淺析高職實訓教學中虛擬仿真技術的應用

【摘要】在實訓教學中引入虛擬仿真技術是高職教育中的應用熱點，本文通過分析虛擬仿真技術的比較優勢說明了虛擬仿真教學在高職實訓中應用的巨大潛力，提出虛擬仿真教學應用的實現方法以及虛擬仿真教學實施中應注意的問題。

【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

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作者簡介：王祖析（1965—），男，湖南雙峰人，高級實驗師，現供職于湖南化工職業技術學院計算機中心，主要研究方向：計算機教育及計算機網絡、實驗實訓教學與管理研究。