的互動性

1.用軟件進行操作時，在相應的單元內通過鼠標、鍵盤等輸入相應的型號及參數后，會在場景內自動生成管件模型，用鼠標點擊可以進行拖動，繼續下一步操作。例如在進行PE管的選用時，直接在相應菜單輸入管徑、材料和壁厚等參數就可以在場景內直接生成相應的管道。

2.同時在場景內，當鼠標懸停在設備上時，可顯示設備參數、工作狀態等信息。例如在進行加熱管材的過程中，可以把鼠標懸停在PE管上，查看管道的參數，也可以懸停在泵站上查看壓力等數據。

3.操作進行的過程中，使用者可以得到部件及機器的工作狀態的視覺動畫和音頻信息的反饋。例如在打開銑刀之后，銑刀部件將會旋轉，開啟信息直接反饋給使用者，達到良好的培訓效果。

4.當進行軟件操作之時，如果出現錯誤、不當的操作時，那么便會在界面彈出錯誤信息提示框，會提示具體錯誤情況，并給予相應的規范提示，且在錯誤之處的相關部件或者信息參數以高亮等明顯顏色顯示，讓操作者不僅能夠明白自己哪些地方錯誤，還能知道規范以及如何改正。例如，半自動熱熔焊接時，加熱板在加熱后，要進行需要等待一定的時間的吸熱，軟件會有相關的提示；如果忽視提示，直接取下加熱板，那么便會進行相關預警，提示時間不足和會造成的后果，給出正確做法，加強操作者的意識。

5.本系統采用了一人一號登錄的方法，當每個學員在實際使用中出現操作錯誤時，系統不僅能夠給出提醒，以便學員能夠發現自己的錯誤，還能自動記錄下該學員發生錯誤的步驟，隨著學員使用本系統的次數增加，會自動為該學員生成一個易錯點數據庫，在該學員碎片化時間的訓練中，可以針對這些易錯點進行單獨的訓練。使訓練更加有針對性。該數據庫還會自動匿名上傳使用該培訓機構的服務器，隨著學員樣本的增多，逐漸會形成有代表性的易錯點數據庫，使學員知道PE管焊接過程中的易錯點，更有針對性的練習。

（3）主要設備

進入PE管仿真實訓系統，點擊主要設備菜單，學習人員可以看到各種焊接設備的簡介、內部結構詳解以及工作原理模擬。通過全方位無死角瀏覽各個單體設備結構以及詳細學習設備工作原理，提高了學習人員對設備構造、工作原理的認知度，為學習人員將來實際操作工藝設備奠定了扎實的理論基礎。

（4）操作流程

PE管焊接技術雖然現在有專門的人員培訓機制，但是存在培訓流程不完善，參與性、安全性較差，效率低，對管材損耗較大，培訓成本較高等問題，學習人員實際操作效果不夠理想。針對這些難題，培訓方可以利用PE管仿真實訓系統中的各工藝單元操作流程進行具體的講解。

（5）技能培訓

PE管焊接技能培訓包括理論培訓與實踐培訓，理論培訓可用實際教學班的形式進行，并在PE管焊接虛擬仿真軟件中添加題庫和成績評判模塊，以便學員進行PE管焊接理論的自我檢測。

實踐操作能力的提高是PE管焊接人才技能培訓的主題，應重點突出操作技能的培訓，加大實踐性教學環節的比重，堅持理論與虛擬操作實踐的結合，促進PE管焊接技能人才在虛擬實踐操作中不斷增長知識，提升能力。虛擬仿真系統教學可以徹底打破時空限制，對學員學習中可能出現的各種問題進行虛擬仿真，可直接觀察到這種焊接問題在以后的使用中產生的后果。在技能培訓方面，它不僅更加形象生動，使學員更容易理解學習的內容，更能夠直接獲取技能操作方面的實踐經驗，提升技能操作的熟練程度。而且針對PE管焊接技能訓練，由于訓練的特殊性，在實踐操作訓練中，當學員的操作不當，會導致焊接的直接失敗，沒有挽回的余地。焊接失敗的管段不能繼續用于焊接，使技能培訓成本大大增加。使用虛擬仿真系統對PE管焊接進行培訓，能節省訓練的開支和成本。

在虛擬焊接系統中，應該考慮訓練產生的結果以及教學的效果，這套系統能提供真實的虛擬訓練的情景，校正學員錯誤等功能，真正做到“干什么、學什么、缺什么、補什么；弱什么、強什么”，確保PE管焊接虛擬培訓系統達到最好的效果。

三、結語與展望

為達到安全實訓的目的，培養出符合焊接要求的技術性專業人才，提高學習就業競爭力，將虛擬仿真技術應用到實際課堂教學已成為高校教學改革必不可少的重要部分。對推動焊接教學來說，PE管焊接仿真實訓系統的開發，有以下幾點重要意義：

（1）改變了傳統焊接技術教學培訓的教學模式，提高了學生焊接技術學習的效率，大大提高了學生的學習興趣。

（2）將“二維”的學習環境轉變為

“三維”的學習環境，學生通過瀏覽三維虛擬場景、模擬操作公益流程以及考核學習成果，學生能較快的熟悉PE管焊接的現場環境、設備、安全規范及相關操作，降低了高校實訓成本，避免了操作風險。

因此，在PE管焊接的教學中引入虛擬仿真技術，進一步完成完全互動型PE管焊接仿真教學系統的研發，對焊接教學的培訓具有深遠意義。進一步形成一套先進性、實用性、教學性、科學性于一體的全方位PE管焊接仿真教學系統，是一個長期的目標，具有及其深遠的意義。

參考文獻

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關鍵詞：虛擬現實技術;高等職業教育;應用

1虛擬現實技術概述

虛擬現實（virtualreality）技術最早提出于20世紀80年代，簡稱為VR,它可以讓用戶創建虛擬仿真世界，也可以讓用戶親身體驗虛擬仿真世界，實現真正的人機交互。虛擬現實技術集合了仿真技術、人機對接技術、傳感技術、計算機圖形學、三維動畫、動作捕捉技術、視頻音頻編輯技術、技術廣角立體顯示技術、網絡技術等，是一門集合了多種技術的強大的綜合技術。模擬真實環境是由計算機來完成場景的制作并生成具有實時動態的逼真的三維動畫；運用人機接口技術和傳感設備實現感知性；運用動作捕捉技術對用戶的肢體動作進行跟蹤，優化觸覺反饋，實現人機交互的自然技能；運用音頻編輯技術實現自然環境的立體聲輸入輸出等。虛擬現實具有多感知性、虛擬現實沉浸感、虛擬現實交互性和虛擬現實自主性4個特征。多感知性是指除了普通計算機所具備的對圖像的感知外，我們的仿真系統還具備對聲音、觸摸、運動甚至味道的感知等，最佳的仿真系統應該具備人類所具有的一切感知功能。虛擬現實沉浸感是指用戶作為體驗者存在于仿真環境中所感受到的真實程度，最佳的模擬環境應該使體驗者身臨其境難辨真假。虛擬現實交互性是指用戶和仿真環境之間的自然和諧程度，用戶對模擬環境內物體的可操作，模擬環境亦能做出準確的反饋。虛擬現實自主性是指仿真環境中的物體能夠依據真實客觀世界物理運動定律運動。

2虛擬現實技術在高等職業教育教學中的應用

職業教育的宗旨是培養高素質勞動者和技能型、應用型人才，高等職業學校應具備培養大規模高素質技能型人才的能力，學歷教育和職業技能培訓并舉，形成形式多樣、靈活開放的教育教學模式。而對于技能的培養，學生主動地去交互和被動的灌輸，教學效果也天差地別，將虛擬現實技術引入高等職業學校無疑更加有利于高素質技能型人才的塑造與培養。虛擬現實技術可以為學生營造富有趣味的仿真學習環境，讓學生去親身經歷和感受比教師空洞抽象的解說更加直觀易懂，從而培養學生自主學習的能力。將傳統的以教師為主導、以教促學的教學模式轉變為以學生為主體的新型教學模式，學生通過自身與仿真環境的交互體驗來獲得知識和技能，能有效激發學生的創造力和想象力。下面筆者將從以下3個方面探討虛擬現實技術在高等職業教育教學中的應用。

2.1建立虛擬實訓基地

實訓基地是職業學校完成實踐實訓教學、培養學生應用職業能力的必要所在，隨著教育改革的不斷深入，越來越多的職業學校加大實訓基地的投入和建設力度。實訓基地的建設成本高、周期長、后期設備維護和更新也需要不斷地追加資金投入，顯然存在一定的弊端。而基于虛擬現實技術建立的虛擬實訓基地不僅可以節約時間和空間，還可以節省大量的資金投入，有效地減少后期維護成本。在虛擬實訓基地，環境是由計算機生成的仿真世界，所需要的設備和部件也是計算機生成虛擬設備，后期維護時可以根據教學需要輕松完成虛擬設備更新和添加。當今社會是個科學技術飛速發展的時代，技能型課程內容更新也較快，在虛擬實訓基地教學內容的更新更加容易，能夠使學生的技能培養和時代的步伐保持一致，充分保證技能教學的先進性。在虛擬實訓基地，虛擬現實的沉浸感和交互性能真正地開啟學生為主體的教學模式，學生在虛擬的仿真環境中扮演角色，身臨其境。人機交互更有利于學生夯實技能操作的基本功。以筆者學校為例，像動物外科手術技能、汽車維修技能、農機具修理技能、模具制作技能、果蔬苗木栽培技能、計算機維修技能、組網技能等各種職業技能的訓練可以直接依托于虛擬實訓基地，學生可以在虛擬仿真的環境中反復加以練習，直到完全掌握操作技能為止。對于設計類課程而言虛擬實訓基地更是學生最好的實訓場所，如園林規劃設計、室內裝潢設計等，學生可以通過虛擬現實將自己的作品實景呈現，制作漫游動畫，徜徉其中。除此之外，虛擬實訓基地還具備一個優點，那就是在實訓時幾乎沒有安全隱患。例如汽車駕駛技術學習、危險的化學實驗就可以在仿真環境中完成，從而成功地規避風險。

2.2開發具有交互功能的教學課件

職業教育的宗旨是培養技能型人才，以往的偏向理論教學以及過分依賴教師講授的教學模式已經遠遠不能滿足教學需要。隨著教育改革的不斷深入和信息技術的發展，教學方法也在不斷更新，逐步引入計算機輔助教學(CAI)已經大大地改善傳統教學模式的局限性。雖然傳統的課件具備了圖、文和聲音并茂的功能，顯著提高了學生的學習興趣、改善了教學效果，但是在一些教學難點或者技能操作課程上仍然不能滿足教學需要；在表現一些技能型知識點如機械運動規律、機械維修、零件組裝、計算機拆裝等方面，傳統課件制作難度高，展示效果不理想，而引入虛擬現實技術的課件開發實現了逼真的三維的展現形式，實現了人機交互，學生可以身臨其境體驗所學知識和技能，這就使得學生的學習過程更加生動形象，對于知識和技能的理解與掌握也更加容易。

2.3開展基于虛擬現實技術的遠程教育

遠程教育也是當前高等職業學校教育的發展方向之一，它以計算機和網絡為媒介，極大地方便了網絡教學。傳統的網絡教學有的是錄屏講解，有的是教師課堂實錄，學生接觸不到教師以及相關操作的所需的教具，存在一定的局限性，教學效果往往事倍功半。尤其對于實踐性很強的技能型學科影響更大，例如計算機組裝與維修課程，學生光靠看老師的視頻講解，死記硬背操作步驟，不如現場操作一次效果來得好。正因為如此，對于實踐性較強的學科來說，引入虛擬現實技術模擬仿真環境，建立虛擬實驗室顯得尤為重要?；谔摂M現實技術的網絡教學讓學生可以在虛擬實驗室自主學習的同時還可以自己動手拆裝，更直觀地學習并加以練習和體驗，教學效果必將事半功倍。

3結語

虛擬現實技術作為一門前沿高新技術，將其應用到高等職業教育教學中是一種創新型教育手段，具有廣闊的發展前景。它提供了逼真的教學環境，使得傳統信息化教學手段有了質的飛躍，讓課堂教學變得更加豐富、立體、生動和富有成效，尤其讓技能教學更直觀化，能有效激發學生的自主學習能力、想象力和創造力。虛擬現實技術的應用能夠促進職業學校教科研水平的提高，改善實驗實習場所并節約資源，豐富教學手段，優化教學過程，提高教學效率。

作者:朱玉鳳 朱殷勤 單位:淮安生物工程高等職業學校

參考文獻：

[1]黃金棟,吳學會,李小紅,等.虛擬現實技術在計算機專業教學中的應用思考[J].職業教育研究,2011(3):174-175.