虚拟仿真实验建设方案探究

虚拟仿真实验建设方案探究

时间:2020-02-12 17:05 作者:admin 点击:
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自教育发布《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》起,各院校根据自身情况和教学要求陆续投入对虚拟仿真实验室的申报建设工作,但从目前情况来看,各院校从虚拟仿真实验室建设标准和意识存在空白,面对市场上众多的虚拟仿真产品建设者也是眼花缭乱。虚拟仿真实验室不是简单的求新,也不是杂乱无章的硬件堆积,明确虚拟仿真实验室建设规范是行业发展的当务之急。最终实现预算被精确使用、实验室设被操作简单易上手、着实能辅助教学是虚拟仿真实验追求的终极目标。以下就是关于虚拟实验室建设的一些探究。

一、教育部政策

国家虚拟仿真实验教学项目是示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作的深化和拓展,坚持立德树人,强化以能力为先的人才培养理念,坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则,突出应用驱动、资源共享,将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量,以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车,助力高等教育强国建设。

国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。要突出以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术、稳定安全的开放运行模式、敬业专业的实验教学队伍、持续改进的实验评价体系和显著示范的实验教学效果。我部将按照先建设应用、后评价认定、持续监测评估的方式,按建设规划分年度认定国家虚拟仿真实验教学项目。

二、虚拟仿真实验室释义

虚拟现实技术实验教学简称虚拟实验室。虚拟现实(VR-Virtual Reality),也称虚拟实境,是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户通过使用各种交互设备,同虚拟环境中的实体相互作用,使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流,是一种先进的数字化人机接口技术。与传统的模拟技术相比,虚拟现实技术的主要特征是:操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟现实环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与虚拟仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,帮助启发参与者的思维,以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。沉浸/临场感和实时交互性是虚拟现实的实质性特征,对时空环境的现实构想(即启发思维,获取信息的过程)是虚拟现实的最终目的。虚拟现实技术的先进特性使得该项技术应用于各行各业的模拟仿真研究中,并切实有效地指导了生产实践。自从虚拟现实技术诞生以来,它已经在军事模拟、先进制造、城市规划/地理信息系统、医学生物等领域中发挥了巨大的经济、军事和社会效益。虚拟现实技术在不远的将来就会像当年的计算机一样应用于社会生产实践的各个领域,它与网络、多媒体将并称为21世纪最具应用前景的三大技术。

三、建设虚拟仿真实验室优点

生动、逼真、立体的表现形式,能让抽象的实验过程浓缩在形象逼真的动画演示中,教师可结合实际的教学需求,最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势,提高教学效果。 演示实验室无法完成的实验。

辅助教师进行课堂实验演示:如复杂实验、危险性实验、极端破坏性实验、反应周期过长实验、无法控制反应过程以及在传统实验室无法完成的实验等。 增强课堂趣味性:借助对多媒体技术(音频、视频、图像)、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建了了一种高度虚拟现实仿真的实验教学环境,使学习者体验置身其中的感觉,能够实现互动实验教学,能最大限度地激发学生的自主实验兴趣以及解开知识奥秘的冲动,有助于发展学生的构建思维,具有独特的实验教学的实践作用。

四、虚拟仿真实验室和必要性

随着信息化技术的迅猛发展和普及应用,高校实验室建设得到了国家、各大高校的高度重视,通过近几年的建设已经取得了大量卓越的成果。然而,在如何体现信息化核心教学理念方面仍缺少实质性的方案和实践,特别是实验内容和实验手段,难以满足实验教学对于各学科支撑作用的需求。   虚拟仿真实验教学作为整个高校教学资源的一部分,在高等教育实验教学框架下系统运行,虚拟仿真实验中心的建设弥补了传统实验不能实现的教学功能,为当下实验教学质量的提高提供了一个有效的问题解决方案,其必要性在于:首先,网络化虚拟实验室比传统实验室更具有开放性,有效地打破了时间和空间的界限,学生可以灵活安排自己的实验时间,也可以根据专业、兴趣、爱好自主选择实验内容,对自己完成的综合设计性实验方案进行实验,有效拓展了实践渠道,丰富课外学习内容。其次,大大节省了实验室建设中人力、物力、财力的投入,降低了实验教学成本。实验仪器、实验耗材都是通过虚拟技术实现,实验教学的改革、实验项目的调整、实验方案的优化再也不受实验设备性能的制约,有效解决了传统实验平台建设周期长、投入大、设备功能缺乏、性能老化、更新补充不到位等问题,保障了教学的正常开展。再次,针对实践性强的理工类学科,利用虚拟仿真技术可以做到紧跟科学技术的发展趋势,通过课题研究、技术开发、工程实验、成果转化、产业化等产学研一体化的创新活动,将前沿技术融入教学,实现科研活动与教学活动、科技创新与人才培养的完美结合。同时,由于我国区域经济发展的不平衡,导致教育资源分布差异很大,一些地区短时间内难以建立良好的实验环境和优质的教学资源。因此,依托互联网的应用普及,虚实结合地开展虚拟仿真实验,将会极大地拓展课程受益面,成为一种非常迅速、有效、值得推广的教育资源辐射形式。

国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了虚拟仿真实验室。主要是由于虚拟仿真实验室采用的技术具有身临其境的真实体验感,人机交互性好以及利用率高、易维护、可同时提供多人学习、节省培训费用并可提高培训效率等诸多优点,虚拟仿真在教学和科研领域的应用价值越来越清晰的被教育和科研工作者所认识到。

4.1实验教学的需要

虚拟仿真实验可在实际实验教学中发挥巨大作用。涉及到大量学科知识、设备工作原理的课程,仅凭简单的课堂讲解或平面多媒体辅助教学,很难让学生对比较抽象的知识彻底了解;而通过虚拟仿真技术,将学科知识直观的呈现在学生面前,让学生在接近真环境的虚拟现场看到知识可视化呈现,肯定会大大调动学生的学习积极性和主动性,收到事半功倍的学习效果。通过仿真实验的开展,可以使学生对真实实验难以开展的实验项目的实验机理、反应规律、实验现象进行更深入的了解,有助于其对学科知识更加全面的理解和掌握,为学生由被动学习转变为主动学习提供了一条可行的途径。

4.2 实验教学改革与创新和实验室建设需要

开放式虚拟仿真实验室采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境,提供可操作的虚拟实验仪器,使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验,同时提供网络实验教学的一体化管理功能。虚拟仿真教学是真实实验教学资源的重要补充,仿真实验教学资源与真实实验教学资源相结合,可以进一步完善实验教学体系。建设虚拟仿真实验室,一方面顺应了以教育信息化工作为主线的高等教育改革发展趋势,另一方面也满足了实验室建设和实验教学改革与创新的需要。近十年来,由于高校普遍扩招,需进行实验的学生人数越来越多,而受制于实验室建设费用高昂、实验指导老师有限等因素,传统实验教学中存在的教学方法单一,知识学习和实验动手操作相互分离,学生缺乏学习主动性和创造性等问题越来越突出,该教学模式已经不能完全满足新形势下的教学要求。而将开放式虚拟仿真实验教学作为一种新的教学资源加以引入便是解决此问题的一种有效方案。

4.3 大型精密仪器操作培训需要

虚拟仿真实验室可以以学科等基础实验仿真为目的,形成实践能力教育平台;在此基础上,如能建立一套完善的运行管理体制,就可以进一步建设成具有扩展性、兼容性和前瞻性的实验教学管理和共享平台,从而进一步使该平台成为面向创新性人才培养的现代化实践教学基地、教师进行教学改革与探索的基地、虚拟仿真实验教学示范基地以及教学成果培育基地。仿真范围包括实验室场景(3D建模)、仪器操作、数据采集及数据分析,以真实实验数据库作为支撑,操作过程与真实仪器操作过程极为相似,完全可以满足大型仪器实际操作之前的日常培训的需要。如此,就可以让学生首先通过仿真软件来学习各类大型仪器的操作要领,待培训合格后即可使用真实仪器,这样既能最大程度的降低因学生误操作而造成仪器损坏的可能性,又可以使优质仪器资源有效服务于本科教学之中。

4.4 实践教学的需要

虚拟仿真教学可以部分或全部替代高危险、高污染以及高消耗、高成本的实践环节,从而有效缓解现实实践教学资源不足的问题。而建设虚拟仿真实验室,在去相关企业实习之前,就可以通过仿真教学软件的演示及操作,使学生从宏观上了解大型设备生产的具体流程,知道重点设备及关键的工艺参数,然后再去现场参观学习就可以收到事半功倍的效果;同时,通过仿真实验教学,让学生在高度仿真的场景中安全高效的开展教、学、练、考,不仅可以节省大量时间和费用,避免了操作实际设备可能带来的危险,还能有效提高学生的创新能力及实践能力;当然,如果由于各种条件限制,学校暂时还没有建立合适的教学实践基地,化学虚拟仿真教学则可以部分或全部取代生产现场实习,起到弥补实践教学资源不足的作用。

五、虚拟仿真实验室建设要求

5.1以学生为中心的实验教学理念

坚持一切从学生的需求出发,注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养,注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施,调动学生参与实验教学的积极性和主动性,激发学生的学习兴趣和潜能,增强学生创新创造能力。

5.2 准确事宜的教学内容

坚持问题导向,重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难,涉及高危或极端环境,高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。坚持需求导向,紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求,紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果,紧密结合学校定位和人才培养特点,采用现代信息技术,研发原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜的虚拟仿真实验教学项目。

5.3 创新多样的教学方法

始终关注信息化时代背景下学生需求,重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学,倡导自主式、合作式、探究式学习。创新实验教学项目资源呈现方式,注重通过文字、图片、视频等各种媒介促进教学准备、线上讨论、线下交流。加强网络化条件下实验教学规律研究,探索提升实验教学效果的方式方法。

5.4 先进可靠的教育实验技术

虚拟仿真实验教学项目的研发要以完成教学要求和内容为目标,综合应用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实、云计算等网络化、数字化、智能化技术手段,提高实验教学项目的吸引力和教学有效度。加强相关技术可靠性研究,注重对学生使用虚拟仿真实验教学项目的全方位、多层次防护,切实保障学生健康。

5.5 稳定的安全的开放运行模式

充分考虑不同区域、不同层次、不同类型学生接入实验教学项目的运行需求,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运行平台。注重对相关实验教学项目自有或共有知识产权的保护,注重对学生个人信息等的保护,严格遵守我国教育、知识产权、互联网等相关法律法规,按照“谁开发、谁负责,谁使用、谁负责”的原则确定基本安全责任。积极探索在线虚拟仿真实验教学项目可持续运行的有效模式。

5.6 持续改进的评价体系

将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业培养方案和教学课程,制订相关教学效果评价办法。根据学生和教师反馈,持续改进相关教学评价机制。鼓励高校探索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效激励机制,建立高校间相关实验教学项目成绩互认、学分转换机制。

5.7 显著示范实验教学成果

虚拟仿真实验教学效果显著,受益面大,学生实验兴趣浓厚,自主学习能力明显增强,实践创新能力明显提高。通过开展在线教学服务或技术支持等,积极发挥对专业类内实验教学信息化建设的示范引领作用。

六、虚拟仿真实验室建设思路

6.1定位明确、特色鲜明

科学和技术发展离不开先进的研究手段,人才的培养更离不开先进的实习和实验条件。高等学校以培养人才为中心,同时承担着知识产出和社会服务的重要任务。因此,高校实验教学在人才培养中的地位和作用显而易见。虚拟仿真实验教学中心的建设以坚持信息化技术与教育教学深度融合为核心理念,以培养学生实践能力、创新能力和提高教学质量为宗旨,以实验资源开放共享为目标,坚持特点建设,创新管理机制,推动教学改革,带动实验教学水平的总体提升。

6.2制定规划、分期建设

首先对虚拟实验教学体系总体规划,对实验中心建设、组织机构、管理体系进行总体设计,特别强调进行“顶层设计”。既要避免实验室或某些实验功能的重复建设,又要考虑与其他地方院校实验室及研究机构、企业等组织上下、纵横结合。其次是对教学内容、课程设置和培养目标进行整体设计,像设计理论教学那样独立设计实验教学课程。各院系专业按自身教学结构设置实验室体系,注意将综合性实验室与专业实验室相结合。 要把虚拟实验室建设与教学(训练)基地建设统一规划,统一实施,把虚拟实验教学与基地化实验教学结合进行,并且要边建设边使用,边使用边完善。

6.3面向未来、开放发展

虚拟仿真实验中心是基于网络的全面开放发展的系统,具有较强的交互性。在前期整理思路、摸索经验的基础上,要建立起全方位的合作模式,产生良好的社会效益和经济效益,使资源共享可持续。某校开发的软件系统,既能为其他合作实验室和院校机构所使用,其他科研机构开发的系统也能为该校提供依据和帮助。

七、虚拟仿真实验中心的管理建设

7.1完善虚拟仿真实验中心的管理体制

1)理顺管理体制。从宏观层面上看,学校集中管理的同时,各学院具有一定的独立自主权。组织机构、设备管理、实验教学、信息技术平台、人员配置等机构各司其职,相互协作,建立信息化管理体制。各实验室的建设与升级由各院各实验教学中心统一时间节点,制定相应计划,做好预算,统一进行建设与管理,这样既有效地实现了有限资源的协调与共享,较好了节约资金,又能统一各实验室建设的进度及管理办法,全面推进各个学科虚拟实验室的建设与使用。 2)制定全面的管理制度。从微观层面上看,为了确保实验教学的顺利开展,制定一套统一的科学化的管理制度和工作规范,实现对虚拟实验中心管理、实验室资源分配、使用情况、实验实践教学及人员流动等全方位的管理。具体制度既包含传统的实验中心管理人员和教师岗位职责、实验中心工作规程、实验中心工作条例、实验室开放实施办法、实验教学工作条例等管理措施,还包含虚拟仿真实验特点的课题负责人责任制、登记实验室开发人员和管理人员名单、针对不同职责人员的培训计划和大型精密仪器设备开放共享管理办法。   3)建立项目申报常态机制,设立创新升级专项基金。从可持续发展层面上看,按照学科方向、课程内容应建立相应的实验项目申报机制。特别是创新实验建设,每学期组织一次项目申报,由每个教研中心按照课程实验教学目标及内容要求设计一定数量、切实可行、具有创新意义的仿真实验、设计性实验,填写《虚拟实验室项目申请表》,由学校审批后,将项目列表公布在校园网上,供学生选择。每个项目建立相应的项目情况登记表、项目进度表,由学院定期检查项目进展。   学校和学院设立实验中心创新升级专项基金,用于硬件设备的添置,软件系统升级维护等费用。精简行政审批手续,改变非专业人员决策的问题。组织专门的专家委员会定期评审,评审通过后由实验室相关人员实施采购、升级或委托专门的采购部门直接采购。同时,作为一种激励方式,为了鼓励教师和学生积极参与创新实验,基金可贴补津贴。

7.2建立虚拟仿真实验教学新体系

1)设置相应的学分,鼓励学生积极参加虚拟实验的学习。随着教学改革的进一步深化,课程总学时特别是专业基础课程学时数大幅度压缩,因此迫切需要课程体系进一步整合。在理论课时压缩的背景下,实验课程的比例需要适当的增加。根据理论知识的要求,开设一定数量、难度的虚拟实验,给予相应的学分,规定各专业本科生的最低实验学分。这样的学时安排给学生提供了更为充裕的时间发挥学习的主动性和创造性,培养学生的自我管理能力和动手操作能力,进一步促进理论知识的理解和应用。 2)优化实验教学资源,促进创新能力的培养。按照信息化条件下对新型人才的培养要求,在传统实验的基础上,删减陈旧过时或与新专业特点不符的实验内容,关注市场需求和学生兴趣点,将产学研相结合,通过引进或自主研发等方式丰富虚拟仿真实验教学资源,研讨论证虚拟实验内容,科学分配学时数。从内容上将实验分为基础实验、设计性实验和专题研究等几个层次。从性质上分为必选、任选和限选实验等。单独制定虚拟实验教学计划和教学大纲。坚持以反映新技术、新知识,注重培养创新能力为目的,使实验课程体系得到整合优化,突出专业特点,保证实验教学的系统、完整与科学。

7.3加强教师水平与实验教学水平建设

为了保障实验室的质量,各实验室负责人要求教学水平与科研水平兼备。以核心技术队伍建设为重点,带动实验技术队伍综合素质的整体提高。选拔骨干教师充实实验教学、管理队伍。根据工作需要和岗位规划,吸引不同学历、不同能力、不同技术特点的人才应聘不同岗位,优化实验教学中心人员组成结构。建立科学合理的青年教师培养计划,发扬传帮带的优良传统。确保实验室长期有序的建设与可持续发展。

7.4建立科学合理的虚拟仿真实验中心评价机制

围绕学生综合素质发展和创新能力提高这一目标,制定包含实验教学资源、信息平台、实验教学队伍、实验教学效果、管理保障的全方位、规范化的评价体系。实验教学资源中教学平台建设与信息平台是构建虚拟实验室的基础,科研成果转化为教学内容是特色建设及可持续发展的不竭动力。组织建设与规范管理是发展好实验室建设的有力保障。在评价的过程中,既要兼顾全面,也要突出重点。

7.5完善教学管理与共享平台

虚拟仿真实验教学系统是依托学校校园网的公共实验教学平台,要保证虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用,必须坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想,结合学校办学理念和培养目标的特点,采用引进或自制的方式打造适应现代教育新发展的教学平台,建成包含实验室资产、设备维护、课程体系管理、实验室日常管理等内容的信息化管理平台,构筑教育信息化体系。 依托虚拟实验信息化管理平台建立实验室优质资源共享系统,通过激励机制,调动各级单位参与共享的积极性。一方面要推进区域内校际资源共享,另一方面要整合校内实验资源,促进院系间实验资源共享。

八、虚拟仿真实验中心适应专业

教育部2017年认定的虚拟仿真实验教学项目分布在生物科学类(15项)、机械类(15项)、电子信息类(10项)、化工制药类(10项)、交通运输类(5项)、核工业类(10项)、临床医学类(25项)、药学类(10项)等八个类别,主要集中在工科领域。每个领域下面又分成诸多专业。

九、虚拟仿真实验室申报条件

根据《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》(教高厅[2017]4号)文件精神,为深入推进信息技术与实验教学的深度融合,加强高校实验教学优质资源的建设与应用,促进虚拟仿真实验教学资源在线开放和利用,各符合申报条件的可按照以下要求提请申报。

9.1申报要求

1)各学院要按照教育部、省教育厅相关文件要求,结合本单位信息化实验教学资源现状,统筹规划、突出重点、发挥优势、体现特色,突破旧有模式,创造性地开展虚拟仿真实验教学项目申报建设工作。每个学院至少申报一项。

2)项目应符合教学大纲与课程标准要求,以学生自主学习为中心,以现代信息技术为依托,以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向,以完整的实验教学项目为基础,满足至少2个课时的实验教学需求,配有相应的运行管理平台,可以实现基于网络的开放共享。

3)项目应遵循能实不虚原则,重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难,涉及高危或极端环境,高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。

4)项目能实现人机交互和智能指导,学生自主实验,可通过鼠标、键盘或者其他交互输入设备的操作完成与实验对象的交互操作,实验过程要分步骤进行,系统能够给出指导信息及实验结果评价。学生实验操作步骤须不少于10步。

5)项目预期教学效果好,具有一定引领示范作用,可在其他高校等单位推广,有稳定的社会需求和广阔的发展前景。

6)项目应具有自主知识产权或共享知识产权,符合相关知识产权法律法规,建成项目能对外服务。

7)项目实行项目负责人负责制。项目负责人应满足以下条件:教学经验丰富、教学成果较多,具有一定的学术水平;独立承担申报项目相关课程的理论教学或实验教学5年以上,原则上应具有副高(含)以上专业技术职务。

8)项目应有相对稳定的教学服务团队,团队成员结构、人员数量、任务分配要科学合理,且配有相应的具有企业背景或专职的在线教学人员和技术支持人员。

9.2申报流程

1)各学院要采取措施,鼓励本单位教师组成教学服务团队申报虚拟仿真实验教学项目,在充分论证的基础上,由项目负责人提出申请,填写《***虚拟仿真实验教学项目申请书》,经学院评议、遴选后,统一报送至实验室与设备管理处。

2)实验室与设备管理处组织专家对各学院报送的项目进行学校评审,报主管校领导审批后下发立项文件。

9.3申报管理

1)批准立项建设的项目的项目负责人需与学校签订《虚拟仿真实验教学项目建设任务书》,项目建设周期原则上为一年。

2)实验室与设备管理处将对项目进行中期检查,并对发现的问题提出整改建议。

3)项目结项时,项目负责人需按照《虚拟仿真实验教学项目建设任务书》上交结项材料,实验室与设备管理处将组织专家对项目进行结项评审。

9.4材料报送

请各学院将《***虚拟仿真实验教学项目申请书》,《***虚拟仿真实验教学项目汇总表》呈送上级单位品准。

十、虚拟仿真教学中心规划

10.1根据专业数确定建设数量

根据学校专业设置数量和教学任务确定虚拟仿真实验中心建设数量,确保中心资源被高效利用,避免重复建设。可以将不同专业同属一个院系的共同申请建设为一个虚拟仿真实验教学中心,通过合理安排不同专业教学实验和拓展教学网络空间形式提高中心的教学容量。

10.2根据人数确定场地面积

根据各专业、院系的教育大纲要求,测算单位课时内需要同时进行教学的人数,人数50人以内建建设空间需要100㎡以内,超过50人在100人以下,场地建设面积需要150㎡-200㎡以内。场地尽量选择学校开阔、闲置课室空间,课室空间平整易于改造和放置教学设备。

10.3根据虚拟仿真教学内容选用教学设备

1)注重理论学习

在注重理论学习的专业,更强调理论的深度理解,虚拟仿真实验中心则考虑到教育的多并发性,尽量选择能照顾到每位学生的学习进度和质量,可以采用大屏仿真教学系统、多媒体教育机、VR头盔等,数量按照人数1:1配置。如在医学领域学习人体组织解构,可通过3D多媒体一体机让学生通过交互装置可以快速了解人体构造和层次。

3D教学一体机

2)注重操作学习

针对各专业、院系的教学要求,对包含动手操作进行试验、实践的,需要选择佩戴简单、交互能力强的设备。输入设备如鼠标、键盘、手势识别、动作捕捉相机、交互手柄等,确保学生通过简单的学习能迅速掌握教学设备的使用,并通过输入设备教学软性内容能迅速做出反馈和调整。比如用数据手套抓取、移动虚拟的物体。

手部动作输入

3)根据教学内容确定设备

根据不同专业、院系教学内容要求,有的需要虚拟仿真物体巨大,也需要多人进行协作共同完成实验和操作,有的只需要将虚拟物体微缩到电脑显示器上就可以达成教学目的。如对大型设备模拟维修,需要将大型设备等比例呈现,就可以用大空间多人VR系统进行虚拟仿真教学,每个人都可以独立完成实践操作,也可以协作完成设备实践操作。

大空间多人VR系统

十一、虚拟仿真实验室常用配置

11.1硬件

1)显示设备

用于显示的最基础的是电脑屏幕,按照尺寸发展趋势,现在逐渐普及投影、大尺寸LED屏、多媒体电视、CAVE系统、3D大屏幕、VR头盔、AR头盔等,作为虚拟仿真的结果呈现,显示设备从二维走向三维,基于平面三维走向沉浸式三维的特点,从小屏幕逐渐向大尺寸3D屏幕发展。教学的效率和可观性大大提升。

2)输入设备

输入设备最基础的是键盘和鼠标,但随着多媒体技术多样化发展,陆续出现了用于物体物理尺寸扫描的3D扫描仪,用于声音控制的语音识别,用于手部动作输入的数据手套,用于6自由跟踪的无线交互手柄,用于图像识别的摄像头和各种传感器等等。输入设备的多样性也是为了适应多种教学内容的需要。最基础的虚拟仿真应用如移动、放大、缩小、拆装等都可以通过轻触鼠标完成,而对于像扭动、抓取等动作需要借助特殊设备将数据录入才能实现虚拟仿真内容的正确反馈。

3)感知设备

感知设备既有让参与虚拟仿真教学的人的感知,也有通过感知数据的捕捉实现虚拟仿真内容的反馈。常用的感知包含温度感应、力感应、嗅觉感应、声音感应、视觉感应、定位设备、动作捕获设备等。感知设备不仅能让虚拟仿真的表现形式多元化,也能让仿真结果更加真实。

动作捕捉设备

4)支持设备

支持设备是为了维持教学装备正常运转,负责供电、信息传输、图形图像处理、信息存储、多种设备交叉管理等设备。常用的有UPS不间断电源、图形处理服务器、数据库服务器,数字交换机、路由器、音视频切换矩阵、监视器等。

11.2软件

1)管理软件

管理软件是保证虚拟仿真教学信息网能接入院校综合管理信息网站,分配不同的教育教学资源,调配师资力量。并对于不同的虚拟仿真教育资源进行统一管理,记录每位教师和学生教学学习进度,相当于教育目录和和门户的作用。

2)课程资源

虚拟仿真课程资源是虚拟仿真实验中心的配置重点,没有课程资源,所有的虚拟仿真设备形同虚设。课程资源是根据各专业教学特色和要求,通过虚拟软件能让学生直观理解、加深记忆的并上手实操的软件。课程资源具有制作周期长、普适性强、可重复使用等特点。目前市场上已经有各类适应虚拟仿真教学的课程资源,在课程资源建设上更需要校企合作的方式,企业拥有专业的开发能力,而学校可以提供专业的学术指导实现优势互补。

电子信息虚拟仿真课程资源

3)评测软件

评测软件是对学生所学知识进行考试反馈,可以记录学生具体的知识盲点,可以对操作过程中的不规范行为进行指正。评测软件大大提高了教师阅卷的速度。

4)系统软件

系统软件是为了让虚拟仿真教学中心正常运转的软件,如操作系统win10,数据库软件、防火墙、图形处理融合软件、动作捕捉软件等等。

十二、典型虚拟仿真实验室方案示范

12.1大空间多人交互VR虚拟仿真实验室

系统构成:动作捕捉相机、数据交换机、服务器、工作站、无线路由器、VR头盔、同步播放LED屏、虚幻引擎、背包电脑等。

场地面积:50-200㎡

同时教育人数:10-50人

方案特点:满足多人同时授课,全部沉浸在虚拟空间中,每个人都有第一视角的真三维环境,可以随意跟虚拟仿真场景交互,可以在虚拟仿真场景中自由行走。

适应教学范围:大型仪器、器械操作,程序化的教学,用来现实建筑BIM、生产智能PLM系统、各种工业仿真模型等。

大空间多人VR虚拟仿真实验室

12.2分布式教学方案方案

系统构成:交互式3D全息一体机、3D眼镜、光触笔、仿真课程资源、教学管理控制台、数据库系统等。

场地面积:1㎡每台没人,根据课室灵活布置。

同时教育人数:100㎡课室可以最大80人同时。

受教方案特点:让每个学生均等的学习,通过立体现实让知识跃然纸上,更加生动,可以用光触笔去跟虚拟仿真内容产生互动,全面观察物体。

适应教学范围:K12、高教、职教、技术学校等,操作简单,局域网管理教师可以管理每一台一体机。

分布式虚拟仿真教学

12.3基于3D大屏幕教学方案实验室方案

系统构成:三折面投影或者LED大屏、弧形投影、3D红外同步器,图形工作站、图形渲染融合器、3D眼镜、动作捕捉相机,6DOT交互手柄。

场地面积:100㎡左右。

同时教育人数:100㎡课室可以最大80人同时。

受教方案特点:除去布置交互大屏剩下空间可以按照会议密度排列座次,可以容纳60左右的人同时学习。

适应教学范围:偏重工业、医疗等模型使用较多的专业,零件组成复杂,需要通过专业老师来进行操作授课。

CAVE虚拟仿真教学

12.4基于VR头盔虚拟仿真实验室方案

系统构成:VR头盔、数据库服务器、电脑、虚拟仿真内容发布平台、虚幻引擎

场地面积:按照正常课室密度排座。

同时教育人数:20-80人每100㎡。

受教方案特点:设备简单,画面全部沉浸,每个人都可以交互,不会相互干扰,学习进度和自主性可以自由控制。

适应教学范围:K12,职教、基础课程教学,辅助性教学。

VR沉浸式虚拟仿真教学

十三、虚拟仿真实验室发展技术趋势

虚拟仿真实验室目前发展阶段只是对实物和知识的虚拟化呈现,对程序化教学很有帮助,因为所有的内容都是通过既定规则编写,不会出现其他意外结果,受制于软甲硬件的本身原因,目前还未能对自然界中的某些不确定因素进行叠加模拟。如有些实验同时对空间、时间、电磁环境、温度等、气象条件等诸多因素影响,既是能通过虚拟仿真软件进行一定程度的条件模拟,但是也无法模拟出自然界中随机产生和进化的特征。在大数据、云计算和深度学习等人工智能科学深入发展后,虚拟仿真模拟的水平会增加接近现实中的情况,例如现在的天气预报,就是基于大数据和超算功能,进行云图模拟和天气预测,是将诸多数据融合后形成的虚拟仿真应用。