基于虛擬仿真技術搭建大型設備輔助教學與遠程共享系統

高學平 劉璐 李淑穎

摘 要：本文基于計算機仿真技術，開發大型設備輔助教學與遠程共享系統。仿輔助教學系統能直觀地演示大型設備內部結構、工作原理、樣品制備、設備操作、上崗考核等整個輔助教學平臺等教學與培訓項目;能較好地解決大型精密儀器稀少和學生與社會大量需求之間的矛盾問題，提高大型設備的受益面和利用率。遠程共享系統能夠拉近時空距離，實現異地可視化交流，提高大型設備平臺服務社會的能力。

關鍵詞：虛擬仿真大型設備輔助教學遠程共享

中圖分類號：G482 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：

Platform Construction of Large Equipment Auxiliary Teaching and Remote Sharing System

Based on the Virtual Simulation Technology

GAO Xueping1 LIU Lu2* LI Shuying2

（1. School of Materials Science and Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China;

2. School of Mechanical Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China）

Abstract： Based on computer simulation technology， this paper develops a large equipment auxiliaryteaching and remote sharing system. The simulated auxiliary teaching system can intuitively demonstrate the internal structure， working principle， sample preparation， equipment operation， post assessment and other teaching and training projects of the whole auxiliary teaching platform; It can better solve the contradiction between the scarcity of large precision instruments and the large demand of students and society， and improve the benefit surface and utilization rate of large equipment.The remote sharing system can shorten the space and time distance， realize the remote visual communication， and improve the ability of the large equipment platform to serve the society.

Key Words： Virtual simulation; Large-scaleequipment; Auxiliary teaching; Remote sharing

大型儀器設備平臺是高校“雙一流”建設的重要支撐與保障，是一流學科建設與發展的物質基礎，是學校培養創新型、復合型人才和開展高水平科研工作的關鍵條件[1，2]。為了配合我國世界一流高校的建設，國家和高校投入了高額經費，購置了大量的先進分析測試設備，建設了一定數量的高水平測試平臺，這極大地改善和提高了高校的辦學條件、科研實力，推進了科研水平的提升。

1國內大型設備平臺建設與運行

1.1大型設備平臺建設與運行中存在的問題

大型設備平臺在持續的建設與運行中，逐漸產生投入、產出、設備利用率、社會服務等方面的問題。

1.1.1大型設備的利用率不高，但存在用戶機時緊張的問題

國家和高校將主要精力放在了大型設備的論證與購置上，在人力方面的重視程度不夠，這種情況下產生了大型設備的利用率不高，而存在用戶機時緊張的問題矛盾現象。

1.1.2短時間內難以培養大量合格的上崗學生

為了改變大型設備的利用率不高，用戶機時緊張的問題，同時培養研究生的動手能力，可以大面積培訓研究生，使研究生具備獨立操作大型設備與測試分析的能力，24h運轉大型設備，由此解決用戶機時緊張與設備利用率不高的矛盾。但此又產生一個新的問題：傳統的教學與培訓系統難以滿足當前的要求。電子顯微鏡類的大型設備都屬于精密儀器，結構與原理復雜，操作精度較高，沒有大量的機時進行實際操作練習，短時間內難以培養合格的上崗學生，這是目前困擾大型設備平臺的一個問題[3，4]。

1.1.3大型設備的遠程開放共享，服務社會不到位

大型儀器設備平臺，不僅服務于本校科研，還肩負著服務社會的責任。異地距離造成時空間隔，信息不易傳達，共享成本高，是導致大型儀器設備難以遠程共享的一大原因。

1.2信息技術與虛擬仿真技術的發展與應用情況

計算機信息技術與虛擬仿真技術的發展，為教育教學的創新發展提供了一個全新的模式，也使基于網絡的虛擬實驗教學和遠程教育得以實現[5-8]。虛擬仿真實驗教學是國家深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平，國家層面要求推廣建設優質虛擬仿真教學資源。

目前，正處在各高校大型設備虛擬仿真平臺建設的熱點時期，各高校紛紛建立各種教學與培訓[9]。北京歐倍爾公司以清華大學部分平臺設備為實驗基礎數據，針對學生學習、考核，以及專業分析人員的操作培訓，開發了一系列大型分析儀器3D虛擬仿真課件。通過搭建三維虛擬仿真實驗室，建立一個逼真的3D環境，使實驗者產生身臨其境的感覺。中國科學技術大學化學虛擬仿真實驗教學中心的大型儀器仿真系統、貴州大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心大型儀器設備虛擬仿真教學實驗部等均正在建設中[10-11]。

總體而言，國內虛擬仿真技術在大型設備培訓教學方面應用的課件資料極少，更缺乏系統性虛擬仿真教學材料。已有部分高校與科技公司開展了某些型號大型設備虛擬仿真實驗室構建工作，但是側重點和目標客戶群不盡相同，應用面較窄，數據庫不完善，針對性不強，不能滿足高校大型平臺不同廠家、不同型號大型分析儀器設備的虛擬教學與培訓工作[12-13]。

1.3 學校大型設備平臺建設與運行的現狀

山東大學在建設雙一流大學的過程中投入大量的建設經費，構建了多個校級公共技術平臺，如圖1所示。山東大學依托學院，構建學科群性質的差異化大型設備共享平臺，充分體現設備的通用性、專用性，采取統管共享和專管共享的模式，實現統分結合、分類管理，良好的建設思路和完善的管理體制，進一步發揮出平臺設備的功能，為培養創新人才和開展高水平科學研究工作提供有力的支撐和保障[14，15]。

目前，學校已經著手解決平臺運行中存在的機時與設備利用率的矛盾問題;山東大學正在積極推進一校三地虛擬實驗資源的開放共享建設，支持建設校級虛擬仿真實驗教學共享平臺，鼓勵與提倡開展虛擬實驗資源建設，拓展實驗內容的深度和廣度，延伸實驗教學時空效果，學校層面要求實施建設線上、線下相結合的實驗教學新模式，不斷提高學生的實踐能力和創新精神。

為了解決目前大型設備平臺存在的問題和當前形勢要求，本文基于虛擬仿真技術構建大型設備仿真系統和遠程共享系統，力爭實現大型設備“人人皆學、處處能學、時時可學”，提高設備利用率和大型平臺服務社會的能力。

2 基于虛擬仿真技術的大型設備輔助教學培訓及遠程共享系統的總體設計

針對以上大型儀器開放共享的問題，本文開發大型設備技能培訓虛擬仿真平臺，通過仿真系統，直觀地顯示大型設備內部電子光學系統的結構、工作原理與運行機制，內部電子束的運動形式、設備真空工作原理、樣品制備、設備操作等教學與培訓項目。虛擬仿真系統提供的圖像，動畫和視頻能夠形象、生動直觀地展現精密設備的各系統，可以讓學生透徹、感性地掌握設備的原理、結構及實驗流程;同時構建的大型儀器設備操作的虛擬仿真系統，可讓學生迅速掌握操作要領，再利用少量實驗機時，就能培養出合格的上崗者，這對于解決用戶機時緊張與設備利用率不高的矛盾問題，具有重要的意義;基于虛擬仿真技術開發一套大型儀器設備操作的系統，構建可以做到“人人可學、處處可學、時時可學”，具有三維立體的、網絡化的大型儀器虛擬實驗室，開展虛擬結合實驗教學工作，對于提高學生的實踐動手能力、提高大型設備利用率，具有極大的實際應用價值。

大型儀器設備平臺，不僅服務于本校科研，還肩負著服務社會的責任。異地距離造成時空間隔，這是造成大型儀器設備難以遠程共享的一大原因。本文構建人機遠程交互系統，實現異地可視化交流樣品處理技術與方法、測試具體要求與實現等，避免人員往返等成本問題，只需花費少許樣品郵寄費，這是高校儀器設備資源社會化服務的一種創新模式。

2.1以電鏡類設備為例的虛擬仿真系統建設內容

掃描電鏡、透射電鏡等大型儀器設備已經廣泛地應用到化學、生物、醫學、材料等各個研究領域，尤其在微觀材料領域的研究工作中，更是不可或缺的工具[16-18]。本文以掃描電鏡為例，構建了掃描電鏡類設備結構、工作原理、上機操作等教學與培訓虛擬仿真系統，并實現網絡化，實現部分大型設備24h開放。大幅提高設備利用率;整合現有資源，構建了大型設備遠程交互系統，提高高校儀器設備資源社會化服務范圍與水平，使大型設備平臺服務山東、服務社會，建立更多的校企合作項目。具體建設內容如圖2所示。

2.2需要解決的關鍵技術問題

第一，虛擬仿真內容腳本的撰寫。腳本編制是虛擬實驗開展的關鍵，不只是設備原理、操作儀器，要充分考慮使用者的交互作用、案例學習，使得步驟之間的聯系更加緊密，同時將設備理論知識、設備操作、安全注意事項、案例應用、數據分析等具體內容通過豐富的遞進方式進行展現。

第二，虛擬仿真平臺技術的實現，關鍵技術要求：虛擬實驗室主場景要有實時動態渲染效果，滿足多角度對設備的觀察與了解;虛擬平臺具有二次擴展能力，滿足不同試驗項目的定制化要求與實驗內容更新需求;開發多人操作與協同模塊技術，實現多人操作訓練與同步管理。

第三，虛擬仿真輔助教學系統與實踐實驗結合，探索線上線下相結合的新型實驗教學模式，通過系列教學培訓，最終解決大型儀器設備稀少、實踐機時少的問題。

3大型設備虛擬仿真系統搭建實施方案

3.1大型設備虛擬仿真系統實施方案

大型設備虛擬仿真系統實施具體方案如圖3所示。通過仿真素材編寫、主場景的確立與建模、仿真項目設計、平臺數據整合4個步驟過程，主體構建理論學習、操作訓練、上崗考核3個模塊，案例學習與數據處理作為選學內容。通過將網絡可視化軟件、視頻與語言交流的硬件的配合，實現大型設備遠程交互系統。

在充滿足圖像實時渲染畫面質量的要求基礎上，進行虛擬仿真主場景的建立，如圖4所示。在場景數據承載方面，制定三維場景建模規范流程，以主場景來控制單體模型數據，結合場景動態加載技術，實現多場景數據的流暢顯示與轉化。采用VRPlatform搭建虛擬現實平臺，開放項目所需的二次開發接口，在易用性、交互性、穩定性方面均可達到一般要求。采用多人協同開發端模塊開發實現多人同步訓練功能。

以模擬實體演示和流程描述為主建立基體結構、工作原理以及操作流程3個項目的教學內容。上崗考核模塊中，以2～3個實驗案例為主題進行大型儀器操作虛擬仿真，根據實驗步驟進行仿真腳本的編制，增加操作的真實性和實用性。建立數據處理中心，對每位參與學習者的考核操作單元步驟進行記錄并與標準進行對比，最終作出評判。

3.2系統運行效果

大型設備技能培訓輔助教學系統的虛擬仿真平臺，如圖5所示。在沒有接觸儀器設備的情況下，人員通過虛擬仿真系統模擬動手操作過程，更直觀地了解設備的結構組成、工作原理，為了更好地實踐操作打好基礎。該系統在本科生、研究生和部分社會人員中開展試用，能較好地解決大型機密儀器稀少和學生與社會大量需求之間的矛盾。在實驗教學中，通過線上線下的結合，解決大型設備貴重、稀少的問題，滿足了從本科到博士的實驗教學和科研工作;在人才培養方面，虛擬仿真平臺可培訓大量學生，提高學生的分析測試能力，并為測試行業培養高精尖測試人才，每年培訓合格上崗人員50～100人;設備實現24h運行，能有效提高大型設備使用機時;遠程共享系統，拉近了企業與高校平臺的距離，增強了大型平臺服務于社會的能力與機會。

4結語

大型設備輔助教學培訓虛擬仿真平臺系統性地構建掃描電鏡的內部結構、工作原理、樣品制備、實際操作培訓、上崗考核等整個生態過程。該系統能較好地解決大型機密儀器稀少和學生與社會大量需求之間的矛盾問題，提高大型設備的受益面和利用率;為實驗教學、技能培訓提供了一種全新的途徑;遠程共享系統在開放共享、服務社會中能夠發揮重要作用。

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