虚拟实验教学系统应用与研究
摘 要：主要从论述虚拟现实技术出发，首先介绍了当今国内外的发展与研究现状，以及它在国内的主要应用，说明了它的主要优势和未来的发展趋势。针对目前传统教学实践存在的诸多问题，用实例说明了在教学过程中运用虚拟现实系统的优点，并提出了如何提高产品的质量和市场竞争力。
关键词：虚拟现实技术；实践教学；应用前景
中图分类号：G4
文献标识码：A
文章编号： 16723198（2013）13013602
0 前言
虚拟现实，（Virtual Reality，简称 VR），是刚刚出现的高新科技技术。它是利用计算机的三维图形、环境建模、图形绘制、虚拟音效、自然交互与传感技术来模拟虚拟空间并与现实结合，在用户的视觉、听觉、触觉等感官上进行模拟，让使用者身临其境，没有限制地观察三度空间内的任何事物。它主要分为沉浸式和非沉浸式两种。沉浸式虚拟现实技术，是一种实用、高级、典型的虚拟现实系统。它以大幅面的显示方式进行投影，使交互的虚拟三维空间高度逼真的展现在观看者的眼前，并且可以从任何角度、位置，通过外接设备与虚拟空间进行实施漫游和交互。而非沉浸式虚拟现实技术，主要是通过软件技术来实现的。主要对触觉、听觉等感官进行模拟，为用户呈现一个优质的虚拟界面。其特点是价格低廉、使用方便，而且运用广泛。
1 国内外虚拟现实技术的研究状况简述
美国是 VR 技术的发源地，至今已有 60 多年的研究历史，代表了国际 VR 的最先进的技术水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。
日本在虚拟现实技术相关领域的研究中，也是一个具有先进技术实力的国家之一。他们主要致力于建立大规模 VR 知识库的研究。并且，在音乐和游戏方面，他们对虚拟现实技术的应用研究也做了很多贡献。但日本大部分虚拟现实硬件主要是从美国进口的。
日本在虚拟现实技术相关领域的研究中，也是一个具有先进技术实力的国家之一。它在建立大规模 VR 知识库的研究中做出了巨大的贡献。此外，在音乐和游戏方面，他们对虚拟现实技术的应用研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件主要是从美国进口的。
在欧洲，英国在虚拟现实的分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面是领先的。目前，英国已有六个主要从事 VR 的研发中心，分别是 WIndustries（工业集团公司），British Aerospace（英国航空公司），Dimension International，Division Ltd，Advanced Robotics Research Center 和 Virtual Presence Ltd。其相关产品主要应用于娱乐、军事、建筑、汽车等行业中。还有德国、法国、瑞典等国家也在进行相应的研究。
目前，我国的 VR 技术还处于发展阶段，得到了政府有关部门的支持和专家的高度重视，大力开展了 VR 技术的开发与研究。例如，「973」计划、国家「863」计划、国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划等都把 VR 列入了重要科研项目。国内一些重点院校的重点实验室，开展虚拟现实领域的基础研究、应用基础研究和战略高技术研究，为相关行业领域的某些问题的解决提供了有力支撑，其虚拟现实技术目前也成为了越来越热门的热点学科。
2 虚拟现实技术的主要应用领域
目前 VR 技术的应用除了军事领域外，主要集中在以下几个方面：
（1）在产品的开发过程，虚拟现实技术的运用可以便于设计人员对产品和系统建模，同时可以对其进行修改和优化。运用沉浸式虚拟现实技术能够对产品进行检查、动态仿真、性能评估，很好的解决设计中存在的问题，缩短了模型设计、检验、校核的时间，降低了产品研发成本。波音 777 飞机的设计便是一个虚拟原型机的典型应用实例。
（2）其次是教育行业。虚拟现实技术已经成为了国内的首创专业，它是将力学与计算机两大领域进行结合，主要是对工程中力学问题的数值计算与仿真。培养掌握高新科学技术，勇于创新，精于研究，基础扎实，从事虚拟仿真工程设计，适应国家经济建设需要的新兴应用型人才。学生毕业后的就业面广，能够从事力学分析、产品设计、系统动态仿真、虚拟产品研发技术等方面的理论研究与实际应用。并结合力学学科的专业知识，对虚拟仿真工程中的力学问题的解决提供有力的科学论证。
（3）VR 还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练。例如，对矿井开采进行模拟。由英国诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室（简称 AIMS）开发研制的房柱式开采模拟 VR-MINE 系统可以对矿井开采进行动态三维实时模拟，根据模拟矿井结构及相关参数的设计可以达到优化生产系统的目的。其主要特点在于系统的的真实性和人机交互性。比建立任何系统模型所达到的效果还要好。显然，这类系统还可用于矿井开采计算机辅助设计、生产监控、管理和技术培训等方面。可以对煤矿设备进行虚拟制造，节省了对人员技术培训的费用，以及对突发事故进行调查和研究提供相关线索依据。
3 高等教育在教学中存在的问题
目前，高等教育在实践教学环节存在的诸多问题，可以列举为以下几项：
（1）在实训课程现场教学的过程中，受到场地的限制，某些大型设备占用比较大的场地，只有在设备附近的少数学生能明白老师的讲课内容。
（2）实验设备仅仅用于实验教学，相对于加工生产比较少，所以导致设备更新的速度相对滞后于技术更新的速度。如果不断进行实验设备的更新，将会造成投入巨大，由此造成不必要的浪费也是非常严重的。
（3）比较高端的设备价格较高、结构比较复杂，为扩大教学规模而增加设备的台数势必大幅度增加教学经费，而且每次使用机器成本较大。这里包括原材料、电力、机器损耗和设备日常维修包养费用，而实验的产品是不能投放市场产生经济效益的。而且学生由于操作失误容易造成设备故障和损耗，同样也会产生比较高的维修费用。
（4）在文理科专业的教学中，存在单纯依靠理论讲授、实践不足等现象。使学生对知识点的掌握不是很牢固，在处理问题时，有些知识点不能灵活的运用。
（5）教师有时只能对机械外表或者部分内部结构进行讲解，而对机器的运作原理及内部运作情况在运转时是不能拆开机壳的，老师在这种情况下的讲授有一定的局限性，老师往往采用演示或组织学生观看多媒体的方式进行学习，学生往往很难获得感性认识，导致实验效果不理想。
4 虚拟现实教学系统具体实例
在学习数控加工课程期间，学生按照老师的要求在斯沃数控仿真系统软件上对数控铣床进行了仿真实验。首先，学生要掌握计算机辅助铣削加工的基本方法，了解数控铣床操作面板各按键的功用，以及数控铣床的调整及加工前的准备工作；然后对给出零件图形进行手工编程，用 txt 格式文本进行传输，并模拟铣削出指定的零件。右图就是进行模拟实验的斯沃数控仿真系统软件。
在使用过程中，该软件真实感强，具有目前各种主流的数控系统和操作面板，效果逼真。用户可以在 PC 机上模拟操作机床，能在短时间内掌握各种系统的数控车、数控铣及加工中心等操作。软件同时具有手动编程和导入程序模拟加工。在斯沃数控仿真软件网络版中，服务器可随时获取客户端操作信息，并具有考试、练习以及广播功能等。
5 虚拟实验教学系统的优点
目前，国外很多高校已经将虚拟技术成功的应用在教学环节上面，并且开发出许多功能性虚拟教学软件和虚拟仿真教学平台。按照教学任务可以选取典型的实验，确定虚拟仿真教学系统的功能、组成和体系结构，确定实验路线，选取相应的开发工具并进行系统开发、测试等。教学的实验和实践可以在虚拟实验室中进行，从而不必购置昂贵的数控设备，同时在实验过程中培养和提高了学生的动手能力、实验能力、分析问题和解决问题的能力。
虚拟实验教学系统主要采用非沉浸式虚拟现实技术，应用软件手段进行视觉、听觉等感觉的模拟。采用虚拟实验教学具有诸多优势。首先，教学内容可视化，虚拟教学系统可以添加大量多媒体素材，能够说明系统的工作原理，以及展示设备的内部结构等。良好的人机交互性使用户能够动手操作，确保实验学习的互动性和真实性，提高学生学习效率以及对知识点的掌握，学生自己也可以自己动手进行大胆的尝试。同时，教学系统可以节省大量的教学成本，提高课堂教学效率。利用虚拟现实系统，学生在实验室可以通过老师的讲解自己进行虚拟仿真试验，并获得比较真实的操作体验。而且，如果实验操作具有一定的操作危险，如车间车床的切削加工、电火花切割加工、液压传动试验等诸多实验设备在工作过程中存在潜在的危险和安全隐患，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以全身心进行课程项目实训，大大降低教学风险，确保人身和设备安全。
此外，虚拟现实系统同时还可以实现远程控制，由局域网或因特网作虚拟实验室或校园的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供广大的就业和培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。
6 结论：如何提升产品质量和竞争力
文章给出了虚拟实验教学系统的相关内容。对于当前的国内的形势，虚拟实验教学系统有很大的发展空间，作者觉得应该采取以下措施来提高产品质量和竞争力：
（1）针对高等教育教学的特点和背景，将虚拟现实技术、多媒体设备和网络设备结合起来，发挥虚拟现实技术的集成性，控制性和交互性优势，可以帮助学生培养和提高实践操作技能和职业能力，保证教学效果和人才质量。
（2）不断扩大虚拟实验教学系统的使用功能和范围，不仅仅局限于教育领域。同一种产品可以满足不同需求，能够提高工业、医疗、生物等领域的生产加工的周期和效率。
（3）面向未来的产品可以建立一个更复杂的虚拟实验系统，在目前的虚拟组合下提升一个更复杂的软件工具，提供更好的性能。学校和企业进行联合开发，并且能够共享必要的信息软件和系统。
（4）对于虚拟教学系统在教学过程中的使用状况要不断进行跟踪调查和反馈。因为 VR 系统可以用于教学实验和其他项目的评估检测，所以要对产品随时进行产品更新和升级。
（5）不断提高 VR 系统的交互性、真实性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理等方面还有许多挑战性的问题有待解决。
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作者 陈昌皓