虛擬仿真實驗技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：在現(xiàn)代教育改革背景下，虛擬仿真實驗作為一種新型教學(xué)手段，逐漸在各類學(xué)科的教學(xué)實踐中發(fā)揮著重要作用。本文旨在探討虛擬仿真實驗在學(xué)習(xí)實踐中的應(yīng)用效果與優(yōu)化路徑。通過分析虛擬仿真實驗技術(shù)的原理及其在理工科、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，揭示其在提升學(xué)生實踐能力、增強學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維方面的優(yōu)勢。基于此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)實驗平臺，詳細介紹了其中涉及的物理仿真、圖形渲染和交互設(shè)計等核心算法，并結(jié)合實際案例驗證了算法的有效性和可行性。實驗結(jié)果表明，虛擬仿真實驗在促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)、提升實驗教學(xué)質(zhì)量方面表現(xiàn)突出。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗；教學(xué)模式

引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教育領(lǐng)域正逐步融入虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等前沿技術(shù)，這些技術(shù)在提升教學(xué)效果、增強學(xué)習(xí)體驗方面展現(xiàn)出巨大的潛力。虛擬仿真實驗作為一種融合了多媒體、計算機仿真及交互技術(shù)的新型教學(xué)手段，能夠構(gòu)建逼真的學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生在沉浸式的虛擬環(huán)境中進行實驗操作、觀察和驗證，從而提升實踐能力和創(chuàng)新思維。在當前傳統(tǒng)教學(xué)模式中，由于實驗條件受限、資源分配不均等問題，部分學(xué)科實踐教學(xué)往往無法達到預(yù)期效果。而虛擬仿真實驗的引入，不僅突破了物理空間和時間的限制，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)在硬件設(shè)施、實驗安全性和實驗材料消耗等方面的不足，還能夠有效提高學(xué)生對抽象知識的理解和掌握程度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，探索虛擬仿真實驗在學(xué)習(xí)實踐中的應(yīng)用具有重要的理論和實踐意義。

1. 虛擬仿真實驗技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

虛擬仿真實驗技術(shù)架構(gòu)設(shè)計的核心目標是構(gòu)建一個集成化、模塊化的教學(xué)平臺，促進教學(xué)資源的高效管理與共享。其架構(gòu)設(shè)計不僅追求技術(shù)的先進性，還強調(diào)各模塊之間的緊密耦合和協(xié)同工作，使之成為一個功能完備、開放共享的虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)。平臺主要分為五個關(guān)鍵層次：數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層（如圖1所示），這五個層次通過密切配合，共同構(gòu)建了一個集資源管理、實驗仿真與教學(xué)支持于一體的系統(tǒng)，為虛擬實驗教學(xué)提供了全面的技術(shù)支持。

（1）數(shù)據(jù)層作為整個架構(gòu)的基礎(chǔ)層，主要負責用戶信息、課程庫、實驗數(shù)據(jù)等核心資源的存儲與管理。為了保證數(shù)據(jù)調(diào)用的高效性，數(shù)據(jù)層通過數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，確保用戶能夠快速、精準地獲取所需的實驗資源[1]。無論是學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)還是教師的課程設(shè)計，數(shù)據(jù)層都提供了穩(wěn)健的支持，確保數(shù)據(jù)處理的流暢性和安全性。

（2）支撐層承擔設(shè)備管理和虛擬環(huán)境管理的重要職責。其不僅提供虛擬儀器和實驗裝置的管理功能，還通過安全管理模塊來保障實驗過程的安全性與穩(wěn)定性。該層支持多種復(fù)雜實驗環(huán)境的仿真需求，無論是物理實驗、化學(xué)實驗，還是工程類的虛擬操作，支撐層都可以通過虛擬化手段，滿足多樣化的教學(xué)需求。

（3）通用服務(wù)層是架構(gòu)的核心層，它涵蓋了實驗教學(xué)管理、資源管理、教學(xué)效果評估以及智能指導(dǎo)等多種功能模塊。這一層不僅幫助教師規(guī)劃課程、管理任務(wù)、評估教學(xué)效果，還能夠與其他教學(xué)平臺進行數(shù)據(jù)互通，實現(xiàn)資源的共享與互操作。通過智能指導(dǎo)系統(tǒng)，通用服務(wù)層還能為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)支持，優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑，提升學(xué)習(xí)效率。

（4）仿真層負責虛擬實驗室的建模與仿真分析，通過構(gòu)建虛擬儀器、實驗場景，能夠再現(xiàn)真實實驗環(huán)境。學(xué)生通過仿真層，可以進行實驗操作，仿真分析器會生成與實際相符的實驗數(shù)據(jù)，提供動態(tài)的三維可視化體驗[2]。這一層不僅提升了學(xué)生的參與感和操作感知，還彌補了物理實驗室中設(shè)備不足或操作時間限制的問題，使學(xué)生能夠反復(fù)練習(xí)，提升實驗操作技能。

（5）應(yīng)用層為教師和學(xué)生提供了豐富的虛擬實驗項目和教學(xué)應(yīng)用場景。通過展示不同的虛擬實驗課程，應(yīng)用層不僅提供了豐富的教學(xué)內(nèi)容，還提供了多種實驗?zāi)Ｊ剑缪菔灸Ｊ健⒉僮髂Ｊ胶妥杂商剿髂Ｊ剑瑤椭鷮W(xué)生根據(jù)自身需求選擇合適的學(xué)習(xí)方式。這些模式的靈活性極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并且通過實踐操作增強了他們的實驗?zāi)芰妥灾鲗W(xué)習(xí)能力。

總的來說，虛擬仿真實驗技術(shù)架構(gòu)設(shè)計有效整合了數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理、教學(xué)管理及仿真技術(shù)，構(gòu)建了一個功能強大、開放共享的虛擬實驗教學(xué)平臺。該平臺的優(yōu)勢在于可以靈活滿足不同學(xué)科、不同層次的實驗教學(xué)需求，并在實驗設(shè)備不足或操作條件受限的情況下，為學(xué)生提供了一個高效、便捷的學(xué)習(xí)環(huán)境[3]。

2.虛擬仿真實驗應(yīng)用中的算法設(shè)計與實現(xiàn)

在虛擬仿真實驗應(yīng)用中，算法設(shè)計與實現(xiàn)是構(gòu)建逼真虛擬環(huán)境和交互體驗的核心[4]。針對不同實驗場景及仿真要求，通常會使用物理仿真算法、圖形渲染算法、碰撞檢測算法、數(shù)據(jù)處理算法等多種算法協(xié)同工作，以確保虛擬實驗?zāi)軌驕蚀_地模擬實際實驗過程，并為用戶提供真實的操作感受。本文將從物理仿真、圖形渲染、交互檢測、數(shù)據(jù)處理四個方面介紹虛擬仿真實驗中的主要算法設(shè)計及實現(xiàn)方法。

物理仿真算法是虛擬仿真實驗中最基礎(chǔ)的算法之一，其目的是模擬實驗對象在不同物理力作用下的運動狀態(tài)和行為表現(xiàn)。該算法通常基于經(jīng)典力學(xué)方程進行推導(dǎo)和計算。在虛擬仿真實驗中，常用的運動仿真模型為牛頓第二定律，其公式為

F=m · a

其中，F(xiàn)為作用力，m為物體質(zhì)量，a為加速度。通過該公式可以計算物體在不同力作用下的運動狀態(tài)[5]。在虛擬實驗環(huán)境中，可以根據(jù)物體初始狀態(tài)和作用力實時更新其位置和速度，從而模擬物體的運動過程。同時，結(jié)合歐拉積分法（euler integration）或四階龍格-庫塔法（runge-kutta method）進行數(shù)值解算，以提升計算精度和算法穩(wěn)定性。

圖形渲染算法主要用于虛擬實驗場景的可視化呈現(xiàn)。該算法通過光線追蹤（ray tracing）或光柵化（rasterization）技術(shù)生成高度逼真的圖像效果。在光線追蹤算法中，使用光線與場景物體之間的交互關(guān)系計算物體表面的光照和反射情況，其核心公式為

其中，Lo表示點p處沿方向ωo的出射光線亮度，Le為物體表面自身發(fā)光量，Li為入射光線亮度，fr為雙向反射分布函數(shù)（BRDF），ωi為入射方向，ωo為出射方向，n為法向量，Ω為半球空間。該公式能夠描述光線與物體表面之間的復(fù)雜交互關(guān)系，從而生成真實的光影效果。交互檢測算法用于判斷用戶與虛擬實驗環(huán)境中物體之間的交互情況。常用的交互檢測方法為基于碰撞檢測的交互算法。在虛擬仿真實驗中，通常使用軸對齊包圍盒（axis-aligned bounding box，AABB）或有向包圍盒（oriented bounding box，OBB）進行碰撞檢測。AABB檢測的核心公式為

collision= （xmin1 lt; xmax2 and xmax1 gt; xmin2） and （ymin1 lt; ymax2 and ymax1 gt; ymin2） 其中，xmin1， xmax1 和ymin1， ymax1 分別表示第一個物體在x軸和y軸上的最小值與最大值，xmin2， xmax2 和ymin2， ymax2則表示第二個物體在x軸和y軸上的最小值與最大值[6]。通過檢測物體之間是否發(fā)生重疊，可以判斷用戶是否與虛擬實驗中的物體發(fā)生了交互。

數(shù)據(jù)處理算法用于在虛擬仿真實驗中對實驗數(shù)據(jù)進行分析和結(jié)果展示。常用的數(shù)據(jù)處理方法包括線性回歸、聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。例如，使用線性回歸模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合時，其目標函數(shù)為

其中，J（θ）為目標函數(shù)，m為樣本數(shù)量，hθ（x（i））為模型預(yù)測值，y（i）為實際值，θ為模型參數(shù)。通過最小化目標函數(shù)，可以找到最優(yōu)的模型參數(shù)，從而實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的精準預(yù)測和分析。

綜上所述，虛擬仿真實驗中的算法設(shè)計涵蓋了物理仿真、圖形渲染、交互檢測、數(shù)據(jù)處理等多個方面，通過合理的算法設(shè)計與優(yōu)化，可以顯著提升虛擬實驗的真實感及交互體驗，為實驗教學(xué)提供強有力的技術(shù)支持[7]。

3. 實驗結(jié)果分析與討論

為驗證虛擬仿真實驗在實際教學(xué)應(yīng)用中的效果及其對學(xué)生實踐能力提升的影響，本研究設(shè)計了兩組對比實驗，并對實驗結(jié)果進行了詳細的分析與討論。實驗以“酸堿中和反應(yīng)熱量測定”虛擬實驗為例，研究虛擬仿真實驗對學(xué)生理解抽象化學(xué)反應(yīng)原理及提升實驗操作能力的作用，并將實驗結(jié)果與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ竭M行對比分析[8]。

3.1 實驗過程

本實驗分為虛擬仿真實驗組（實驗組）和傳統(tǒng)實驗組（對照組）。實驗對象為西安郵電大學(xué)化學(xué)系二年級學(xué)生，共60人，平均分為兩組，每組各30人。實驗過程如下：

（1）實驗準備。實驗組學(xué)生使用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，熟悉虛擬實驗室環(huán)境及儀器操作流程。對照組學(xué)生在教師指導(dǎo)下熟悉傳統(tǒng)實驗室中相關(guān)儀器的操作規(guī)范與實驗步驟。

（2）實驗操作。實驗組學(xué)生使用虛擬實驗平臺進行酸堿中和反應(yīng)實驗，通過虛擬環(huán)境中的操作界面選擇實驗試劑（如NaOH和HCl溶液）、設(shè)置實驗參數(shù)，并使用虛擬儀器記錄實驗過程中溫度的變化。對照組學(xué)生在真實實驗室中完成相同實驗操作，使用溫度計和量筒等實驗儀器記錄實驗數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)記錄與分析。實驗組學(xué)生在虛擬平臺中輸入各項實驗參數(shù)，系統(tǒng)自動生成實驗數(shù)據(jù)；對照組學(xué)生手動記錄實驗過程中產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算中和反應(yīng)的反應(yīng)熱，并填寫實驗報告。

（4）實驗總結(jié)與問卷調(diào)查。實驗結(jié)束后，所有學(xué)生需完成一份問卷，評估虛擬實驗對實驗興趣、理解難度及實驗操作便捷性的影響[9]。

3.2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

實驗數(shù)據(jù)記錄了兩組學(xué)生在實驗過程中的溫度變化及反應(yīng)熱計算結(jié)果。兩組學(xué)生在不同實驗條件下的平均溫度變化數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中可以看出，實驗組和對照組在相同試劑濃度下的溫度變化基本一致，但實驗組的溫度變化數(shù)值略高。這是由于虛擬仿真實驗中采用了理想化處理，減少了實驗誤差。總體來看，實驗組和對照組在實驗數(shù)據(jù)上具有較高的一致性，表明虛擬仿真實驗?zāi)軌蜉^好地模擬實際實驗過程。進一步分析學(xué)生計算的中和反應(yīng)反應(yīng)熱結(jié)果，數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中可以看出，兩組學(xué)生計算的反應(yīng)熱結(jié)果均接近理論值，誤差控制在合理范圍內(nèi)，進一步驗證了虛擬仿真實驗在實驗數(shù)據(jù)準確性上的可靠性[10]。

3.3 結(jié)果討論

實驗結(jié)果表明，虛擬仿真實驗在反應(yīng)熱計算及實驗數(shù)據(jù)獲取方面與傳統(tǒng)實驗具有高度一致性，能夠有效模擬傳統(tǒng)實驗中的各種操作流程及實驗現(xiàn)象。同時，通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實驗組學(xué)生在使用虛擬實驗平臺時，操作便捷性及實驗興趣評分較高（滿分5分），具體數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可見，實驗組學(xué)生在操作便捷性與實驗興趣方面的評分均高于對照組。這表明，虛擬仿真實驗?zāi)軌蛱嵘龑W(xué)生實驗操作的自主性和探索興趣，有效克服傳統(tǒng)實驗中的設(shè)備限制及實驗風(fēng)險。

結(jié)語

本文通過設(shè)計虛擬仿真實驗平臺，充分驗證了該平臺在提升學(xué)生實踐能力和激發(fā)實驗興趣方面的顯著優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，虛擬仿真實驗在數(shù)據(jù)準確性和操作便捷性上與傳統(tǒng)實驗具有高度一致性，同時，克服了傳統(tǒng)實驗中設(shè)備不足、時間限制以及實驗風(fēng)險等問題，為學(xué)生提供了更加靈活、安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過虛擬仿真，學(xué)生不僅能夠更深入理解復(fù)雜的理論知識，還能在實踐中提升自主探索與創(chuàng)新能力。這種技術(shù)為實驗教學(xué)提供了豐富的資源和創(chuàng)新的路徑，使得學(xué)生在不受時間和場地限制的情況下自由地進行實驗操作。未來，虛擬仿真實驗將在教育領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，成為教育教學(xué)模式創(chuàng)新與發(fā)展的有力工具，為提升教學(xué)質(zhì)量提供重要的參考與實踐支持。

參考文獻：

[1]楊慧，主洪國，丁艷.虛實融合、泛在學(xué)習(xí)構(gòu)建思政教育虛擬仿真教學(xué)實踐基地[J].在線學(xué)習(xí)，2024（Z1）：89-91.

[2]吳欣蕾.虛擬仿真與三維動態(tài)模型在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用價值[J].知識文庫，2024，40（18）：53-56.

[3]馬玲，黃健.基于虛實結(jié)合的臨床醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建與應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2024（28）：98-100.

[4]毛瑞勇，田旭松，李樂樂，等.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)教學(xué)改革新視角——虛擬仿真實驗[J].中國設(shè)備工程，2024（18）：258-261.

[5]劉競一.虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)學(xué)校汽車專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的探索與實踐[J].汽車維修技師，2024（18）：88-89.

[6]孫浪濤，林惠婷，張宏杰.“織物組織學(xué)”課程虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)與實踐[J].紡織服裝教育，2024，39（3）：23-28.

[7]李萍，孫巍鋒，吳韶艷，等.新時代地質(zhì)工程專業(yè)教學(xué)改革《虛擬仿真技術(shù)》課程的作用與實踐[J].才智，2024（28）：89-92.

[8]張典俊，張強.酸堿中和滴定“突變范圍”的幾點詮釋[J].中學(xué)化學(xué)，2024（9）：56-57.

[9]郜源，花玉香，王金友.綠色生態(tài)化工虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)研究——以天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例[J].天津化工，2024，38（5）：151-153.

[10]梁丹丹，王立強，陳靈方.新工科背景下《電工電子技術(shù)》課程虛擬仿真教學(xué)改革與探究[J].才智，2024（29）：81-84.

作者簡介：薛良翼，本科，3223129613@qq.com，研究方向：光電子的潛能與未來。