三維仿真教學(xué)軟件開發(fā)與應(yīng)用機(jī)制的研究

蒙俊健+黃濤+吳言+蘭松云

【摘 要】本文對三維仿真技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用、三維仿真教學(xué)軟件的開發(fā)方式和流程進(jìn)行探討，論述三維仿真教學(xué)軟件應(yīng)用的運行管理機(jī)制、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)機(jī)制、教師培訓(xùn)機(jī)制、仿真軟件應(yīng)用的考評機(jī)制、仿真軟件使用評價機(jī)制的主要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】三維仿真教學(xué)軟件 開發(fā) 應(yīng)用機(jī)制

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）04B-0027-03

計算機(jī)仿真是在計算機(jī)上建立形式化的數(shù)學(xué)模型，然后按一定的實驗方案，利用系統(tǒng)的模型通過模型解算的方法來獲得系統(tǒng)動態(tài)行為的一種研究系統(tǒng)的過程。計算機(jī)仿真技術(shù)是以計算機(jī)為工具，以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、控制理論、信息處理技術(shù)以及各種相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，根據(jù)系統(tǒng)試驗?zāi)康模⑾到y(tǒng)模型，并在不同的條件下，對模型進(jìn)行動態(tài)運行試驗的一門綜合性技術(shù)。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，仿真技術(shù)由二維平面圖形向三維虛擬現(xiàn)實逐步轉(zhuǎn)化。三維仿真技術(shù)具有生動、形象、經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)制造、交通運輸、工程設(shè)計、教育培訓(xùn)、軍事、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域之中。

一、三維仿真技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

仿真教學(xué)是利用實物或計算機(jī)創(chuàng)設(shè)各種虛擬環(huán)境來模擬真實環(huán)境，并根據(jù)真實環(huán)境中的理論和實際操作情況在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作、驗證、設(shè)計、運行、優(yōu)化等的教學(xué)方式。它的出現(xiàn)對職業(yè)教育的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動作用，為新的教學(xué)手段開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，使教學(xué)方式、方法的改革和創(chuàng)新成為職業(yè)教育發(fā)展的必然趨勢，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)使用，可以使職業(yè)技術(shù)教育實現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)，突破傳統(tǒng)職業(yè)教育依賴于硬件設(shè)備進(jìn)行教學(xué)的局限，促進(jìn)職業(yè)教育躍上了一個新的臺階。目前，許多職業(yè)院校充分利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)開發(fā)了三維仿真教學(xué)軟件、實驗或?qū)嵙?xí)仿真教學(xué)系統(tǒng)，開展仿真教學(xué)和實驗、實訓(xùn)操作訓(xùn)練，如利用數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)學(xué)生編程刀具路徑軌跡校驗、檢查碰撞、工件過切、程序優(yōu)化等教學(xué)過程，盡可能避免未經(jīng)校驗的程序在實機(jī)操作過程發(fā)生碰撞等危害事故。電梯技術(shù)實訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)可實現(xiàn)電梯技術(shù)中的機(jī)械、電路、傳感器、變頻調(diào)速、PLC 控制等技術(shù)實訓(xùn)的仿真教學(xué)。建立與課程相對應(yīng)的仿真實驗室、仿真實訓(xùn)室、仿真實訓(xùn)車間、工廠，利用仿真實訓(xùn)室開展單項技能訓(xùn)練和綜合項目實訓(xùn)，如數(shù)控仿真實訓(xùn)室、三維電子導(dǎo)游仿真實訓(xùn)室、財務(wù)仿真實訓(xùn)室、冶金仿真實訓(xùn)室、變電仿真實訓(xùn)室等仿真實訓(xùn)室，使學(xué)生直觀地、低成本地體驗生產(chǎn)環(huán)境，完整地、清晰地了解生產(chǎn)流程和各個崗位的工作任務(wù)等。

二、三維仿真教學(xué)軟件的開發(fā)方式

教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》明確提出：加快職業(yè)教育信息化建設(shè)，建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實訓(xùn)基地。由此可見，虛擬仿真實訓(xùn)基地是專業(yè)實訓(xùn)基地的一個重要組成部分，職業(yè)院校要積極建設(shè)仿真實訓(xùn)基地等信息化教學(xué)設(shè)施，組織力量開發(fā)適合學(xué)校發(fā)展需要的仿真教學(xué)軟件，以滿足信息化教學(xué)的需要和專業(yè)建設(shè)的需求。三維仿真教學(xué)軟件的開發(fā)通常有學(xué)校自主開發(fā)、校企合作開發(fā)、軟件購置三種方式。學(xué)校組織教師自主開發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件，主要是解決教師教學(xué)中特定的教學(xué)問題，這是提高教師信息技術(shù)水平的一個重要舉措，也是解決學(xué)校信息化教學(xué)資源不足的主要途徑。例如，廣西機(jī)電工業(yè)學(xué)校教師自主開發(fā)的基于單片機(jī)技能大賽的三維虛擬仿真軟件，仿真度高，可以根據(jù)訓(xùn)練項目進(jìn)行編程和調(diào)試程序?qū)嵱?xùn)操作，包括單片機(jī)控制的機(jī)械手進(jìn)行實時仿真等。校企合作開發(fā)的虛擬仿真教學(xué)軟件主要是學(xué)校根據(jù)自身需要定制的產(chǎn)品，學(xué)校根據(jù)自身教學(xué)需要提出仿真軟件系統(tǒng)的總體要求、技術(shù)要求、教學(xué)模塊功能、產(chǎn)品的指標(biāo)等需求，成立由學(xué)校專業(yè)教師和企業(yè)專家組成的開發(fā)小組，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)認(rèn)知規(guī)律和企業(yè)的崗位要求及工作過程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，再由軟件技術(shù)開發(fā)公司來負(fù)責(zé)技術(shù)實現(xiàn)。例如，廣西機(jī)電工業(yè)學(xué)校開發(fā)的基于工作過程的模擬電路分析與制作三維仿真、地質(zhì)災(zāi)害三維仿真等與教材配套、具有學(xué)校特色的教學(xué)軟件。軟件購置是學(xué)校根據(jù)教學(xué)需要和使用場所，購置易于實現(xiàn)與其他設(shè)備、軟件銜接的行業(yè)中具有代表性的教學(xué)軟件系統(tǒng)。

三、三維仿真教學(xué)軟件開發(fā)的流程

教學(xué)軟件是為實現(xiàn)特定的教學(xué)目標(biāo)、實施特定的教學(xué)過程而設(shè)計開發(fā)的應(yīng)用軟件，教學(xué)性是它固有的屬性。在開發(fā)過程中應(yīng)將教學(xué)設(shè)計和軟件工程二者有機(jī)結(jié)合，軟件開發(fā)團(tuán)隊?wèi)?yīng)該由職教專家和專業(yè)技術(shù)專家等組成。自主開發(fā)和校企合作開發(fā)仿真教學(xué)軟件一般由分析、論證、設(shè)計、實現(xiàn)、測試、驗收這六個階段組成，而軟件購置則省略了設(shè)計和實現(xiàn)這兩個階段，三維仿真教學(xué)軟件開發(fā)的流程如圖 1 所示。

（一）需求分析。教學(xué)軟件的需求分析是保證教學(xué)軟件開發(fā)質(zhì)量的重要前提。其主要任務(wù)是回答“軟件必須做什么”，從而確定軟件開發(fā)的目標(biāo)和預(yù)期效果，并在使用條件分析、軟件功能分析和教學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，確定軟件的使用條件、教學(xué)功能、教學(xué)特性等其他方面的要求。

（二）方案論證。根據(jù)軟件開發(fā)的目標(biāo)和預(yù)期效果，對所要開發(fā)的軟件產(chǎn)品現(xiàn)狀進(jìn)行比較分析，明確已有教學(xué)軟件同類產(chǎn)品可以解決的問題和不能解決的問題。依據(jù)教學(xué)需求分析和已有產(chǎn)品現(xiàn)狀分析的結(jié)論論證教學(xué)軟件開發(fā)的必要性，從教學(xué)軟件開發(fā)的經(jīng)費、開發(fā)團(tuán)隊的組成及其成員的技術(shù)水平、教學(xué)功能實現(xiàn)的技術(shù)手段等方面論證教學(xué)軟件開發(fā)的可行性，進(jìn)一步確定開發(fā)軟件的總目標(biāo)。

（三）軟件設(shè)計。為了保證教學(xué)軟件的教學(xué)性、科學(xué)性和可操作性，軟件設(shè)計很重要的一部分工作就是進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，圍繞教學(xué)軟件的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略和評價方式分別進(jìn)行分析設(shè)計，確定教學(xué)軟件整體框架結(jié)構(gòu)，功能模塊等。

（四）軟件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)是教學(xué)軟件開發(fā)流程中最能體現(xiàn)教學(xué)軟件特色的重要環(huán)節(jié)。首先要進(jìn)行技術(shù)預(yù)研，選擇合理的開發(fā)平臺以及軟件工具，然后根據(jù)軟件設(shè)計的結(jié)果，圍繞教學(xué)軟件的界面、數(shù)據(jù)庫、功能模塊等詳細(xì)規(guī)劃。比如，對機(jī)械部件的實物原型進(jìn)行三維建模、運動功能、驅(qū)動控制、外部數(shù)據(jù)接口等功能設(shè)計。最后，使用 Unity3D 軟件作為開發(fā)平臺，實行仿真環(huán)境的場景、環(huán)游功能和人機(jī)交互功能。具體實現(xiàn)步驟包括：先測量實物的實際尺寸，使用 CAD 軟件繪制二維圖像（.DWG 格式），然后利用二維圖像在 3DsMax 軟件中建立三維模型（.FBX格式），最后在 Unity3D 軟件中導(dǎo)入三維模型，針對三維模型的碰撞檢測以及人機(jī)交互功能進(jìn)行代碼的編寫。

（五）軟件測試。軟件測試是確保教學(xué)軟件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，分為單元測試、整體測試。由教育專家、技術(shù)專家、教師和學(xué)生對所開發(fā)的軟件產(chǎn)品進(jìn)行功能和效果等測試，及時發(fā)現(xiàn)軟件產(chǎn)品存在的問題，再根據(jù)存在的問題和修改建議進(jìn)行修改優(yōu)化。

（六）評審驗收。教學(xué)軟件的評審驗收需要專家、同行和用戶三方結(jié)合進(jìn)行。專家和同行的評審可以保證教學(xué)軟件的教學(xué)功能和技術(shù)性功能，用戶評審有利于積累教學(xué)軟件的開發(fā)經(jīng)驗。

四、三維仿真教學(xué)軟件的應(yīng)用機(jī)制

仿真教學(xué)軟件（系統(tǒng)）應(yīng)用的主體是教師、學(xué)生和在職培訓(xùn)者。應(yīng)用仿真教學(xué)軟件的目的主要有三個方面：一是通過仿真教學(xué)軟件的虛擬交互，使抽象內(nèi)容形象化，學(xué)習(xí)活動變得生動有趣味，降低學(xué)習(xí)難度，調(diào)動學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性，從而提高教學(xué)效果；二是利用仿真軟件開展教學(xué)，可以彌補(bǔ)場地、設(shè)備和師資的不足，實現(xiàn)理論與實踐的同步教學(xué)，提高教學(xué)效率；三是利用仿真教學(xué)軟件和網(wǎng)絡(luò)搭建的平臺，打破地域和時間的限制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程培訓(xùn)。為更好實現(xiàn)上述目標(biāo)，必須建立相應(yīng)的仿真軟件運行管理機(jī)制、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)機(jī)制、教師培訓(xùn)機(jī)制、仿真軟件應(yīng)用的考評機(jī)制、仿真軟件使用評價機(jī)制，如圖 2 所示。

（一）仿真軟件運行管理機(jī)制。為教師、學(xué)生和培訓(xùn)者提供便捷的教學(xué)使用平臺是仿真教學(xué)軟件應(yīng)用的基本前提，因此教學(xué)軟件運行管理機(jī)制是教學(xué)軟件應(yīng)用中最重要的機(jī)制。經(jīng)評審驗收后仿真教學(xué)軟件由學(xué)校信息中心或相應(yīng)的部門進(jìn)行集中管理，負(fù)責(zé)教學(xué)平臺的運行管理和維護(hù)。相關(guān)的專業(yè)教學(xué)部門或開發(fā)部門負(fù)責(zé)開發(fā)與之對應(yīng)的教材、學(xué)習(xí)指導(dǎo)等教學(xué)資料，并建立相應(yīng)的教學(xué)平臺，為仿真教學(xué)軟件的應(yīng)用提供基本的保障。可通過建立完善相關(guān)管理制度和明確工作職責(zé)來建設(shè)仿真教學(xué)軟件運行管理機(jī)制。

（二）學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)課程在線學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程培訓(xùn)的主要對象是在校學(xué)生和在職職工。可通過把學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)或職工參加遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的情況與對應(yīng)課程考核成績掛鉤的方式建立學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)機(jī)制。

（三）教師培訓(xùn)機(jī)制。教師是仿真教學(xué)軟件的主要用戶之一。教師要對軟件的使用方法、應(yīng)用場合及其主要功能、教學(xué)性能要十分清楚，并能熟練演示和操作仿真軟件，才有可能在教學(xué)實施過程中應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行教學(xué)。可采取企業(yè)培訓(xùn)、校本培訓(xùn)和開展相關(guān)教學(xué)教研活動的方式對教師開展培訓(xùn)，并建立教師學(xué)習(xí)培訓(xùn)跟蹤考核評價制度，確保教師會用、想用，使之成為教學(xué)中不可缺少的重要手段，提高教師信息化教學(xué)應(yīng)用水平。

（四）仿真教學(xué)軟件應(yīng)用的考評機(jī)制。教師是教學(xué)的組織實施者。要充分調(diào)動教師利用仿真軟件開展課堂教學(xué)或組織實施項目的積極性，改革教學(xué)方式、方法和教學(xué)模式，（下轉(zhuǎn)第38頁）（上接第28頁）更好地利用仿真軟件輔助教學(xué)，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。建立教師應(yīng)用仿真軟件的考評機(jī)制可以從以下幾個方面入手。一是將教師應(yīng)用仿真軟件（信息化）教學(xué)明確為工作職責(zé)之一；二是把教師應(yīng)用仿真軟件（信息化）教學(xué)的考評機(jī)制納入教師學(xué)期業(yè)務(wù)考核內(nèi)容；三是與教師的專業(yè)技術(shù)職務(wù)晉升掛鉤，將教師運用應(yīng)用仿真軟件（信息化）教學(xué)的能力作為教師的崗位能力，作為資格晉升的必要條件之一；四是建立獎勵制度，對教師開發(fā)仿真軟件和應(yīng)用仿真軟件參加信息化教學(xué)比賽給予業(yè)務(wù)考核加分和物質(zhì)獎勵。

（五）仿真軟件使用評價機(jī)制。建立有效的仿真軟件使用評價機(jī)制。從教師、學(xué)生、培訓(xùn)者的多維角度，對軟件教學(xué)功能、性能、效果和可操作性及開發(fā)水平等方面進(jìn)行調(diào)查評價，在調(diào)查評價基礎(chǔ)上分析其使用效率、使用效果、評價反饋意見等，為同類仿真教學(xué)軟件的開發(fā)提供改進(jìn)的依據(jù)和借鑒。

總之，教育信息化已經(jīng)成為職業(yè)教育發(fā)展的必然趨勢。隨著計算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)水平的不斷提高和計算機(jī)仿真的硬件與軟件成本的逐漸降低，三維仿真教學(xué)軟件將不斷地升級更新，更加智能化、真實化，從而使得仿真軟件具有成本較低、貼近真實的工作場景、操作簡單、靈活方便、維護(hù)容易、學(xué)生參與性強(qiáng)、互動性好、易于接受的特點，最終三維仿真教學(xué)軟件將會在職業(yè)教育領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，成為新時期的重要輔助教學(xué)手段。

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【基金項目】廣西職業(yè)教育教學(xué)改革重點項目“國土資源行業(yè)培訓(xùn)與職業(yè)教育教學(xué)平臺的研究與實踐”（GXZZJG2015A007）研究成果。

（責(zé)編 劉 影）