檢測類專業虛擬仿真實訓平臺開發研究

康愛彬 程彥海 陳奇 張曉媛 周正火 何曉云

摘要：本文主要探討檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的開發。采用系統化分析方法，深入探討虛擬仿真技術的重要性，并闡述了檢測類專業虛擬仿真實訓平臺在提升學生實踐能力、提供靈活學習環境及節約資源方面的優勢。結合一系列平臺功能需求，詳細介紹了系統框架設計、虛擬環境構建以及模擬實驗實現方面的創新實踐，得出了該實訓平臺具有廣泛的適用性和可持續發展性的結論。為了使平臺持續優化，提出了互聯網技術與在線協同學習整合、引入人工智能技術和強化平臺個性化等方面的改進和發展建議。本研究旨在推動檢測類專業教育教學模式改革，培養學生的實踐能力以適應社會需求。

關鍵詞：檢測類專業；虛擬仿真；實訓平臺；學習環境；個性化

引言

近年來，隨著科技的發展和教育模式的轉變，虛擬仿真技術在教育領域中的應用越來越受到重視。特別是在檢測類專業領域，虛擬仿真實訓平臺的開發研究成為提高學生實踐能力和培養實際操作技能的重要途徑。通過模擬真實的檢測環境和實驗過程，學生可以在虛擬環境中進行實際操作訓練，提升技能水平和應對實際工作挑戰的能力。因此，本文旨在介紹檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的開發研究，探討其在教育領域中的應用價值，并為相關領域的教育者和研究者提供參考和借鑒。

1. 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是一種利用計算機生成的虛擬環境來模擬現實世界的技術，通過計算機生成的三維圖像、聲音和觸覺反饋，讓用戶感覺自己置身于一個虛擬環境中，并能與該環境進行交互。虛擬仿真技術通過模擬真實世界的物理特性、行為和情境，使用戶能夠進行實驗、訓練、學習或體驗，以達到特定的目的。虛擬仿真技術的背景可以追溯到20世紀60年代，當時主要應用于軍事、航空航天和醫療等領域。隨著計算機技術和圖形處理能力的不斷提升，虛擬仿真技術逐漸向更廣泛的領域滲透，如教育、娛樂、建筑、工程和醫學等，為用戶提供了一種安全、經濟和高效的方式來進行實踐、培訓和學習，避免了現實環境中的風險和成本。虛擬仿真技術的發展為各行各業帶來了許多機遇和挑戰，不僅能提高效率和減少成本，還能提供更安全、更真實的實踐和學習環境，隨著技術的不斷進步，虛擬仿真技術將繼續發展并在更多領域發揮重要作用[1]。

2. 檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的重要性

2.1 提升學生實踐能力

檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的重要性在于能夠提升學生的實踐能力和培養實際操作技能。傳統的教學模式往往側重于理論知識的傳授，缺乏對實際操作的培養。虛擬仿真實訓平臺通過模擬真實的檢測環境和實驗過程，為學生提供了一個安全、可控的實踐平臺。學生可以在虛擬環境中進行各種實際操作訓練，如儀器操作、數據分析、故障排除等，從而提高技能水平和應對實際工作挑戰的能力[2]。

2.2 提供靈活的學習環境

檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的另一個重要性在于能夠提供靈活的學習環境和個性化的學習體驗。傳統的實驗室教學往往受到時間、空間和資源等限制，學生的學習體驗受到了一定的局限。而虛擬仿真實訓平臺可以隨時隨地進行學習，學生可以按照自己的節奏和需求進行學習，實現個性化的學習體驗。同時，平臺還可以根據學生的學習情況和進展，提供實時的反饋和指導，幫助學生更好地理解和掌握知識。

2.3 節約資源

檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的第三個重要性在于能夠節約資源和降低成本。傳統的實驗室教學需要大量的儀器設備、實驗材料和場地等資源投入，而這些資源往往是有限的。虛擬仿真實訓平臺通過虛擬環境的模擬，可以大大減少對實際物理設備和材料的需求，節約了資源和成本。同時，平臺還可以支持多人同時進行實訓，提高資源利用效率，為更多的學生提供實踐機會，彌補傳統實驗室教學的不足[3]。

3. 檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的設計與開發過程

3.1 平臺功能需求探討

在檢測類專業虛擬仿真實訓平臺建設和擴展之初，平臺功能需求研究是至關重要的一環，其目標在于明確平臺所需具備的功能，以滿足學生在實際操作學習中的需求。

作為平臺的核心功能，數據收集與處理能力應能夠模擬真實的檢測場景，借助傳感器或其他設備獲取相關數據，并具備數據分析處理能力，以提供精確的檢測結果和評估。

虛擬試驗模塊是平臺的關鍵組成部分，平臺應提供豐富的虛擬試驗模塊，覆蓋檢測類專業的各領域和技術要求，學生能在虛擬環境中進行實驗操作，模擬真實的檢測流程和操作步驟，助力學生掌握操作技能，并加強對理論知識的理解。

實時反饋與評估是學生在虛擬仿真實訓平臺中獲得指導和進步的重要途徑，平臺須實時監控學生的操作，并給出相應反饋，包括操作的正確性、準確性和效率等方面的評估，根據學生表現提供個性化的學習建議，協助學生發現不足并進行改進。

除此之外，平臺還可以考慮其他附加功能，例如學習資源的提供、學習記錄的保存與分享、學生之間的交流互動等，這些功能可以進一步豐富學生的學習體驗，并推動他們的學習成果。對于平臺功能需求的探討，有益于確保檢測類專業虛擬仿真實訓平臺在滿足學生需求、提升實踐能力和培育操作技能方面具有有效性和可行性，同時為平臺的構建和擴展提供明確的導向和方針。

3.2 系統框架設計

3.2.1 虛擬環境仿真

平臺的核心目標在于提供一個真實的虛擬環境，以模擬檢測設備、樣本和相關工具的使用情景。為實現此目標，系統框架應包含虛擬環境建模和渲染模塊，建模模塊負責構建虛擬環境中的各元素，如儀器設備、樣本和實驗場景等，渲染模塊則致力于以逼真方式呈現建模元素給用戶，確保學生在虛擬環境中獲得真實感與沉浸感[4]。

3.2.2 數據模型與算法

為模擬真實的檢測過程和結果，平臺須設計合適的數據模型和算法。數據模型應準確描述樣本特征與性質，以及儀器設備的參數和工作原理。算法模塊則負責模擬檢測過程中的數據處理、分析和解釋。例如，可采用機器學習算法訓練模型，使其根據輸入數據生成精確檢測結果。此外，還可考慮引入實時數據更新和反饋機制，以增強模擬實驗的真實性和靈活性。

3.2.3 用戶界面與交互設計

平臺的用戶界面應簡潔、直觀，便于學生操作和導航。界面設計需關注用戶體驗，提供明確的指導和操作提示。此外，平臺還要提供交互功能，如虛擬環境中的元素交互、參數調整和實驗數據記錄等。通過優秀的用戶界面與交互設計，學生能更好地參與實驗過程，提高學習成效和操作技能。在系統框架設計過程中，還需考慮平臺的可擴展性和可維護性。平臺應具備良好擴展性，便于根據技術和教育需求變更進行功能增加與更新，平臺維護性也須得到重視，確保平臺穩定、可靠，及時修復漏洞和優化功能。

3.3 虛擬環境構建與模擬實驗實現

虛擬環境的搭建是實現真實模擬的關鍵，依據需求研究和系統框架設計，構筑一個精確、真實的虛擬環境，包括模型建立、場景構建和元素布置。模型建立涉及檢測設備、樣本和相關工具的建模，保證形狀、大小和功能與實際一致。場景構建須考慮周圍環境布局、光照和材質等因素，以營造真實氛圍。元素布置涉及放置樣本、儀器和其他相關物品，使虛擬環境更逼真。

實驗操作的模擬是實現實際操作學習的關鍵，依據實際檢測操作流程，設計并實現相應模擬實驗，包括樣本準備、儀器操作和數據采集處理。樣本準備需考慮多種類型和特性的樣本，及其在虛擬環境的表現和反應。儀器操作需要模擬真實按鈕、開關和調節等操作，使學生熟悉儀器使用方法。數據采集處理需要模擬實際數據采集過程，并對收集到的數據進行處理與分析，獲取準確檢測結果。

實時反饋與評估是提供學習支持的關鍵，在模擬實驗過程中，平臺須提供實時反饋和評估。學生的操作結果和表現將實時被分析評估，給出準確反饋和建議。這可以通過可視化效果、引導性文字或語音提示等方式實現。同時，根據學生表現多方面評估，如操作準確性、時間控制和數據分析。基于評估結果，平臺可提供個性化學習建議和進一步訓練安排，協助學生持續改進和提高操作技能[5]。

4. 檢測類專業虛擬仿真實訓平臺改進和發展方向

4.1 互聯網技術與在線協同學習整合

借助互聯網技術，檢測類專業虛擬仿真實訓平臺可以實現在線協同學習，鼓勵學生之間的互動與交流，提高學習效率和成果。

第一，以云計算技術為基礎，實現平臺在云端的部署和運行。通過云計算技術，學生可以實時地訪問平臺并進行在線操作實訓，無須安裝任何軟件，節省了硬件資源和學習時間。此外，云端部署也有利于數據的存儲與處理，各種檢測數據及學習記錄都可以實時保存在云端，便于管理和調用。

第二，在線交流與討論區功能的設計，在虛擬實訓平臺中設立在線討論區，鼓勵學生之間的互動與討論，便于互相學習、互相幫助。討論區可以設置分類主題，涵蓋檢測類專業的各個領域和技術要求，學生可以在不同主題下討論實驗證驗和操作技巧，共享學習心得和經驗。

第三，實時協作與任務分配，通過協同工作技術，虛擬仿真實訓平臺可以支持多人在線協作實驗，讓學生具有協同操作儀器、分析數據和解決問題的能力。平臺還可提供任務分配功能，幫助學生合作完成團隊項目或實驗，并以此培養團隊合作精神和責任感。

4.2 人工智能技術在虛擬仿真實訓平臺的應用

將人工智能（AI）技術應用到檢測類專業虛擬仿真實訓平臺，實現智能化的學習支持和個性化的在線教育。

第一，智能分析與預測，利用AI技術對學生的實驗數據和操作過程進行智能分析，可以更加準確地了解學生的學習水平、能力和潛在問題。根據學生的特點和需求，平臺可以實現個性化的教育資源推薦，為學生提供有針對性的學習支持。

第二，智能模擬與優化，檢測類專業虛擬仿真實訓平臺可以利用機器學習算法，識別學生的操作習慣和技能水平，自動調整虛擬環境的難度和復雜度。此外，人工智能技術還可以幫助學生優化實驗方案，提高操作效率和檢測準確性。

第三，智能評估與反饋，AI技術可以對學生的操作過程和結果進行實時評估，準確識別學生的問題和不足。基于評估結果，平臺可以提供智能反饋，引導學生找到問題原因，進行針對性的學習和實踐。此外，平臺還可以通過智能分析學生的學習數據，預測學生的學習進度和成果，為學生提前安排個性化學習計劃。

第四，語音識別和虛擬助手，在虛擬仿真實訓平臺中引入語音識別技術和虛擬助手，為學生提供更加自然、便捷的交互方式。學生可以通過語音命令進行操作、解答疑惑，而虛擬助手則可以為學生提供相關知識、操作提示和案例分析。這種智能交互方式能夠給學生帶來更好的學習體驗，提高學習的效率與質量[6]。

4.3 強化平臺個性化

在學習過程中，每個學生都有自己獨特的學習風格和能力水平，為了更好地滿足學生的學習需求，虛擬仿真實訓平臺需要具備個性化和自適應的特性，平臺開發者可以引入智能化的學習管理系統，通過分析學生的學習情況和表現，提供個性化的學習推薦和反饋。虛擬仿真實訓平臺可以根據學生的弱點和需求，提供針對性的訓練模塊，分析學生在特定領域或技能方面的薄弱環節，針對性地推薦相關的訓練內容和實踐案例，幫助學生克服困難并提升能力。個性化的學習方式可以更好地滿足學生的學習需求，使他們能夠有針對性地提高自己的技能水平。虛擬仿真實訓平臺可以根據學生的進展情況，調整難度和復雜度。通過監測學生的學習進度和表現，平臺可以自動調整訓練內容的難度，確保學生在適當的挑戰下進行學習。

結語

綜上所述，檢測類專業虛擬仿真實訓平臺的開發研究為學生提供了一種創新的學習方式和實踐機會。通過模擬真實的檢測環境和操作過程，學生可以在虛擬環境中進行實際操作訓練，提升技能水平和應對實際工作挑戰的能力。然而，虛擬仿真實訓平臺的發展仍然面臨著一些挑戰和限制。因此，需要不斷改進和完善這些平臺，提升其真實性、與實際工作環境的對接以及個性化和自適應性。通過持續的研究和創新，虛擬仿真實訓平臺將為檢測類專業學生的學習和職業發展帶來更廣闊的前景。

參考文獻：

[1]孔慶，王冬生，李雪如，等.基于VR技術的高職院校工業機器人虛擬仿真實訓平臺建設研究[J].數字通信世界，2023（7）： 19-21.

[2]金佳鑫，張春嶺，孟繁星.虛擬仿真實訓平臺在自動化課程中的應用[J].電子技術，2023，52（7）：182-183.

[3]董帥，李杰.基于虛擬仿真實訓平臺的工業機器人技術教學探究[J].中國機械，2023（19）：109-112.

[4]原彰.虛擬仿真實訓平臺在健康保險學課程中的應用與思考[J].現代商貿工業，2023，44（9）：258-260.

[5]孟佳.基于在線虛擬仿真實訓平臺的PLC在線實訓教學探究[J].包頭職業技術學院學報，2023，24（1）：58-61.

[6]王國杰，薛磊，趙凱.基于Proteus的傳感器虛擬仿真實訓平臺設計[J].邯鄲職業技術學院學報，2022，35（4）：42-48，57.

作者簡介：康愛彬，博士研究生，教授，研究方向：環境工程和環境監測方面研究；程彥海，碩士研究生，講師，研究方向：分析化學和環境監測方面研究；陳奇，碩士研究生，教授，研究方向：分析化學和環境監測方面研究；張曉媛，碩士研究生，教授，研究方向：分析化學和環境監測方面研究；周正火，碩士研究生，高級工程師，研究方向：計算機仿真軟件開發方面研究；何曉云，碩士研究生，副教授，研究方向：環境監測方面研究。

基金項目：河北省2023年職業教育科學研究“十四五”規劃項目——檢測類專業虛擬仿真實訓平臺開發和應用研究（編號：JZY23339）。