基于虛實(shí)模型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

殷復(fù)鵬 王立群＊

（山東建筑大學(xué)<管理工程學(xué)院>，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

學(xué)科之間的交叉融合和管理創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是高校發(fā)展的重要途徑[1]，實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的重要場(chǎng)所越來(lái)越被高校重視[2]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以完成施工過(guò)程或生產(chǎn)過(guò)程的模擬，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)受到限制。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與成熟，建設(shè)虛擬仿真平臺(tái)成為工程管理和工業(yè)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要內(nèi)容之一[3]。然而受虛擬仿真資源的限制，大部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)資源單一，內(nèi)容簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性差，實(shí)驗(yàn)形式多以演示和驗(yàn)證為主，無(wú)法發(fā)揮學(xué)生的自主性，在創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面存在一定的缺陷[4]。將信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)新方法研究，將實(shí)體模型與虛擬仿真模型相結(jié)合，能夠豐富虛擬仿真教學(xué)資源，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新主動(dòng)性[5]，對(duì)培養(yǎng)管理類(lèi)創(chuàng)新人才具有積極的促進(jìn)作用。

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

虛擬仿真技術(shù)已成為人們認(rèn)識(shí)世界、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的重要手段，以仿真驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的理念在各行業(yè)中逐漸建立起來(lái)，一些高校基于虛擬仿真技術(shù)建立了相關(guān)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于工程管理和工業(yè)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決工程或生產(chǎn)中存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因此，現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是虛擬仿真模型的來(lái)源。基于虛實(shí)模型的虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于虛實(shí)模型的虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

首先從認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題出發(fā)，構(gòu)建能夠反映工程實(shí)例的靜態(tài)實(shí)體模型；其次通過(guò)對(duì)抽象的問(wèn)題，構(gòu)建虛擬環(huán)境下的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型和仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)工程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真；實(shí)體模型與虛擬模型之間通過(guò)先進(jìn)識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)；最后通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的對(duì)比分析，解釋導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的因素并予以解決，從而支持認(rèn)知驗(yàn)證、綜合設(shè)計(jì)、開(kāi)放創(chuàng)新等不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

2.1 實(shí)體模型子平臺(tái)

對(duì)于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)研究對(duì)象，難以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行完全呈現(xiàn)，有些院校通過(guò)建立小型現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境的方式為學(xué)生的實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)提供認(rèn)知環(huán)境，但這種方式投入大，占用空間大，且僅僅呈現(xiàn)部分現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，難以讓學(xué)生從整體上對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行綜合把握。實(shí)體模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按比例進(jìn)行縮小制作而成的物理模型，是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)之間的有效銜接，具有體積小、投入少、制作簡(jiǎn)單、占地面積少等優(yōu)勢(shì)，在一定程度上能夠滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)研究對(duì)象的感性認(rèn)識(shí)，與虛擬仿真模型進(jìn)行交互，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)研究對(duì)象運(yùn)行過(guò)程的展現(xiàn)。實(shí)體模型子平臺(tái)為師生提供了研究現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、制作實(shí)體模型的環(huán)境和技術(shù)。

2.2 仿真資源設(shè)計(jì)子平臺(tái)

基于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)創(chuàng)作的實(shí)體模型僅能從結(jié)構(gòu)和外觀(guān)上對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行反映，卻不能展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，只有借助虛擬仿真模型才能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。仿真資源設(shè)計(jì)子平臺(tái)通過(guò)特定的系統(tǒng)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)資源創(chuàng)作軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)由實(shí)體模型到虛擬仿真模型、由現(xiàn)實(shí)環(huán)境到虛擬仿真環(huán)境的轉(zhuǎn)變。平臺(tái)所用軟件系統(tǒng)根據(jù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的需求確定，所創(chuàng)建的模型包括系統(tǒng)仿真模型和虛擬現(xiàn)實(shí)模型。系統(tǒng)仿真模型對(duì)所研究對(duì)象從結(jié)構(gòu)或行為過(guò)程方面進(jìn)行描述，為系統(tǒng)的運(yùn)行仿真提供資源；虛擬現(xiàn)實(shí)模型是基于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所建立的一種逼真的、虛擬的、交互式的三維空間環(huán)境，用于虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬。系統(tǒng)仿真模型、虛擬現(xiàn)實(shí)模型和實(shí)體模型之間通過(guò)二維碼、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真子平臺(tái)

虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真子平臺(tái)基于VR/AR/MR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和相關(guān)系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)虛擬模型進(jìn)行仿真，并輸出仿真結(jié)果。常用的系統(tǒng)分為系統(tǒng)仿真系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真系統(tǒng)基于系統(tǒng)仿真模型，對(duì)所研究對(duì)象進(jìn)行仿真模擬，以獲取系統(tǒng)的運(yùn)行和動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的控制與決策提供依據(jù)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件設(shè)備構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中的再現(xiàn)，支持人機(jī)交互操作，完成類(lèi)似真實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)。平臺(tái)通過(guò)所建立的虛擬仿真模型與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)形成交互，支持多專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研，為師生提供了一種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)手段，可用于收集和積累信息，對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析與評(píng)價(jià)，并基于仿真結(jié)果啟發(fā)新思想，提出改進(jìn)系統(tǒng)的新方案。

3 基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立應(yīng)遵循以學(xué)生為中心，以現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題為先導(dǎo)，以開(kāi)放項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，以創(chuàng)新為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為主，同時(shí)也支持課程綜合實(shí)驗(yàn)，包括認(rèn)知驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。認(rèn)知驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是針對(duì)某一門(mén)課程或某個(gè)知識(shí)點(diǎn)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，也可以由學(xué)生課外自主完成；綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用與驗(yàn)證，如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等；開(kāi)放創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是本平臺(tái)的核心實(shí)驗(yàn)，具有開(kāi)放性、創(chuàng)新性、綜合性和應(yīng)用性等特點(diǎn)，包括各種學(xué)科競(jìng)賽、課外開(kāi)放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及由教師科研項(xiàng)目引出的科研實(shí)驗(yàn)等。

虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系不斷迭代更新，注重知識(shí)的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性，實(shí)現(xiàn)學(xué)科的交叉融合，為培養(yǎng)創(chuàng)新性人才提供指導(dǎo)綱領(lǐng)，面向相關(guān)行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了“教—學(xué)—練—用”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，如何發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力成為高校迫切需要解決的問(wèn)題。針對(duì)工程管理和工業(yè)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)，集成傳統(tǒng)物理環(huán)境實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題為導(dǎo)向，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，以實(shí)體模型和仿真模型為基礎(chǔ)，以虛擬仿真為方法，建立基于虛實(shí)模型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠充分發(fā)揮學(xué)生積極性和創(chuàng)新能力，對(duì)高校培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要作用。建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還需要借用物聯(lián)網(wǎng)、三維打印、人工智能等先進(jìn)技術(shù)。