基于虚拟仿真技术在实训教学中的研究

摘 要：虚拟仿真以其高效的实时渲染、实时修改以及众多的第三方插件支持，能够很大程度的提高传统实训教学的制作效率，减低实训教学强度，缩短实训制作周期，从而达到降低实训成本的作用。在制作技术方面，使用虚拟仿真技术更能够快速的在现实和虚拟操作之间做快速的资源转换，进一步降低实训周期和实训成本。同时，在使用效果上，可以做到现实与虚拟之间的实时转换，实训教学中的某个情景需要与学生进行互动的时候，随时可以进行切入。

关键词：虚拟仿真；实时渲染；实时转换；智能化；制作周期；衍生产品

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。从狭义上讲，虚拟仿真是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术；从广义上来说，虚拟仿真则是在人类认识自然界客观规律的历程中一直被有效地使用着。由于计算机技术的发展，仿真技术逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。

一、虚拟仿真介入实训教学制作必要性

虚拟仿真技术具有以下四个基本特性：1、沉浸性；2、交互性；3、虚幻性；4、逼真性。这正是传统实训教学所欠缺的。

沉浸性（Immersion）：虚拟仿真系统中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能。

交互性（Interaction）：虚拟仿真系统中，不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人是以近乎自然的行为（自身的语言、肢体的动作等）进行控制的，虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。例如，当飞行员按动导弹发射按钮时，会看见虚拟的导弹发射出去并跟踪虚拟的目标；当导弹碰到目标时会发生爆炸，能够看到爆炸的碎片和火光。

虚幻性（Imagination）：即系统中的环境是虚幻的，是由人利用计算机等工具模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境，也可模拟出客观世界中当前并不存在的但将来可能出现的环境，还可模拟客观世界中并不会存在的而仅仅属于人们幻想的环境。

逼真性（reality）：虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。如当给虚幻物体一个作用力，该物体的运动就会符合力学定律，会沿着力的方向产生相应的加速度；当它遇到障碍物时，会被阻挡。

二、虚拟仿真介入到实训教学中的优势

使用虚拟仿真制作实训教学，有着很多跟传统实训流程相同的步骤和方法，本文着重介绍两者不同之处以及传统实训教学中可以利用虚拟仿真特性改善制作环境的方面。

1、实训教学准备阶段 – 可以更好地表达实训教学知识点

一场实训教学的实施，前期准备充分与否尤为重要，往往需要教师就实训的目标、实训的步骤、实训知识点的设置等一系列问题进行反复的探讨、商榷.首先要实训结构完整、实训设备完备，接着需要有详尽的文字、阶段性目标或者参数目标，传统实训教学在直观性和信息传达上有很大的局限。

2、实训教学实施阶段 – 可以节约实训教学实施的时间成本

虚拟仿真在此阶段可以利用“实时修改”和“实时渲染”所见即所得的自身优势，介入到实训教学实施中，“实时渲染”技术可以让师生完整的看到实训过程的整体结果，不用耗费大量的时间等到传统实训教学进行加热、冷却、固化等过程。“实时修改”技术可以让参与实训的师生对自己不满意的实训过程进行修改，虚拟仿真开发人员只需对参数进行调节，就可以对实训过程进行修改，并且可以实时的让参与实训的师生观察到实训效果的变化，协助参与实训的师生对实训细节的取舍。这其中就包括：实训时间设置、危险实训项目模拟、不可见实训效果展现等方面。

3、实训教学总结阶段 – 可以多样性的给予评价，并可随时回放实训过程

整个实训过程通过虚拟仿真技术进行模拟的同时，该技术会把参与者的一举一动进行记录，正确的和错误的操作都会记录下来。错误的操作，虚拟仿真技术可以标注，进行分析，并且在实训完成后，给予参与者反馈，告知参与者错误在哪里，以便参与者随时查询，反复练习。

虛拟仿真技术可以基于时间轴技术，对整个教学过程进行回放、快进、慢动作以及多角度观察。这是传统实训教学所不能比拟的。传统实训教学中，实训过程的记录是重中之重，优秀的实训教学都是需要不断地修改和磨合出来的，反复的进行准备、实施和调节，期间不可避免的造成创作人员精力消耗以及创意流失。虚拟仿真技术的介入可以让实训教师在同一流程中反复研究，针对重点难点进行教学并记录。

三、实训教学和虚拟仿真教学之间的互动

虚拟和现实的区别，在参与者方面来说，很大程度上就是“互动”的区别。是参与者能不能够对其进行掌控的区别。

虚拟仿真技术现在不断有新的技术的产生和应用，参与者的所能获得的视觉和触觉感受越来越趋于真实和直接。传统的实训教学中，多采用多媒体影片来记录实训过程，整个影片播放过程，学生只能够被动的接受设置好的感官刺激外，没有任何可以亲自参与的内容，只能按照设定好的情节内容进行观看，众多参与实训的师生的想法也无从施展，

虚拟仿真的介入，可以让学生从被动的接受者变成主动地参与，假设有一个情景，一段化学实训教学，传统教学方式，整个化学实验过程不能够被打断，学生只能线性的观察整个实训过程。而在虚拟仿真教学中，学生可以随时介入到实验过程中，比如，在化学反应的某个节点，学生再加入新的化学物质或者调整某种化学原料的参数、含量，这在传统教学中可能存在危险，但是在虚拟仿真技术面前，这一切都不能成为问题。

虚拟仿真在实训教学制作过程中的应用可以在实训初期创意，实训实施过程以及后期评价反馈过程中，提供更高效的制作工具，节省出大量的时间来进行实训教学细节和其他相关部分工作；有效地打通虚拟和现实之间进行转换的壁垒；提供更有趣的实训教学体验。虚拟仿真的介入将很大程度的推进实训教学的发展进程。

作者简介

李强，讲师，就职于河北软件职业技术学院。

（作者单位：河北软件职业技术学院）