虚拟仿真范文

导语：如何才能写好一篇虚拟仿真，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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工程图学课程的教学是很具体形象的，它注重机构的运动及动作，在理论教学中由于缺乏真实感受，学生听课时常会感到枯燥乏味、内容很难理解；机械类课程中的实验设备大多很昂贵，有些情况下，不能完全满足相应的实验要求，尤其是对每个学生而言，学生实验通常是分组，对有些实验，实验设备很少时，分组的人数会很多，这样学生在做实验时会没有很多机会熟练掌握；因此，如果能在教学中进行虚拟仿真实验教学，不但在一定程度上可以弥补实验资源的匮乏，而且可以提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力，以求达到掌握一门专业技术技能。

1虚拟仿真实验应用于教学中的现实意义

目前国内大多数高校的实验还是采用传统方式，即老师讲解、演示，再由学生自己动手。而国外已经从传统实验转为实物实验与虚拟实验相结合，充分利用先进的计算机设备进行虚拟仿真实验教学，取得了较好的效果。

传统的教学模式以教师为中心，知识的传递主要靠教师对学生的灌输，作为认知主体的学生在教学过程中自始至终处于被动状态，其主动性和积极性难以发挥，不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维，也不利于创造性人才的培养。虚拟仿真实验突破了传统教学手段上的局限。学生自己动手操作，亲身参与整个实验过程的操作，通过将实际生产的工艺过程以影像、动画等生动的形式表示，从而增强学生的感性认识和学习兴趣，提高教学效果，使其实践能力、观察能力及归纳能力等都得到很好的锻炼。虚拟实验技术创设了一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、互动的气氛中进行学习。基于以上思考，尝试在《工程图学》教学中应用“虚拟仿真实验教学”进行教学改革的探索。

2虚拟仿真实验设计目标

虚拟实验的开发工具主要是网络虚拟现实建模语言(VRML)和三维建模软件。VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构三维世界的场景建模语言。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式虚拟对象、场景、三维模型，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等，是目前Intenet上基于“www”的三维互动网站制作的主流语言。

虚拟现实系统的设计要达到以下目标：

a)要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟环境应达到用户难以分辩真假的程度，甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟现实系统应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。

b)系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈信息，也能便系统了解参与者的关键部位的位置、状态、变形等各种系统需要知道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经验不一致，就谈不上以自然技能的交互，也很难获得沉浸感。

3零、部件测绘实践虚拟辅助教学

《工程图学》课程为机械类专业一门主要技术基础课，是一门理论性和实践性都较强的课程，因此实验教学环节对学好这门课程至关重要。通过加强实践教学环节，才能使学生真正理解和掌握该学科的理论知识。本项目的实施内容主要是采用inventor2008，3Dmax，AutoCAD及vrml软件系统设计虚拟实验系统，使之能够对齿轮油泵(图1)、减速器(图2)、虎钳(图3)的装配进行动态模拟，通过影像、动画等生动的形式对装配过程进行动态模拟，可以充分发挥学生的主观能动性，有利于学生获得丰富的感性认识，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣，有助于拓宽学生的知识面，有效地支持理论学习。

零部件测绘实践虚拟辅助教学技术的做法是，以实物模型为基本要素、以实物模型测绘为主线，用计算机虚拟现实的方法，制作图画和动画形式为主的直观形象，去解析零部件的形状结构和测绘过程。

将虚拟辅助教学融于测绘实践教学的过程是：布置测绘任务；观测分析实物模型；教师依据实物模型通过虚拟辅助教学课件集中指导；学生依据实物模型，参照虚拟辅助教学课件自主测绘；教师集中讲评。

虚拟辅助教学主要构件是以虚拟图象为主，配有少量文字说明的电子文档。分别是：以动画为主去表达零部件形状结构的图画集，以对零部件形状结构分析和视图分析为主的图画集，以对零部件测绘方法和过程指导为主的图画集，以对尺寸、技术要求、图样、作业要求指导为主的图画集。

4零、部件测绘实践虚拟辅助教学技术的特点

a)基于实体的虚拟。计算机虚拟现实、虚拟三维图与构形思维和视觉及视觉心理密切相关。实践表明：没有实体模型做基准没有构形思维和视觉及视觉心理的支持，计算机虚拟现实、虚拟三维图就会成为没有意义的作品；另一方面，没有构形思维和视觉及视觉心理知识去指导计算机虚拟现实、虚拟三维图的创作，也不能获得效果良好的作品。

b)基于图学素质对测绘对象(零、部件)的选择。选择好测绘对象是保障零、部件测绘实践教学效果的首要条件。简单化和过度复杂化都不可取，都可能给大学总体教学带来损害。选择测绘对象(零、部件)的第一因素是考虑对学生图学素质培养的要求，其次是考虑后续课的需求。阀类、泵类、夹具类(虎钳)、减速器类是常选测绘对象，其主要原因是便于教学。按图学素质培养的要求考虑，所选零、部件的测绘内容应当尽量多的涵盖图学主要的核心内容。例如，表达方法典型、全面，结构具有代表性。按后续课的需求考虑，所选零、部件的测绘内容要含有后续课的主要要素。

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关键词：虚拟仿真；砂型铸造；金工实习；机械制造技术

虚拟仿真技术是21世纪信息技术的代表，它的互动性和逼真性有望给传统教学方式带来革命性的升级[1-5]。教育部2018年4月18日印发了《教育信息化2.0行动计划》，明确提出加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设的智慧教育创新发展行动，其中示范性虚拟仿真实验教学项目是重要的载体[6]。目前，虚拟仿真技术在冶金教学方面已有不少成功引用的案例[7-9]。本文通过构建金属砂型铸造成形虚拟仿真实验平台，以交互式的虚拟三维模型，引导学生熟悉砂型铸造的步骤、工艺及质量分析等，以期探索虚拟仿真技术在金属成形实践教学中的应用方式，为教学模式的革新提供借鉴。

一、平台架构及操作

平台架构虚拟仿真实验平台采用Unity3D制作，平台架构如图1所示。置入不同模具（零件），学生根据所学知识选择浇铸系统与分型面，确定成形工艺，按照步骤执行，仿真最后铸件成形质量，反推成形工艺对成形质量的影响，总结出影响铸件质量的关键因素，生动、快速理解液态金属成形技术要点。虚拟仿真砂型铸造交互操作分为13个步骤：安放模具，用鼠标将所选零件放置于砂箱内；填砂紧实，通过控制铲子，将型砂填入砂箱，并用压头压实；修整，控制模板，将型砂抹平；翻转下砂箱，控制下砂箱，将其翻转；修整分型面，撒上分型砂；放置上砂箱，控制浇口棒放于合适的位置；填砂紧实，控制铲子，用型砂填满上砂箱；修整，控制模板修整；插通气孔，用针在合适位置布置通气孔；拔出浇口棒，并分开上下砂箱；起模，用针起模；修型，挖内浇道；合箱，将上下砂箱合上，开始浇筑。学生首先在模具库中选择要铸造的零件，每种零件对应有1种或多种成形工艺方案，选择完成后进入交互场景。场景中有上下箱体、铲子、刮刀、型砂、木板、模具等，学生用鼠标点击工具可进行拖动与操作，场景中有文字提示，可引导学生操作。主要面向机械设计制造及其自动化、车辆工程、机械电子工程、工业工程等机械类及近机械类专业的二、三年级本科生开设。在使用该虚拟仿真实验平台前，要求学生已经修习了机械制图、金属工艺学等课程内容，已经熟悉和掌握相关专业知识。

二、特色与创新

平台特色液态金属成形实验涉及高温金属，学生必须在充分掌握成形技术后方可实际操作，难以做到铸造零件的多样性，也难以做到浇铸系统和分型面选择的多样性。因此，本平台采用虚拟动画，选择不同零件，根据不同零件设置不同成形工艺，最终得出铸件，仿真铸件的质量，并进行质量分析，反推工艺参数的确定。软件经过编译后，可在个人电脑安装程序，对电脑配置要求较低，目前市面主流配置的电脑皆可流场运行。该教学方法的创新具体体现在以下三个方面。首先，实现理论课堂和实验教学的结合。采用所开发的虚拟仿真实验平台，在理论课堂可方便进行实验操作，打破了传统实验教学与理论课堂的脱节现象，实现了理论和实验教学的紧密结合。其次，实现课堂翻转，使学习的决定权从教师转移给学生。采用该虚拟仿真实验平台，学生可以在渲染的虚拟信息指导下进行实验操作，多样的互动性使学生迅速理解机构的工作原理和特性等，促使主动学习。第三，实现虚实融合互动的机构虚拟仿真实验教学。采用该虚拟仿真实验平台，可在真实的环境中通过交互操作来实现虚实融合的实验体验，克服了传统纯虚拟仿真实验教学存在的脱离实物、不能进行实践教学的现象，易使学生从被动的接受者转变为主动的学习者。完成实验步骤后，通过铸件质量的仿真及质量分析，提供铸件成形工艺的判断，可视化的评判，使学生更易发现问题所在。传统的实验教学提升了材料成形技术基础和金工实习中液态金属成形的教学效果，但仍然存在零件多样性差、工艺单一的问题。本项目在此基础上，借助虚拟仿真技术，通过虚实融合实现自然的人机交互，提供了更智慧化的学习环境，是对传统虚拟仿真实验教学的延伸。该虚拟仿真实验平台，提供多样化的零件及成形工艺，为学生提供了一个不受时间、空间限制的智慧化学习环境，并且实现了理论课堂和实验教学的结合，是对传统的实验教学的拓展。使用该辅助教学平台后，采用不记名问卷调查方式，统计学生主观评价。83.3%学生认为，该虚拟仿真实验平台有助于快速熟悉砂型铸造的工艺流程。75%学生认为通过平台的使用，加深了对金属铸造成形知识点的理解。87.5%学生认为该虚拟平台增加了学习的趣味性。66.7%学生认为用过平台的使用增加了对课程的和专业的热爱度。在意见或建议一栏，学生主要反馈模型数量偏少，操作流畅度需要进一步提升。从调研结果来看，虚拟仿真在金属铸造成形中有较好的应用效果，大部分学生对互动教学内容感兴趣，加深了对课程教学内容的理解，拓展了铸造知识面，有助于实习的顺利进行。调研结果表明，虚拟仿真技术在金属成型技术的教学中有较大的应用前景。随着模型库的扩展，本平台可逐步实现复杂零件的砂型铸造演示，并可向其它铸造工艺拓展。

三、结语

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机床建模是虚拟仿真加工系统的关键模型，是实际机床在虚拟仿真加工系统中的数字化模型，包括几何模型和运动模型。几何模型是在CAD系统中建立的，首先根据实测得到的机床部件尺寸，建立相应的模型，然后再根据相互关系进行“装配”，形成机床的几何模型。虚拟仿真加工系统中，通过改变机床几何模型各运动零部件的相对位置来模拟加工中虚拟机床的切削运动。运动模型是处理机床几何模型在数控程序控制下如何改变各运动零部件模型相对位置的模型，与机床的结构紧密相关。以DMU125P五轴加工中心为例，在运动模型建立过程中，机床各部件都视为刚体，这样机床的结构可抽象为一个运动链模型。在运动链各组成环节的刚体上固接坐标系，通过坐标变换，可以分析整个运动链的运动形式，建立运动链的依赖关系，即运动链的拓扑结构关系，如图3所示。

2虚拟仿真数控加工功能的实现

a)系统框架的建立

在虚拟仿真加工开始之前，针对工艺信息，选择相应的虚拟机床、虚拟刀具、虚拟夹具、工件模型组成虚拟仿真加工系统。在虚拟仿真加工中，虚拟机床在数控指令的驱动下带动虚拟刀具、虚拟夹具、工件模型等模拟切削过程，实现对数控程序的正确性和可靠性的验证，其系统框架如图4所示。虚拟仿真加工系统主要包括数控程序检查、数控程序翻译、运动仿真、刀具轨迹检查、碰撞检测等模块。

b)程序检查模块

数控程序检查模块包括词法、语法检查，主要检查程序中是否有数控指令集外的非法字符、数控指令的参数是否有效、语法上是否合乎逻辑等。

c)程序翻译模块

数控程序翻译模块以机床的数控程序规范为基础，用以提取G指令、M指令、坐标、进给速度、主轴转速、换刀、循环定义等信息，转换为仿真数控代码。这样在虚拟仿真加工中，才能控制虚拟仿真加工系统的运动仿真和状态设置，为运动仿真模块提供必要的信息。

d)运动仿真模块

该模块是虚拟仿真加工系统最关键的一个模块，决定了后续的刀具轨迹检查、碰撞检查结果的正确性。在该模块中，首先根据机床的运动模型，建立虚拟仿真加工系统各运动组件(包括虚拟机床各运动零部件、虚拟刀具、虚拟夹具和工件模型)的运动模型(即变换矩阵);然后根据翻译模块所提供的坐标值计算各运动组件的变换矩阵并应用以改变各运动组件的位置，从而可以模拟虚拟仿真加工系统的运动，具体步骤如图5所示。

e)刀具轨迹检查模块

该模块主要用于刀轴矢量的检查，以避免刀轴的剧烈变化。大多数的CAM系统都提供了加工仿真和刀位轨迹(刀具轨迹数据包括刀位数据和刀轴矢量)仿真检查功能。但对多坐标加工而言，加工仿真和仅显示刀位轨迹是远远不能满足要求的。在虚拟仿真加工系统运动模拟的过程中，该模块在显示刀位轨迹的同时，也显示刀轴矢量，这样可以准确地检查刀具相对于工件位置及刀轴的变化。

f)碰撞检测模块

对五坐标加工而言，刀具相对于工件的运动轨迹很复杂，难以预测，通常需要进行仿真检验数控程序中可能出现的碰撞干涉。大多数CAM系统提供的加工仿真功能仅考虑刀具与工件、夹具间的碰撞检查，而不能检查可能出现的刀具与工作台间、主轴与工件、夹具间的碰撞。在该模块中，根据经运动仿真模块处理后的各运动零部件的相对位置，全面检查可能出现的碰撞。

3应用实例

DECKELMAHO公司的DMU125P机床是五轴五联动加工中心，具有立卧转换功能。在立式状态下，其结构形式如，a轴为工作台摆动，c轴为工作台转动。在卧式状态下，主轴绕b轴旋转90°，其他状态与立式结构相同。在该机床上进行五轴五联动的加工时，刀具相对于工件的空间运动轨迹复杂，加工前必须进行虚拟仿真加工。本文以VERICUT软件为平台，构建了DMU125P加工中心的虚拟仿真加工系统，用来检验数控加工程序、刀具轨迹与潜在的碰撞危险。在构建125P加工仿真环境时，首先根据运动链关系建立机床拓扑结构关系;然后建立机床的数字模型;最后根据工件、刀具、夹具和机床的数字模型构建虚拟仿真加工环境。

4结语

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关键词：仿真教学；组织领导；资源建设；培训推广

中图分类号：G424 文献标识码：B 文章编号：1673-8454(2012)01-0061-03

虚拟仿真技术包括仿真模拟技术和虚拟现实技术两个领域。仿真模拟技术是指使用仪器设备、模型、计算机虚拟技术，以及利用场地、环境的布置，模仿出真实工作程序、工作环境、技术指标、动作要求，进行科学研究、工业设计、模拟生产、教学训练和考核鉴定等的一项综合技术。虚拟现实技术是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己投入到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，成为这种环境的主宰。

虚拟仿真技术可以有效还原生产、建设、服务和管理岗位的“原生态”，为学习者提供技能训练所需要的“真实”环境、“真实”工艺、“真实”工具等，从而有效提高技能教学质量。同时，可以降低教学成本、规避实训危险、降低环境污染、实现绿色教育。因此，虚拟仿真教学是深化教育教学思想、内容、方法、手段、模式改革，推动职业院校内涵建设的一个重要突破口。为此，教育部在《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确提出“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”。各高职院校应多措并举，有力推进虚拟仿真教学改革。

一、加强组织领导，创造浓厚氛围

开展虚拟仿真教学是一项系统工程，其技术本身的高端性、复杂性等特点，决定其应用成本较高，资源建设和教学组织较难。因此，必须得到学校的大力支持，加强组织领导，落实责任任务。

1.成立分层领导组织

首先，要成立院级虚拟仿真教学工作领导小组，由主管院长牵头，各教学单位和教学管理单位的主要负责人为成员。各级负责人要高度重视虚拟仿真教学工作，做到有组织、有计划、有措施、有检查、有总结、有推广。

其次，要成立各重点专业的虚拟仿真教学工作组。由系主任牵头，专业带头人为主要负责人，骨干教师和合作企业负责人为主要成员。根据专业技能教学特点，通过购买引进、校企合作开发、自主开发等多种途径建设适用的虚拟仿真教学软件，科学布局虚拟仿真实训基地，开展虚拟仿真实训教学，总结实践经验并进行示范推广。

2.建立政策法规进行引导激励

首先，将开展虚拟仿真教学工作做为教育教学改革重要项目，结果做为考核教学单位工作的重要指标。其次，将教师开展虚拟仿真教学的成果做为评聘奖优倾斜条件，对于积极进行虚拟仿真教学软件开发及应用研究的教师，通过制定相关激励政策，从职称评聘、成果奖励、科研经费等方面进行鼓励，为他们提供必要的条件，在全院形成良好的风气和氛围。再次，给予虚拟仿真教学立项资金等条件扶持，为完成项目提供最大保障。要加大资金投入，加强资金管理，做到专款专用，接受监督检查，切实保障项目顺利完成。

通过以上举措，使“推广虚拟仿真技术，提高实践教学水平，加快实现教育现代化”的理念内化成广大教师的共识，并将其付诸于实际行动。

二、广辟渠道，建设虚拟仿真教学资源

虚拟仿真教学资源是利用现代信息技术开发的虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验等等，可以解决实践教学中“看不见、进不去、动不了、难再现”等客观难题，减少资源消耗与环境污染，实现人才培养的信息化、智能化、现代化。虚拟仿真教学资源是开展虚拟仿真教学的必要条件。“巧妇难为无米之炊”，所以，学校应该舍得投入，按照“引进一部分、合作开发一部分、自主研发一部分”的虚拟仿真资源建设新思路进行统筹安排。

1.购买引进

该决策依据是：所需求的软件已经被同类院校的专业广泛认可和应用，效果良好，尤其是那些教学急需的高端产品，应该采取这种“花钱拿来主义”的模式。

2.合作开发

此决策依据是，所需求的软件没有成熟的产品，专业教师能够提出明确的需求，能够提供科学准确的教学设计，借助专业IT公司的技术力量和项目组织能力，能够开发出专业级的应用软件。要探索创设高水平的合作模式，将优秀企业力量引进来，紧密合作，互惠互利，同步带动学校师资专业发展、技能人才培养、软件产品研发的水平提高。实践证明，院校的教学设计与优秀IT企业的实现技术有机结合，是研发优秀虚拟仿真资源的捷径。

虚拟仿真教学软件的研制过程一定要与相关企业紧密合作，软件设计应该是教学专家、行业专家和软件制作专家三方合作的结果。要以教学专家为主导，实施优秀的教学设计，编写制作脚本，要有行业专家实施技术指导，还要有软件专家实施创新制作，才能研发出科学的、适宜的、理实结合的虚拟仿真实训教学软件。

3.自主研发

此决策依据是，所需求软件的开发技术难度和复杂性相对较低，专业教师能够提出明确的需求，能够提供科学准确的教学设计，学校具有软件开发技术支持队伍。

威海职业学院作为首批国家示范性高职院校，非常重视虚拟仿真教学在技能人才培养中的作用，积极开展虚拟仿真教学资源建设，建设了专门的教学资源研发中心。目前购买引进、合作开发、自主研发的虚拟仿真资源已成规模，并广泛应用于数控技术、机械设计与制造、电气自动化技术等20多个专业，平均每学期有2000多名学生使用虚拟仿真软件进行知识和技能的学习，有效提高了实践教学的质量与效率。

三、加大技术支持和培训推广力度

1.建立专门的工作室和技术支持队伍

虚拟仿真教学资源开发技术较难，依赖教师个体不现实。专业教师应将主要精力用于教学设计、脚本撰写，开发制作应由专业技术人员完成。采用这种模式，既可以保证资源的质量，又有利于提高专业教师研发、使用虚拟仿真资源的积极性，否则，大多会“知难而退”。

威海职业学院成立了教学资源研发中心，组建了虚拟仿真资源开发技术团队，投资20多万元配备了高档次的开发硬软件，为开展虚拟仿真实训教学提供技术支持。目前已完成多个虚拟仿真资源建设，其中独立开发的“威海职业学院虚拟校园”，通过漫游和导游等方式，全方位立体逼真地展现了我院全貌，恢弘、美丽、壮观，成为学院参加全国大赛课件、软件的重要支撑载体。

2.开展形式多样的培训

尽管继多媒体、网络时代之后，人们已经开始进入虚拟现实时代，但是由于资源缺乏和宣传不够，很多地区和教育工作者对虚拟仿真技术了解不多。为了普及虚拟仿真技术，发展环保绿色实训，推动教学尤其是实践教学的信息化、现代化，应加大虚拟仿真技术培训力度，进行理论与政策宣传、开发与技术交流、应用与经验推广、成果展示与等，以推动教育教学改革，建立具有显著职业特征的，高质量、高效率、低消耗（低排放）全新的教育教学模式。

培训可以采取“请进来、走出去”等多种途径，包括聘请专家、专业技术人员来校讲座、实地考察、共同研讨建设方案；参加专门培训班等，多管齐下，提高教师应用和开发虚拟仿真教学软件的水平。

3.以研发项目为载体，带动虚拟仿真软件开发和应用实践与研究

“项目导向、任务驱动”不仅是有效的职业教学模式，也是开发与应用虚拟仿真教学软件的有效有段。仿真实训教学软件是以实际岗位为背景的，整个教学、实训内容紧紧围绕职业、岗位核心能力。如何实现培养目标，如何满足岗位需求，在进行虚拟仿真软件开发立项时，就直观地摆在了职业院校专业教师面前，项目研制老师会感到压力，感到教学改革的必要性与提高职业院校教师实操技能的紧迫性。所以，以研发项目为载体，可以激发广大职业院校教师自觉学技能、苦练真功夫的积极性。

四、以建设“仿真实训示范基地”为抓手，全面推进虚拟仿真教学改革

“仿真实训示范基地”是中国教育技术协会仿真技术专委会于2008年启动的项目，旨在在仿真技术专委会的指导下，在IT企业的帮助与大力支持下，通过3~5年的努力，使“基地”在使用虚拟仿真技术开展仿真实训教学方面取得明显的效果，成为使用现代教育技术促进职业教育现代化的窗口，对中国职业教育尤其在技能实训现代化教学方面起到示范与引领作用。

在“仿真实训示范基地”的建设中，职业院校需重新优化实训基地的布局，形成虚实结合的现代化技能实训模式，着力改善“实训成本高，效率低、资源消耗大、污染环境”等弊端，提高专业教师的教学设计能力和企业现场实践能力，推进高技能人才培养手段的信息化、现代化，同时形成校企合作新模式。

参考文献：

[1]宋强.数控加工实训中仿真软件的调研分析[J].科技信息，2009(32).

[2]朱达凯.水利虚拟仿真实训平台建设的研究与实践[J].中国现代教育装备，2010(19).

[3]赵士滨.高校实训教学的虚拟现实技术研究[J].长沙电力学院学报（自然科学版）,2001(1).

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关键词:环境工程;虚拟仿真;平台建设

为加快提高本科教育质量，2019年底教育部办公厅公布了2019年度国家级和省级一流本科专业建设点名单，认定首批4054个国家级一流本科专业建设点和6210个省级一流本科专业建设点［1］。作为进入榜单的省级一流环境工程专业建设点，需要进一步加强专业建设，持续提升本专业内涵和建设水平，发挥一流专业的示范领跑作用，培养本专业一流人才，为学校“双一流”建设奠定坚实基础。

1虚拟仿真实验平台建设意义

国家《教育信息化十年发展规划(2011—2020)年》提出深入推进信息技术与高等教育实验的深度融合，将实验信息化作为高等教育系统性变革的内生变量［2］，以高质量实验助推高等教育质量变轨超车，对培养高素质人才，建设高等教育强国，具有十分重要的意义［3］。虚拟仿真实验平台依托虚拟现实和人机交互等技术，使学生在虚拟场景中开展实验和实践［4］。虚拟仿真实验中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的功能，在涉及高危或极端的环境、不可逆的操作，高消耗、高成本、大型训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目［5］。虚拟仿真实验中心建设应充分体现虚实结合、能实不虚的原则［6］。

2建设思路

以环境工程省一流专业建设为契机，武汉工商学院环境与生物工程虚拟仿真实验中心以开源共享、在线学习的信息化方式推进我校化学和污水处理类改革，以实验、开放的思想推动化学和污水处理类教育更新;充分利用新媒体技术和互联网平台，创建开放共享平台，回应全媒体大数据时代对于“终身学习”的需求［8］。虚拟仿真实验平台建设以学生为中心，平台全天候开放，以线上线下交互学习的模式，将化学和污水处理类相关理论课、实验课、课程设计和污水处理厂生产实习等环节，与仿真实验互通交叉进行。在传统课堂中，学生学习的知识理论性强，理解扁平化，通过在直观、可视的虚拟仿真实验项目中实施设计实践、构思实现、运行操作、问题解决过程，增加学习的趣味性，学生对理论知识的感性认识不断增强，对设计理念的掌握运用逐步熟练，对知识结构的建立形成持续完善，实现对专业知识体系理解的“理性—感性—理性”螺旋提升，强化学生的问题分析解决能力、综合设计能力、实践创新能力。

3建设措施

3．1开发与利用实验资源

依托虚拟仿真技术研发公司提供的虚拟仿真产品及相关技术支持，项目用于学校虚拟仿真实验，并持续开发拓展项目内容及功能;充分发挥工程技术企业和信息技术企业在虚拟仿真实验项目中的积极作用，创新才人培养模式，强化大学生综合能力训练，培养适合创新性国家建设的应用型创新人才。湖北君集水处理公司是学校合作企业，为实验项目提供了大量的专业实验设备、技术支持和经费支持。持续开发独立自主知识产权《污水处理工艺虚拟仿真实验》软件作为课程推进的新动力。虚拟仿真实验平台建设涵盖四个模块:化学水质检测仿真实验室(含COD、BOD、总磷、总氮和污泥的仿真实验，包含演示，可用于预习，见图1)，污水处理厂3D仿真培训(可用于学生认知仿真实习或企业入职培训，见图2)，污水处理工艺设计(见图3)和仿真污水处理厂运行(见图4)。每个模块化单元有其参数设置和设计计算等。

3．2建设化学和污水处理虚拟仿真实验网络共享平台

3．2．1建设门户网站实现网络共享门户网站作为虚拟仿真实验网络平台数据库系统的网络入口，各模块包括首页，项目描述，项目团队，网络相关要求等，首页涵盖通知公告、相关视频、虚拟仿真平台和仿真软件展示等。通知公告便于师生及时掌握本行业相关赛事和讲座信息;相关视频有实验室安全知识讲座、科技治污、各种宣传片等;网络平台支持学生开展专业讨论、在线共享学习资料等，承担随时学习等功能［7］。污水处理仿真实验是在线开放共享的，进入实验时可以选择不同的角色，实现对用户的分级管理，主要包括专家、教师和学生，不同级别用户享有不同的使用权限，用以提高网络的安全性［8］。3．2．2实现虚拟仿真实验管理平台功能虚拟仿真实验项目构架及研发技术:通过3D仿真技术实现虚拟仿真。3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染。通过骨骼动画、关键帧和序列帧动画制作3D动画。通过计算机图形学(实时阴影，光照贴图，凹凸贴图等)和计算几何学(碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等)等实现现象仿真。通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真。开发工具采用Unity3d作为3D引擎，采用C#语言并通过VisualStudio工具进行程序开发。通过SVN，MicrosoftProject等工具进行程序版本控制和项目管理。虚拟仿真管理平台的开发语言是JAVA，开发工具是Eclipse跨平台的自由集成开发环境(IDE)。服务器硬件设有专人专管，部署在实验室核心机房;制定了虚拟仿真平台维护流程要求及维护记录，安排专人与欧倍尔公司对接并将软件持续改进。虚拟仿真实验平台涵盖对实验平台的后台维护人员和各类基础信息进行初始化、数据维护和功能设置，具体包括仿真程序教师端和仿真程序管理平台，仿真程序教师端包括学员管理和考试管理，仿真程序管理平台包括运维管理和部署管理。学员管理包括设置教师和学生的基本信息，包括实验安排、实验结果存储上传与数据分析、实验操作评价、实验报告成绩、实验课程成绩管理等功能;部署管理包括资料库、实验交流、实验过程管理、和在线答疑等部分［7］。

3．3建立和完善实验与科研队伍的培养制度

着力规范和加强教职工培训管理工作，明确按照学校建设发展的需要，“统筹规划、合理安排”的基本原则，采用校内与校外、国内与国外培训相结合，形式多样、有针对性、注重实效的方式来加强培训工作，确保建立起一支高水平的实验与科研队伍。大力支持从事实验与科研队伍人员相互学习、相互促进、共同提高，研究成果和发表的相关论文及编写的实验教材与同类科研成果一样享受各种奖励。担任有实验教学课程的新教师和实验技术人员上岗前必须经过培训，过好实践教学关，熟悉实验室环境，了解掌握仪器设备性能和操作使用方法，掌握实验教学软件的运用，认真备课，撰写指导实验的教案。同时，在指导实验前必须完成预备实验，进行试讲、试做，提供讲稿、试做记录，经系、实验中心负责人组织审查确认后可进行实验教学和指导实验。

4应用情况

4．1学科竞赛

2020年第46届世界技能大赛水处理技术项目交流赛(武汉)由武汉工商学院承办［9］，结合疫情防控相关要求，虚拟仿真平台模块是其中5个考试模块之一，占总成绩的10%，每个模块的设置充分考验选手设备安装能力、操作熟练程度、实验进程把握能力，以及界定、探索、解决不确定性问题的能力;2020年第46届世界技能大赛水处理技术项目湖北省线上集训也采用了虚拟仿真平台，并且向参加的14所院校52名学生和10余名教练介绍和推荐了本校自主开发的虚拟仿真软件;2020年第46届世界技能大赛湖北省选拔赛水处理技术项目正式比赛中［10］，武汉工商学院学子分别取得了第一名和第二名的好成绩。

4．2实验和实践教学

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关键词：虚拟DCS；仿真机；火电机组；控制系统

1 引言

随着当前火力发电技术的不断发展创新及机组控制策略日趋复杂与完善，电力行业对电厂仿真培训系统（以下称为仿真机）的要求也越来越高。控制系统是仿真机的核心部分之一，仿真机控制系统和现场DCS(Distributed Control System)系统的相似程度直接决定了仿真机的质量。传统的主要依靠手工搭建来实现的控制仿真方式由于其实施效率低下，仿真精度低等缺陷，已经越来越不满足当前仿真市场的需求。而虚拟DCS仿真机凭借其高效率、高模拟度、可扩展、易修改更新等特点，已经成为火电机组仿真的主要实现方式。

2虚拟DCS的概念

虚拟DCS(Virtual DCS)是相对于在过程工业系统中运行的真实DCS而言的，火电机组仿真中所谓虚拟DCS，是指将实际DCS的组态数据直接输入至仿真机或者转换至仿真机能够识别的格式，使其能直接模拟实际DPU的计算行为。通过这种模拟方式，脱离了DCS硬件系统，将实际DCS的逻辑及画面组态再现于普通的计算机环境下，在保证与实际组态一致的前提下，大大提高了仿真机的实施及使用效率，降低了实施成本。并且由于采用了与实际DCS完全一致的逻辑组态，仿真机除了用于机组操作人员培训外，还可对电厂优化运行、机组改造，控制策略修改等起到良好的指导作用，避免实际机组可能存在的安全问题。

根据仿真机对实际DCS的利用程度及实现方式的不同，虚拟DCS仿真方式大致可分为激励式和翻译式两种。

激励式——仿真机采用由DCS厂商提供的虚拟DCS仿真软件或硬件并使用真实的DCS组态数据，通过实时数据共享接口或网络协议进行实时数据交换及仿真操作来完成仿真机的功能。采用该种仿真方式能提供最高的逼真度，但软硬件实施成本较高，与过程模型结合不够紧密，无法完成复杂的仿真应用功能。

翻译式——在DCS组态完成之后，采用对DCS组态下载文件进行解析并翻译转换的方式，实现平台转换，在仿真平台上再现DCS的功能。此种方式能提供极高的软件功能逼真度，实现成本不高，由于与过程模型使用统一的仿真平台，能够完成比较复杂的仿真应用功能。

由于DCS主要由分散式处理单元DPU(Distributed Process Unit)和操作员站人机界面HMI(Human Machine Interface)构成，根据采用仿真方式的不同也相应地各自分为两种，由此排列组合，构成了虚拟DCS仿真机的细致分类。目前比较通用的仿真机实现方式除了全激励仿真机和全翻译仿真机两种，还包括采用翻译式DPU和激励式HMI相结合的方式，可称之为半激励式仿真机。

3虚拟DCS仿真机的实现

基于虚拟DCS技术的仿真机，就是将真实DCS在非DCS的通用和开放计算机软件和网络系统平台上以某种形式再现。下文将以北京同方电子科技有限公司仿真支撑平台DCOSE(Distributed Component Oriented Simulation Environment)为例，对其虚拟DCS仿真机的实现进行介绍。

3.1 激励式

激励式虚拟DCS仿真主要包含两个类型，即对整个DCS控制系统的全激励和仅对操作员站HMI的半激励。从技术角度来说，这两种类型的实现方式基本相同，主要是根据DCS控制厂商提供的数据访问接口或者通讯协议，编写仿真接口程序以实现仿真平台与虚拟DPU或者虚拟HMI的通讯。

其中，对DPU的激励需要在进行实时数据交换的同时实现虚拟DPU的运行、冻结、保存、和读取工况等仿真功能，对HMI的激励则只需要保证正常的实时数据交换即可。

图1. 激励式仿真机的结构

3.2 翻译式

翻译式虚拟DCS仿真机的实现主要体现在三个方面：实际DCS的控制算法模块实现、实际DCS逻辑组态数据的识别和翻译、实际DCS操作员站HMI的解析和翻译。

3.2.1 控制算法模块

真实DCS系统逻辑组态以控制算法模块作为最小组态单元。一个控制算法模块实现了某个特定的控制算法，包含若干个输入和输出接口以及若干个算法的系数属性。对于某些DCS系统，允许组合模块，即将几个模块连接成组，作为一个功能更为复杂的算法模块使用。

翻译式虚拟DCS系统需要在仿真平台上实现所有真实DCS系统的算法模块。根据面向对象的方法，可以将一个算法模块的算法属性打包定义为一个打包点，称为算法点，打包点的各个字段与算法的属性一一对应。这种设计有利于将实例化后的算法保存在数据库或工况文件中。

具体的算法通过固定原型的函数实现，一个控制系统中的算法模块均编译链接并保存在一个或多个动态链接库中，每个算法有唯一的调用入口，入口参数的均为实时数据的地址引用。算法模块可以使用任何计算机语言实现，如C/C+++或Fortran。一个DCS系统的算法组成了算法库。

3.2.2 控制逻辑组态

真实DCS系统DPU通过装载控制组态文件的形式实现逻辑运算。从本质上说，控制组态文件描述了算法模块的调用序列以及各个模块之间的连接关系。控制组态文件包含如下信息：

* 组态描述信息，包括组态模块在工程师站界面上的显示位置，页面大小等。

* 组态运算信息，一般组态文件按照分页方式组织，每页包含若干模块，组态文件中具体描述了每个模块的调用顺序、调用周期、优先级、参数默认值、及模块之间输入输出关系等信息。

* 数据库信息：包括各个数据采集点的信息等。

对控制逻辑组态的翻译，即使用Visual C++等工具编程解析控制组态文件，根据具体DCS下载文件的特性，采用文本读取、二进制读取、或者API访问等方式提取出有意义的信息，并将之分类处理，转换为DCOSE仿真平台可识别的Microsoft Visio文件格式并通过DCOSE仿真平台中的自动化建模工具，最终生成仿真平台可识别的模块算法调用序列文件(RTE文件)。这些文件的核心是一系列对资源模块的调用，并有和实时数据库的关联信息。

仿真平台计算引擎通过文件提供的静态数据建立相应的动态调用序列并执行其计算功能，这个过程所我们称之为装载过程。通过对每个真实DPU生成相对应的虚拟DPU运算任务（装载RTE文件后形成的进程或线程），可将原本分散的DPU软件集中在一台计算机上运行并统一调配及管理。

图2. 虚拟DPU任务

在逻辑组态转换过程中，对于组态文件中描述的I/O点信息，也采用 面向对象方法，将I/O点的所有属性信息打包生成打包点，包括I/O点的类型、描述、限制以及各种报警信息。在组态文件翻译过程中，I/O点打包点和算法点统一保存在仿真数据库中。

3.2.3 图形操作画面

操作员站的图形操作画面同样作为图形组态文件，由真实DCS系统提供的操作员站组态工具生成。各DCS所生成的图形文件格式可能会有比较大的差别，但所包含的有效信息基本一致，主要包括静态图形和动态图形两个部分。静态图形由点、直线、圆、椭圆、多边形，多折线等基本的几何形状组成，每种几何形状附带颜色、填充等属性；动态图形是指静态图形的属性与动态数据绑定后形成运行时动态，包括隐藏、颜色变化、闪烁等。

针对各种DCS系统不同的图形文件格式，DCOSE提供了统一的翻译方案，即将各种操作画面图形文件转换生成SVG（Scalable Vector Graphic）图形，并通过扩展SVG图元属性，描述动态行为。

目前SVG转换程序支持如下的静态图形关键字：

：直线

：圆

：椭圆

：文本

：多边形

：多折线

：矩形

：各种格式的子图

：路径，用于支持曲线

对于每一种图形元素，支持位置和大小属性x、y、width、height；颜色属性stroke、fill。对于文本元素，则支持字体属性font，对齐属性text-anchor，字体大小font-size等。

此外，为了描述图形之间的链接和跳转，以及弹出子图等操作，使用如下关键字：

：表示链接和跳转，属性target给出了链接的目标，可以是一个新窗口”_new”表示弹出子图，或原有窗口，表示跳转。

为了表示一个图形文件种使用的变量和函数，使用如下关键字：

：变量定义，通过name、type、size等属性，描述变量的名称、类型、长度。

:函数定义，通过expression，type等属性，描述函数的表达式，返回值类型等。

SVG图形格式在描述动态属性方面有所不足，因此DCOSE扩展增加了以下SVG的图元属性关键字，用于动态属性描述：

visible：图形显示/隐藏控制。

dynamic-fill：动态填充

dynamic-stroke：动态前景色

text-value：动态文本显示

dynamic-scale：动态缩放

dynamic-path：动态位移和旋转

结合动态属性和变量、函数定义，就可以描述图形动态属性。

结束语

随着控制系统仿真机在发电行业的重要性日益提升，针对各主流控制系统的虚拟DCS研究也越来越深入，总体来说，翻译式仿真以其低成本，高仿真度，易实施等特性，已逐渐成为仿真机厂商的主要实施方式。

篇7

关键词：虚拟数控；加工过程；仿真技术

虚拟数控的加工可以仿真出不同的加工方法与加工过程中应用的材料，而且还可以显示并评价出加工的具体结果，但是与此同时还存在着加工的形式较少及研究的范围有一定的局限性。由于切削的系统是一个较复杂的加工系统，因此，在加工的过程仿真技术还具有一定的不成熟性，也就是在虚拟的数控加工过程中还存在着诸多的问题需要解决。

1.在虚拟数控的加工过程中对仿真技术的主要分类

随着科技的进步，虚拟数控加工技术在制造业加工领域得到了广泛的应用，而仿真过程是虚拟的制造技术最关键的技术和最主要的核心内容。物理的仿真技术与几何的仿真技术是对虚拟数控的研究与探索的最主要的两个方面。

1.1.对物理的仿真技术的解析

物理的仿真技术就是在对制造零部件进行切削加工的过程中，把引起制造零部件物理变化的因素反映到虚拟的制造系统中，在实际的加工过程中，要先预测切削因素的种类，并分析出切削过程中产生的各种参数，且各参数数据间相互耦合。所以，在建模的过程中怎样综合看待数据参数及影响的原因，是在切削的过程中建模的最关键所在。

1.2.几何的仿真技术的解析

在几何的仿真加工过程中，并不考虑切削力与数据参数及别的原因对切削的加工过程的具体影响，只是仿真刀具及机床还有几何体工件的相对的运动，可以检验出出现的碰撞及所有干涉，能够准确的避免费力及耗时的试切的全过程。

图1 虚拟现实系统的构成

2.数控的加工过程中存在的具体问题

切削的加工过程是一个复杂的系统过程，在切削的加工过程中出现的机理研究及探索还没有得到相应的解决措施，致使了在加工仿真技术的过程中依然存在一定的不成熟技术，主要是由于在数控的加工过程中，所使用的不同的加工材料及应用不同的加工手段，而且可以显示出对评价的加工结果，这就直接导致了在虚拟的数控加工过程中出现的相应的局限性。

2.1.仿真的模型具有较差的实用性

现在存在的仿真模型都是在一定的假象下做出的理想型模型，由于在加工的过程中存在着诸多的影响因素，并且对不同的影响因素之间又存在着强耦合的关系，所以，这就要求必须建立健全科学合理的模型加工的过程，以增加实际的系统及仿真的系统之间的饱和程度，这是在仿真模型的加工过程中必须要解决的重要问题所在。

2.2.仿真的模型具有较差的通用性

现在存在的仿真模型一般都是根据具体的工况，根据工件的材料及加工的不同手段、不同的刀具种类及不同的机床种类，在一定的条件下加工完成的模型，因此，这种方式下加工过程的模型就具有较差的通用性，如果这时其中有数据参数需要进行相应的变化，加工的过程中模型就需要在一定程度上做出较大程度的修改。

2.3.模型并没有与几何的仿真技术进行结合

在研究与探索的具体过程中，还存在着较为孤立的研究进程，几何的仿真技术与物理的仿真技术在具体的加工过程中并没有充分的做好结合的工作。同时，还存在着在具体的加工过程中，并没有应用工件的材料，而是纯几何式的加工虚拟环境，现在应用的仿真加工的形式较少，对研究及探索的范围也就比较窄。

3.对总体结构的仿真系统进行解析

数控机床的具体加工系统是由几部分组成，数控机床的加工过程是在代码的带动下对工件实施切削的加工过程，要想完成数控的加工仿真的技术过程，就必须建立健全一套数控机床的几何模型，并在此基础上完善数控机床往运动模型发展的进度，进而完成数控机床加工的过程中仿真技术的应用。

3.1.基本形式在装配模型中的应用

基本形式在装配模型中的具体体现就是层次树的和图，这种基本形式能够清晰表达出装配体具体的组成关联，同时在一定程度上也有利于在进行装配的序列规划过程中的正确求解，但是却存在着不能够较容易的表达出各零件之间的相互配合关系，相反的，图的结构能够更加容易的表达出各个零件之间的相互关系，而且可以提供出装配体的其中一个零件到另一个零件存在的关系及相关的路径，尤其适用于运动链与公差的实施解析，但是却较难表达出各层次间的相互组成关系，而且结构也较复杂，不容易进行维护，在实施操作上也较困难；几何的模型具有与其他系统不同的装配模型需要的要求，可以总体的分为：第一，对装配的几何关系进行的具体描述；第二，装配的拓扑关系的具体描述；第三，对零件的层次性进行结构的解析；几何的模型具有一定程度的层次性，在没有公差配合的情况下，能够采取层次的结构手段。

3.2.完善仿真模型技术的应用

在系统的应用过程中，装配体的表达方式是一棵树的形式，树的相关根节点所表示的就是用户所需要的相应的装配体，零件在树桩的结构中使用的是较低层中的叶结点来进行表达，其中非叶结点的具置不会发生变化，也只有处在一个层次的装置单元会产生约束位置的变化，处在不同层次的装置单元会产生相应的从属关系的变化，这种仿真的模型在一定程度上具有操作简单、方便维护及存储较小的具体特征。

结语：

现代虚拟的仿真技术，在发展的过程中要逐渐的将技术应用到数控的加工过程中，对仿真技术进行不断研究与探索，主要提升数控的加工仿真系统的相关质量，建立健全仿真技术的整体结构，逐渐实现仿真技术手段及方法的多样性应用，以加强模型仿真技术的适应性与可靠性。

参考文献：

[1]刘金环，王占平，李雪薇.数控加工专业课程体系建设方案的研究与实施――技校系列[J].中国科技博览，2009（30）

[2]赵艳丽，仲伟沪，陈福建.浅谈数控加工仿真系统在教学中的应用[J].职业，2012（21）

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1虚拟仿真实验室的构建

计算机网络教学在高等院校的计算机课程中占有重要地位，但是在高校的授课过程中，普遍存在着重理论、轻实践的倾向。针对目前计算机网络实验教学中出现的实验教学内容不系统、实验硬件设备缺乏等问题，结合学院实验室自身情况，构建了基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室。实验室的构建内容包括虚拟仿真实验室软硬件建设、虚拟仿真教学资源的建设和虚拟仿真实验教学共享平台的建设3个部分。基于虚拟仿真技术的计算机网络实验室结合高校教育的实际情况，将网络方面的理论知识通过软件模拟来实现，让学生在实践的过程中更深入地掌握网络方面的基础理论知识，使学生能清楚地理解和掌握网络的内部结构和协议，通过编辑各种协议的数据包深入学习计算机网络的内部原理。

1.1虚拟仿真实验室软硬件建设学院计算机网络实验室与吉林中软吉大信息技术有限公司合作，将网络协议仿真教学系统引入到计算机网络实验教学当中，为计算机网络实验教学提供了新的教学方法和手段。虚拟仿真实验室硬件部分由主控中心平台、智能网络设备和组控设备构成，用于搭建实验所需的网络环境，可以灵活实现多种网络拓扑结构，设备硬件连接图如图1所示。主控中心平台是本系统的硬件核心，由专用高性能服务器和中心设备构成，为实验环境提供各种系统服务，保障网络数据流量，确保实验结构完整和实验用户数的有效扩展，为计算机网络实验提供FTP、DNS、DHCP等服务、实验室管理服务。智能网络设备用于构建网络硬件结构，提供网络拓扑结构的自动化管理。通过按动智能网络设备上的“Topology”按钮，就可以在所有网络拓扑结构中循环切换，从而有效避免更改网络结构时频繁插拔网线的问题，同时通过集联控制按钮“Team”设置智能网络设备的集联控制模式，可以实现对实验室内所有实验组网络结构的一键式切换。组控设备是系统专用硬件。每个组控设备由6个共享模块构成，配合智能网络设备实现多种网络结构；具有数据采集、动态缓冲区分配、均衡网络负载等功能。每台组控设备连接6台学生实验机器，其角色分别定义为A、B、C、D、E、F。根据实验不同，每个角色有不同的分工。目前该系统支持5种网络拓扑结构图，根据实验项目内容的不同，切换到不同的网络拓扑结构图，例如网络结构一效果图如图2所示。虚拟仿真实验室软件部分由协议仿真编辑器、协议分析器和其它工具软件构成。仿真编辑器可以模拟TCP/IP协议族中多种协议的数据包；协议分析器可以捕获仿真编辑器发送的数据包，以及网络上传输的数据包，并将常用协议的通讯过程以会话图解的形式直观展示出来；工具软件包括UDP工具、组播工具等辅助教学的专用软件。目前，实验室的网络协议仿真教学系统拥有7组组控设备，每组6台机器，可以同时容纳42名学生进行仿真实验，每组同学需要相互协作进行实验，加强了学生之间的学习交流能力，充分锻炼了学生团队协作的能力。网络协议仿真教学系统作为一门独立的课程体系，以实验为主，强调学生的主动性和设计能力，能够拓宽学生的思路，达到真正的教学互动。同时利用BosonNetSimforCCNP和思科模拟器CiscoPacketTracer仿真实验教学软件，可以模拟搭建局域网和广域网运行环境，在仿真软件中进行模拟网络实验。另外，虚拟仿真实验室前期购买了多台Cisco交换机、Cisco路由器、网络防火墙和多路模拟电话交换机等网络设备，能够模拟局域网和广域网的运行环境，用于学生在开放性实验项目中使用。

1.2虚拟仿真教学资源的建设计算机网络是综合性很强的学科，既有硬件实验又有软件实验，两者密切结合，不可分割，先实物再理论后应用的教学模式，更有利于学生的理解。教学资源的建设应该加强实验教学环节的力度，深入理解课程核心知识内容，认真选择实验内容，制定详细的实验计划，选择数据链路层、网络层、传输层和应用层等重点教学内容来设计实验的内容。把实验分为操作性、设计性、分析性和创新性等类型，着力构建“厚基础、重应用”的人才培养模式。通过对理论课程教学知识体系结构的分析，结合学院计算机网络实验室自身软硬件条件，对计算机专业计算机网络课程实验大纲进行了修订，部分实验项目内容进行了更新，有选择地加入了CCNA课程实验项目和网络协议仿真教学系统的实验项目，实验项目的设置如表1所示。各实验项目设置及内容说明如下：实验1：带领学生参观网络实验室，建立起计算机网络初步的概念，了解该网络由哪些硬件设备构成（设备名称、功能、主要技术指标）；掌握局域网中电缆线的作用及使用双绞线作为传输介质实现以太网连接的方法。学会制作2种类型的RJ-45接头。掌握在Windows系统中进行网络配置及在Windows系统中进行TCP/IP协议配置。熟悉使用ping、ipconfig、tracert等命令工具来进行测试。实验2：学生在网络协议仿真教学系统环中进行仿真实验，通过实验使学生理解以太网MAC帧格式的2种标准，掌握以太网的报文格式、MAC地址的作用、MAC广播地址的作用、掌握LLC帧报文格式和仿真编辑器和协议分析器的使用方法。实验3：学生通过虚拟仿真软件自行设计并模拟搭建局域网运行环境，掌握局域网中交换机的基本配置方法，能够对交换机进行VLAN（虚拟局域网）的划分。使学生能够掌握局域网运行特点及搭建过程，掌握交换机VLAN的作用和划分方法。实验4：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生掌握ARP协议的报文格式和工作原理，理解ARP高速缓存的作用和缓存表的维护过程。实验5：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生理解特殊IP地址的含义和IP分片过程；掌握IP数据报的报文格式、IP校验和计算方法、子网掩码和路由转发。实验6：学生通过虚拟仿真软件自行设计并模拟搭建广域网运行环境，掌握广域网运行特点、路由器的配置方法、路由选择协议的工作原理和设置方法，使学生综合学习路由器操作系统IOS操作、路由选择协议、路由配置方法、子网划分、超网构造、网络诊断及路由器操作命令等知识。实验7：学生在网络协议仿真教学系统环境中进行仿真实验，通过实验使学生掌握TCP协议的报文格式、TCP连接的建立和释放过程、TCP数据传输中编号与确认的过程、TCP协议校验和的计算方法、理解TCP重传机制的工作原理。实验8：理解Socket的基本概念和原理，掌握Socket的建立、监听、连接、发送和接收数据。实验综合了高级语言程序设计、点对点通信协议、运输层相关原理及Socket编程思想、方法等知识。学生在实验教学环节后，需进行计划内课程设计环节。课程设计教学是在学完计算机网络课程之后综合利用所学知识，完成一个具有一定难度的综合设计题目。通过课程设计训练，培养和锻炼学生的分析问题能力、软件总体结构设计能力、用户界面的设计能力、程序设计的基本技能和技巧。在计划内的实验教学任务外，学生还可以选做实验室提供的开放性实验项目。之前在BonsonNetSim和CiscoPacketTracer虚拟仿真软件环境中进行的实验，可以用交换机、路由器等硬件设备搭建网络实验环境进行真实实验，进一步加强实践操作技能。同时，网络协议仿真教学系统中除了实验教学环节中开设的计划实验项目外，还提供了应用层协议、网络攻防、网络故障分析和网络应用程序设计等方面的开放性实验项目，从全方位、多角度对学生计算机网络知识技能进行训练，将理论与实践相结合，大大提高了学生的学习兴趣，锻炼了学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。通过多层次，全方位的计算机网络基础和工程训练，学生可以更好的学习和掌握计算机网络的内部原理，实践教学课程体系层次结构如图3所示。

1.3虚拟仿真实验教学共享平台建设虚拟仿真实验教学共享平台依托于网络协议仿真教学系统，平台包括计算机网络管理信息系统和计算机网络实验教学平台两部分。管理信息系统安装于主控中心平台，教师通过教师机以Web页面形式访问管理信息系统，能够辅助教师更好的进行实验教学管理。通过该系统，教师可以进行实验报告管理、实验结构管理、实验信息管理、实验方案管理、实验设备管理和实验公告信息管理。实验教学平台安装于学生客户端，学生上机时可以将教师在管理信息系统中安排的实验教学内容和实验公告等信息同步下载到学生客户端，能够辅助学生进行实验，提供实验操作环境的软支撑。该平台是指导学生实验的教学平台，辅助教师授课，并将实验过程中所需要的各种辅助工具、实验知识点讲解、实验过程指南、实验思考问题等内容集成在平台中，为学习者提供便捷的实验环境，从而提高学习效率。

2网络实验室对理论教学的影响

实验教学与理论教学是平行而又相互协调、相辅相成的，具有相等重要地位，是培养学生分析问题和解决问题的能力基础。实验课程是理论课程的延伸，对于培养学生综合运用所学知识、解决实际问题、加深对网络理论知识的理解和应用起着非常重要的作用。新建设的虚拟仿真网络实验室有先进的实验设备、完善的实验教学大纲、完整的实验内容教学体系，对计算机网络课程理论教学有较大影响。1）虚拟仿真网络实验室给网络课程提供了实验操作的物质基础，实验教学方式促进了学生对理论知识的理解。计算机网络课程跟其他专业的课程有所不同，它需要系统掌握一套理论，然后进行实践验证和思考，如果只讲理论，没有配套的实验课程，教学效果会不理想。2）虚拟仿真网络实验室的建设可以提高教师教学水平。当代社会电子产品淘汰非常快，包括计算机网络实验设备，但理论基础却长期不变。如果没有实验室，教师也只能一再重复教学理论，不了解最新设备特点，知识不能及时更新，教师能力成长速度缓慢。3）实验室的建设有利于提升学校科研能力。计算机网络的科学研究很多都是在理论创新的基础上进行实验验证，没有实验室就无法验证，理论创新就无说服力，科研能力就得不到提高。由于现代社会对人才的需求越来越高，不但要求学生具备一定的知识，更要求学生具备一定的能力。需要把理论教学转换为实际动手能力，只有在不断的实验中尝试、摸索、更正后才能具备敏锐的观察力和敏捷的判断能力。

3结束语

篇9

公司技术优势

公司产品是通过综合性技术整合平台进行开发，是通过工业自动化控制技术与3D/U3D技术、软件工程技术、网络技术、通信技术、视觉图形技术、仿真技术、人机互动技术等多学科技术相结合，再造虚拟现实（VR）工业生产工艺流程，通过虚拟仿真实训室、网络平台及VR硬件为用户提品应用。产品在工业生产过程控制、虚拟仿真软件开发、VR技术实现等领域累计已申请国家发明专利7项、软件著作权9项，在申请中发明专利11项、软件著作权61项。

公司自创立以来就一直坚持技术型导向，始终以科研的态度坚持自主创新，技术实力和研发水平行业内领先，主要产品和技术均拥有自主知识产权，独创了工业生产全流程虚拟仿真实训软件开发平台及衍生产品开发模式，通过与行业技术研究所、知名院校建立了良好的产学研合作关系，在每个工业生产全流程虚拟仿真实训软件开发完成的基础上，衍生出工业能源管控、工业大气治理、工业安全生产、工业专业虚拟实验等多系列产品。公司承建的武汉科技大学、北京科技大学、重庆科技学院、华北理工大学等多所高校虚拟仿真中心被评为教育部国家级虚拟仿真实训中心，邯钢技校虚拟仿真实训中心、甘肃钢铁职业技术学校（酒钢职工大学）虚拟仿真实训中心被评为省市级专业示范教育基地，河北工业职业技术学院的钢铁厂、电厂能源管控虚拟仿真软件做为河北省33所高职院校联合实训教学平台。

公司所开发的转炉炼钢生产仿真实训软件，经过国家教育部科技发展中心查新工作站的全面查新，于2014年1月经国家一级学会中国金属学会组织专家进行了冶金工业科技成果鉴定，鉴定结果为该产品达到了国际先进水平。

拥有全部自主知识产权的仿真平台集成了操控模型、工艺模型和人机交互技术，它实现了钢铁生产全过程虚拟化、可视化，将钢厂搬进了教室、将原理丰富成了现象，让真实生产操控变成可能，既是企业、高校培养高水平工程型人才的基础，也是进行探索性科研实验的平台。对于创新教育模式，完善人才培养体系是极大的补充；对冶金工程技术人才的培养、教学模式的创新都有着重要推动作用，有着显著的社会意义。

公司研发团队优势

公司研发团队由专业博士后带队，硕士以上学历人员占公司员工总数超过25%。公司聘请了十几位行业带头人、知名专家学者、教授、博导、高工组成了公司技术专家团队为产品研发提供技术支持，同时公司与北京科技大学、武汉安全环保研究院、国家安全生产监督管理总局中国安全生产协会相关行业分会、安徽工业大学、重庆科技学院、中国金属学会等相关知名高校及科研院所合作，不断拓展新的产品领域。

公司品牌优势

钢铁生产虚拟仿真实训教学软件，获得中国金属学会和相关专业领域专家的高度评价及广泛的应用。中国金属学会先后多次组织专家对北京金恒博远冶金技术发展有限公司开发的炼钢仿真实训平台进行了认真的比对、审查，最终认定北京金恒博远炼钢仿真实训平台符合国内钢厂生产实际、能反映当前工艺技术要求，为我国冶金多媒体教学软件的自主开发与应用，促进我国钢铁行业技能培训、竞赛模式的创新与国际化做出了很大的贡献。并于2013年9月运用北京金恒博远炼钢虚拟仿真实训教学软件在北京举办了首届全国模拟炼钢大赛、2016年9月在宁波举办宁钢杯全国转炉模拟炼钢大赛，获得了圆满的成功。

篇10

关键词：校企合作 虚拟仿真 交互操作 职教特色

一、概述

在基于工作过程系统化的课程开发理念的指引下，为了服务《汽车电气与检测系统》和《汽车舒适娱乐与安全系统检修》课程的具体教学需求，强化对学生技能的培养，长春职业技术学院汽车分院与上海景格汽车科技有限公司合作开发了《奥迪电气故障诊断虚拟实训软件》，这是在示范校建设过程中所取得的一项成果。

该软件通过真实维修过程的在线，突出了实践技能的培养，体现职教特色；软件中强调训练步骤，强化形成性练习与养成性习惯，培养维修思路，让学生清晰的掌握故障诊断全过程的技术要领。不在车间，胜似车间。使虚拟仿真技术实现由简单的计算机操作对汽车各部件进行装配、原理分析、仪器仪表使用、检测和维修。

世界领先的计算机仿真技术、令人耳目一新的3D虚拟汽车维修场景、实时在线的检测技术、灵活多样的教学方法、模拟仪器的展示和丰富的维修资料，真实再现了奥迪A6汽车照明系统、电源系统、防盗系统、中控门锁、组合仪表、雨刮系统、起动系统、自动空调系统等8个系统共计45个典型工作任务的维修工作，有效利用各种教学资源和教学情境，创设教学内容和教学过程的真实性、实用性，以提高教学效果，为汽车专业课程提供了仿真实践平台，满足汽车维修专业人才培养目标的需要。

二、虚拟仿真实训必要性

1．节约办学成本投入――普通教育的2.6倍；实物实训基地。

2．解决教育资源短缺――招生-投入；生均图书、仪器设备。

3．支撑人才培养模式――工学结合、校企合作、顶岗实习。

4．补正现实教学不足――理论讲述-实习岗位不足-动态更新。

5．突破教学难点重点――微观-宏观-隐藏-工艺流程-运行过程。

6．提高学生学习兴趣――职校生特点：互动-形象-生动-直观。

7．推动优质资源共享――远程传输-数字化传播-跨时空使用。

8．促进国家教育公平――社会公共服务资源均等化。

三、虚拟仿真技术在教学中的使用价值

1．职教特色。所有的项目设计以奥迪A6汽车为载体和职业需求为本，突出实践技能，体现职教特色。采用先进的计算机图形(CG)技术、虚拟技术、显示技术、网络并行处理等技术和模拟汽车故障诊断操作过程。实训车型采用奥迪A6（2000款），实训内容涵盖汽车电气系统具备故障诊断实训示范和实训练习功能。故障诊断实训示范通过选择指定的故障点进行实训；故障诊断实训练习通过选择故障症状并随机产生故障点进行实训。

2．技能培养。虚拟实训是对工作过程的实际再现具有完整准确的技术把握，激发了学生探究问题的潜能。强化形成性练习，强调训练步骤与养成性习惯，培养职业技能。

3．交互操作。所有的项目均突出同学们亲身参与，使理论与实践相结合，运用计算机仿真软件理解汽车维修技术的能力。

4．直观再现。结构仿真与原理演示是对工作场景的仿真再现，因而具有身临其境的真实感受，提高真实性与学习效果。

四、知识产权

校企双方共同开发教学资源，共同享有知识产权。

五、提高老师的教学能力及教学水平

1．以现场实际为依托，虚拟再现了现场操作过程，提高了教师对当前现场变化的认知速度；突出了学生岗位操作核心技能。

2．展示了新厂房、新设备、新工艺、新仪表、新材料等当前发生的新鲜事，开阔了广大专业教师的眼界与视野，更新了教学内容。

3．将带动职业教育实训教学的改革，为教师主动推出最新实训教学改革方案。

4．将极大缩小学校对学生技能培养规格与企业对任职人员技能标准之间偏差。

5．将推动职业院校教师积极参加校企合作开发教学资源建设。

六、开发软件步骤及进展情况

1．进行了奥迪A6汽车仿真软件的需求分析，进行实车拆装工作。

2．汽车零部件的仿真建模。

3．汽车故障点的分析与情境设置。

4．汽车故障点的设计与分析。

5．仿真脚本语言的编写。

6．摄像工作与配音语言编写工作。