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關鍵詞:仿真技術;教學質量;實效性
職業教育的根本目的是為社會培養高素質的技術技能型人才。在深入推進中等職業教育改革創新的過程中,要正視職業教育資金有限的現實,充分利用學校現有資金與設備,大力提升實訓教學質量,把企業的崗位能力需求作為專業教學和實訓的內容,提高職業教育的針對性和適應性,為經濟建設服務。職業類學校可以通過應用虛擬仿真技術,較好地實現這一目標。
一、實訓教學使用虛擬仿真技術的必要性
要真正做到使職業學校培養的學生與企業需求零距離,就必須改革人才培養方案,教學內容要貼近企業崗位需求,加大實訓時間,且實訓內容要模擬企業工作過程。但是目前職業學校在加大實訓時間和模擬工作過程方面存在很大的困難,原因在于:(1)近幾年職校規模不斷擴大,特別是制造加工類專業在校生比例更高,而加工制造類專業的實訓設備一般價格比較昂貴,以職校的財力是無法保證購置滿足實訓需求的設備數量的。(2)制造類設備一般比較龐大,所以要求的場地也很大,職校要建立完善的實訓基地也存在困難。(3)加工制造類科技發展很快,現使用的專業教材相對略顯滯后,各職業學校添置的實訓設備也不可能經常性地升級更換,所以從教材內容到實訓設備都無法一直保持和技術發展相適應。(4)目前職校的專業教師大多沒有經歷過企業生產一線的工作實踐,所以無法接觸到企業的實際工業案例,更別說引入到學校的專業教學中,所以學生在校內實訓的內容往往是基礎性的或者是由設備限定的。(5)加工制造類的實訓設備一般功率較大,校內實訓耗電大、材料損耗大、設備維護費用高等,所以學校的實訓經費壓力也較大。(6)有些專業課程技術性較強,許多知識看不見、摸不著,傳統的教學方法以講解、做題、畫圖、演示性實驗等為主,學生接受起來有一定的難度,學生需要通過生產性的實訓來掌握技能、獲得知識。
為了能有效地解決以上問題,學校可以在機械、機電專業等工科類專業實訓過程中,充分應用虛擬仿真技術,來提升實訓質量,借助各種虛擬軟件、仿真設備,將抽象的過程形象化。如,張家港某職業學校近年來添置了上海宇龍數控仿真軟件、美國PTC參數技術公司的Pro/engineer(普魯易)三維建模設計軟件、電工電子類PCV印刷電路板設計軟件等虛擬仿真教學軟件,充分利用虛擬軟件易學易用、有強大的交互能力等特點,提高教學效率。同時,還與上海厚載智能科技有限公司校企共建(西馬特)數控車仿真理實一體化實訓室;與美國參數技術(上海)軟件有限公司、南京培杉軟件科技有限公司共建數字化設計與制造校內實訓基地等,將仿真教學穿插于技能實訓教學過程中,來提高學生的動手能力,實現校內實訓教學與企業崗位對接的零距離,使學生進入崗位后能很快適應企業生產需要,實現人才培養的新突破。
二、實訓教學使用虛擬仿真技術的實用性
在技能訓練和教學活動中廣泛應用虛擬軟件和仿真實訓設備,在一定程度上彌補了技能實訓設施設備不足的欠缺。各學校都非常重視實訓設施設備的投入,但相對于實訓教學的需要,仍遠遠不夠,使用虛擬仿真技術替代設施設備進行訓練,待練習到一定程度后再改用生產設備訓練,或者生產設備訓練與仿真訓練交替進行,可以最大限度地加大學生的實訓時間,幫助學生在技能上熟能生巧,同時借助于仿真軟件,可以滿足教學中的個性化需求,實現與企業實際生產的接軌。
比如,在機電專業教學與實訓過程中,教師根據銀行自動存取款機的描述及具體要求,利用單片機仿真實訓平臺中的相關模塊及元件,模擬一臺銀行自動存取款機控制器;再如,根據雙色球包裝演示系統的背景描述及其控制裝置的具體要求,借助機電一體化組裝與調試仿真實訓設備,搭建雙色球包裝演示系統,并進行模擬生產;利用電氣安裝仿真實訓設備,教師設計一個工作間電氣安裝工程施工單,學生在仿真設備上模擬施工,完成配電裝置和照明的安排等。再比如,在數控專業教學過程中,學校借助數控模擬軟件和數控仿真實訓室,首先安排學生利用宇龍數控虛擬軟件進行模擬操作,讓每個學生都有充足的時間來學會編程、操作方法,為下一步的實際操作也做好準備。在此基礎上,安排學生到數控仿真實訓室進行實訓練習,進行理論與實踐的“學做合一”初、中級學習。因為一些數控系列小型機床的操作方法、編程原理與普通型數控機床原理和方法一樣,學生通過對小型數控機床的學習與操作,能很快掌握數控操作要領,從而大大提高了學生的操作水平。同時,在數控仿真實訓室進行實訓的材料可以是鋁棒、塑料件,這大大節約了實訓的成本,但取得的效果卻和學生在生產大機床上用鋼件實訓的效果是一樣的。經過在數控仿真實訓室實習以后,學生的技能操作水平達到中級水準,然后,再組織學生進入校內實訓車間進行生產性實訓,進一步提高操作技能,達到高級工及以上的技能操作水平。
三、實訓教學使用虛擬仿真技術的實效性
1.借助虛擬軟件和仿真設備,學校減少了資金的投入,充分利用了有限資源,提高了實訓的實效。以往,學校機械專業學生人數比較多,雖然學校的數控設備也很多,但要使實踐性教學的課時比例達到50%還是有一定的難度。通過虛擬技術和仿真設備的運用,保證了學生有50%以上實踐性教學課時的學習時間。虛擬仿真技術的應用,也可以加快學校教學改革的步伐,便于學校形成“做學教合一”實訓教學改革新模式:學生的實訓過程通過任務的布置(學)―學生的操作(做)―教師的講解(教)―學生的檢驗修改應用―師生總結等環節實施,學生在學習專業基礎理論知識的同時又可以進行技能操作訓練,有效地避免了理論學習內容與實訓教學內容兩張皮的現象。
2.虛擬仿真技術在教學中的運用,調動了學生的學習積極性,提高了學生的技能水平。學生真正學到技能,畢業生成為企業的搶手貨,受到用人單位的歡迎。
3.虛擬仿真技術在教學中的運用,促進了教師隊伍的快速成長。比如,通過與企業合作開發虛擬仿真軟件,可以提升教師的專業水平和實踐水平。
隨著科學技術的不斷發展,有著沉浸性、交互性和構想性的虛擬仿真技術帶來了教學改革發展的新革命,讓我們在實訓教學過程中實現了教學內容的變革,教學方式的創新,教學質量的提升。我們相信,虛擬仿真技術會讓我們獲得更多發展,獲得更大的超越!讓我們充分享受這一革命帶來的變化吧!
【摘要】隨著時代的發展,科技的進步,虛擬仿真技術在實訓教學中的作用也越來越明顯。虛擬仿真技術的應用可以有效地提高教學的質量和效率。本論文通過闡論虛擬仿真實訓系統的虛擬仿真機器人機械臂模型用到的三維建模技術及軟件(如Maya、Max等)、原理以及虛擬仿真技術的應用領域和發展趨勢,從而研究它的價值和市場經濟效益,并探析了虛擬仿真實訓系統開發的技術在實訓教學中的應用。
【關鍵詞】虛擬仿真技術/平臺;虛擬仿真訓練系統;實訓教學
一、虛擬仿真實訓系統的三維建模技術及軟件研究
虛擬仿真系統的功能主要體現在它可以讓使用者借助于專用的視、聽、觸覺等具有感知功能的設備,進入仿真系統制造的虛擬空間,并且還能夠與虛擬環境中的人和物體進行實時交互,從而感知和操作虛擬環境中的各種對象,最終達到身臨其境的效果。它的組成主要是把計算機作為主要的部分,其次綜合利用三維圖形、多媒體、仿真等技術構建起一個逼真的虛擬系統。從它的組成部分和應用程序來看,虛擬仿真實訓系統對三維圖形的利用還是十分頻繁的,因此我們應當對其進行重點研究。虛擬仿真實訓系統在工業機器人上的應用設計主要是利用三維建模軟件,通過虛擬現實標準語言建立虛擬環境中的實體模型表現出來,最后通過描述它們之間的結構關系,快速、真實地顯示三維虛擬工業機器人,并為工業機器人控制系統提供一個研究觀察平臺。本段主要通過對虛擬仿真實訓系統的三維建模技術及軟件研究,來發現虛擬仿真技術的優點和研究其未來的發展方向。
Maya軟件是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件,通過對Maya軟件的運用,能夠使虛擬仿真實訓系統在一定程度上提高制作三維動畫的效率和品質,調節出仿真的角色動畫,使其得出更加真實的效果。這是因為Maya軟件不僅僅包括一般三維和視覺效果制作的功能,而且還能夠和世界上最先進的建模、數字化布料模擬、毛發渲染、運動匹配技術相結合,使得虛擬仿真實訓系統所創造出的畫面更加真實有立體感。
二、虛擬仿真技術在各領域內的作用
隨著科技的發展,虛擬仿真技術在一些高科技等高端領域的地位越來越凸顯出來,地位與作用也逐漸提升。尤其是在移動互聯網的應用與開發、手機游戲設計及其所用到的一些主流引擎甚至高端引擎方面的價值更為突出。
Maya軟件是虛擬仿真技術的一種,它應用的對象是專業的影視廣告,角色動畫,電影特技等。它能夠在工作的過程中展現的比較靈活,易學易用,制作出動畫的效率非常高,渲染出畫面的真實效果比較強,它對畫面中角色動作的捕捉尤為清晰,與畫面角色的綁定的聯系性也十分緊密,是虛擬仿真實訓系統中一個比較不錯的系統軟件。MAX軟件它最開始的應用是在電腦游戲中的動畫制作,后來又進一步的開始參與影視片的特效制作,MAX軟件還被廣泛地應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域,也就是虛擬仿真實訓系統當中。它強大的立體三維功能被新媒體、影視動畫、游戲動畫等領域廣泛運用。
三、虛擬仿真技術為機器智能實驗課帶來的好處
虛擬仿真技術的應用為現代化的社會帶來了許多的方便,讓機器實驗課、項目實訓的智能科學與技術專業實驗教學越來越豐富化。虛擬仿真技術的應用可以有效地提高教學的質量和效率。通過對虛擬仿真技術的應用,使得上級和下級、老師和學生的客戶信息以及實訓項目、實訓指導、模擬操作、技能測評等等的信息存儲在管理信息庫中,與此同時,上級和下級或是老師和學生之間就可以通過客戶機對下級或者學生之間的實訓進行遠程的指導與管理。
隨著時代的發展,科技的進步,虛擬仿真技術在在現代職業技能教學中的作用也越來越明顯。虛擬仿真技術的不斷完善和發展,將為機器智能實驗課等實訓課程帶來更多的方便和益處。由于它能夠為人們提供一種高級的人機接口,具備交互性、想象性、沉浸性等特點,所以它主要的應用領域在政府、企業、學校等這些需要實訓學習環境的地方。
四、虛擬仿真實訓系統的應用領域和發展趨勢
作為一項新興的科學技術,虛擬仿真技術還處在一個不斷探索前進與不斷完善的階段當中,其發展趨勢呈一個不斷上升的大幅增長的趨勢。從目前來看,雖然目前政府、教育部門、學校、教師都已經認識到了虛擬仿真技術對于職業教育實踐性教學環節的重要作用和發展前景,但在實際中,依然存在著許多問題亟待解決,因此虛擬仿真技術正在與教育、培訓等領域不斷地相適應和匹配。
其次,雖然目前政府、教育部門、學校、教師都已經認識到了虛擬仿真技術對于職業教育實踐性教學環節的重要作用和發展前景,但在實際中,依然存在著許多問題亟待解決。雖然目前政府、教育部門、學校、教師都認識到了虛擬仿真技術對于職業教育實踐性教學環節的重要作用和發展前景,但在實際中,依然存在著許多問題亟待解決。例如:虛擬仿真技術對計算機及相關硬件的要求比較高,但是這些方面的發展不能夠滿足人們對虛擬仿真技術的需要,虛擬仿真軟件數據是一個龐大的數據庫,三維立體仿真軟件的應用對顯卡和顯示器等也有很高的要求,也就是說,虛擬仿真系統對硬件的要求較高。因此需要對計算機及相關硬件的發展有一個更高的要求。最后,教學類虛擬仿真軟件的質量還有待提高、對虛擬仿真技術的研發標準也不統一和對虛擬仿真技術應用不夠廣泛等等,這些都是需要發展改善的地方,也是未來虛擬仿真技術發展的一個大的趨勢。
五、虛擬仿真實訓系統的價值和市場經濟效益
虛擬仿真實訓系統作為一個高端的科技系統,對政府、企業、學校等的發展,起到了至關重要的作用,并為其創造了更大的價值。同時虛擬仿真技術的不斷發展,也在打開了市場,擴大了市場份額的同時為市場創造了更多的經濟利益。
在市場經濟為主導的今天,虛擬仿真實訓系統也為市場經濟的發展做了一定的貢獻,為市場經濟的發展添磚加瓦,在自己發展得同時也促進了市場經濟的發展。因此,我們應當不斷地發展虛擬仿真實訓系統,使其深入到更多的地方,讓更多的地方和人們體會到虛擬仿真實訓系統為人們帶來的價值。
總結
虛擬仿真實訓系統的日漸完善,使得人們的生活也不斷的豐富活躍起來,政府、企業、學校等地方對其的應用,也促進了虛擬仿真實訓系統的發展。本論文通過闡論虛擬仿真實訓系統的虛擬仿真機器人機械臂模型用到的三維建模技術及軟件(如Maya、Max等)、原理以及虛擬仿真技術的應用領域和發展趨勢的研究,探討了虛擬仿真實訓系統的價值和市場經濟價值,同時也為虛擬仿真實訓系統的發展奠定了理論基礎。
參考文獻:
[1]劉仲波 李瑞濤 《擬仿真技術在城市軌道交通工程實訓中的應用》 吉林大學交通學院、吉林交通職業技術學院 2012年第12期
1虛擬仿真技術的概念
虛擬仿真技術也叫做模擬技術,是利用計算機系統模擬出另一個系統,可以與人們進行交互,虛擬仿真技術是一種遵循自然界發展規律的高新技術。虛擬仿真技術可以對工程施工方案進行虛擬驗證和優化,極大程度上降低了施工安全事故的發生機率,實現了的建筑工程施工成本的有效控制。虛擬仿真技術具有交互性,而且非常的逼真,它可以結合圖形技術、仿真技術以及傳感技術建立起虛擬的信息空間,進行人性化的模擬仿真互動,虛擬仿真技術是一種對系統動態模型的試驗方法,在建立數字城市、室內設計、建筑工程施工等很多方面都應用的非常廣泛。
2虛擬仿真技術在建筑工程施工中的應用意義
虛擬仿真技術可以對建筑工程的施工過程進行模擬,在工程正式施工之前,就可以對建筑工程結構構件的位置和相對關系進行驗證,準確的計算出建筑工程相關結構的應力情況,以便可以及時的對建筑工程施工方案進行優化。在選擇建筑工程施工方案時,需要有一定的施工經驗,這種優化方式需要建筑工程施工開始之后才能進行優化,具有一定的局限性。應用虛擬仿真技術可以在建筑工程施工之前就展現出施工效果,以便有效的選擇施工方案,實現建筑工程施工的最優化。虛擬仿真技術在建筑工程施工中的應用有助于施工技術的創新,同時縮短了建筑工程的施工周期,降低了建筑工程的施工風險。虛擬仿真技術可以對建筑工程的施工全過程進行模擬,發現建筑工程存在的施工質量問題,同時也幫助施工人員對整個施工流程進行了解,可以保證施工人員的人身安全。虛擬仿真結果可以幫助設計人員對不合理的施工結構進行改進,使這個建筑工程的施工流程更加規范。
3虛擬仿真技術在建筑工程施工中的應用
3.1虛擬仿真施工技術在建筑工程中的應用
虛擬仿真技術可以在虛擬模型上完成建筑工程的虛擬施工,對建筑工程的施工方案合理性進行驗證,確定具體施工環節的進度。傳統建筑工程的施工需要根據設計人員的工作經驗來制定詳細的施工方案,這種根據經驗制定的方案很容易產生施工漏洞,造成建筑工程的施工進度或者施工質量出現問題,施工方案存在一定的局限性。在建筑工程中應用虛擬仿真技術可以提前建立起建筑工程的仿真模型,對設計完成的施工方案進行驗證,尋找施工方案中存在的漏洞,以便制定更加完善的施工方案。建筑工程中應用虛擬仿真技術有效的降低了工程施工的成本,并保證了建筑工程的施工質量。虛擬仿真技術還可以根據施工現場的具體情況,對建筑物周邊的道路、場景等進行渲染處理,并利用計算機對建筑工程的具體環境進行實時交互,也可以深入到整個建筑模型當中,對建筑物的內在環境進行觀察,有利于建筑工程設計人員對建筑圖紙進行有效的修改。設計人員可以感受到自己設計的成果建設完成后的景象,并對建筑結構的相關功能進行檢測,使設計者可以更加精確的了解建筑工程中各個結構部件的位置以及相對關系,使設計人員對建筑工程設計的更加全面,實現了對建筑工程施工過程的全面控制。某建筑工程在施工之前制定了三種圍護結構方案,通過虛擬仿真技術對三種圍護方案的能耗進行分析,最終可以選擇出最佳的節能圍護方案。
3.2虛擬仿真技術在復雜鋼結構施工中的應用
建筑工程中的復雜鋼結構是整個施工過程中最為關鍵的環節,因為建筑鋼結構是單獨的鋼制構件拼接在一起,不同鋼結構的受力情況和承載力都是不同的,在不同的施工階段鋼結構的平衡性也是不同的。鋼結構的特殊性就需要保證安裝過程的嚴謹,一旦鋼結構的設計或者安裝出現差錯,會導致建筑工程的整體受力情況受到影響。鋼結構的精準施工可以實現對建筑工程的施工指導,避免增加無效的施工成本。在對復雜鋼結構進行施工時,僅依靠施工人員的經驗是不可能完成的,但是虛擬仿真技術彌補了復雜鋼結構施工中存在的不足,可以對復雜鋼結構的構件位置進行精準定位,并實現對鋼結構施工的全過程跟蹤,實現施工過程的有效控制,降低建筑工程施工事故的發生機率,有效提高建筑工程的經濟效益。在對復雜鋼結構進行施工時,虛擬仿真技術可以使建筑工程實現最優化施工。
3.3建筑工程施工過程中三維動畫技術的應用
傳統的建筑工程施工,施工進度只能依靠施工人員的經驗進行判斷,不能對施工過程進行針對性指導。而在建筑施工過程中應用三維動畫技術,可以將施工全過程利用高仿真動畫的形式展現出來,并著重體現出施工過程中的重點和難點,使施工人員在建筑工程施工之前就可以了解到施工過程中的每個細節,注意到施工過程中的注意事項。三維動畫技術在虛擬仿真技術中屬于比較低端的技術,可以降低建筑工程的施工成本,避免了建筑工程的重復更改和修理,加快了建筑工程的施工進度,使建筑工程的施工質量得到有效的提升。中央電視臺新址以及上海環球金融中心在施工過程中都應用了三維動畫技術。
3.4模擬仿真技術在建筑工程施工安全中的應用
模擬仿真技術可以實現對建筑施工方案的最優化控制,傳統的施工安全控制不能對施工方案進行優化分析,所以不能發現施工方案中存在的問題,但是通過虛擬仿真技術可以對建筑工程的施工方案進行模擬演練,發現施工過程中可能出現問題的部位,并利用三維動畫技術對問題部位進行動畫演示,以便制定有效的安全預案和相關的應急措施,以便發生安全事故時可以將建筑工程的損失降至最低,避免造成嚴重的施工安全事故。施工人員也可以借助虛擬仿真技術進行安全演練,增加施工人員的安全防護能力,進一步提高了建筑工程的安全水準。
4虛擬仿真技術在建筑工程施工中的實現
在建筑工程施工中應用虛擬仿真技術首先要建立起虛擬場景,并各具各個結構部位的不同特征,建立起相應的細節模型。在所有的細節模型建立完成后,通過內部聯節點將所有的結構部件拼接成一個整體,并將地物造型與原有的地形結構緊密結合在一起,完成整體效果圖的建立。虛擬仿真場景中,為了增加建筑工程虛擬模型的真實感,可以對虛擬模型進行交互設計,通過不同的指令,設計人員可以在模型中進行自由移動。設計人員可以在虛擬方則仿真平臺內對建筑工程相關結構的施工軌跡進行定位,例如在對復雜鋼結構進行施工時,仿真模型可以對吊裝過程進行交互仿真,將各種二維數據全部輸入到三維模型中,實現復雜鋼結構的虛擬施工。這種方法提高了建筑工程施工的可視化效果,使相關施工方案可以更加直觀的表達出來,同時也可以對施工過程中重點位置進行分析,制定針對性的施工措施,有效保證建筑工程施工項目的順利進行,讓建筑工程的技術交底更加全面,促進了建筑工程施工的發展。
5結論
【關鍵詞】虛擬仿真;實訓教學;應用方法
虛擬仿真技術在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上,將仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物,虛擬仿真技術以構建全系統統一的完整的虛擬環境為典型特征,并通過虛擬環境集成與控制為數眾多的實體。虛擬仿真技術逐漸應用于教育領域當中,形成一種新的教學模式——虛擬仿真教學,即利用實物或計算機創設相應的虛擬環境或工具,并模擬真實事例進行操作、驗證、設計、運行等實驗、實訓的教學方式。
1.背景分析
教育部《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》中指出:高職教育“人才培養模式改革的重點是教學過程的實踐性、開放性和職業性,實驗、實訓、實習是三個關鍵環節”,加強實訓、實習基地建設是高職院校改善辦學條件、突出辦學特色、提高教學質量的重點,高職院校在各個專業教學計劃中開設足夠的實訓實踐課程是對上述要求的積極響應。
傳統的實訓教學過程大多圍繞硬件實物,在實驗室、實訓室或企業車間等場所中實地展開實施,因其直觀易感和接近生產實際,向來都是高職實踐課程的主流教學方式。然而這種教學方式存在先天不足,投入大、適應性差且難于開放等問題,往往使實踐教學進程面臨窘境。充分利用計算機技術和現代信息技術,開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬實驗、虛擬工藝,是許多高職院校尋找行之有效的技術手段來緩解傳統實踐教學模式所帶來的壓力的努力方向。虛擬仿真教學技術具有多感知性、沉浸性、交互性、構想性等特點,這些特點有益于教師的實訓教學和學生專業技能的訓練,為解決高職教育面臨的實訓難、實習難和就業難等問題開辟了一條新思路,因此迅速發展起來的虛擬仿真技術應用于實驗實訓教學必然成為高職院校的最佳選擇。
2.虛擬仿真技術的比較優勢
目前高職院校很多專業,如數控技術、焊接技術、計算機網絡技術、應用化工技術等專業都引入了虛擬仿真實訓教學方式。虛擬仿真技術非常適合高職院校的人才培養模式,高職教育采用虛擬仿真技術具有必要性、可行性和優越性。虛擬仿真軟件在企業中也得到了廣泛應用,很多企業都采用虛擬仿真軟件進行產品設計,如芯片設計采用的Tanner EDA軟件,網絡設計采用的OPNET、NS2軟件等。因此,學生在學校使用虛擬仿真教學軟件所獲得的實踐技能,同樣可以應用到以后的工作之中。
與傳統的實物形態實踐教學不同,虛擬仿真技術教學是通過計算機軟件實現的。與傳統實踐教學模式相比,采用虛擬仿真技術進行實踐課程教學具有明顯的技術優勢。主要體現在以下幾個方面:
2.1 節約教學成本,具有高效性
基于計算機軟件的虛擬仿真技術實訓教學模式與實物教學模式相比,設備和資金投入少,更新、維護方便。學生在虛擬仿真教學平臺上,無需完成實物教學中的許多重復性工作,縮短了學生完成工作任務的時間。同時,針對存在的問題還可進行反復的操作訓練,也不用考慮設備的損壞和材料的消耗,極大地節約教學成本,提高了學習效率。從教學資源規劃、建設和使用的全過程質量管理角度看,虛擬仿真實踐教學模式的綜合運行成本遠低于傳統的實物操作教學模式。
2.2 廣泛的適應性和適用性
傳統實踐課程教學模式的適應性較差,虛擬仿真技術不受課程、學科門類和專業技術領域限制,是一種普遍適用的技術手段,具有廣泛的適用性。
(1)通用性、兼容性強
虛擬仿真技術具有極強的教學功能兼容性,適用于從教學設計直到考核測評的實踐教學全過程。對于工科實踐教學,多數通用型應用軟件兼具仿真功能,通常一款軟件可以同時支持多門課程的仿真教學,一門課程的教學也可以由多款軟件來實現,并且凡能以實物方式展開的實踐教學內容,理論上虛擬仿真技術都可以做到。比如電類各專業基礎實驗、實訓項目教學,都能用通用型EDA軟件(如Multisim或Protel等)的仿真功能實現,化工類專業實訓則可用化工仿真DCS操作系統的單元級、工段級仿真軟件實現。
(2)打破時空限制,具有靈活性,易于改進升級
虛擬仿真教學可以擺脫傳統現場教學地點固定、時間有限、設備不足和內容難改的局面,學生只要在計算機中安裝了虛擬仿真軟件,就可以把虛擬仿真教學延伸到教室、宿舍甚至家庭,隨時隨地的運用虛擬仿真教學軟件進行學習和探索,突破了時間和空間的限制,也不受場地等外界條件的限制,使學習變得更加靈活。
虛擬仿真技術的改進和升級在很大程度上就是軟件的改進與升級,速度快、風險小,利用網絡信息資源能夠緊隨技術進步,更能切中時需,保證實踐教學的動態有效性,也更能彰顯出對實踐類課程教學的催化作用。
(3)容錯功能強
生源不理想、學生基礎較差是高職院校中普遍存在的實際問題,學生對一些偏深的理論知識點常常一知半解,實驗、實訓過程中出現操作失誤在所難免。以實物為操作對象的傳統實踐教學,某些情況下誤操作有可能導致教學事故,危及儀器設備甚至是人身安全。基于虛擬仿真技術的實踐教學操作對象是計算機軟件,教師盡可設置各種正常、故障甚至極端故障狀態以便“虛擬”地歷練學生,學生也盡可按部就班地執行各種規范操作去“證明”或者嘗試誤操作去“證偽”,完全沒有損壞儀器設備或危及人身安全的顧慮。仿真可以通過參數控制模擬真實設備的機械性能,實時反饋實驗結果,檢驗各種指令的正確性,通過反復練習達到操作練習的目的。
3.虛擬仿真技術在實訓教學中的應用
3.1 樹立虛實結合的實訓教學理念
虛擬仿真實訓教學有助于學生理解實訓內容,并在一定程度上提高學生的動手能力。不過虛擬仿真實訓只是模擬真實的實訓教學,實訓過程缺少“實物感”,并不能完全代替實物實訓。因此,應該認識到虛擬仿真實訓與實操實訓各有特點,二者優勢互補,不可相互取代。如在網絡實訓教學項目中,用到的網絡設備,包括路由器、交換機等種類、型號很多。采用虛擬仿真實訓教學軟件,學生雖然也能使用到這些設備,但仿真設備與實物還是有一定的區別,到真正的實操實訓中可能會無從下手。因此,應該注重將虛擬仿真實訓與實物實訓結合起來,相得益彰。在進行虛擬仿真實訓的基礎上,有目的地安排一些實訓內容在真實環境中操作,這樣學生會對實訓的設備有親身的體會,更能加深實訓的印象,提高實訓的效果和質量。在實訓內容的安排上,可以讓低年級學生先進行虛擬仿真實訓,在學生完全掌握實訓的內容和流程之后,再進行實物實訓,這樣就能夠達到事半功倍的效果。
3.2 根據實訓要求建立仿真模型
仿真模型既包括電子裝備外觀、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,其原則是在盡量減小面數的同時提高逼真度。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,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。
3.3 創建仿真裝備的虛擬場景并驅動
對于虛擬場景的驅動,應根據使用方式的不同,采用不同的方式。如果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;如果需要對裝備進行虛擬操作仿真,則使用GLStudio軟件先進行操作面板、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作。
3.4 整合教學仿真軟件要素、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其有機地整合在一起,使之成為一個完整的、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VegaPrime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安排,注意程序間的兼容性即可。在進行系統集成時,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,與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信(需考慮進程間的同步)來完成的。
4.虛擬仿真實訓教學應注意的問題
4.1 注重虛擬仿真系統設計和教學人才隊伍的建設
虛擬仿真實訓教學系統的建設和發展,離不開高素質高技能人才隊伍的支撐。虛擬仿真實訓教學系統科學合理設計和有效使用,需要教師在教學理念和教學能力上都達到一定的水平。目前,國內各高職院校都有信息管理中心或者信息類專業,可以此為依托,培養虛擬仿真教學系統的開發隊伍。與此同時,可考慮與企業合作進行虛擬仿真實訓教學人才隊伍的建設,聯合培養虛擬仿真教學軟件開發和設計人才。
4.2 虛擬仿真實訓操作與現場操作的區別
仿真操作是模擬真實的生產裝置,再現真實生產過程的一種教學方法。其操作的模擬性和程序化與現場操作的靈活性和不可預見性還有距離。
仿真操作中的參數控制調節反復訓練,與實際生產中的參數嚴格準確控制相違背。這些問題在學生訓練過程中一定做出正確的指導和說明,以使學生適應實際的工廠現場操作。
4.3 構建網絡化的虛擬仿真實訓教學系統
虛擬仿真教學環境能夠有效利用網絡信息資源,緊隨技術進步,保證實訓教學的動態有效性。如Flash mx等工具可以實現網上虛擬實訓,由于可以在網絡上瀏覽,因此其教學覆蓋面較廣,是一種具有發展前景的輔助實訓教學手段之一。采用信息技術建設遠程服務中心,構建網絡化的虛擬仿真實訓教學系統,推進虛擬仿真實訓教學系統的共享,是虛擬仿真教學系統建設的努力方向。
參考文獻
[1]教育部.關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見[DB/OL].[2012-12-26].http:///jwzx/jsfw/ShowArticle.asp?ArticleID=1553.
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[關鍵詞]虛擬仿真技術 運動生理學 實驗 立體化
[中圖分類號]G712 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349(2016)06-0236-02
運動生理學主要是研究人體在體育活動和運動訓練影響下機體在結構和機能方面的各種變化,探索人體在運動過程中機能變化的規律,以及形成和發展運動技能的生理學規律,探討人體運動能力發展和完善的生理學機理,論證并確立各種科學的訓練制度和訓練方法。人體在體育活動和運動訓練影響下機體機能變化的動態數據是運動生理學研究的重點和難點。因其變化的動態性和不易感知性,使學生學習起來特別抽象,難以理解。單純的依據課本的數據進行比對,就更加沒有說服力,極大增加了學生學習和掌握的難度。在運動生理學實驗課堂上開展實驗教學過程是增加降低理論學習難度,提高學生學習積極性的有效措施,但在目前的運動生理學實驗教學過程中,由于受實驗標本的采集與存放、試劑的調配與更新、實驗器材的種類限制、教師預實驗的準備、場所與時間限制和一些復雜設備的影響等,很多實驗課開展的效果并不理想,學生獲得的實驗數據較少并且缺乏說服力,后期重復實驗更是無法獨立操作完成。很多大型實驗由于沒有時間準備預實驗,教師操作的效果也不理想,開設運動生理學大型實驗的成本較高,耗費人力、物力較大卻收效甚微,使學生深刻理解運動生理學知識受到很大限制。
為了節約成本,很多學校就只開展幾個傳統型的簡單實驗,但是最新的理論知識和科學研究,學生就難以接觸,且這幾個實驗由于脫離高端技術使學生難以對實驗印象深刻。實驗知識的匱乏也影響了學生獨立感知,自主研究的積極性,理論應用起來更加捉襟見肘。因此,我們迫切需要一項技術既可以節省實驗成本,提高實驗成功率,又能使學生自主感知,自主鉆研,使學生得到專業便捷的技能訓練,虛擬仿真技術應運而生。他不但簡化了實驗課程準備工作,而且高速的數據處理庫提高了實驗的精確度和動態呈現機體對刺激反應的敏感度,大大激發了學生學習的興趣,大量數據的多角度呈現,更加激起學生探索的欲望,可以說完美解決了運動生理學實驗所必須的多項技術。
一、虛擬仿真技術簡介
虛擬現實技術又稱虛擬現實技術或模擬技術,就是通過計算機模擬技術將一個真實的系統在另一個占用空間比較小的、制作相對容易的虛擬系統中進行模仿實現真實人機對話體驗的技術。隨著計算機人工智能技術的不斷進步和發展,虛擬仿真技術越來越精良并逐步自成體系,成為繼數學推理、科學實驗之后人類認識自然界客觀規律的第三類基本方法。人投入到這種環境中,立即有“身臨其境”的感覺,并可親自操作,自然地與虛擬環境進行交互,虛擬環境還能夠實時地做出相應的反應。
虛擬仿真技術,是仿真技術與虛擬現實技術結合而產生的一種更高級的仿真技術。在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上,虛擬仿真技術以構建全系統統一的完整的虛擬環境為典型特征,并通過虛擬環境集成與控制為數眾多的實體。實體可以是模擬器,也可以是其他的虛擬仿真系統,也可用一些簡單的數學模型表示。實體在虛擬環境中相互作用,或與虛擬環境作用,以表現客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術的這種集成化、虛擬化與網絡化的特征,充分滿足了現代仿真技術的發展需求。
虛擬仿真實驗系統的特點:首先虛擬實驗系統的仿真引擎代替了實物,實驗過程不再需要反復消耗標本和試劑,且實驗結束不需要廢料收集和處理,完美解決了傳統實驗過程中所缺乏的節能和環保處理;第二,學生做實驗不再受到實驗器材的限制,學生沒有理解的實驗允許反復操作,增強了學生動手動腦的實踐能力,大型實驗也省去了繁瑣的準備過程,節約了教師的準備工作;第三,虛擬仿真技術因其技術的成熟性,允許學生自我提升與拓展,課本之外的實驗,學生也可以自主鉆研,不受材料限制,大大提高學生學習與思考的積極性。此外,虛擬仿真技術平臺還為學生提供在線測評功能,網絡化的學習模式,為學生自我鞏固與提升提供了一個良好空間,抓住了學生學習的興趣點。
二、運動生理學實驗與虛擬仿真技術相結合
以前學校進行的運動生理學實驗主要是通過課本理論的教授進行理論學習,然后再通過小白鼠、青蛙等動物進行實驗驗證,這種探究方法單一而且讓學生很難完全信服。幾乎所有運動生理學實驗的理論,都來自觀察動物在運動過程中的機能活動并對其因果關系的分析來實現。放到人體之后的結論顯得單薄而且缺乏說服力。另外,由于人力及物力資源的種種限制,實驗課本身課時較短,很多實驗結果本身缺乏科學性和完整系統性,所以很多實驗的結果與最終需要印證的結論相關性不符,做得有名無實。
近年來虛擬仿真技術的廣泛應用大大提高了運動生理學實驗的應用廣度和深度,很多難以實現的實驗技術經過模式過程之后學生可以真切地感受到學習起來更加容易,記憶也更加深刻。將虛擬仿真技術運用到運動生理學實驗教學,是傳統教育手段與現代教學技術的創造性結合。虛擬仿真技術的優點主要體現在:多媒體展示的集成性、人機交互的操作性、大容量存儲的豐富性、高速傳輸的便捷性、超時空交流的共享性等。
虛擬仿真技術應用于實驗可以分為三個階段:一是初級階段,即學生剛開始接觸系統階段,這個時期學生對虛擬仿真系統還比較陌生,很多的功能還不熟悉,教師需要對學生加以引導,根據學生的反饋對系統加以修改和調整,盡量達到彼此合作融洽;二是模塊建立階段,當學生對系統有了初步的了解之后,就需要根據教學的進度和學生學習的側重點對系統里面的實驗加以增減和調整,做到既能滿足學生知識掌握,又可以達到能力提升效果,并將最前沿的知識嵌入實驗模塊,讓學生一起走進實驗室觀摩也是很好的教學方式,觀摩過程中學生對知識的理解和應用會更加深刻,讓學生明白科學探索的過程其實就是知識應用的過程,這個過程真正存在并不是遙不可及,培養起多思考多動腦的習慣;三是模塊應用階段,即通過所學的知識,所做的實驗,探究人體運動生理學知識的運用與開發,這個過程是一個開放的過程,根據每個人理解的不同,所能探索的結果也各有千秋,沒有標準的答案,探索永無止境。
例如在學習“人體安靜與運動過程中心率和動脈血壓變化”課程時,單純的文字說明和表格對比雖然可以使學生直觀的看到數值的變化,但是體現在人體中的動態變化卻很難發現和感受。通過查閱大量文獻,進行總結歸納,并通過計算機輔助教學把實驗課的內容搬到理論課上,經過文本、圖片、動畫、視頻、仿真空間體驗等幾步的動態體感之后,讓學生直觀地觀察到人體從靜態到運動再到運動逐步加快的過程中心率和動脈血壓的直觀的、動態的、連續的變化過程,把實驗的結論與學生的多種感官相互關聯,把知識的傳授過程由被動的灌輸、被迫接受轉化為學生自己總結、歸納、探索,使學習過程變得快樂且學生更加容易接受。運動的方法有好多種,速跑和慢跑是兩種不同的運動方式,他所牽動的器官不同,達到的效果不同,學生為此進行了一次愉快的辯論,最終大家都為自己的觀點鼓掌叫好。每種運動背后都包含著大量的科學知識,合理的運動就是最好的科學。
三、現狀與前景展望
實驗課一定要“重視學生在教學活動中的主體地位,充分調動學生學習的積極性、主動性和創造性”,一門課程的學習,結果只是一方面,重視學生在實驗過程中的參與度和知識獲得過程,才是我們教學的目的。對于運動生理學的掌握我們完全可以直接告訴學生結果:做擴胸訓練有助于增加肺活量,做引體向上可以鍛煉背闊肌,仰臥起坐可以鍛煉腹肌,等等,我們單純的教授完畢對學生有什么效果呢?他的擴胸運動很到位,肺活量大有增加;他的引體向上很到位,卻導致了肌肉拉傷;他的仰臥起坐連貫而有力,卻導致脊柱受損……這種風險不僅對普通人是存在的,而且對那些經常鍛煉的人亦然。現代人的養生觀念很強,每個人都需要運動,但是運動也需要講究技巧與方法,我們學習運動生理學的目的就是知其然,更要知其所以然。大量逼真完備的實驗設備,解放了學生的思想,相應的研究過程中碰到的問題也就越多,為了滿足學生探索的需求與我們日常面臨的挑戰,我們的路任重而道遠。
隨著人們對虛擬仿真技術的逐步完善,虛擬仿真技術的應用范圍越來越廣,下一步我們將搜集更多的文字、圖片、音頻、動畫等素材,組建更多的虛擬仿真實驗模型,讓虛擬仿真技術更好地服務于運動生理學及各個學科的實驗,尤其是以后更可以豐富中小學課堂的教學課堂。通過虛擬仿真技術的應用讓學生處于一種多層次、多角度、立體化的學習空間中,直觀真切地感受到外部因素變化對身體的影響,改善了學生對體育運動的理解形式,提高了運動生理學課程的趣味性,提高學生學習運動生理學實驗的積極性,也提高了學習效率。虛擬仿真技術的廣泛應用,必將使運動生理學迎來新的生機和活力,根據教師的指導得到更加專業的技能訓練,使人們更加科學的通過體育訓練,改善人體技能,提高身體素質。
四、小結
體育學科是一門理論與實踐完美結合的基礎學科,越來越受到學生及普通民眾的歡迎。運動生理學作為體育科學的輔助學科也是一門非常重要的理論課程,他主要研究人體在體育活動和運動訓練影響下機體的內部結構和機能的動態變化規律,進而探討出完善人體運動能力發展的科學機理,指導人們科學準確的完成各種訓練。虛擬仿真技術作為一門理論與科學結合的科學手段,極大地提高了運動生理學實驗的可操作性和趣味性,滿足了當前運動生理學實驗的操作需求,可以加深學生對實驗的認識,使學生通過豐富多彩的教學手段,多層次、多角度、立體化、真實化的得到專業便捷的技能訓練,加深學生對實驗內容的理解和鞏固,提高學習的效率和應用的直觀性,更加深刻地理解所研究的內容和意義,從而提高運動生理學實驗課的應用效果。
【參考文獻】
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一、虛擬仿真技術概述
虛擬仿真技術是虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱[2]。虛擬仿真技術又叫虛擬仿真或者模擬技術,是將一個真實的系統用虛擬的方法模仿出來。虛擬仿真技術是隨著計算機技術發展而逐步形成的一種實驗研究技術,是數學推理、科學實驗之后人類認識客觀規律的第三類方法,已逐漸成為人類認識和改造客觀世界的通用性、戰略性技術[3]。虛擬仿真技術在多媒體技術、虛擬現實技術、網絡通信技術等技術的基礎上,將仿真技術與虛擬現實技術結合在一起,構建逼真的虛擬環境。虛擬仿真可以是一個模擬器,一個仿真軟件,或者一個數學模型等[4]。虛擬仿真技術應用在軍事演習、醫學手術模擬、廣告宣傳等。近年來,隨著計算機技術與網絡技術的發展虛擬仿真技術廣泛地應用于實驗教學,虛擬仿真實驗已經成為一種新的教學模式[5]。
虛擬仿真技術在實訓中具有真實性、交互性、開放性及擴展性[6]。真實性是指虛擬仿真實訓中實驗環境具有很強的真實感,學習者在虛擬仿真實訓中感覺進入了真實的實訓室,操作虛擬設備,體驗真實的操作過程。交互性是指學習者可以通過鍵盤、鼠標操作虛擬設備,虛擬設備會在真實實訓中所出現的現象。開放性是指可以將虛擬仿真實訓以網頁的形式,學習者可以隨時隨地進行虛擬實驗,突破了時空的限制。擴展性是指虛擬設備或虛擬軟件等可以實現靈活地配置與組合,而且更新與維護方便,可以對虛擬設備或虛擬軟件進行二次開發。
二、Packet Trace軟件在計算機網絡實訓中的應用
(一)Packet Trace軟件簡介
Packet Tracer是思科公司開發的一種虛擬仿真軟件,可供網絡課程的初學者在虛擬環境中設計網絡、配置網絡、排除網絡故障。該軟件采用圖形化用戶界面,學習者可以通過鼠標拖曳設備及配置線構建網絡拓撲;提供的數據包在網絡中的流動過程可以適時地觀察網絡狀態;可通過IOS配置對設備進行配置管理,鍛煉學習者檢查、排除網絡故障的能力。
Packet Trace支持大量的設備仿真,比如路由器、交換機、Hub等各類網絡連接設備的仿真,每類設備還提供不同的型號;雙絞線、同軸電纜、光纖等各種傳輸介質的仿真;DNS、FTP、WEB、DHCP等服務器的仿真;還可以仿真很多模塊。而真實的實訓環境中往往不可能提供這么全面的實訓設備。Packet Trace運行很多網絡協議,支持TCP/IP協議,UDP協議、OSPF協議、HTTP協議、SMTP協議、Telnet協議等常見協議,及不常見的ARP協議、Ethernet協議、HDLC協議、ICMP協議、IPv6等協議。Packet Trace支持邏輯空間設計及物理空間設計兩種模式。Packet Trace中的數據包可采用實時傳輸模式和仿真傳輸模式,實時傳輸與真實傳輸過程一樣,仿真傳輸可以看到數據傳送的過程。
(二)Packet Trace軟件的應用
假設某公司需要構建自己的網站,并在網站上提供郵件系統服務。通過分析,為了完成本實驗需要用到的設備有:首先需要一臺網站(Web)服務器、一臺郵件(E-mail)服務器;另外還需要一臺域名解析(DNS)服務器(通常可以由專門的機構提供,為了方便在仿真軟件中構建了自己的DNS服務器);還需要幾臺可以上網的PC機;為了將這些設備連接起來,需要一臺交換機。還需要配置每個服務器的協議及每個服務器和PC機的地址;如果需要遠程登錄交換機還需要對交換機進行配置。這個實驗可以在真實的環境中完成,也可以在虛擬仿真軟件Packet Trace中完成。以下先通過Packet Trace軟件進行虛擬仿真實驗。
1.構建網絡拓撲
將Web服務器、E-mail服務器、DNS服務器、兩臺PC機拖曳進主界面,并連接好配置線,將設備分別重命名,得到實驗的網絡拓撲,如圖1所示。
圖1 網絡拓撲結構圖
2.配置各設備
(1)配置DNS服務器。鼠標單擊DNS服務器,首先在Desktop選項中選擇“IP Configuration”設置靜態分配(Static),設置好各地址參數,其中IP地址192.168.1.2;然后在Config選項卡中設置GLOBAL項中的Gateway為:192.168.1.1,DNS Server為192.168.2;最后將DNS項以外的其他協議全部關閉,并在DNS中添加網站(fly.com)及郵箱(pop3.163.com,stmp.163.com)的域名解析,如圖2所示。
圖2 DNS域名解析配置
(2)配置Web服務器。鼠標單擊Web服務器,在Desktop選項卡中配置好IP Configuration中各地址,IP地址為192.168.1.8;然后在Config選項卡中設置GLOBAL項中的Gateway為:192.168.1.1,DNS Server為192.168.2;再后將HTTP項以外的其他協議全部關閉,還可以在此處修改網頁代碼,以修改網頁的顯示內容。
(3)配置郵件服務器。點開E-mail服務器,配置好IP Configuration中各地址,IP地址為192.168.1.3;然后在Config選項卡中設置GLOBAL項中的Gateway為:192.168.1.1,DNS Server為192.168.2;再后將E-mail項以外的其他協議全部關閉,并在E-mail項中設置Domain name及添加郵箱用戶名及用戶密碼。
(4)配置交換機。如果交換機不需要遠程登錄進行配置管理,則無需配置。如果需要進行遠程登錄管理那么需要給交換機配置地址。交換機配置地址需要通過IOS配置方式。給交換機配置地址為192.168.1.253。點開交換機,進入CLI選項,回車后鍵入命令,下面進行簡單的配置命令:
Switch>en//進入特權模式
Switch#conf t //進入全局模式
Switch(config)#inter vlan 1(默認交換機的所有端口都在VLAN1中)//創建并進入VLAN1的接口視圖
Switch(config-if)#ip address 192.168.1.253 255.255.255.0//在VLAN1接口上配置交換機遠程管理的IP地址
Switch(config-if)#no shutdown//開啟接口
Switch(config-if)#exit//回到全局配置模式
(5)配置兩臺PC機的地址。點開PC0,在Desktop選項中選擇“IP Configuration”設置靜態分配(Static),設置好各地址參數,其中IP地址192.168.1.4。PC1的設置同PC0,其中IP地址為192.168.1.5。
3.測試驗證實驗
(1)驗證網站功能。在PC0(或PC1)上,點開進入Web Brower選項,輸入網址fly.com,再點擊go,如果能夠正確顯示出Web服務器上的主頁,則說明Web服務器實驗成功。否則需要重新檢測故障,并排除故障,直到能夠成功顯示。
(2)驗證郵件收發功能。鼠標單擊PC0(或PC1)上,選擇Desktop選項,單擊E-Mail,進入MAILBROWER,單擊Configure Mail,然后進行相應的配置。保存后返回MAIL BROWER,進行收發郵件測試,如果能成功收發郵件,則說明郵件服務器實驗成功,否則需要檢測并排除故障。
三、Packet Trace虛擬仿真實驗與真實實驗的對比分析
在Packet Trace虛擬仿真軟件中,學習者可以通過圖形化界面,對虛擬的設備進行連線、配置、測試、排除故障等,在逼真的環境中,體驗真實實驗的過程,完成實驗,得到真實實驗的結果。而且虛擬實驗中需要用到的實驗設備,只需要用鼠標拖曳出來即可,仿真軟件提供不同的設備和相同設備不同型號的選擇,實驗非常方便靈活。而在真實的實驗中,很多實訓場所不可能提供這么多的設備,更難具備各種不同型號的設備,仿真軟件大大地節約了設備成本。在虛擬實驗中,可以不斷地重新配置,嘗試不同的配置方法,不會損壞設備,配置不成功,可以刪除設備,重新拖曳進新設備進行配置,而在真實實驗中配置不正確,操作不當,可能損壞真實設備,而且不可能把真實設備丟掉后再用新設備進行配置管理,因此,虛擬仿真實驗提供了更靈活的配置方法,增強了學習者的學習興趣。在虛擬實驗中,不需要專門的實訓場所,不需要實訓室管理維護人員,節約了實訓場所成本以及管理人員成本;虛擬實驗可以在任意一臺電腦上完成,突破了時間與空間的限制,可以使學習者隨時隨地進行實驗,學習更輕松,效率更高。
但是在虛擬仿真實驗中有一些與真實實驗不完全相同的地方,比如設備之間的連線,只需要選擇一種介質即可,甚至可以由系統智能判斷選擇什么介質,所以配線環節不會出現錯誤。而在真實實驗中,學習者可能不知道具體的設備需要選擇哪種傳輸介質,或者傳輸介質沒有連接好、松動、串擾等都可能造成實驗不成功,而這些在虛擬實驗中都不會出現。另外,如Web服務器配置,在虛擬實驗中沒有設備Web站點,只需要將HTTP協議打開即可,而在真實的實驗中Web站點的配置存在版本的不兼容、默認站點的位置不正確以及登錄用戶的權限設置等問題都可能引起Web服務配置不成功。
因此,虛擬實驗仿真實驗需要與真實實驗結合起來,不能只是單純地進行虛擬仿真實驗。比如,可以讓初學者先通過虛擬仿真實驗,熟悉設備、設備的型號、設備的配置方法、設備的管理方法、設備的排障方法等,然后再結合真實設備進行實驗,這樣將使學習效果更佳。
關鍵詞:虛擬仿真技術;土建類專業;高職;
作者簡介:劉鎮(1978-),男,大連職業技術學院講師,碩士,注冊一級建造師、造價師,研究方向為工程管理、工程造價。
中圖分類號:G712
文獻標識碼:A
文章編號:1001-7518(2012)17-0034-02
一、虛擬仿真技術的含義
仿真技術,也被人稱之為模擬技術,即用一個系統模仿另一個真實系統的技術。而虛擬現實技術則是在仿真技術的基礎上發展而來的,當前仿真系統正在向虛擬環境的系統演變。虛擬現實技術和仿真技術作為對現實世界的模擬,都是基于模型而開展的,都是對現實世界盡可能的再現,因此,由仿真技術和虛擬現實技術兩者相結合形成了虛擬仿真技術。
虛擬仿真技術是指運用計算機和專用物理效應設備,借助相應的系統模型,對實際的或假想的系統進行相關動態試驗研究的一種新技術,具有可控性、經濟性、快速性等特點,有助于解決抽象與實體之間相互聯系的問題。
二、目前虛擬仿真教學與高職土建類專業教育的關系
職業教育是以就業為導向的教育,技能教育是職業教育的核心,同樣職業教育信息化也要為職業技能服務,信息技術已經成為提高教育質量的重要手段。教育部《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》([2006]16號文件)指出,要充分利用現代信息技術,開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗。
當前,建筑技術含量要求越來越高,不斷呈現出結構多樣、工藝復雜、施工難度加大等特點,這就需要教育和培養出更多的建筑技術人才,不僅能進行工程設計,而且具有較強的實踐技術指導和管理能力。根據2010年統計,開辦土建類高職學校達1099所、專業3423個、招生人數307412人。數據表明高職土建類教育不僅規模大、分布廣,而且發展速度快。高職土建類教育在強調系統地設計基于學科系統性原則的理論教學體系基礎上,應系統地設計基于工作過程化的實踐教學體系。而虛擬仿真技術通過交互式環境、情景復現功能,實現對抽象概念的具體化,對傳統教學進行革新的一種方式,能夠很好的滿足“情景教學”與“項目教學”需要。目前,虛擬仿真技術已在多學科領域的教學及實踐中使用,并且虛擬仿真技術已運用于工程建設。這些都表明了在土建類教學中采用虛擬仿真技術是可行的、必要的。
三、虛擬仿真技術在土建類專業教學中的應用
(一)形象直觀,利用情景教學
心理學指出:傳統的課堂教學,學生一般只能吸收不到三成的內容,并且隨著時間推移,所掌握的知識會逐步遺忘。[3]同時,研究證實:閱讀到的信息我們能學習到10%;聽到的信息我們能學習到18%,但所親身體驗過的事我們能學習到80%。毫無疑問,學習體驗是最好的方式。土建類學科是一門技術復雜多樣,設備材料繁多,實踐性強的學科,在教學中需要學生有親身經歷體驗。虛擬仿真技術通過虛擬現場情景,仿真施工工藝和過程等,充分調動學生的積極性。將學習目標與教學主題相結合,通過形象直觀的方式讓學生學習知識。在情景體驗教學中,教師與學生更加的積極主動,使教學效果得到明顯提高。
(二)提高學生空間想象能力
土建工程是將二維表現的設計圖紙實現為三維的、立體的、復雜的建筑物。這就對學生的空間立體想象能力提出了較高的要求。但剛接觸該專業的學生,總有想象不出或理解困難的感覺,以往授課中需要通過教師繪圖、模型展示等,但效果一般。利用虛擬仿真技術,能夠模擬出建筑物的建筑構造,能夠真實展示建筑物的各個結點,空間布局、立體圖形的生成過程。通過虛擬仿真技術能夠使學生置身虛擬建筑空間內,從而對這些建筑空間的認識和理解更形象、更全面、更深刻。
(三)改進管理類課程授課方式
在土建類專業課程體系中,存在很多管理類的課程,這些課程突出特點是很難看到真實場景,甚至在學習中也不可能親身經歷,只能閱讀到成果性資料。以工程招投標與合同管理為例,標書制作、合同簽訂,開標過程等,教學中很難體驗這類過程的工作流程和內涵。虛擬仿真技術則能夠虛擬相關情景,讓學生在課堂中,分角色扮演,經歷開標、評標、談判這些工作,使學生得到充分體驗,真實的領悟,從而有效的促進管理類知識轉化,完成項目教學。
(四)促進實踐教學
土建類專業的實踐課程是非常重要的,對學生理解知識點,以及理論與實踐相結合有著很強的促進作用。土建類專業需要的實訓項目及設備種類數量繁多,各院校受資金、場地、安全教學管理等多方面的制約,很難具有全面的實踐條件,而虛擬仿真技術利用自身優勢,能夠很好的促進實踐教學。
第一,保證實訓科目的質量,節約成本。為確保實踐項目教學的效果,傳統的實踐教學模式需要巨大的資金投入及購置教學所用的設備,并且在教學過程中會消耗大量的材料,容易淘汰教學儀器和設備,因此很難滿足教學所需。從教學資源全過程管理來看,虛擬仿真技術實踐減少投入包括占地、建筑投入、設備投入、材料投入、指導教師投入,經過考察統計可以降低30%~80%。同時也降低實訓污染(如粉塵實訓、噪聲污染等),而學生因為得到多次實踐機會,效果也遠遠好于傳統教學。
第二,容錯功能強,可開展探究性實驗。土建類專業實踐存在較高的安全風險,尤其是學生到施工現場實訓,而企業也為回避對安全事故的各種約束處罰而不愿意接收學生現場實訓。為了防止意外事故的發生,通常是采取增加實訓操作過程的相關約束條件來確保師生的安全。但限制的越多,與實踐就越脫節,教學質量難以得到保障。虛擬仿真技術可引導學生積極在仿真實踐中進行實訓,不必擔心出現任何以外的風險,保證實訓安全性(設備安全、人身安全)。通過運用虛擬仿真技術,教師在教學中可以設置各種不同的故障等狀態,“虛擬”不同的事故,學生通過反復試驗,運用各種方式方法,分析問題、解決問題,在這方面實際實訓是無法做到的。
第三,科學定量考核,與職業資格接軌。在土建類的實踐項目的考核常常僅是一份報告(施工組織設計、合同、招投標文件等)或是實踐指導教師根據學生在實踐中的表現,依靠主觀給學生評定成績。而在虛擬仿真實踐的軟件中,可根據不同需求,設計不同性質的考試、考核方式。而虛擬仿真實踐軟件通過采取隨機出題、海量題庫、在線考試等方式,保證考試考核的公平、真實。從而實現了考教分離、分量一致,實現了以考試、考核額成績來衡量教學質量、評價教學效果、評估學生的學習能力的可能性。
四、如何制作虛擬仿真教學軟件
仿真教學軟件的研制的總體過程基本上可劃分為兩大階段,即教學設計階段和軟件制作階段,如圖1所示。
虛擬仿真教學軟件制作是一項復雜的項目管理工程。編制適應高職教育的虛擬仿真軟件要把握以下幾點:
(一)樹立職業教育理念
教學設計應以教育科學的觀點和方法為指導,按照職業教育額教學目標、教學內容、教學對象的特點等,結合國家相關職業(工種)標準,優化教學軟件的系統結構與模塊設計,并選擇適當的媒體信息,使其在系統中得到有機結合,以實現課程與實訓的教學目標。
(二)創作團隊進行腳本編寫
腳本作為仿真教學軟件的第一關,事關教學實訓內容的正確性與科學性,貫穿于腳本編寫之中的教學設計,決定了教學軟件的生命。
土建類虛擬仿真軟件腳本通常由具有豐富教學與實訓經驗并了解現代教育技術的人來編寫。因此,需要組成專業教師、現場工程師、教育技術專家組成的創作隊伍。腳本創作中的整體結構要依據研制大綱的要求進行,除了在保證科學性的前提下,重視教學實訓項目、任務、技能點、操作步驟的設計,重視文字符號圖形的標準化外,還要格外重視屏幕設計,重視交互性設計,重視操作工藝、安全規范等方面的設計。
(三)素材制作要保證質量
素材不僅是構成教學軟件的基本單元,也是教學軟件完成系統合成的重要前提與基礎。素材的制作(包括三維建模)是制作環節中耗費時間最多的環節,據統計,素材制作將占用70%~80%的制作工作量,因此,素材制作是數字化教學資源開發的重心,是制作的重要環節,是制約開發周期的主要環節之一。土建類虛擬仿真軟件中的素材要實物、現場場景嚴格匹配,這樣就能保證軟件的質量,防止給后期合成帶來隱患。
五、虛擬仿真教學與實操教學之間的關系
(一)互補關系:實操教學不能實現的,利用仿真教學可以實現。
(二)融入關系:—份完整的現代化的教學方案,必定是仿真教學與實操教學的完美融入的方案。
(三)順序關系:一般情況下,仿真教學在前,實操教學在后。
(四)不可替代關系:仿真教學與實操教學,二者不可替代。
(五)隨著計算機技術快速發展,仿真教學對實操教學的互補作用會越來越強,同時,實操教學對虛擬仿真教學的依賴程度會越來越高。對于實操教學的設備,有與虛擬仿真系統實現一體化的趨勢。
六、結束語
從微觀層面看,高等職業教育是以技術人員的職業勞動為導向的,是產生于技術人員的能力、知識和素質,是一種專業勞動。因此,作為高職土建類專業的教學,應以生產目標為導向,有針對性地對學生進行體驗式教學。應該通過虛擬仿真技術和赴實地現場進行教學,在課本之外給學生更生動易懂的知識,并通過虛擬的或者真實的實驗、實訓、實習等實踐教學培養具備較高的知識、能力和素質等綜合性的高端土建專業技能型人才。
參考文獻:
[1]呂愛民,項秉人.生態建筑的數字化構建[J].新建筑,2005(6):7-9.
【關鍵詞】虛擬仿真技術 高職機電 教學應用
虛擬仿真技術在實際訓練教學過程中有明顯優勢,能夠保證學生得到充分的鍛煉和培訓,在機電專業教學中引入仿真技術,還可以使原料、設備和工具等做到節約,降低操作能耗和環境污染,還能避免設備的損壞。虛擬仿真技術不僅不會對操作設備造成嚴重損害,也不會對操作人員的失誤造成傷亡。虛擬仿真技術在高職機電專業中的應用在本文中還會有進一步分許和闡述,供高職院校參考。
一、高職機電專業教學面臨的困境
高職學校在學術實際訓練方面的設施設備部完善。當前,各個高職學校大都面臨著硬件資源不充分,教育經費不足的情況,沒有能力購買更多的實際訓練實驗器材和場地。面對這種情況,高職機電專業應該通過計算機虛擬仿真技術的使用替代實際操作,這樣既能保證學生的鍛煉,達到實驗的效果,還不至于浪費資源,污染環境。
實際訓練場地開放過少。場所開放太少,高職院校作為面向社會,用人單位和學生的服務單位,主要是開展科研和培訓等業務,但是卻受訓練場地的約束,開放時間不足以滿足社會和學生的需求。學生很難有足夠的時間到實驗室進行訓練,影響了學生的動手實踐能力的提高,目前的高職學生,使用電腦已經得到普及,通過虛擬軟件的運用,能夠讓學生即使不到實驗室也能得到實驗訓練。
高校在實驗設備和器材上的維修和保護都需要一筆不小的經費。硬件設施很容易損傷,而且高額的維修費用學校不一定負擔得起,而設備又必須經過多次的實訓耗材,為實訓帶來了沉重的代價,并加大了實驗室管理人員的壓力。通過虛擬仿真技術的利用,不但不用維修設備,還能為實驗訓練節省許多實驗耗材。
二、在虛擬技術的使用下構建虛擬實驗室
課堂教學和實驗中仍然存在很多問題:首先,當前的教學仍然存在理論教學為主的情況,實驗實習只是作為教學輔助;其次,學生的實驗操作存在問題,受場地和時間的限制,學生只有在上課時間才可以實驗室,平常幾乎沒有時間和機會進行操作鍛煉;最后,實驗設備不足以滿足學生在實驗上的需求,硬件設施落后,且維修成本高。虛擬仿真技術主要為了提高學生的技術操作能力,有構想性、交互性和多感知性的等特點,有利于教師開展實訓教學和專業訓練,在解決高職教育的就業和實習方面具有重要意義。
目前,大多數課程都能通過虛擬仿真技術得以實現實驗教學,建設虛擬仿真實驗室能夠降低高職學校的辦學成本,并促進虛擬仿真技術和有關人才的發展,在解決教育資源匱乏上有十分重要的理論現實指導意義。高職院校在引進虛擬仿真技術時需要結合本校實際情況,創設仿真資源,合理選擇,不同的高職院校針對機電專業的教學內容,就業定位等不完全相同,市場上的虛擬仿真軟件不可能面面俱到,因此,應該擴寬引進渠道,為虛擬仿真技術的購置要選取多種方法,建立仿真資源,在教學上為機電專業提供支持和幫助。
三、虛擬仿真技術在高職機電專業教學中的運用
彌補設備不足的問題。保障實訓教學的完成,并節省成本的使用。為使實踐教學項目的效果得到彰顯,過去落后的實踐教學方法急需一筆巨大的資金,投入到教學設備的購買和置辦方面,而且在教學過程中很容易消耗大部分原材料,傳統的設備和儀器都將被淘汰,不能適應當前的教學需要。站在教學資源的情況來說,虛擬仿真技術實際上減少的資金投入總共包括占地面積、建筑、設備、原材料和教師等方面,據考察,大致能夠降低3/10-4/5。還能減少實訓帶來的環境污染,讓學生在良好的環境下學習,得到實踐,提高教學效果。
替高職院校節省出一筆不小的經費。信息技術的迅速發展,高職教育中的傳統媒介具有較強的信息滯后性。科學技術的發展不斷進步,傳播也需要有一定的載體,例如硬件設施和教學資源的配置等。隨著知識經濟時代的到來,信息技術的發展更加迅速,傳統的硬件教學模式和實訓教學設備不久就可能因為技術落后而從社會上淘汰,然而,設備的改造和更新又存在困難,只能購買先進的設備設施來解決這一教學困難。當前我國的教學資源本就不足,不但使得教學資源更加減少,還可能因為教學過程中沒有使用相應的設備而陷入停滯狀態,更不利于學校的發展。運用虛擬仿真技術建設實驗室就能有效解決這一問題,可以讓實訓次數有所增加,促進軟件的升級和改良,不用把硬件資源全部更換。虛擬仿真技術最有特點的就是不用消耗任何原料,而且可以多次重復實訓的教學內容。虛擬仿真技術以其先進和容易改善的特點備受教育界青睞,不但減少了教育經費不必要的使用,讓教學內容不斷的在虛擬條件下更新進步,還能使實訓教學與技術發展相適應,在變化的教學中滿足學生和社會的需求。
提高學生學習興趣。虛擬仿真技術是教學中優秀的輔助工具,能適用于教學交流和實訓情景多個教學活動,虛擬的教學環境更容易讓學生激發學習興趣。虛擬仿真技術形象生動,直觀和互動性較強,也能及時對學生情況做出反饋,學生學習過程中的假設模型都能以虛擬仿真技術進行虛擬,優勢十分明顯,學生通過觀察虛擬假設得出的結果,還利于培養學生的創造性思維。因此,虛擬仿真技術利于學生較早熟悉實訓環境,盡快掌握專業知識與技能,調動學生學習熱情。
四、結束語
虛擬仿真技術在解決高職教育的實訓問題上具有重要意義,解決了設備不足,器材落后,硬件更新慢等困難,把虛擬技術運用到機電專業教學中,提高教學效果,解決面臨的實際問題,有利于推動高職院校機電專業的教學內容和課程改革,促進了虛擬仿真技術在高職院校中的運用與發展。
參考文獻:
[1]熊淑平.虛擬仿真技術在高職教學中的應用探析[J].黃河水利職業技術學院學報,2013.
論文關鍵詞:三維虛擬仿真技術,物流,教學
當前,仿真技術已經成為分析、研究各種復雜系統的重要工具教育學論文,它廣泛用于工程領域和非工程領域。高職院校的物流實訓中心大多數是基于軟件模擬的物流實訓室,這類實訓室是以物流軟件模擬來搭建物流模擬平臺,如倉儲管理軟件、運輸管理軟件、ERP、MRP、國際貨代軟件、TPL軟件或基于上述幾個軟件集成起來的供應鏈軟件等;然而對于基于設備的物流實訓室來說,由于資金等方面的限制,比較先進的設備還尚欠缺教育學論文,這就造成了學生對立體庫、高速分揀機、巷道式堆垛機、AGV、碼垛機器人等先進的物流設備缺乏足夠的感性認識論文格式模板。三維虛擬仿真技術等夠對倉庫、配送中心、企業生產線等進行簡單的建模,能夠加深學生對各種物流設備的認識,幫助學生理解工業、企業、生產線的布置與產出平衡、物料需求計劃、企業資源計劃等相關知識,更好地找出生產瓶頸,加深對現代化立體倉庫、配送中心的了解。因此三維虛擬仿真技術在教學中的應用教育學論文,對于學生更好地學習物流專業理論知識、培養相應的職業技能是大有裨益的。
一、三維虛擬仿真技術概述
三維虛擬仿真(3D Virtual Simulation)就是利用三維建模技術,構建現實世界的三維場景并通過一定的軟件環境驅動整個三維場景,響應用戶的輸入,根據用戶的不同動作做出相應的反應,并在三維環境中顯示出來。三維仿真的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具、系統集成技術等論文格式模板。該軟件提供了原始數據擬合、圖形化的模型構建、虛擬現實顯示、運行模型進行仿真的實驗、對結果進行優化、生產3D動畫影像文件等功能。
利用三維虛擬仿真技術教學具有以下優點:
1、教學內容視覺化
2、學習中的交互性好
3、沉浸感真實感強
二、三維虛擬仿真技術在物流教學中的應用
基于青海交通職業技術學院物流實訓中心3D實訓室的應用系統及操作流程。
1.開機步驟
開機順序依次為:
2 AP轉換器(數量兩臺):
按下電源按鈕教育學論文,
2 工作站(數量兩臺)
2 投影機(數量四臺)
進入控制工作站,進入中控程序,點擊投影機控制,選擇開
等投影機啟動完畢后再進入下一步
2 邊緣融合機(數量兩臺):
按下電源按鈕
關機順序依次為:
立體圖像工作站——邊緣融合機——AP轉換器——投影機——控制工作站
2.基本操作設置
立體圖像工作站設置
(1)多顯示器設置
鼠標在桌面上右鍵
進入NVIDIA控制面板
點擊設置多個顯示器
設置作為一個大水平桌面(水平平移模式)
顯示的結果是,顯卡雙頭輸出兩個通道的桌面。
(2)分辨率設置
單屏分辨率1024×768教育學論文,重疊像素為192
整體分辨率為1856×768(含邊緣重疊區192個像素)
重疊像素設置圖如下:
立體設置為管理3D設置里面,基本設置,選用立體啟用
3 .基本演示操作
(1)立體電影
檢查左右眼是否正確?
2 將圖像移動分別移動到第一個通道和第二個通道進行檢查論文格式模板。
如果第一個通道和第二個通道都不正常,點擊一下軟件里面L/R
2 如果圖像只在第一個通道出現左右眼反的現象?
在第一臺AP轉換器后面的綠色按鈕按兩次切換左右眼
2 如果圖像只在第二個通道出現左右眼反的現象?
在第二臺AP轉換器后面的綠色按鈕按兩次切換左右眼
(綠色按鈕按兩次表示切換左右眼)
(2)NVSG演示軟件
同樣觀看立體是否正常,可以通過軟件切換左右眼
(3)VEGA演示軟件
同樣觀看立體是否正常教育學論文,可以通過軟件切換左右眼
4系統連接圖如下
5投影機圖像不正確的調試方法
(1)首先檢查畫面比例是否正確
再點擊高級:
水平位置和垂直位置,如圖所示。
6融合機出現故障處理方法
出現基本問題首先重新啟動融合機來解決
如重新無法解決可以采取如下步驟:
(1)找到是那臺融合機出現的問題,并接入鍵盤鼠標
(2)ALT+F4退出融合服務軟件
(3)點擊桌面上的blend文件夾
(4)復制setting.cfg文件到其他地方
(5)將備份的該文件copy到blend這個文件夾下面
(6)雙擊STEREO_CAP程序
(7)按ESC,再點擊開始撲捉、全屏幕、下一次開機啟動,保存設置、開始
(8)重新啟動
7注意事項
(1)投影機開啟后遙控器上的auto、aspect兩個按鍵不能按教育學論文,正常使用情況下不需要遙控器;
(2)投影機機械結構不能輕易觸碰
(3)屏幕位置不能挪動,屏幕表面不能觸碰,灰塵可用干凈的柔軟布沾水擦;
(4)投影機關機后不能立即斷電,同時投影機電源需接入UPS穩壓電源,UPS后備電池時間不小于10分鐘;
(5)不能隨意拔插設備連接線纜;
(6)立體工作站顯卡、立體、分辨率等設置不能改變
(7)控制工作站IP:192.168.1.10不能改變。
開機先后順序要嚴格按照技術要求順利
三、結束語
三維虛擬仿真技術軟件在高職的教學中能發揮出積極的作用,一方面能提高學生的學習興趣,學生在學習的過程中能夠對倉儲、運輸、配送、生產加工等有一個感性的認識,同時也提高了學生分析問題、解決問題的能力,實踐證明三維虛擬仿真技術軟件的應用對于高職物流專業的教學具有積極的意義。
參考文獻:
[1]呂明哲,物流系統仿真,東北財經大學出版社,2008.10。
[2]賀國先,現代物流系統仿真,中國鐵道出版社,2008.12.1。
[3]青海交通職業技術學院物流實訓中心3D實訓室操作手冊