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  • 各职业院校虚拟仿真实训软件系统
    浏览次数:973次 更新时间:2019-06-03

            全国职业院校的实训设备日益增多,但场地却相对减少,因此如何将实操与仿真软件相结合,尤其是在操作具有危险性、耗材和耗能过高的设备时,更应该考虑实操与虚拟仿真软件的结合,更好地发挥虚拟仿真软件的作用。提出专业仿真软件的合理应用、强化具有开发功能的专业仿真软件的应用、提倡使用物理介入式的仿真软件的应用与全场景式真实仿真软件的应用的四层步骤,同时为了推广虚拟仿真软件的使用,提出职业院校的行政部门应釆取相关措施,这是保障虚拟仿真软件在职业院校中使教师与学生双方获益的最佳办法。

    1 引言

      为贯彻落实北京市教育委员会《关于北京“十二五”时期职业教育信息化规划》的文件精神,利用云计算技术、3G无线网络技术、虚拟现实技术和物联网技术——这些技术催生了应用,应用孕育了技术,探索开发职业院校的虚拟项目、虚拟工艺、虚拟流程、虚拟实验、虚拟车间、虚拟工厂,形成虚拟对象与真实对象的有效对接,虚拟实训与真实实训的有机互补,全面提升职业院校的实训教学的可操性、实效性,避免危险性,降低高成本性、不可逆性和高耗费,为实验与实训提供有力支撑。

    2 虚拟实训资源

      虚拟实训的概念是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境,供学生观察、操纵、建构其中的对象,使他们获得类似真实的体验或者掌握知识理论体系的规律。
      目前虚拟实训资源是非常丰富的,各大公司开发了很多虚拟仿真软件与开发平台,尤其是网络版游戏仿真软件风起云涌,给开发商和网吧的投资者带来丰厚利润。而职业教育的虚拟仿真软件与开发平台显得相对匮乏,这是因为职业教育涉及各行各业,一个权威的、界面友好的、能满足各种用户需求的仿真平台编辑器尚未产生,而能满足某一领域的虚拟仿真软件与开发仿真平台编辑器很多,如Pro E机械三维仿真平台、VR-Platform三维互动仿真平台和Tina电子线路三维互动仿真平台等。这是因为虚拟技术具有沉浸性、交互性、构想性特征:沉浸性指人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中,由观察者变为参与者,成为虚拟现实系统的一部分;交互性指是人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互,如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的对象发生交互关系;构想性指人能从虚拟环境中得到感性和理性的认识,进而深化概念、产生新意和构想。上述这些软件都能满足沉浸性、交互性、构想性的特征。

    3 职业教育虚拟仿真四层步骤

      3.1 专业仿真软件的应用
      专业仿真软件很多,其特点是:在调试上,面向图符对象的仿真软件,不须任何编程学习,只需要填充控件或对象,就能仿真大量的应用系统,几乎囊括现代所有领域的可视化、动态仿真系统、图符表示的功能模块。目前职业院校的教师在授课中常使用各自专业的虚拟仿真软件进行辅助教学。例如,TINA Design Suite v8专业仿真软件是针对电路分析、设计和实时测试的软件,它功能强大,易用性极高,具有模拟、数字、VHDL语言、单片机、电子电路和混合电路板以及PCB Layout布线仿真设计环境。学生可以便捷地快速分析开关电源、射频、通讯、光电电路的各种真实情况,生成和调试使用集成的微控制器代码流程图,并在混合电路的微控制器应用环境中进行联动测试。
      TINA仿真系统独特之处在于可以通过USB总线控制的TINA Lab II硬件,使计算机变成一个强大的多功能测试与测量仪器,完成从“设计需求”到“物理实现”的自动化设计过程。TINA技术大致分为电气原理图设计输入、混合电路仿真分析、PLD设计、印制板(PCB)自动布线设计等环节。学生会发现TINA是一个易用性极高的高性能电子电路仿真设计工具,而教师更喜爱TINA中包含的结合仿真内核的训练环境等独特功能。如图1、图2如示,分别是电路原理图和面包板上实物元件连线、电路原理图在面包板和PCB仿真。
      另外,Pro E仿真软件在机械零件、装配及工艺处理上有强大功能,这些仿真软件在行业内是工程师工作的主要工具。但是这些仿真软件都具有强烈的专业性,专业之间互通较少。还有VMware Workstation虚拟机软件、硬盘分区、Boson NetSim模拟器等仿真软件。
      3.2 具有开发功能的专业仿真软件的应用
      目前社会上大型3D游戏仿真软件已经很多,制作这些仿真软件的公司开始瞄准职业教育市场,推出许多虚拟仿真软件,它的特点是可以针对不同专业,根据教师的专业需求,设计出某专业课的某些知识点和实训项目的仿真。
      首先,采用仿真技术研究可节约大量的研究经费,在一定程度上可替代真实的测试技术研究,至少可以起到相当的指导作用。
      其次,能够帮助科研单位把科研工作中积累的许多宝贵知识和经验加以总结,建立相应数据库,得以长期保存和便于检索。
      第三,全三维的场景交互有很好的可视作用,其直观性和可交互性得到良好的体现。
      例如VR-Platform三维虚拟现实平台软件,该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得,可广泛应用于城市规划、室内设计、环境艺术、产品设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、互动广告设计、军事模拟等行业,它的出现将给正在发展的3D仿真产业注入新的活力。
      VR-Platform的目标是:低成本、高性能,让每一个学生都能够从“虚拟现实”中发掘出计算机三维的新乐趣,能与自己专业有效融合。
      VR-Platform具有良好的系统架构,无论是学生、教师,还是软件开发人员,都可以在不同层次上以不同的开发方式,开发出满足自己需要的各种应用程序。如图3所示,航模发动三维运行与零件装配仿真。
      在进行仿真专业课程制作过程中要以行业需求为基准,以专业实训要求为依据,根据不同的行业特点探索行业通用性的操作规范,确保开发的课程能够得到行业认可,最终建立起一批满足行业要求,符合企业操作流程和规范的虚拟技术实训资源。要建立一套完整的虚拟技术实训中心,其硬件条件可根据学校不同条件自行组织,建议釆用主动式立体投影机、无缝软边融合技术的沉浸式环幕、虚拟现实成像及播放仿真平台系统——三通道环幕立体投影系统、高端VR专业图形工作站等设备。   虚拟技术(Virtual Reality)是借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境。它是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术等领域。它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者自然地对仿真世界进行体验和交互,最终使得参与者产生身临其境的感觉,并且能直接参与该环境中事物的变化与相互作用。其最大特点是根据教师的不同专业需求,设计出精美的3D仿真。如图4所示,旅游专业介绍圆明园正大光明景区虚拟3D仿真。
      3D技术模式主要釆用max、3ds、flt、obj、dxf、dwg、dem,其中flt文件格式是专业虚拟仿真软件MultiGen的专业格式,在实现过中,定义一个3DS Object类就可实现三维建模与仿真。
      3.3 物理介入式的仿真软件的应用
      由于仿真软件平台开发人员大多是软件工程师,应用仿真软件平台人员只需要关注脚本的编写和项目的真实可操作性,如需美观应要大量的照片,也称之为皮肤,增强3D的可视性。但是人们又提出更进一步的要求——实物操作与虚拟仿真一一对应,而且要求仿真软件能够控制实物的动作,甚至能模拟或预测实物动作的危险,如核燃料棒的泄漏、地震等。这就要求实物的动作过程中有大量的传感器的物理量,经过V/I转换,以及RS232或485的通讯协议,与仿真软件平台中的I/O函数构成事件,形成仿真软件能够控制实物的动作。以机器人为例,如图5所示。
      目前通用开发型的仿真软件平台是通过游戏软件移植过来的,已有游戏手柄,它是一种开关量,利用GeyKey()函数就能调用,还有一种是游戏手套,手套内放置了压力传感器可模拟CS游戏中许多武器的仿真。所以说物理介入式仿真软件的开发应用已近在眼前,但是难度较大,这不但需要开发人员与设计应用人员必须具备软硬件的综合素质,而且应具备相当水平的美术观。
      有实物介入式计算机仿真系统将成为职业教育仿真实训教学中的又一个亮点。随着实训仿真技术的发展,实训内容、实训手段、实训设备将发生变革,传统的校内、外实训基地模式将向校内、外实训基地与虚拟实验实训相结合的教育实践模式发展。职业教育对仿真技术的需求异常迫切,这必将会带动一批人加入到仿真在职业教育中的应用研究队伍之中。
      3.4 全场景式真实仿真软件的应用
      1)大连海事大学船舱模拟驾驶仿真系统。该船舱模拟驾驶仿真系统是仿真的最高境界,实现了实物与虚拟的有机结合。笔者参观了该实训中心,但是没有图片,只能粗略地分析船舱模拟驾驶仿真系统。它是在原有的机舱三维模型基础上,采用MultiGen Creator对相关设备的可操作部件重新建模,并依需对其进行层次结构优化;结合船舶机舱的具体情况,采用Vega对船舶虚拟机舱内相关技术进行实现;并在MFC平台上开发具有实时仿真及交互控制功能的视景仿真系统。
      概括起来,该船舱模拟驾驶仿真系统主要包括以下几个部分。
      ①自定义运动模型的实现。对自定义运动模型的设计思路作了详细分析,并实现了一种运动模型。
      ②虚拟驾驶舱碰撞检测的实现。对虚拟驾驶舱碰撞检测模型的Volume方法的设计作了详细分析,对碰撞检测模型实现总流程作了详细规划,设计出一种结合BUMP和Z的碰撞检测方法。
      ③对虚拟设备进行拾取操作的实现。对进行设备拾取操作前的模型部件的创建和处理方法作了详细讲述,并根据机舱内部模型部件的特征,制定操作方案,最后实现模型部件操作和SE2000之间的通讯。
      ④基于MFC的虚拟机舱视景仿真系统相关功能的实现。对在MFC上的系统总体实现流程做了详细规划,并讲述了基于MFC的虚拟机舱视景仿真系统的相关功能的实现方法,如用户视点在各虚拟设备间切换、视景仿真窗口的全屏显示、场景中各参数能根据用户需要进行设定等。
      2)北京石油化工学院的炼油厂模拟仿真。该工业仿真系统是针对真实工业系统的复杂工艺推出的加水模拟系统的解决方案,用实时三维可视化的方式,有针对性地解决工业领域中展览展示、宣传介绍、实时监控、技能培训及技术服务等方面的难题。
      该工业仿真系统用真实和缩小的系统模拟了炼油厂的工艺各系统及整体厂区环境外观,并模拟仿真了各设备的结构、工作过程。同时,该工业仿真系统还综合了OpenGL技术、数据库,以及其他多媒体技术、程序开发技术、显示技术、互动控制技术、网络技术。笔者参观了该实训中心,但是没有图片资料,故而也只能粗略地对其进行分析。
      ①展示功能:可模拟展示工艺系统、机械设备的外观、结构、性能、工作原理等。
      ②互动功能:可与操作人员互动,具有较好的操作性,操作人员可以第一人称的方式随意地浏览、展示、学习;
      ③体验功能:操作人员可体验真实工艺系统和设备的所有功能(操作使用、安装施工、故障排除等)。
      ④教育功能:具有完整的知识库,并具有完善的教育功能(教学、指导、培训、实训、考核)。

    4 职业教育虚拟实训资源开发的方法

      4.1 成立虚拟实训中心
      虽然职业院校虚拟仿真软件的开发与应用都已展开,但大多是教师的个人行为,没有形成职业院校自己的特色,绝大多数的虚拟仿真软件都是购买公司的产品或定制的。在此,笔者提出虚拟实训资源开发的方法。
      1)由院、系两级实训基地构成。
      2)建议成立院级虚拟实训管理中心,由教务处和信息中心联合管理,系部虚拟实训基地由各系部及相关专业教师组成。职责与任务:教务处负责管理实训中心总体方案制定及相关文件的起草;信息中心担负基于网络环境下的软硬件技术实施和支撑;具有虚拟仿真软件专业背景的教师负责学院虚拟教学的教研和教改工作;同时职业院校的系部负责对各专业的课程、项目、虚拟实验进行宏观指导。
      3)各系以专业为依托,构建其虚拟实训基地,由主管实践教学的系主任直接负责。
      4)建立专业或专业群的虚拟实训实验室
      5)开展对口企业合作   4.2 虚拟实训的方案
      1)对来源于实际企业或单位的工作任务或子任务进行虚拟,实现部分核心技能的核心教学;
      2)对专业有关实际岗位的某些技能或操作进行虚拟仿真;
      3)对某些技能证书的考核环境及操作进行虚拟仿真,实现技能证书的高通过率;
      4)对源于企业的真实设计方案、设计工艺、流程、设计策略或算法进行虚拟仿真,实现计算机类的课程实践教学;
      5)对源于企业岗位的操作流程或操作规范进行虚拟仿真,实现基于网络环境下就业岗位的实训需求;
      6)建立与真实企业环境一致的虚拟工厂和车间,实现校内生产实训和企业实际生产的有机统一。
      4.3 提交虚拟实训的成效及成果
      1)有关虚拟实践的教学设计、教学方法、教学手段和科研论文;
      2)有关学生虚拟实践的作品与成果;
      3)有关虚拟实践的仿真平台编辑器建设或案例展示;
      4)有关虚拟实践的教学科研立项与成果;
      5)有关虚拟实践的教材与专著;
      6)有关虚拟实践教学的专业建设、课程建设、基地建设的整体方案及成功经验。
      4.4 虚拟实训的教学模式
      1)构建“理论学习——虚拟演练——实操训练”的教学模式;
      2)虚拟仿真教学能将抽象理论形象化、直观化;
      3)虚拟仿真教学为学生提供自由探索的学习环境,培养学生认知能力、理解能力和创新能力。
      5 结论
      虚拟仿真建设解决方案是特别针对教学资源建设要求和标准进行顶层规划和设计的,虚拟仿真平台编辑器是促进主动式、协作式、研究型、自主型学习,形成开放、高效的新型教学模式的重要途径,是示范性院校和骨干院校展示和推广本校教学改革成果的重要平台。
      虚拟仿真平台编辑器是以资源共建共享为目的,以创建精品资源和进行网络教学为核心,面向海量资源处理,集资源分布式存储、资源管理、资源评价、知识管理为一体的资源管理仿真平台编辑器。该编辑器实现资源的快速上传、检索、归档并运用到教学中,实现资源的多级分布式存储、学校加盟共建等,具有虚拟仿真建设管理并能实现精品课程资源和网络教学之间无缝联接。
      1)技术特点。虚拟仿真架构合理,安全可靠,具有先进性、实用性、开放性、通用性、标准化等特点。
      2)先进性。虚拟仿真平台编辑器运用国际主流的技术,具有先进的技术方案,提高系统的生存周期和运用。
      3)规范性。基于国际、国家、行业标准,实现资源的互通互导。根据专业教学资源内容、形式、标准、所需存储空间等特点,遵循通用的网络教育技术标准,通过网络开发和数据库技术,将虚拟仿真资源集成为资源库。
      4)安全性。系统方案中考虑的安全策略和安全机制包括:根据不同的业务要求,采用不同的安全措施;设备、数据介质等某些关键部分考虑备份和冗余配置,保证其发生故障时不影响整个系统的正常运行等。
      5)开放性。采用.net开发架构和三层B/S系统结构,实现跨越UNIX、LINUX和Windows仿真平台编辑器运行。
      6)扩展性。在硬件方面,对用户设备支持对系统进行灵活配置和组合,相关软件能方便地升级和更新,系统容量保证满足用户量的考虑;在软件方面,提供二次开发功能函数包,适应不断拓展的应用空间。
      7)自主学习。提供完善的讲授型网络课程库、多媒体课件库、素材和案例库、专家答疑辅导系统,使用者可以自主完成专业课程学习。
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