“互聯(lián)網(wǎng)+”高精度非接觸測量虛擬仿真實驗室建設(shè)與探究

摘要：在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，以及5G技術(shù)的到來，虛擬仿真在便捷高效、開放實用上得到更快更好的發(fā)展。虛擬仿真實驗室的建設(shè)，相比傳統(tǒng)實驗室，可以有效提高實驗教學(xué)的安全性，利于推廣應(yīng)用。文章介紹了國內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展的歷程，并以非接觸測量為例，分析了高精度非接觸測量虛擬仿真實驗室的優(yōu)勢，促進高校運用“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，提升實驗教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：“互聯(lián)網(wǎng)+”;非接觸測量;虛擬仿真;實驗室建設(shè)

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0139-02

現(xiàn)今，各大高校均設(shè)立有虛擬仿真教學(xué)實驗室，進一步提高了實驗教育質(zhì)量。虛擬仿真教學(xué)實驗室能適用于多學(xué)科，多領(lǐng)域，便于快速形成配套管理體系。“互聯(lián)網(wǎng)+”的教育背景下，推進虛擬仿真實驗室的建設(shè)，打破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時間空間限制，虛擬仿真實驗室能減少因為天氣、地域等外部環(huán)境因素干擾，帶來較大的實驗誤差，影響實驗的順利進行。另外，虛擬仿真實驗教學(xué)能夠同時滿足較大規(guī)模的教學(xué)要求，對更多的學(xué)生進行實驗指導(dǎo)。

2020年，因突如其來的新冠肺炎疫情，學(xué)校教學(xué)任務(wù)受到嚴(yán)重影響，通過大數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及對應(yīng)硬件設(shè)備，實現(xiàn)了線上教學(xué)，虛擬環(huán)境的教學(xué)要求。虛擬仿真技術(shù)最大的特點是利用計算機技術(shù)替代實驗教學(xué)環(huán)境中的各種場景和環(huán)節(jié)，使得難以在一線教學(xué)中開展的場地、實驗器材等得以體現(xiàn)[1]。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)又稱 VR （Virtual Reality）技術(shù)。現(xiàn)今，這項技術(shù)應(yīng)用廣泛，如虛擬駕駛、虛擬自行車、虛擬劃艇等，在游戲娛樂及仿真教學(xué)上都有應(yīng)用，其優(yōu)勢不僅在于互動性強，還有場地限制性小，便于搭建虛擬仿真平臺等。

該項技術(shù)最早起源于國外，早在20世紀(jì)中期，電子技術(shù)應(yīng)用和數(shù)字信息技術(shù)高速發(fā)展，為VR技術(shù)的誕生提供了一系列的技術(shù)保障。1956年，攝影師Morton Heilig發(fā)明了Sensorama，一款集成體感裝置的3D互動終端，它集成3D顯示器、立體聲音箱、氣味發(fā)生器以及震動座椅，體驗者可以觀看多部短片，對于當(dāng)時的人們來說，體驗新穎，但設(shè)備體積龐大，使用條件也非常苛刻。因此，最早的VR技術(shù)運用不具有商用價值，僅作為隱秘信息查看，其技術(shù)功能相對單一。到20世紀(jì)70年代中期，民用領(lǐng)域才開始出現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)，并在1984年，出現(xiàn)了第一款商業(yè)頭戴式VR設(shè)備——RB2，現(xiàn)在的主流頭戴VR設(shè)備與其類似，并且配有追蹤手套，解決了VR設(shè)備功能方向單一問題，但售價高昂，難以普及。1995年，著名游戲廠商任天堂發(fā)布名為Virtual Boy的游戲機，是一種頭戴式的游戲機，營造一種沉浸式體驗，但受限于技術(shù)，頭戴式的屏幕刷新率和分辨率較低，給用戶帶來了不適感，也未能推廣開來。從那時起，人們對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的探索從未停止，借助計算機信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也進步飛速，大規(guī)模地應(yīng)用于人們生產(chǎn)、生活的各個方面，如儀器儀表、虛擬制造、電子產(chǎn)品設(shè)計、仿真訓(xùn)練等。

20世紀(jì)90年代，計算機設(shè)備在我國發(fā)展普及，為我國信息化技術(shù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。隨著技術(shù)應(yīng)用條件的不斷革新及計算機技術(shù)應(yīng)用水平的充分提升，我國信息化技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展充分完善了全球互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局[2]。虛擬仿真技術(shù)開始受到重視，越來越多的高校科研機構(gòu)參與研發(fā)。

2 虛擬仿真技術(shù)在非接觸測量實驗的應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬仿真實驗是利用三維建模軟件和虛擬現(xiàn)實軟件建立虛擬實驗場景與虛擬實驗儀器，對真實實驗進行模擬或重現(xiàn)，從而達到實驗?zāi)康牡膽?yīng)用過程[3]。不同于傳統(tǒng)實驗方式，虛擬仿真實驗克服了傳統(tǒng)實驗平臺的一些不足，豐富和拓展了現(xiàn)代教育實踐的教育理念，推廣性更強。

根據(jù)測量方式進行分類，分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。接觸式測量即使用測量工具與被測物體接觸。因此，接觸式測量往往需要人工完成，測量效率低下，并且人為操作時，測量精度受人為經(jīng)驗影響。測量一些精密元器件時，接觸式測量還有可能會劃傷元器件表面。所以，在特定情況下，非接觸式測量的優(yōu)勢較為明顯，如測量效率高、不會劃傷工件表面等。

1）非接觸測量虛擬仿真實驗的安全性

非接觸式測量通常是基于光電、電磁等理論，無需接觸工件表面，就可以直觀地獲取工件表面信息，實際試驗操作中，非接觸測量方法主要有激光衍射法、激光掃描法、機械視覺測量等[4]。

非接觸測量虛擬仿真實驗是借助計算機硬件設(shè)備，通過計算機技術(shù)實現(xiàn)信息交互，對三維圖像進行處理，利用虛擬元器件對被測圖像進行測量，模擬現(xiàn)實實驗環(huán)境，但全程通過計算機來完成，極大地提高實驗的安全性、實驗的高效率。工科類的學(xué)生可通過預(yù)先實驗?zāi)M，熟悉實驗步驟，能有效起到對實驗器材以及個人人身安全的保護作用。另外，面對一些復(fù)雜的測量環(huán)境，如高溫環(huán)境、寒冷環(huán)境下等，非接觸測量虛擬仿真實驗?zāi)苣M這些復(fù)雜環(huán)境，并且具有環(huán)境參數(shù)設(shè)置，模擬現(xiàn)實環(huán)境條件，以達到更加精確的測量。非接觸測量虛擬仿真實驗也可通過環(huán)境條件，如改變溫度條件、濕度條件、氣壓條件等，探索出最合適的測量環(huán)境條件，以提高測量的精確值，減少誤差。

2）強化基礎(chǔ)知識概念

高校課堂教學(xué)通常采用信息化教學(xué)，以多媒體設(shè)備為主要硬件設(shè)備，教師使用多媒體呈現(xiàn)豐富教學(xué)內(nèi)容，利于學(xué)生從多個角度對知識概念理解，但是對于非接觸測量實驗課程，不能直觀地展現(xiàn)實驗過程。非接觸測量虛擬仿真實驗?zāi)芎芎玫貜浹a這一缺點，仿真實驗過程中，學(xué)生能觀測到測量過程中的數(shù)據(jù)變化、數(shù)據(jù)處理的過程。因此，非接觸測量虛擬仿真實驗更加直觀地反映實驗過程，強化學(xué)生對基礎(chǔ)知識概念的理解。由于非接觸測量虛擬仿真在實驗教學(xué)方面的運用，實現(xiàn)了對知識概念立體化呈現(xiàn)，使高校實驗教學(xué)工作的開展，尤其是工科類學(xué)生，可以針對不同專業(yè)學(xué)科，優(yōu)化教育策略，提高實驗課程教學(xué)靈活性，為后續(xù)階段實驗教學(xué)工作穩(wěn)步推進創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。

此外，非接觸測量虛擬仿真實驗結(jié)果的處理，還為其他知識做鋪墊，如誤差補償、數(shù)控加工等方面的知識，針對非接觸測量虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)的處理，進行面型擬合，并與理論面型數(shù)據(jù)進行比較，得出誤差模型，并對其進行補償，利用數(shù)控機床，將誤差模型導(dǎo)入，再對工件進行加工，可有效減少誤差，提高加工精度。這些操作流程步驟，可有效提高學(xué)生們的知識水平能力，對測量加工制造這些方面知識系統(tǒng)性掌握。

3）理論與實踐多元化能力培養(yǎng)

工科院校類注重實踐創(chuàng)新能力，突出應(yīng)用型人才培養(yǎng)，院校提供相應(yīng)的實驗實踐場地，培養(yǎng)出專業(yè)知識理論扎實，實踐動手能力較強，同時還具備一定創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才。強化理論與實踐相結(jié)合，推行“理實一體化”課程，構(gòu)建實踐育人體系，將專業(yè)能力培養(yǎng)貫穿人才培養(yǎng)的全過程[5]。非接觸測量虛擬仿真實驗的建設(shè)能夠滿足這些要求，理論與實踐并重，并且培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)任務(wù)的不同，也多元化開展教學(xué)任務(wù)，布置出不同的測量實驗任務(wù)，如針對平面、球面、非球面、離軸非球面、自由曲面等不同表面的非接觸測量，確保適用不同學(xué)生，不同任務(wù)的要求。

非接觸測量虛擬仿真實驗還具有計算機軟件操作能力的鍛煉，在完成仿真實驗的過程中，對計算機知識的水平能力的考驗也具有重要意義。對多種待測工件，如平面、球面、非球面、離軸非球面、自由曲面等不同表面的非接觸測量，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，達到了舉一反三，靈活運用的效果。

3 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的非接觸測量虛擬仿真實驗建設(shè)

1）虛擬平臺搭建

使用計算機等硬件設(shè)備，整合三維建模軟件以及數(shù)據(jù)處理軟件，對所建理論曲面模型進行測量，利用設(shè)計虛擬仿真實驗軟件，選擇非接觸式測量儀器的類型以及參數(shù)，然后測量并收集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù);根據(jù)處理數(shù)據(jù)的結(jié)果，與所建立的理論模型面型數(shù)據(jù)比較，得到理論誤差模型。高精度虛擬仿真實驗操作流程如圖1所示。其中登錄平臺可以更好地記錄學(xué)生實驗數(shù)據(jù)操作情況，便于指導(dǎo)實驗過程。最終得到的測量誤差模型，可以應(yīng)用到誤差補償中，通過虛擬仿真實驗對被測工件加工補償減小誤差。

2）課后教學(xué)檢驗

實驗教師可登錄教師系統(tǒng)，后臺觀測學(xué)生課堂虛擬仿真實驗的過程，對其進行在線答疑，在線指導(dǎo)。另外，也可通過計算機終端資料發(fā)放、在線直播課程、仿真實驗演示等輔助教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量。由于教師計算機與多臺學(xué)生計算機終端相連接，教師的教學(xué)效率可大大地提高，對學(xué)生實驗結(jié)果可進行線上檢驗、線上批改，減輕教師工作壓力。

4 結(jié)束語

虛擬仿真實驗室是科技與教育相結(jié)合催生出的，其出現(xiàn)是為了解決實驗設(shè)備數(shù)量少以及場地限制等條件因素對教學(xué)的影響。 “互聯(lián)網(wǎng)+”是指在創(chuàng)新2.0（信息時代、知識社會的創(chuàng)新形態(tài)）推動下由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新業(yè)態(tài)，也是在知識社會創(chuàng)新2.0推動下由互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)演進、催生的經(jīng)濟社會發(fā)展新形態(tài)。通過互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)的有機結(jié)合，迸發(fā)出更多活力。“互聯(lián)網(wǎng)+”高精度非接觸測量虛擬仿真實驗室打破傳統(tǒng)條件限制，為教學(xué)要求創(chuàng)造了更好的條件，解決了部分課堂矛盾，促進教學(xué)質(zhì)量不斷提高。

參考文獻：

[1] 郭秀艷，馬國金，吳霞，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下虛擬仿真實驗教學(xué)[J].中國冶金教育，2021（1）：55-56.

[2] 楊萬霞.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建與應(yīng)用[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2021，37（2）：116-119.

[3] 陳莉.基于VRP的高中信息技術(shù)虛擬仿真實驗平臺構(gòu)架研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2014.

[4] 李鼎.零件輪廓尺寸非接觸式測量技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[5] 李凡，朱禮貴，王海濤.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下汽車實驗線上教學(xué)模式探索與創(chuàng)新[J].內(nèi)燃機與配件，2020（18）：233-234.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】

收稿日期：2021-10-10

作者簡介：楊清（1982—），女，河南杞縣人，助理實驗師，學(xué)士，研究方向為計算機應(yīng)用。