王云鵬

摘要：隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已越來越多地用于高校教學(xué)中，本文將簡(jiǎn)要介紹虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展，并探討高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及管理。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真學(xué)科建設(shè)實(shí)驗(yàn)室管理

1虛擬仿真技術(shù)及其發(fā)展

虛擬仿真也稱虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR），是在傳統(tǒng)的仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用3D技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的高度模擬，使用戶產(chǎn)生“現(xiàn)場(chǎng)感”。虛擬仿真技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)50年代，主要用于軍事、航天、電力等領(lǐng)域，80年代以后，隨著微型計(jì)算機(jī)的性能不斷提升，仿真技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保、企業(yè)管理、經(jīng)濟(jì)分析等。2000年以后，隨著高校教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，仿真技術(shù)逐步進(jìn)入高校的教學(xué)中。

從廣義上來說，虛擬仿真技術(shù)不僅包含了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、軟件工程等計(jì)算機(jī)技術(shù)，甚至還涉及到了心理學(xué)、社會(huì)工程學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，使用戶能在虛擬仿真系統(tǒng)中產(chǎn)生“沉浸感”。

2高校的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

高等院校早期將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)中主要是采用傳統(tǒng)的模擬仿真方式。使用模擬仿真軟件（EDA）將設(shè)計(jì)方案在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)流程的模擬控制，從而使設(shè)計(jì)方案在實(shí)施前達(dá)到最優(yōu)。例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的tracertpacket，該軟件使用圖形界面對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用CLI界面對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行程序控制，不僅能模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程，還能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行跟蹤。再如電子電路模擬仿真軟件Proteus，可以很方便地將電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和虛擬模型設(shè)計(jì)融合在一起，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部就可模擬出十分完備的產(chǎn)品模型。這些模擬仿真軟件都具有功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉的特點(diǎn)，因此在高校教學(xué)中使用十分普遍。

隨著3D技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐步發(fā)展成為一種可模擬真實(shí)世界視覺、聽覺、觸覺的虛擬空間仿真，也稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是傳統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)代IT技術(shù)的深度融合。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)后，在軍事、城市建設(shè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、旅游娛樂等領(lǐng)域迅速得到應(yīng)用，例如曼恒公司的飛行模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)駕駛艙各個(gè)部分進(jìn)行了充分的模擬，并利用三維視覺仿真技術(shù)生成一個(gè)逼真的、精準(zhǔn)的虛擬環(huán)境，可以全方位、多角度地模擬真實(shí)飛行中的各種狀況。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域也同樣有著十分廣泛的應(yīng)用，越來越多的教學(xué)與科研都將借助于該技術(shù)，如上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、武漢大學(xué)公共安全可視化系統(tǒng)等，這些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在學(xué)生技能培養(yǎng)方面相比于傳統(tǒng)的教學(xué)方法有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

但由于這些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)價(jià)格十分昂貴，例如一套導(dǎo)游虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)報(bào)價(jià)在100萬左右，平均每年的維護(hù)費(fèi)用在10萬左右，普通高校很難承受如此高昂的采購(gòu)和后期維護(hù)費(fèi)用，因此并未在市場(chǎng)中大量推廣使用。隨著3D打印技術(shù)的興起，虛擬仿真+3D打印或許是高校更為普遍的選擇。3D打印是一種快速成型技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以很好地與虛擬仿真學(xué)和材料學(xué)結(jié)合起來，給用戶提供更加真實(shí)直觀的產(chǎn)品。尤其對(duì)于那些與設(shè)計(jì)、制造技術(shù)相關(guān)專業(yè)，使用虛擬仿真軟件在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)出模型，再通過3D打印機(jī)進(jìn)行快速成型，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物的模擬。3D打印機(jī)的價(jià)格相對(duì)較低，入門級(jí)的產(chǎn)品報(bào)價(jià)目前在萬元以內(nèi)，后期費(fèi)用不高，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步普及，企業(yè)級(jí)的大型3D打印機(jī)價(jià)格將會(huì)進(jìn)一步下調(diào)，這將為3D打印技術(shù)在高校中的推廣起到很大作用。目前的3D打印技術(shù)可以很方便地打印出機(jī)械零配件、動(dòng)物器官和小型建筑，能打印出食物、機(jī)器人的新型3D打印機(jī)也即將問世，3D打印技術(shù)將越來越多地延伸到高校的教學(xué)科研中。

3虛擬仿真技術(shù)與專業(yè)融合

虛擬仿真技術(shù)作為一種教學(xué)方法，可以融入到高校許多專業(yè)的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)和科研中。尤其是與新興產(chǎn)業(yè)、交叉學(xué)科相關(guān)聯(lián)的專業(yè)，學(xué)科知識(shí)更加廣泛、技術(shù)更加前沿、學(xué)習(xí)難度更大，在教學(xué)實(shí)踐中更需要使用虛擬仿真的方式促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解以及實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對(duì)于實(shí)踐教學(xué)而言，不同層次的實(shí)踐教學(xué)可以用不同層次的虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬。在專業(yè)基礎(chǔ)課程中的實(shí)踐教學(xué)可以使用簡(jiǎn)單、高效、成本低廉的傳統(tǒng)仿真技術(shù)來完成，對(duì)于專業(yè)核心課程的實(shí)踐教學(xué)或綜合性實(shí)驗(yàn)，可采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或是借助3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例，該專業(yè)是典型的前沿技術(shù)專業(yè)，而且專業(yè)知識(shí)覆蓋面十分廣泛，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層，涵蓋了傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)等諸多領(lǐng)域。如果簡(jiǎn)單地套用傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法，學(xué)生不僅很難理解其中的各種技術(shù)細(xì)節(jié)，對(duì)整個(gè)專業(yè)的應(yīng)用前景也會(huì)感到困惑。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這些問題。在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的教學(xué)中，可以使用前文中介紹的模擬仿真軟件Proteus和tracertpacket，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的底層傳感器和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬仿真實(shí)訓(xùn)。在綜合實(shí)訓(xùn)課程中可結(jié)合具體專業(yè)面向的領(lǐng)域，使用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)，如智能家居、物流管理等專業(yè)領(lǐng)域均可使用實(shí)驗(yàn)箱和綜合實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行綜合虛擬仿真。一些以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層為主要研究對(duì)象的專業(yè)則可使用沙盤模擬軟件對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，如物流管理沙盤、電力控制沙盤、ERP沙盤等，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，還可以大量節(jié)省教學(xué)成本。

虛擬仿真技術(shù)與專業(yè)結(jié)合的另一個(gè)例子是數(shù)字城市。數(shù)字城市技術(shù)是一種典型的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與空間測(cè)量技術(shù)、遙感技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的交叉技術(shù)，旨在構(gòu)建一個(gè)虛擬的空間信息平臺(tái)，將城市資源（包括自然資源、社會(huì)資源、基礎(chǔ)設(shè)施、人文、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)信息）以數(shù)字化的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，以虛擬仿真的形式表現(xiàn)以供用戶查詢。數(shù)字城市技術(shù)覆蓋范圍廣泛，因此可以與許多專業(yè)結(jié)合，例如數(shù)字城市技術(shù)、空間信息與數(shù)字技術(shù)等專業(yè)。這些專業(yè)都有著非常相似的特點(diǎn)，即采用多媒體技術(shù)繪制二維或三維虛擬現(xiàn)實(shí)界面，使用分布式存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，使用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。在數(shù)字城市技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，將大量的使用到虛擬仿真技術(shù)，并將虛擬仿真技術(shù)逐步和人體感官項(xiàng)融合，形成虛擬現(xiàn)實(shí)空間。隨著國(guó)家數(shù)字城市戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，數(shù)字城市與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將有著更加廣闊的應(yīng)用空間。

4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校的實(shí)踐教學(xué)與科研，主要是以虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室為載體完成的。與普通實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理有著一些特殊性。總結(jié)起來，有以下三個(gè)方面需要注意。

4.1軟件是根本。由于長(zhǎng)期存在“重硬件、輕軟件”的觀念，國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)常會(huì)走入誤區(qū)，在實(shí)驗(yàn)室中堆砌大量的硬件設(shè)備，讓實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備值“看得見、摸得著”。硬件的性能固然重要，但軟件才是決定實(shí)驗(yàn)室設(shè)備是否符合用戶需求的根本。對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室而言，虛擬仿真軟件用于對(duì)虛擬仿真設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的控制，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室功能的最重要因素，而且這些軟件通常是專用軟件，功能無法用其他軟件替代，如果一旦軟件出現(xiàn)故障，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備就成了一堆廢品。因此在虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理過程中，軟件的性能指標(biāo)以及軟件系統(tǒng)的可靠性都應(yīng)引起足夠的重視。在系統(tǒng)采購(gòu)時(shí)，集成商的軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成能力應(yīng)作為考察的重點(diǎn)之一。

4.2服務(wù)是關(guān)鍵。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室因其較高的集成度和專業(yè)性，在使用和維護(hù)的過程中，十分依賴于廠商的后期服務(wù)。尤其是大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，軟件和硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要精確的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能模擬出較為理想的虛擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，同時(shí)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素較多，日常維護(hù)時(shí)需要管理人員有更強(qiáng)的專業(yè)性和針對(duì)性，因此廠商提供的后期服務(wù)顯得尤為重要。例如系統(tǒng)調(diào)試、使用和維護(hù)培訓(xùn)、及時(shí)響應(yīng)服務(wù)、零配件保障等，都需要在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃時(shí)統(tǒng)籌考慮，否則花費(fèi)大量財(cái)力購(gòu)置的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)會(huì)最終成為昂貴的廢品。

4.3項(xiàng)目是載體。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的目的是促進(jìn)高校教學(xué)與科研水平的提高，促進(jìn)專業(yè)理論與實(shí)踐的融合，因此科研與學(xué)科建設(shè)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要支撐平臺(tái)。在今天的科研與學(xué)科建設(shè)中，項(xiàng)目化是一種普遍的選擇?？蒲械捻?xiàng)目化已十分普及，學(xué)科建設(shè)的項(xiàng)目化正在成為趨勢(shì)。教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化、實(shí)訓(xùn)過程項(xiàng)目化、專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目化，一層一層地帶動(dòng)整個(gè)學(xué)科建設(shè)的項(xiàng)目化轉(zhuǎn)型。不僅如此，很多高校提出“以賽促建”的觀念，將學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目作為學(xué)科和科研建設(shè)的重要平臺(tái)。因此項(xiàng)目是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和使用的載體，沒有應(yīng)用項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室使用價(jià)值將大為降低。

隨著高校學(xué)科和科研建設(shè)的不斷提升，各種虛擬仿真技術(shù)在高校中將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用，本文旨在拋磚引玉，將虛擬仿真技術(shù)在高校的應(yīng)用作出簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)希望能引起各高校對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)注。

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基金項(xiàng)目：武漢商學(xué)院2014年教研重點(diǎn)項(xiàng)目《基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的商科院校校內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地發(fā)展建設(shè)研究———以武漢商學(xué)院為例》，課題編號(hào)2014Z009。