虚拟仿真现实技术范文

导语：如何才能写好一篇虚拟仿真现实技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：虚拟现实；虚拟现实建模语言；Java；雷达干扰

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21619-01

Application of Virtual Reality Technology in Radar Jamming Simulation

MA Jian-guo,JIN Li-shi,HE Ping

(The Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

Abstract:Three taches are presented in establishing the system such as the setting-up of mathematical model of radar jamming, the romance fulfillment of virtual scene and the interaction design with Java. The technical details of the taches are alse discussed in this paper.

Key words:VR; VRML;Java;Radar Jamming

虚拟现实（VR：Virtual Reality），又称临境技术，是最近几年得到迅速发展的技术。将虚拟现实技术应用于计算机系统中，就形成我们常说的VR系统，即虚拟现实系统。

利用虚拟现实建模语言(VRML：Virtual Reality Modeling Language)构建从三维地形到空中目标，雷达，雷达干扰机等各个层次的模型，然后利用VRML的交互特性把所建的模型依据雷达干扰的空间能量关系的组织形式链接起来，并按照视点远近进行分层处理，以达到电子战虚拟仿真系统开设的目的。利用VRML电子战虚拟仿真系统，把虚拟现实技术和网络技术紧密地结合起来，运用于指战员培训及教学，节省资源、直观明了。

1 VRML语言

VRML是一种基于网络上的三维空间建模语言，其基本目标是建立网络上的交互式三维环境。它是一种在Internet网上应用极具前景的技术，它沿用第一代www的C/S模式，采用描述性的文本语言描述基本的三维物体的造型，通过一定的控制，将这些基本的三维造型组合成虚拟场景，当浏览器浏览这些文本描述信息时，在本地进行解释执行，生成虚拟的三维场景。

VRML与其它实现三维场景的技术手段（如OpenGL,Cult3D,3DSMAX,Viewpoint）相比，具有语法简单、三维建模功能强大、便于网上等优点。借助于Java等功能强大的高级语言。可以有效地弥补VRML本身的一些不足（例如逻辑判断、文件操作、键盘输入、精确控制场景等），进而完善与HTML等其它媒体的交互。

基于VRML的虚拟现实技术与常规的虚拟现实技术有所不同。典型的虚拟现实意味着可借助复杂设备（例如头盔式显示器、数据手套）进入虚幻境界，获得沉浸式体验。VRML与设备无关，既不强求沉浸感，也不排斥沉浸感，而是作为一种描述虚拟境界的语言独立存在，以VRML为基础可以建立不同档次的系统实现，这是VRML得以快速发展的动力之一。

由于VRML能与Web紧密的结合，故由VRML所建造的模型、场景，都可容易在Internet上传送。利用VRML建造的模型，基本上是放置于Web Server上，使用者则是透过一般网页浏览器或虚拟实境浏览器来取得虚拟实境模型。

VRML为虚拟环境的建立提供了规范，综合了现有三维软件的景象描述语言的优点。它有基本元素、顶点、线和面的定义，坐标变换有缩放、旋转和平移，并有优化的数据结构。

VRML语言具有的基本物体有:球体、锥体、柱体、立方体和文本等，这些基本物体为创建景像提供了方便。

2 网络虚拟仿真系统的设计与实现

2.1对雷达进行电子干扰的数学建模

电子干扰机的基本任务之一是压制雷达保卫目标，主要涉及雷达、目标和干扰机三个因素。

雷达收到的干扰信号功率与目标回波信号功率之比大于等于接收机输入端干扰―信号功率比Kj时，便可得到干扰方程：

式中：Pt为雷达的发射功率；Gt为雷达天线主瓣方向上的增益；σ为目标有效反射面积；Rt为目标至雷达的距离；λ为雷达的工作波长；Pj为干扰发射功率；Gj为干扰天线增益；Rj为干扰机至雷达的距离；γj为干扰信号对雷达天线的极化系数；H为目标高度；θ为干扰信号偏离雷达天线最大方向的角度；θ0.5为雷达天线波束半功率角。

2.2建立VRML虚拟场景

按一般制作三维动画的方法对要创建的虚拟现实对象建模，赋予材质及贴图，指定动画。

建模工作完成后，为了建立与ASP脚本的链接，可以点击Creat/Helpers选单，在下面的下拉列表框中选取VRML2.0，出现一个工具面板，面板上列出了12个辅助工具，其中比较常用的包括Anchor和TouchSensor等。Anchor工具可以使场景中的对象与另一个URL链接，类似于HTML文档的超级链接，这是最常用的功能。TouchSensor工具可以启动一个动画。

设置了合适的VRML工具后，选择File/Export选单，出现一个对话框，点击“存为类型”下拉选单框，选择“VRML2.0(.WRL)”文件类型，最后取一个相应的名称，这里取jamn.wrl，单击“保存”，会出现一个VRMLEXPORT对话框，取其默认值，单击OK即可生成我们需要的WRL文件。

在建立VRML模型时利用了Anchor工具，这样在用户选择相应建筑物时将链接到指定的ASP文件，并根据参数的不同由ASP文档负责实现数据库的查询和显示。因为设计思想很明确，根据实际经验，可以不设置Anchor工具，而是直接修改WRL文件，这一修改工作在任何一个编辑环境中都可以完成，需要注意的是由于VRML模型的参数较多，一定要注意前后正确的匹配。

2.3 VRML扩展交互

VRML本身交互机制是无法构建一个大型多媒体课件的,因为VRML本身不能完成普通程序设计中的转折、分支、循环等基本特征。因此实际系统设计中，可利用Java语言提供的强大网络编程能力，编写与远程系统通信和共享能力处理等功能的应用程序。Java对VRML的所有支持都通过附加的封装类实现。通过这些类，Java程序就能够访问VRML场景、接受和发送事件、从页面上得到VRML对象等，实现对VRML场景的完全控制。根据访问方式的不同，又可分为：脚本编程接口SAI交互与外部编程接口EAI交互。

2.4实现虚拟现实的浏览

首先需要安装专用的VRML浏览器插件，如CORTVRML、CosmoWorlds等都是较为常用的。安装完成后，直接运行做好的VRML文件就能在浏览器中浏览了。在浏览器中通过鼠标或键盘控制漫游的方向，如同身临其境。

3 结束语

网络虚拟现实技术可实现在一个仿真平台上进行多任务多人仿真。通过软件可以方便灵活地进行更改和升级，从而可节省资源，提高利用效率，从而在教学和训练中有巨大的优势。

VRML在网上创建充满真实感的三维虚拟世界，为用户提供一种自然的、身临其境的体验方式，包括交互性、动态效果、连续性及参与感。

参考文献：

[1]韦有双,王飞.虚拟现实与系统仿真[M].国防工业出版社,2004.

[2]罗景青,贺平.等.雷达对抗原理[M].出版社,2003.

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化学实验“绿色化”，目的是把现有化学和化工生产的技术路线从“先污染，后治理”改变为“从源头上消除污染”，核心是“杜绝污染源”。随着人们环保意识的提高及环保各项工作的深入，教学实验的环保问题将被人们重视。同时，结合化学实验自身的特点，化学实验教学实现“绿色化”不仅非常必要，而且现实可行。

随着计算机信息技术的高度发展，我们的中学化学实验教学已经迎来了改革的春风，中学化学虚拟仿真实验思想怦然诞生了。中学化学虚拟仿真实验就是利用计算机编程工具模仿真实的实验环境编写的软件，借助计算机营造一个虚拟的实验环境，使实验接近或优于真实的实验环境，实验者可借助操作计算机虚拟实验系统完成各种预定的实验项目。

事实上，计算机模拟仿真化学实验是化学实验摆脱实物教育的一场革命，它的产生和发展，不仅是教育方法、教育手段、教育技巧的更新，而且对保护自然资源、缓解化学实验对环境的污染都具有深远的意义。利用模拟仿真对实验过程和实验仪器进行剖视及仿真，对有毒物质出现的实验进行模拟，避免有毒物质危害师生身体的健康。常规的、传统的化学实验不可避免的消耗许多药品和大量的水资源，尤其对于那些要使用昂贵试剂药品的、实验中容易引起爆炸或必须采用有毒有害试剂（如氢气、苯、苯酚、砷化物、重金属等）的实验，运用计算机多媒体系统进行仿真实验显得尤为重要。这样，利用计算机多媒体技术对实验原理、装置、流程、实验过程进行仿真，用文字、声音、图像、动画的效果让学生在计算机屏幕上做实验，既让学生学会了实验方式，领会了化学原理，实现了化学教学与现代信息技术的整合，又节省了资源、保护了环境，使我们的化学实验变成“绿色化”的实验。

那么，我们应该怎样来构建这种“绿色化”的实验教学呢？这一课题正是我们亟待解决的问题。目前，我们正在着手研讨这一问题，现已形成以下几条研究思路。

思路一：建立新课标背景下的课堂实验教学设计模型

为了实现新课标提出的化学实验教学目标，贯彻绿色化学的教学思想，我们创立了下面化学课堂实验教学设计（初始）模型。

确定实验课题及类型――展示用品及仪器――实验指导――实验过程――总结――撰写实验报告

说明：实验课题即实验内容，实验类型即教师演示实验或学生动手实验；用品即实验使用的试剂和药品，仪器即实验所要用到的器具；实验指导即实验前有哪些准备工作和哪些注意事项；实验过程即实验操作流程；总结即实验过程的注意事项与实验现象；实验报告即对实验的总体汇报。

思路二：建立演示实验课件平台

演示实验是老师为了说明某一化学反应过程或现象而做的实验。这样的实验比较多，我们可以在校园网上建立演示实验课件平台，把老师们设计好的演示实验课件收集其中，老师上课时可以任意选用。

思路三：建立学生实验课件平台

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    【论文摘要将虚拟仿真技术引进教学领域后对传统教学手段产生了强烈冲击。本文针对航空电子装备教学中如何应用虚拟仿真技术给出了应用方法和心得。

    1.引言

    自 20世纪 9O年代以来,以计算机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验,探索在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和心得。

    2.虚拟仿真技术简介

    虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。

    2.1虚拟现实技术

    虚拟现实技术就是利用三维建模技术,构建一个和现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输进,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 天生技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真,它主要用于产品设计和展示、贸易广告、游戏设计等。

    在航空电子装备教学中,大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ,传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代,因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ,传统教学方法 已远远不能满足要求 ,而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。

    目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发,主流平台Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虚拟现实数据库 OPENFLIGHT已经成为 了产业标准 ,在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作为视景仿 真开发的技术平台 ,解决物理模型的创建、场景显示等新题目。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 .同时采用嵌进 OPENGL技术来解决物理模型 的交互新题目。

    2.2系统仿真技术

    系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 .它通过建立实际系统 的数学模 型 ,利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、探究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真,也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要产业部分,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。 在航空电子装备教学中,对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解 .教学效果主要依靠于教员的授课水平和技巧 。近年来.我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行.结合虚拟现实技术实现的逼真场景.较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用.也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。

    目前,有很多成熟的系统仿真开发平台软件.如 Simulink、SystemView等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎.但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口.仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。

    3.虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤

    3.1建立仿真模型

    这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ,也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时进步逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则 ,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。

    3.2创建仿真装备的虚拟场景并驱动

    对于虚拟场景的驱动,根据使用方式的不同采用了不同的方式假如进行的仅是装备外观、结构的展示,可使用EON进行动作的编辑和驱动;假如需要对装备进行虚拟操纵仿真,则使用 GLStudio软件先进行操纵面板、虚拟仪表的编辑和制作,然后再利用 Vega Prime驱动以实现更复杂的交互操纵。

    3.3系统集成

    系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的布置,注重程序间的兼容性即可。

    系统集成时,还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来,即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台,和视景仿真处于不同的系统进程中.因此这种驱动是通过两进程间的实时通讯来完成的。这里还需要考虑进程间的同步新题目。

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关键词：系统仿真设计

一、系统仿真技术

所谓仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学-物理效应模型），并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、机械、电子、水力、声学、热学等，也包括社会、经济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。

仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；

在系统运行前，利用仿真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或管理人员。在工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全。

一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。传统仿真技术中，一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型--一次仿真模型，然后再改写成适合计算机处理的形式-仿真模型。仿真模型可以说是系统二次近似模型。建立起仿真模型后，才能书写相应的程序。

仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。

二、虚拟现实技术

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境--虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推进了计算机技术的发展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术。

虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，它具有以下主要特征：

（1）依托学科的高度综合化；

（2）人的临场化；

（3）系统或环境的大规模集成化；

（4）数据表示的多样化和标准化，数据存储的大容量、数据传输的高速化与数据处理的分布式和并行化。正是这些特征，使操作者沉浸其中，并通过多种媒体对感官的刺激，对所需解决的问题有了清晰和直观的认识，从而，也使模型的建立和验证更加方便。

三、系统仿真技术与虚拟现实技术的结合

传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)随着多媒体技术、计算机动画、传感技术的发展，计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能。事实证明，人类对于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于数字和文字等抽象信息的理解能力。将仿真技术与虚拟现实技术相结合，利用虚拟现实技术进行仿真模型的建立和实验的模拟，使仿真的过程和结果可以实现图象化、可视化，使仿真的系统具有了三维、实时交互、属性提取等特征，极大地促进了仿真技术的发展，同时也使虚拟现实技术更加具有生命力。

四、仿真与虚拟现实技术在结构工程中的应用

仿真与虚拟现实技术近年来在机械、电子、水利、社会、经济、生态、生物等各个领域都得到了广泛的应用。

在结构工程中，仿真与虚拟现实技术已经应用于如下几个方面：

1．在工程结构分析中的应用

工程结构在各种荷载作用下的反应，其破坏特征和极限承载力是人们所关心的。当结构形式特殊，荷载及材料特性复杂时，人们往往求助于模型试验来测定其受力性能，但模型试验往往受到场地和设备的限制，只能做小比例模型试验，难以完全反映结构的实际情况。若用仿真与虚拟现实技术，则可以进行足尺寸的试验，还可以很方便地修改参数。此外，有些结构难于进行直接试验，用计算机模拟仿真就更能体现出优越性，如建筑物及构筑物在地震作用下的倒塌分析，桥梁受到汽车高速碰撞的检验试验等只有采用仿真与虚拟现实技术，分析才能大量进行。又如在高速荷载作用下，结构反应很快，人们在真实试验中只能观察到最终结果，而不能观察试验的全过程。如果采用计算机模拟仿真试验，则可观察其破坏的全过程，便于破坏机理的研究。对于长期的徐变过程则可在模拟中加快其变化过程，让人们清楚地看到其过程。在运用传统的有限元法进行结构分析时，结构应力的结果通常采用内力图等力线的形式描绘出来，给人以直观的印象。利用仿真与虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小，用不同颜色表示出不同的等力面；也可以任意变换角度，从任何点去观察。还可以利用VR的交互性能，实时修改各种数据，以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化，概念更易于理解。

2．在岩土工程中的应用

岩土工程处于地下，往往难于直接观察，而仿真与虚拟现实技术则可把内部过程展现出来，有很大实用价值。例如，地下工程开挖经常会塌方冒项。根据地质勘察，我们可以知道断层、裂隙和节理的走向密度，通过小型试验，可以确定岩体本身的力学性能及岩体夹层界面的力学特性、强度条件，并存入计算机中。

在数值模型中，除了有限元方法外，还可采用分离单元。分离单元在平衡状态下的性能与有限元相仿，而当它失去平衡时，则在外力和重力作用下产生运动直到获得新的平衡为止。分析地下工程的围岩结构，边坡稳定等问题时，可以把节理断层划分为许多离散单元。这一过程可以在显示器和大型屏幕上显示出来，最终可以看到塌方的区域及范围，这就为支护设计提供了可靠依据。

3.防灾工程中的应用

长期以来，人类一直与洪水、火灾、地震等自然灾害进行着坚持不懈的斗争。由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的，因而仿真与虚拟现实技术在这一领域的应用就更有意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功，例如洪水泛滥淹没区的洪水发展过程演示系统。该系统预先存储了泛滥区的地形地貌和地物，有高程数据可确定等高线，只要输入洪水标准(如百年一遇的洪水)及预定河堤决口位置，计算机就可根据水量、流速区域面积及高程数据算出不同时刻的淹没地区，并在显示器和大型屏幕上显示出来。人们从屏幕上可以看到水势从低处向高处逐渐淹没的过程，这样对防洪规划以及遭遇洪水时指导人员疏散是很有作用的。又如在火灾方面，对森林火灾的蔓延，建筑物中火灾的传播均已开发出相应的模拟仿真系统，这对消防工程起到了很好的指导作用。

4．在模拟施工过程中的应用

建筑施工是复杂的大型的动态系统，它通常包括立模、架设钢筋、浇注、振捣、拆模、养护等多道工序，而这些工序中涉及的因素繁多，其间关系复杂，直接影响着混凝土浇筑的进程。模拟施工过程是为了通过仿真手段，去发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题，这就需要对实际施工进行仿真。而目前施工过程的模拟只是从几何形体方面模拟施工的过程，即按楼层关系由下而上，每一层按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工过程的模拟。现有的模拟只是对进度计划起到了一定作用，并没有对施工过程起到真正的作用。基于以上原因，需对施工过程建立合适的模型，以达到模拟仿真的效果。例如，大型水利枢纽混凝土在运输浇筑系统的模拟仿真模型，是由运输子系统和浇注子系统构成的，模型是按进程交互的仿真策略建立的，按这种条件建立的模型能与仿真程序间保持紧密的对应关系，程序所要模仿的行为比较直观、清晰。程序流程直接与模型结构和系统状态相对应。

另外，仿真与虚拟现实技术在结构工程领域内，还可应用在建筑系统工程管理、建筑信息管理、建筑物及构筑物的空气流场、空气品质分析等方面。

我国是一个发展中国家，有着大量繁重的基本建设任务，特别是在十五计划纲要中，提出进一步加强水利交通、能源等基础设施建设和西部大开发战略。这一大好形势，为结构工程高新技术的信息化和集成化，为结构工程学科及相关学科的发展提供了良好的机遇。仿真与虚拟现实技术作为结构工程高新技术之一，开创了结构工程学科的新纪元，其技术潜力巨大、应用前景十分广阔。

参考文献

（1）汪成为、高文、王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及其应用.清华大学出版社，1997

（2）陈清来.建筑结构的现代设计设计思想和发展.工程设计CAD及自动化，1996年，（4）

（3）张跃、张丛哲。土木工程中虚拟现实技术的发展与展望，计算机世界，1998，（5）D版：1-3.

（4）袁耀明.从可视化到视算一体化.系统仿真学报，1996（5）

（5）张丛哲、张跃.计算机辅助设计(CAD)中虚拟现实技术.计算机世界,1998，（5）D版：5。

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一、虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：

1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。

2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。

控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。

3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。

4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成

虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。

2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。

3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。

3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。

4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。

三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析

使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。

首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。

其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。

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1建立虚拟仿真实验室的必要性

实验室是现代大学的心脏，是实践创新设想、产生创新思维和培养创新能力的重要场所。21世纪信息化的快速发展使教育发生了重大变革，教育信息化受到了国家的高度重视。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出：信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视［2］。教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》，要求“利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施”，推进“实验教学平台等信息化建设”［3］。虚拟仿真实验室的建设顺应了新常态下高等教育的发展趋势，是高等学校实验教学信息化的最新举措。以华中师范大学为例，近年来，学校坚持“一体两翼，建设高水平大学”的办学思想，大力推进信息化、国际化两项重点改革举措。在数字化建设和网络教育建设的基础上，华中师范大学整合心理、信息、工程等学科资源，依托2010年获批的“青少年网络心理与行为教育部重点实验室”和2012年获批的“国家级心理学实验教学示范中心”，大力推进心理与行为虚拟仿真实验室的建设，并于2014年1月获批建设“国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心”（以下简称“中心”）。该中心旨在贯彻教育部“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，将虚拟仿真技术引入心理学的教学和科研，更好地促进对处于多维信息空间中的个体如何与外部世界进行信息交流的理解和探索，成功模拟、实现了一批在传统实验室中无法做到，或者具有高风险和高成本的心理学实验教学项目，体现了绿色实验教学的理念，有效地拓展了实验的时间和空间，提高了心理学实验教学质量。

2虚拟仿真实验室在心理学实验中的作用

1989年，美国的Wulf教授提出了虚拟仿真实验室概念。虚拟仿真实验室使用虚拟现实（virtualreal－ity，VR）技术，综合了各种计算机技术和网络技术，是现代仿真技术的延伸。它是由计算机模拟真实的环境，参与人员对虚拟环境中的目标进行操控和交流，从而产生与真实环境相同或相近的体验［4］。对于心理学实验来说，虚拟现实技术可以很好地呈现视觉图形，也能呈现听觉刺激，而这两种通道是人获得外部世界信息的主要通道，占人所获得外部信息量的95％，是进行心理学研究的主要领域。VR技术不但可以较好地模拟、再现现实场景，构建某些基于伦理学原因无法通过其他手段使用的实验场景（例如道德两难问题的实验场景），还可以对其所模拟场景中的元素（包括刺激的内容和表象、任务的复杂度和被试的响应等）实施精确、实时、全面的控制与记录。总之，以虚拟现实为代表的虚拟仿真技术在心理学实验教学、研究中具有广泛的应用价值和深远的意义。

2．1突破时空和各种因素的限制

虚拟仿真实验室是基于网络平台的实验室，因此学生可随时随地进行学习和交流，不受时间、空间和实验次数的限制。对于某些传统实验教学中需要数天或更长时间才能观察到的变化过程，虚拟仿真实验室则可在较短的时间内将全部过程及结果模拟、呈现给学生进行观察分析［5］。以虚拟“数字化生理心理实验平台”为例，它的界面设置简洁、选单操作清晰，只需进行点选就能完成高度复杂的虚拟解剖实验操作，获得连续人体断层扫描数据信息（每个断层厚度约1mm），能涵盖人体所有的解剖结构。该系统有助于教师和学生全方位观察人体任一器官的形态、内部结构、在人体中的位置以及断层中的位置，并且可以做任意角度的旋转观察，可方便地用于系统解剖学、局部解剖学、断层解剖学以及运动解剖学等多门课程的教学，摆脱了传统生理解剖实验对实验动物和人体器官模型实物的依赖。此外，通过借助校园高速无线网络，学生在校园各场所（教室、图书馆、宿舍、运动场等）都可以随时随地登录客户端，高速、快捷、互动地开展生理心理实验项目，从而达到突破实验课时空限制，随时随地开展数字化生理、心理实验操作。

2．2创新虚拟仿真实验项目，丰富实验教学内容

实验项目建设是实验教学的灵魂。虚拟仿真实验室在改进、完善传统实验项目的基础上，重点补充了有助于提高学生研究、创新能力和动手能力的创新型虚拟仿真实验项目。中心在实验课程建设方面明确提出：在虚拟仿真实验项目建设中体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。中心明确要求骨干实验课教师根据自己实验课程的专业特色，将传统实验项目与虚拟现实技术相融合，将每门实验课程安排20％～30％的学时开展虚拟仿真实验教学。在实验内容方面，新增加的虚拟仿真实验项目既包括相关学科最新、最前沿的一些实验，也包括一些利用已有科研成果转化的实验教学内容。通过持续的实验项目建设，实验项目库不断扩大和创新，大大地丰富了实验教学内容，为学生提供了实验的多样性和灵活性［6］。目前，实验项目库中已增加了近30项心理学综合性、创新型实验，例如：“虚拟学习情境中注意多动障碍儿童认知加工特征”、“虚拟现实在社交焦虑症治疗中的应用”、“虚拟现实在恐高症治疗中的应用”、“虚拟创造性问题解决实验”、“虚拟儿童养育系统”、“虚拟情境下执行功能检测和训练”、“虚拟情景中人类空间导航”等实验项目。

2．3模拟高危环境，避免实验风险

利用虚拟仿真实验室可以模拟一些在传统实验室中无法做到的有高度风险、高成本的实验教学项目。以虚拟心理咨询与治疗实验平台为例，通过构建一系列能够使恐高症患者产生恐高心理的模拟实验场景（例如观光电梯、高楼顶层、空中索道、悬崖顶端等），然后让患者反复暴露在这些场景中，利用系统脱敏法减少患者的恐高心理。虚拟仿真治疗中的任何一个恐高症模拟场景，都可以应患者要求随时开始、暂停、中止和结束。这使得虚拟场景治疗方法更安全、也更具有弹性。虚拟仿真实验对真实事物的模拟，使危险系数较真实实验降低很多，学生无需为自己的失误承担后果，给他们带来更多的安全感，满足学生心理安全的需要。

2．4开放性和共享性

虚拟仿真实验打破了传统实验的模式。学生利用课余时间登录网站，输入正确的用户名、密码就可进入虚拟仿真实验室，选择相应的实验项目就可以进行虚拟仿真实验操作。以虚拟现实心理实验平台为例，该平台依托虚拟现实、多媒体呈现、人机交互、数据库和高速网络通信等技术，构建高度仿真的心理与行为虚拟仿真实验环境，让学生在虚拟环境中进行实验，达到教学大纲所要求的教学效果［7］。在实验教学中，教师和学生无需亲历每个真实环境，却能最大化地体验真实环境，开展实验教学和示范应用。中心的虚拟仿真平台还可以帮助尚不具备真实实验条件和心理学应用服务条件的地区，大幅度提高实验教学和心理学应用服务水平，实现心理学实验教学资源的地区平衡和最大化共享。再以“数字化生理心理实验平台”为例，该平台所有教学过程的中间环节都能够以图像方式输出，并支持音频、视频文件导入。因此，教师的教学过程、学生的学习过程以及师生的互动过程都可以通过添加语音、视频标签的方式保留记录。该设计思路旨在方便教师编辑教案和解答学生提出的疑问。教师和学生也可以就虚拟仿真实验教学和学习过程中遇到的问题，在中心教学管理平台的“互动交流”频道开展反馈与交流。

2．5提供多项虚拟心理学实践技能训练项目

华中师范大学是一所具有鲜明的“教师教育”特色的部属重点师范大学，不但重视培养学生较强的基础教育和基础研究能力，也高度重视培养面向社会、面向市场的理论与实践结合的复合型、高技术人才。利用本中心的专业资源优势和虚拟仿真技术，华中师范大学心理与行为虚拟仿真实验教学中心面向校内高年级本科生、研究生，提供了多项以实践技能为导向的大型综合性心理学实训项目。这些大型实训项目，依托当代最前沿的虚拟现实技术，广泛采用网络视频、在线交流、多媒体演示等信息化教育手段，模拟学生在课堂管理、教学技术、心理咨询与治疗等过程中所接触的实践场景与环节。通过数字化教学演示和学生在虚拟实践平台中的反复练习，让学生将心理学理论知识与解决实际问题的实践技能相结合［8］。这种虚拟仿真的实训方式既生动又安全，又可对场景多次重复，有助于培养学生的实践创新能力。

2．6绿色环保，降低成本

传统的实验需要借助于具体实验设备，然而实际使用的一些实验设备昂贵、损耗大、实验成本较高；而虚拟仿真实验室最大的优点是成本低。虚拟设备只是概念上的设备，没有磨损、损坏，可供学生无限次重复使用。另外，由于虚拟仿真实验室设备是由软件虚拟出来的，因此可有效避免大型设备重复购置，在同一计算机中运行不同的实验系统就可构建不同的虚拟仿真实验室，使实验室建设成本降低。此外，虚拟仿真实验室不会出现传统实验室因管理不善造成的仪器损坏、器械丢失等问题，使实验室运行成本降低。虚拟仿真实验室在教学前无须准备各种器械、材料，教学结束也无须进行琐碎的整理工作，维护管理工作量减少，使实验室管理成本降低［9－14］。

3结束语

篇7

关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02

Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation

YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.

Key words:particle system; virtual reality; immersion

1 引言

随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。

2 虚拟教学发展现状

在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：

2.1 虚拟课堂

虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。

2.2 虚拟实验

在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。

2.3 虚拟培训

针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。

3 粒子系统

3.1 粒子系统基本原理

粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。

3.2 粒子系统绘制的基本步骤

Step1 由粒子源产生新的粒子并加入系统中；

Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；

Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；

Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；

Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。

可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。

4 粒子系统与虚拟教学

因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。

篇8

关键词：虚拟现实技术；数控技术；教育教学

前 言

随着科学技术的迅猛发展，新的教学手段不断涌现，继多媒体技术之后，教学技术领域又出现一种新型教学媒体，它就是虚拟现实技术。虚拟现实技术是近几年来国内外科技界关注的一个热点，它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。

目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、军事训练、建筑设计、教育培训等众多领域。以计算机仿真和数控加工技术为基础，利用计算机来模仿真实的数控设备工作环境，形成了虚拟数控技术，如将其应用于数控技术教学上，必将对整个教学产生深远的影响。

1 虚拟现实技术简述

虚拟现实技术，简单地说，就是借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人们可以通过视、听、触、嗅等手段所感受到的虚拟幻境。虚拟现实作为一项尖端科技，它集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，由计算机图形构成三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，提供给人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。虚拟现实的最大特点是用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效地扩展了人们的认知手段和领域。

2 虚拟现实系统的基本类型

根据用户参与虚拟现实的不同形式，可把虚拟现实系统划分成四类：

3.1桌面式虚拟现实系统

桌面式虚拟现实系统也称为简易型虚拟现实系统，它是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。这种系统的特点是结构简单、价格低廉，因此应用比较广泛，是一套经济实用的系统。但桌面式虚拟现实系统会受到周围现实环境的干扰，参与者缺少完全的沉浸，缺乏真实的现实体验。

3.2沉浸式虚拟现实系统

沉浸式虚拟现实系统是一种高级的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉浸式虚拟系统是一套比较复杂的系统，它的优点是用户全身心地沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。

3.3增强式虚拟现实系统

增强式虚拟现实系统是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，它既允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象，这种系统既可减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到亦真亦幻的境界。

3.4分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户联结起来，多个用户通过网络同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的，从而将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界。

3. 虚拟现实技术的基本特征

虚拟现实技术具有以下四个基本特征:

沉浸性——指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉，听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。

交互性——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘，鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔，数据手套等传感设备进行交互。

多感知性——是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，从而达到身临其境的感。

构想性——是指虚拟现实技术具有广阔的可想像空间，可拓宽人类的认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境，它不仅可实现实物虚化，还可实现虚物实化等处理。

4 虚拟现实技术在教育教学中的实现意义

随着计算机、信息、网络等相关技术的发展，计算机作为一种高效能的信息传播工具，在教育教学过程中得到越来越广泛的应用，如果将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到教育教学中，这种崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。

4.1虚拟现实技术开创了全新的学习场景——彻底打破空间、时间的限制

利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制，学生可以进入物体的内部进行观察，如学生可以进入虚拟的分子、原子、航天工作站等内部，考察物体内部的工作情况。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。虚拟制造技术还可以应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境，使学生能如同在制造现场一样，与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。

4.2虚拟现实技术提供了崭新的教学手段——构建实物虚化、虚物实化的方法

通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用，可在课堂和实验室中展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。虚拟现实系统可以进行实物虚化，虚拟各种人物，创建虚拟课堂，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学。运用虚拟现实技术，还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，通过学生自我组织，制定并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。还可通过小组或团队的形式，组织学生进行学习，成员间共享成果，开展协作式教学。

4.3虚拟现实技术变革了传统学习方式——营造开放性的网上探索学习

运用虚拟现实技术，突破传统教科书的限制，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便的时间从互联网上自由地选择适合的学习资源，按照适合于自己的方式和速度进行学习，这种探索性的学习，有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。

4.4虚拟现实技术丰富了课堂教学内容——展示全方位、多角度的教学内容

利用虚拟现实技术，可丰富教学内容，将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行，由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容。利用计算机多媒体技术，制作各种仿真课件，创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。

4.5虚拟现实技术节约了有限的教育成本——开展虚拟实验、进行虚拟生产

虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。可以在节约大量昂贵的仪器设备费用的前提下，解决在教学中，因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。

5 虚拟现实技术在数控技术教学中的应用

随着我国经济建设的飞速发展，社会各行业对制造业提出了更高的要求，数控技术是现代机械制造业的核心技术，其技术的应用水平将直接影响产品的加工水平。在现今数控技术人才极度缺乏的情况下，如何将最新、最实用的数控技术高效地传授给数控技术学习者，是数控技术教学要着重考虑的问题。由于数控技术教学和培训都离不开数控机床，而数控机床本身价格比较昂贵，限制了学校的购买能力，若采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境，同样可以让学生尽快熟悉数控机床的加工环境与真实的加工过程，从而提高数控技术的教学效果和教学质量。虚拟现实技术可从以下几方面应用在数控技术教学上。

5.1利用虚拟现实技术实现数控教学仪器、设备、加工产品的立体展示

在传统教学中，学生只有通过在书本上察看各种教学仪器设备的平面图形，或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。平面的图形限制了学生的空间想象能力，实际现场教学又增加了学校的投入。采用使用虚拟现实，我们可以构建一个与实物同样的三维物体，如采用Pro/E建模，将各种教学仪器、设备和产品进行实物虚化，将这些物体以立体形式存放在虚拟教室中，我们只要进入这个虚拟空间，就可随时随地地认识这些仪器设备，而且可观察到设备内部的结构，可辅助数控技术教学的学习过程，增强理解能力，提高学习效果。

5.2利用虚拟现实技术进行模拟实验和仿真教学

在教学中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及或有许多实验是根本不可能做的，如果利用虚拟现实技术，建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，如进行各种虚拟的数控系统的连接与组装。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。虚拟实验室的另一优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故。

另外，我们还可利用虚拟仿真技术，制作虚拟仿真软件，在多媒体计算机上进行数控机床操作面板的认识操作训练，进行模拟编程训练并产生加工结果的仿真，可有效地解决教育机构实验条件与实验需求，实验效果之间的矛盾。

5.3利用虚拟现实技术实现的数控加工仿真教学系统

随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际数控机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，这就是某一特定数控系统借助计算机软、硬件的功能，通过实验者的控制在计算机上演示，分析数控加工从零件设计图到动态切削演示的实现的全过程。仿真机床操作的整个过程包括：毛坯定义、工件装夹、压板安装、基准对刀、安装刀具、机床手动操作等内容。 虚拟数控加工仿真教学系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。学习者可身临其境的操作各类数控加工设备，能有充分的机会去练习数控加工中的常用操作，如基本运行方式的选择操作、对刀操作、补偿量的确定及输入输出操作和程序的编辑修改操作等。解决了初学数控技术者需要的大量操作练习，提高了机床操作训练的时间。把数控加工仿真教学系统引入到教学之中，这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学生都能有足够多的实践机会，从而为数控技术教学提供良好的教育平台。

5.4实现虚拟仿真教学与真实生产加工的联系

数控加工仿真教学系统既能单机系统独立运行，又能实现在线运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台计算机，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型通过三维动画演示。在线运行即机床工作方式，在这种方式下，教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。由于数控加工仿真教学系统具有完善的图形和标准数据接口，用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD／CAM软件，如Pro/E、UG、Mastercam等产生的三维设计后置处理的NC程序，直接调入加工。

5.5虚拟现实技术可实现网络数控培训及考核

虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育培训，它不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，数据传送可以采用卫星、宽带等方式进行。这使得数控培训远程教学名副其实，而且还可采用远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

6 虚拟现实技术在教育应用中存在的问题及展望

可以预测，随着经济和技术的不断发展，虚拟现实技术将日益广泛地应用于教育教学领域。但目前的虚拟现实技术还存在一定的问题，主要表现在：

6.1虚拟环境与真实生产的差异

学生在虚拟的环境中学习，与在真实的生产中训练毕竟不同，因为如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上代替某些实验，而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。

6.2虚拟现实的效果还有待加强

虚拟现实的表示侧重于几何表示，缺乏逼真的物理、行为模型，虚拟现实技术在感知方面，视觉合成研究的较多，听觉、触觉关注较少，真实性与实时性不足，其虚拟的效果还需要进一步加强。

6.3硬件环境还有待提高

与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便，效果不佳等情况，难以达到虚拟现实系统所需的要求，如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要，对数据存储能力也不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。硬件设备品种有待进一步扩展。

6.4实现成本问题还有待降低

虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵，且这些设备局限性很大，需要进一步发展其结构和制造技术，使其轻巧化和降低成本，才能更有利于推广应用。

虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，目前已引起教育界的极大关注。随着计算机技术的发展，虚拟现实的硬件与软件成本的逐渐降低，这种新的教学媒体必将广泛应用于教育教学中，最终在现代教育领域中发挥其重要作用。

参考文献

篇9

[关键词]PE管焊接；教育；虚拟仿真技术；PE管焊接教学虚拟仿真；

中图分类号：TN0-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0234-02

PE是指聚乙烯塑料，是基础的一种塑料制品，塑料袋和保鲜膜等都是PE材料，PE管具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性，所用范围非常广，一般可用于PE燃气管道、PE给水管道和PE排污管道等，对于焊接技术，国家有关部门专门为此设立焊接工技术考试，设置专门的技术证明，可见国家对这项技术的重视及认可，不少高校将焊接技术列入工科学生的认识实习当中，让学生接触焊接技术，从大学开始培养学生的焊接技术，培养能从事燃气和居民用水的输送、存运等同时具备多种高素质技能型人才。

一、虚拟仿真与PE管焊接教学结合的必要性

关于国家教育部的《教育部2016年工作要点》内容第10点“优化高校人才培养机制”提及加强国家建设虚拟仿真实验中心，《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》内容提及教育信息化改革的具体措施及发展规划，着重强调了关于增强开发虚拟仿真实训教学软件、虚拟仿真实训实验系统以及建立虚拟仿真实训基地的力度。

虚拟仿真技术是由计算机系统创建的一种令人感到身临其境及获得与环境交互体验的虚拟世界。营造一个三维的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和教学内容，具体表现为如下：（1）在教学模式方面，有利于情境创设和大量知识的获取与保持；（2）在教学手段方面，以一种直接的信息传递方式，提供直观形象的思维材料；（3）在教学内容方面，用文字、语音和三位实景虚拟现实过程协同描述。 因此，虚拟仿真技术作为一项前瞻的科学技术，是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域最具有应用前景的“明星技术”。

目前的焊接教学内容，主要为多媒体视频播放及PPT的讲解，但并没有让学生有一种身临其境的体会，错误的操作，失误的操作时常发生，学生的焊接技术并没有质的提升，因此，为有效培养出高等技术应用型专业人才，提供学生的焊接技术，西南石油大学率先开发出PE管焊接实训系统，应用于焊接技术教学，并获得了很好的教学效果。

二、虚拟仿真技术的应用

1.虚拟仿真技术

虚拟仿真即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。其虚拟系统由计算机产生，而使用者可“进入”到该环境中，有身临其境之感，并可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。虚拟现实（Virtual Reality）有其四个特性：（1）沉浸性（Immersion）：使用者能有视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，应该具有能够给人所有感知信息的功能。（2）交互性（Interaction）：即不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，并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，而虚拟环境还能够对人的操作回以实时的反应。 （3）虚幻性（Imagination）：系统中的环境是虚幻的，是模拟出来的。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，也可模拟出当前并不存在的但将来可能出现的环境，或仅属于人们幻想的环境。（4）逼真性（reality）：虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，就如真实世界一样；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。

2.PE管焊接仿真实训系统的应用

（1）工艺流程

根据焊接方法的不同，设置了电熔焊接和热熔焊接不同的工艺流程。在应用之前，先让学生首先大致了解PE管及各种设备的大概信息，和不同的焊接有哪些步骤。例如电源电压的范围，机架管材的放置，铣刀夹具的开启取下等。其后就是针对各个小步骤的工艺，如各种信息的录入，压力的记录等进行更为详细的讲解。

仿真系统的操作中，通过点击鼠标实现设备的开启，夹取，信息的录入情况等。教师可设置不同的工艺流程参数，准确地模拟出现场不同的管材设备。如此，那么在老师授课轻松便捷的同时，学生不仅会轻松掌握一般PE管焊接的相关操作步骤，更会全面的让学生处理各种不同条件状况下的实际情况。

（2）仿真软件的互动性

1.用软件进行操作时，在相应的单元内通过鼠标、键盘等输入相应的型号及参数后，会在场景内自动生成管件模型，用鼠标点击可以进行拖动，继续下一步操作。例如在进行PE管的选用时，直接在相应菜单输入管径、材料和壁厚等参数就可以在场景内直接生成相应的管道。

2.同时在场景内，当鼠标悬停在设备上时，可显示设备参数、工作状态等信息。例如在进行加热管材的过程中，可以把鼠标悬停在PE管上，查看管道的参数，也可以悬停在泵站上查看压力等数据。

3.操作进行的过程中，使用者可以得到部件及机器的工作状态的视觉动画和音频信息的反馈。例如在打开铣刀之后，铣刀部件将会旋转，开启信息直接反馈给使用者，达到良好的培训效果。

4.当进行软件操作之时，如果出现错误、不当的操作时，那么便会在界面弹出错误信息提示框，会提示具体错误情况，并给予相应的规范提示，且在错误之处的相关部件或者信息参数以高亮等明显颜色显示，让操作者不仅能够明白自己哪些地方错误，还能知道规范以及如何改正。例如，半自动热熔焊接时，加热板在加热后，要进行需要等待一定的时间的吸热，软件会有相关的提示；如果忽视提示，直接取下加热板，那么便会进行相关预警，提示时间不足和会造成的后果，给出正确做法，加强操作者的意识。

5.本系统采用了一人一号登录的方法，当每个学员在实际使用中出现操作错误时，系统不仅能够给出提醒，以便学员能够发现自己的错误，还能自动记录下该学员发生错误的步骤，随着学员使用本系统的次数增加，会自动为该学员生成一个易错点数据库，在该学员碎片化时间的训练中，可以针对这些易错点进行单独的训练。使训练更加有针对性。该数据库还会自动匿名上传使用该培训机构的服务器，随着学员样本的增多，逐渐会形成有代表性的易错点数据库，使学员知道PE管焊接过程中的易错点，更有针对性的练习。

（3）主要设备

进入PE管仿真实训系统，点击主要设备菜单，学习人员可以看到各种焊接设备的简介、内部结构详解以及工作原理模拟。通过全方位无死角浏览各个单体设备结构以及详细学习设备工作原理，提高了学习人员对设备构造、工作原理的认知度，为学习人员将来实际操作工艺设备奠定了扎实的理论基础。

（4）操作流程

PE管焊接技术虽然现在有专门的人员培训机制，但是存在培训流程不完善，参与性、安全性较差，效率低，对管材损耗较大，培训成本较高等问题，学习人员实际操作效果不够理想。针对这些难题，培训方可以利用PE管仿真实训系统中的各工艺单元操作流程进行具体的讲解。

（5）技能培训

PE管焊接技能培训包括理论培训与实践培训，理论培训可用实际教学班的形式进行，并在PE管焊接虚拟仿真软件中添加题库和成绩评判模块，以便学员进行PE管焊接理论的自我检测。

实践操作能力的提高是PE管焊接人才技能培训的主题，应重点突出操作技能的培训，加大实践性教学环节的比重，坚持理论与虚拟操作实践的结合，促进PE管焊接技能人才在虚拟实践操作中不断增长知识，提升能力。虚拟仿真系统教学可以彻底打破时空限制，对学员学习中可能出现的各种问题进行虚拟仿真，可直接观察到这种焊接问题在以后的使用中产生的后果。在技能培训方面，它不仅更加形象生动，使学员更容易理解学习的内容，更能够直接获取技能操作方面的实践经验，提升技能操作的熟练程度。而且针对PE管焊接技能训练，由于训练的特殊性，在实践操作训练中，当学员的操作不当，会导致焊接的直接失败，没有挽回的余地。焊接失败的管段不能继续用于焊接，使技能培训成本大大增加。使用虚拟仿真系统对PE管焊接进行培训，能节省训练的开支和成本。

在虚拟焊接系统中，应该考虑训练产生的结果以及教学的效果，这套系统能提供真实的虚拟训练的情景，校正学员错误等功能，真正做到“干什么、学什么、缺什么、补什么；弱什么、强什么”，确保PE管焊接虚拟培训系统达到最好的效果。

三、结语与展望

为达到安全实训的目的，培养出符合焊接要求的技术性专业人才，提高学习就业竞争力，将虚拟仿真技术应用到实际课堂教学已成为高校教学改革必不可少的重要部分。对推动焊接教学来说，PE管焊接仿真实训系统的开发，有以下几点重要意义：

（1）改变了传统焊接技术教学培训的教学模式，提高了学生焊接技术学习的效率，大大提高了学生的学习兴趣。

（2）将“二维”的学习环境转变为

“三维”的学习环境，学生通过浏览三维虚拟场景、模拟操作公益流程以及考核学习成果，学生能较快的熟悉PE管焊接的现场环境、设备、安全规范及相关操作，降低了高校实训成本，避免了操作风险。

因此，在PE管焊接的教学中引入虚拟仿真技术，进一步完成完全互动型PE管焊接仿真教学系统的研发，对焊接教学的培训具有深远意义。进一步形成一套先进性、实用性、教学性、科学性于一体的全方位PE管焊接仿真教学系统，是一个长期的目标，具有及其深远的意义。

参考文献

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[4] 李志文，韩晓玲.虚拟现实技术研究现状及未来发展[J].信息技术与信息化，2005，（3）：94-96.

[5] 徐艳.虚拟现实技术在教育教学中的应用研究[J].中园科技信息，2008，（7）：235-236.

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关键词：虚拟现实技术;高等职业教育;应用

1虚拟现实技术概述

虚拟现实（virtualreality）技术最早提出于20世纪80年代，简称为VR,它可以让用户创建虚拟仿真世界，也可以让用户亲身体验虚拟仿真世界，实现真正的人机交互。虚拟现实技术集合了仿真技术、人机对接技术、传感技术、计算机图形学、三维动画、动作捕捉技术、视频音频编辑技术、技术广角立体显示技术、网络技术等，是一门集合了多种技术的强大的综合技术。模拟真实环境是由计算机来完成场景的制作并生成具有实时动态的逼真的三维动画；运用人机接口技术和传感设备实现感知性；运用动作捕捉技术对用户的肢体动作进行跟踪，优化触觉反馈，实现人机交互的自然技能；运用音频编辑技术实现自然环境的立体声输入输出等。虚拟现实具有多感知性、虚拟现实沉浸感、虚拟现实交互性和虚拟现实自主性4个特征。多感知性是指除了普通计算机所具备的对图像的感知外，我们的仿真系统还具备对声音、触摸、运动甚至味道的感知等，最佳的仿真系统应该具备人类所具有的一切感知功能。虚拟现实沉浸感是指用户作为体验者存在于仿真环境中所感受到的真实程度，最佳的模拟环境应该使体验者身临其境难辨真假。虚拟现实交互性是指用户和仿真环境之间的自然和谐程度，用户对模拟环境内物体的可操作，模拟环境亦能做出准确的反馈。虚拟现实自主性是指仿真环境中的物体能够依据真实客观世界物理运动定律运动。

2虚拟现实技术在高等职业教育教学中的应用

职业教育的宗旨是培养高素质劳动者和技能型、应用型人才，高等职业学校应具备培养大规模高素质技能型人才的能力，学历教育和职业技能培训并举，形成形式多样、灵活开放的教育教学模式。而对于技能的培养，学生主动地去交互和被动的灌输，教学效果也天差地别，将虚拟现实技术引入高等职业学校无疑更加有利于高素质技能型人才的塑造与培养。虚拟现实技术可以为学生营造富有趣味的仿真学习环境，让学生去亲身经历和感受比教师空洞抽象的解说更加直观易懂，从而培养学生自主学习的能力。将传统的以教师为主导、以教促学的教学模式转变为以学生为主体的新型教学模式，学生通过自身与仿真环境的交互体验来获得知识和技能，能有效激发学生的创造力和想象力。下面笔者将从以下3个方面探讨虚拟现实技术在高等职业教育教学中的应用。

2.1建立虚拟实训基地

实训基地是职业学校完成实践实训教学、培养学生应用职业能力的必要所在，随着教育改革的不断深入，越来越多的职业学校加大实训基地的投入和建设力度。实训基地的建设成本高、周期长、后期设备维护和更新也需要不断地追加资金投入，显然存在一定的弊端。而基于虚拟现实技术建立的虚拟实训基地不仅可以节约时间和空间，还可以节省大量的资金投入，有效地减少后期维护成本。在虚拟实训基地，环境是由计算机生成的仿真世界，所需要的设备和部件也是计算机生成虚拟设备，后期维护时可以根据教学需要轻松完成虚拟设备更新和添加。当今社会是个科学技术飞速发展的时代，技能型课程内容更新也较快，在虚拟实训基地教学内容的更新更加容易，能够使学生的技能培养和时代的步伐保持一致，充分保证技能教学的先进性。在虚拟实训基地，虚拟现实的沉浸感和交互性能真正地开启学生为主体的教学模式，学生在虚拟的仿真环境中扮演角色，身临其境。人机交互更有利于学生夯实技能操作的基本功。以笔者学校为例，像动物外科手术技能、汽车维修技能、农机具修理技能、模具制作技能、果蔬苗木栽培技能、计算机维修技能、组网技能等各种职业技能的训练可以直接依托于虚拟实训基地，学生可以在虚拟仿真的环境中反复加以练习，直到完全掌握操作技能为止。对于设计类课程而言虚拟实训基地更是学生最好的实训场所，如园林规划设计、室内装潢设计等，学生可以通过虚拟现实将自己的作品实景呈现，制作漫游动画，徜徉其中。除此之外，虚拟实训基地还具备一个优点，那就是在实训时几乎没有安全隐患。例如汽车驾驶技术学习、危险的化学实验就可以在仿真环境中完成，从而成功地规避风险。

2.2开发具有交互功能的教学课件

职业教育的宗旨是培养技能型人才，以往的偏向理论教学以及过分依赖教师讲授的教学模式已经远远不能满足教学需要。随着教育改革的不断深入和信息技术的发展，教学方法也在不断更新，逐步引入计算机辅助教学(CAI)已经大大地改善传统教学模式的局限性。虽然传统的课件具备了图、文和声音并茂的功能，显著提高了学生的学习兴趣、改善了教学效果，但是在一些教学难点或者技能操作课程上仍然不能满足教学需要；在表现一些技能型知识点如机械运动规律、机械维修、零件组装、计算机拆装等方面，传统课件制作难度高，展示效果不理想，而引入虚拟现实技术的课件开发实现了逼真的三维的展现形式，实现了人机交互，学生可以身临其境体验所学知识和技能，这就使得学生的学习过程更加生动形象，对于知识和技能的理解与掌握也更加容易。

2.3开展基于虚拟现实技术的远程教育

远程教育也是当前高等职业学校教育的发展方向之一，它以计算机和网络为媒介，极大地方便了网络教学。传统的网络教学有的是录屏讲解，有的是教师课堂实录，学生接触不到教师以及相关操作的所需的教具，存在一定的局限性，教学效果往往事倍功半。尤其对于实践性很强的技能型学科影响更大，例如计算机组装与维修课程，学生光靠看老师的视频讲解，死记硬背操作步骤，不如现场操作一次效果来得好。正因为如此，对于实践性较强的学科来说，引入虚拟现实技术模拟仿真环境，建立虚拟实验室显得尤为重要。基于虚拟现实技术的网络教学让学生可以在虚拟实验室自主学习的同时还可以自己动手拆装，更直观地学习并加以练习和体验，教学效果必将事半功倍。

3结语

虚拟现实技术作为一门前沿高新技术，将其应用到高等职业教育教学中是一种创新型教育手段，具有广阔的发展前景。它提供了逼真的教学环境，使得传统信息化教学手段有了质的飞跃，让课堂教学变得更加丰富、立体、生动和富有成效，尤其让技能教学更直观化，能有效激发学生的自主学习能力、想象力和创造力。虚拟现实技术的应用能够促进职业学校教科研水平的提高，改善实验实习场所并节约资源，丰富教学手段，优化教学过程，提高教学效率。

作者:朱玉凤 朱殷勤 单位:淮安生物工程高等职业学校

参考文献：

[1]黄金栋,吴学会,李小红,等.虚拟现实技术在计算机专业教学中的应用思考[J].职业教育研究,2011(3):174-175.