基于智能虛擬實驗系統的實驗教學新模式研究

沈振輝 楊拴強

（福建江夏學院，福建福州 350108）

基于智能虛擬實驗系統的實驗教學新模式研究

沈振輝 楊拴強

（福建江夏學院，福建福州 350108）

本文研究基于人工智能與虛擬現實技術的實驗教學新模式，探討構建智能虛擬實驗系統的關鍵技術，提出智能虛擬機械類實驗系統框架結構，在開發智能虛擬機械類實驗系統的基礎上驗證新教學模式在提高實踐教學效益和質量、提高學生實踐能力和創新能力方面的可行性和有效性。

智能；虛擬；實驗系統；實驗教學；教學模式

1 引言

實踐教學是培養學生創新意識、提高學生動手能力的重要環節，是培養高素質工程人員的重要平臺，是實現高等教育培養復合型和應用型人才目標的有效途徑。同時，實踐教學也是高校教學過程中的薄弱環節，一直以來都是高校教學改革的重點。實驗教學是實踐教學的重要組成部分，其教學質量對人才培養目標的實現影響甚大。然而，大部分的實驗設備費用昂貴，設備規模難以與日益增長的學生規模相匹配，導致實驗教學規模難以滿足高校教學發展需要。信息技術和虛擬技術的發展，為實驗教學的改革提供了契機。基于信息技術和虛擬技術構建虛擬實驗系統，深化了實驗教學改革，提高了實踐教育質量工程，成為高校教學改革的一個重要內容。

現有虛擬實驗系統研究中，文獻[1]介紹了牛津大學、赫爾辛基大學、卡耐基梅隆大學等大學的虛擬實驗系統，論證了虛擬技術應用于實驗教學的可行性和有效性。文獻[2]構建的虛擬煉鐵實驗室被歐洲4所機構采用，且效果顯著。文獻[3][4]創建的虛擬工程實驗室，解決了遠程教育中難以開展實踐教學的難題，驗證了虛擬實踐教學實驗室的可行性和有效性。文獻[5][6]建設的機械裝備拆裝虛擬實驗系統，文獻創建的基于網絡的集成機械設計、機械制造、工程材料及技術測量的機械工程虛擬實驗系統，文獻[9]開發的集成減速器拆裝實驗、帶傳動性能實驗及數控加工實驗的綜合虛擬實驗系統，均在一定程度上提高了教學質量。雖然虛擬實驗系統構建技術的研究已取得一定成效，但是目前虛擬實驗系統難以充分利用已有的教學經驗指導虛擬實驗過程，無法最大限度地提高實驗教學的質量。同時還存在人機界面不夠友好，模型不夠直觀等不足，交互性、沉浸性較差等不足。

針對以上不足，有必要充分結合人工智能與虛擬現實技術，探討智能虛擬實驗教學機制，構建智能虛擬實驗系統框架，獲取、表達和處理實驗教學經驗知識，引導虛擬實驗過程，深化實驗教學改革，充分提高實驗教學質量。

2 智能虛擬實驗教學機制

構建智能虛擬實驗系統要所需解決的關鍵問題是探討智能虛擬實驗系統的教學機制，研究人工智能技術與虛擬現實技術的集成機制，獲取、表達和處理教師教學經驗知識，解決現有虛擬實驗系統難以利用已有的教學經驗指導實驗過程的問題；通過開發操作友好的人機界面及真實感強的實驗設備模型，解決現有虛擬實驗系統交互性、沉浸性較差的問題；開發教師教學經驗知識庫和模型庫的組織、管理和維護模塊，實現知識庫和模型庫的可選擇、可調整、可擴展。

智能虛擬實驗系統的教學機制如圖1所示。學生通過自己的賬號、密碼登錄智能虛擬實驗系統，選擇所要進行的實驗項目后根據教師要求設定相關實驗初始參數。進而通過互動性強的用戶交互界面開始進行實驗。系統根據學生選擇的實驗項目和設定的相關初始參數進行案例推理，在給定的相似度條件下尋找匹配系統內部存儲的類似實驗過程數據。若給定相似度條件下的實驗過程數據存在，表明已經成功進行過相似類型的實驗，則系統調用所存儲的實驗過程數據，并從實驗過程數據中提取經驗知識，對學生的實驗操作過程進行指導，以便及時在學生誤操作時結合實驗項目所涉及的相關理論知識和經驗知識給出相應的誤操作提示及其產生原因，使學生能夠進一步消化理論知識，掌握操作經驗知識，實現學以致用的教學目標。如此反復調用相似實驗過程數據引導學生操作直至實驗過程結束。若在實例推理過程中，無法找到給定相似度條件下的歷史實驗操作過程數據，則表明不存在類似實驗過程的成功實例，則在學生的每一步操作中重復根據系統存儲的符號性知識進行推理判斷學生的操作是否正確，若操作錯誤則給出錯誤原因和提示，并給出正確操作建議，直至實驗操作過程結束。實驗過程結束后，學生根據實驗教學要求提交相應的實驗報告后，退出系統，完成實驗。

圖1 智能虛擬實驗教學機制

3 智能虛擬實驗系統框架

構建智能虛擬實驗系統，深化實驗教學改革的目標是將人工智能技術與虛擬現實技術相結合，在構建智能虛擬實驗系統系統框架的基礎上，實現教師教學經驗知識對虛擬實驗過程的引導，同時建立有效獲取、表達和處理教師教學經驗知識的機制，開發知識庫和三維模型庫的組織、管理和維護模塊，實現教師教學經驗知識庫和三維模型庫的可選擇、可調整、可擴展，并通過構建三維零件模型庫和機器模型庫，實現交互性、沉浸性良好的實驗模式，達到提高實踐教學效益和質量的目標。

智能虛擬實驗系統是一個基于知識的實驗系統。知識的獲取、表達和處理需要知識庫、推理機、解釋機制和人機接口的支持。隨著知識處理技術的日趨成熟，目前構建基于知識的系統的關鍵技術是知識獲取、綜合集成和知識庫維護等方面。因此，智能虛擬實驗系統應該是一個開放的系統，主要體現在以下幾方面：

（1）智能虛擬實驗系統應能夠對實驗教學的經驗知識、領域知識、規范知識進行組織、管理和維護，同時實現知識的可選擇、可調整、可擴展，以達到不斷豐富和不斷實用化。

（2）智能虛擬實驗系統應能夠滿足外部系統的可嵌入功能，并支持外部系統的調用功能，使之能夠調用外部系統的子模塊，擴展系統的功能，從而達到系統可擴展的目標。

基于智能虛擬實驗教學機制，圍繞智能虛擬實驗系統的構建目標，針對知識的獲取、表達和處理機制，為實現知識的可選擇、可調整、可擴展和可重用，構建智能虛擬機械類實驗系統框架如圖2所示。智能虛擬機械類實驗系統主要包括CAD/CAE仿真、解釋機制、動態數據庫、推理機、知識庫、知識庫管理、知識獲取、人機界面等模塊。

圖2 智能虛擬機械類實驗系統框架

3.1 CAD/CAE仿真

CAD/CAE仿真模塊主要實現實驗環境、實驗過程的可視化，以直觀、交互性強的用戶界面呈現實驗過程，從而提高學生實驗過程中的沉浸性和體驗性。CAD/CAE仿真主要包括三維建模、運動仿真、結構分析等部分。三維建模和運動仿真主要由Pro/Engineer的二次開發工具箱實現，集成MFC開發環境和Pro/ Engineer實體建模環境，實現實驗過程的三維仿真。結構分析主要集成ANSYS有限元分析環境，實現機械結構的靜力、動力仿真。

3.2 解釋機制

解釋機制用于向用戶解釋系統的行為，包括對實驗操作步驟規范性的推理過程、經驗知識引導實驗操作的推理過程等。

3.3 動態數據庫

動態數據庫用來記錄實驗操作過程中所需的控制信息、中間假設和中間數據。為避免數據信息膨脹，動態數據庫模塊還應具備及時刪除歷史信息的機制。

3.4 推理機

推理機模塊用于有效的處理智能虛擬實驗系統中的符號性知識和實例知識，根據符號性知識或實例知識推理判斷學生操作步驟的規范性。同時，在學生操作步驟錯誤時推理得到錯誤原因并根據經驗知識引導學生糾正操作。

3.5 知識庫

知識庫模塊用于存儲符號性知識、實例知識。由于符號性知識和實例知識在組織結構上、表達形式上各有特點，為了更加簡便有效地組織、管理和維護這兩種知識，將兩種知識分開存儲、管理和維護。

3.6 知識庫管理

知識庫管理主要實現知識的組織、管理和維護。知識的可選擇、可調整、可擴展是壯大知識庫的必要條件。同時，知識庫難免出現矛盾、冗余等問題，有必要對知識庫進行補充、優化和校驗，以得到高質量的知識庫。

3.7 知識獲取

知識獲取是開發智能虛擬實驗系統的瓶頸問題和最大挑戰。知識獲取的目標是提煉相關的領域知識、經驗知識、規范知識。知識獲取采用人工獲取的方式進行，由知識工程師通過人機界面進行。

3.8 人機界面

人機界面為學生、教師、知識工程師及外部程序與智能虛擬實驗系統之間提供良好的交互界面，用于識別學生、教師、知識工程師及外部程序的命令、數據等信息，以及對智能優化設計系統的過程信息和結果信息反饋。

在智能虛擬機械類實驗系統框架的基礎上，可開發智能虛擬機械類實驗系統，促進機械類實驗教學改革，充分利用已有的教學經驗指導實驗過程，最大限度地提高實驗教學質量。同時，解決現有實驗系統存在的人機界面不夠友好，模型不夠直觀，交互性、沉浸性較差等不足。

4 結論

4.1 研究了基于人工智能與虛擬現實技術的實驗教學新模式，探討了智能虛擬實驗系統的關鍵構建技術，給出了智能虛擬機械類實驗系統框架結構，開發了智能虛擬機械類實驗系統。

4.2 智能虛擬機械類實驗系統使“創新人才培養模式、加強實踐教學環節研究，深化教學方法與教學手段改革，提高人才培養質量”得到了體現，解決了現有實驗設備規模滯后于學生規模的問題，有效提高了實踐教學效益和質量，提高了學生的實踐能力和創新能力。

4.3 智能虛擬實驗系統為應用型高校在課程與課堂中學生實踐能力培養方式的探索提供理論和實踐的借鑒，為促進教師更新教育教學理念，推動教學組織形式及方法的改革奠定基礎。

[1]Dr.KamalikaBanerjee．UtilisingtheVirtualLaboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education．http://www.c-ol.org/pcf6/fp/zIN4150.doc，2012.2.15．

[2]AlexanderBabich，KonstantinosMavrommatis．Virtual Laboratory Concept for Engineering Education[C]．International Conference on Engine-ering Education and Research"Progress Through Partnership"．Ostrava，2004．

[3]He man Mann，Michal ev enko．Simulation and Virtual Lab Experi-ments across the Internet[C]．International Conference on Engineering Education．Valencia,Spain，July 21-25,2003．

[4]TanujaSheorey，VijayKumarGupta．EffectiveVirtual Laboratory Content Generation and Accessibility for Enhanced Skill Development through ICT[C]．2011 5th International Conference on Distance Learning and Education．Singapore，2011．

[5]吳緯緯，范建蓓，蔡娥等．裝備認知虛擬實驗系統的開發[J]．現代教育技術，2009，19(9)：117-120．

G712

A

1003-5168(2014)04-0271-02

沈振輝（1985.4—），漢族，畢業于福州大學機械制造及自動化專業，碩士研究生，助教，研究方向：CAD/CAE。