發(fā)布時間：2023-04-23 15:24:55
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的計算機(jī)仿真技術(shù)論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
英文名稱：Computer Simulation
主管單位：中國航天科技科工集團(tuán)公司
主辦單位：中國航天科工集團(tuán)公司第十七研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1006-9348
國內(nèi)刊號：11-3724/TP
郵發(fā)代號：82-773
發(fā)行范圍：
創(chuàng)刊時間：1984
期刊收錄：
中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
期刊榮譽(yù)：
Caj-cd規(guī)范獲獎期刊
聯(lián)系方式
論文摘 要：實驗室擔(dān)負(fù)著向?qū)W生傳播知識與技術(shù)、培養(yǎng)學(xué)生動手的能力和創(chuàng)新能力的重要使命。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及教學(xué)改革地不斷深入, 實驗教學(xué)在整個教學(xué)體系中的地位越來越突出，實驗教學(xué)模式的改革已經(jīng)迫在眉睫。本文主要分析了實驗教學(xué)的傳統(tǒng)模式與存在的問題，并提出了提高電子信息類專業(yè)實驗教學(xué)質(zhì)量的方法[1]。
0 引 言
實驗教學(xué)是學(xué)校教學(xué)活動的重要組成，教學(xué)質(zhì)量的好壞是對學(xué)校人才培養(yǎng)層次與質(zhì)量的直接體現(xiàn)。實驗作為實驗教學(xué)活動的主要內(nèi)容, 在改善教學(xué)質(zhì)量方面發(fā)揮著不可替代的作用。實驗室在傳播知識的同時，更重要的作用體現(xiàn)在對學(xué)生的創(chuàng)造性思維與想象力的培養(yǎng)上。通過實驗教學(xué)，學(xué)生分析解決問題以及動手能力明顯提高。伴隨教學(xué)改革的日益深入, 實驗教學(xué)的改革也越來越引起人們的關(guān)注，以往的教師灌輸式的理論教授方式，學(xué)生被動接受的教學(xué)模式，已無法滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。當(dāng)前，社會需要的是主動型、能力為主的人才培養(yǎng)。加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，必須切實轉(zhuǎn)變以往重理論教學(xué)輕實驗教學(xué)的錯誤觀念，重新認(rèn)識實驗教學(xué)在學(xué)校教學(xué)活動中的地位與作用，根據(jù)當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)對人才的要求， 改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，改革實驗教學(xué)手段，優(yōu)化更新實驗教學(xué)的內(nèi)容，切實提高實驗教學(xué)質(zhì)量。
1 實驗教學(xué)的傳統(tǒng)模式與存在的問題
國內(nèi)高校工科教育當(dāng)中，實驗教學(xué)存在著硬件條件不足、硬件實驗條件的發(fā)展與技術(shù)要求不相符[2]，加上近幾年高校擴(kuò)招，實驗教學(xué)的硬件條件更是供不應(yīng)求。進(jìn)一步加大對教學(xué)硬件條件的投入，豐富實踐教學(xué)的內(nèi)容、加強(qiáng)實驗條件的改革及建設(shè)，在目看來具有特殊的重要性。面對這種情況，我國的教育主管部門采取了一些推進(jìn)實踐教學(xué)改革及建設(shè)的措施。如：在全國高校本科的教學(xué)水平評估中，實驗室基地建設(shè)與建設(shè)投資及其實驗教學(xué)改革被列為一項重要的指標(biāo)。并且，各高校也逐漸開始響應(yīng)教育部的的這一舉動，紛紛實行了“雙基”型實驗室[2]，與此同時，建設(shè)了“實驗教學(xué)示范中心”。當(dāng)前，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的缺點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：驗證性的實驗所占比例較大，與綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗之間的比例失調(diào)；實驗?zāi)Ｊ絾我?、實驗室設(shè)備陳舊；實驗教學(xué)中缺乏先進(jìn)的實驗教學(xué)手段。
2 提高電子信息類專業(yè)實驗教學(xué)質(zhì)量的方法
2.1 實驗中引入相應(yīng)的仿真技術(shù)來進(jìn)行虛擬實驗
在實驗教學(xué)中引入計算機(jī)仿真技術(shù)，能夠充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，教師能夠通過計算機(jī)技術(shù)對學(xué)生的實驗操作的全過程進(jìn)行觀察，對學(xué)生進(jìn)行良好的跟蹤與指導(dǎo)，更好地進(jìn)行學(xué)生實驗結(jié)果的采集工作，先進(jìn)科學(xué)的教學(xué)理念與教學(xué)手段對于提升實驗教學(xué)效果，提高實驗教學(xué)水平具有重要作用。引入計算機(jī)技術(shù)后，理論與實驗教學(xué)，教師教學(xué)指導(dǎo)與學(xué)生操作、思考融合成一個有機(jī)整體。以往傳統(tǒng)實驗教學(xué)中課堂、課時以及實驗設(shè)備因素的限制作用得到了解決，實驗教學(xué)更加靈活化，教學(xué)內(nèi)容在時空上得到進(jìn)一步的延伸，更好地激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行實驗的熱情。
將計算機(jī)仿真技術(shù)引入到實驗教學(xué)中，通過相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行的虛擬實驗，為學(xué)生提供了更為靈活開放的實驗環(huán)境，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生在實驗過程中獨(dú)立思考能力，增強(qiáng)學(xué)生的的學(xué)習(xí)創(chuàng)新意識。對于實驗教學(xué)內(nèi)容，仿真技術(shù)的應(yīng)用，將虛擬性實驗與真實的電路實驗整合成有機(jī)整體，實驗的能動性與趣味性明顯提高，同時實驗內(nèi)容的充實，有利于學(xué)生綜合實踐以及探索創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。當(dāng)前，已經(jīng)有越來越多的高校重新進(jìn)行了實驗室的規(guī)劃建設(shè)，通過計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗是實驗教學(xué)改革發(fā)展的新方向。將與實驗教學(xué)相關(guān)的計算機(jī)軟件技術(shù)引入到高校實驗室中，為實驗科研提供了良好的平臺，對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有重要作用。計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，一方面能夠改善實驗教學(xué)條件、充實實驗教學(xué)的內(nèi)容，另一方面，還能夠明顯降低實驗成本，提高實驗教學(xué)的效率。通過單片機(jī)的實驗教學(xué)，能夠發(fā)現(xiàn)，教學(xué)過程中引入proteus仿真軟，通過該軟件對單片機(jī)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模擬，克服了實際實驗過程中硬件電路固定以及實驗內(nèi)容不易改動等因素的限制。實驗設(shè)計全過程，除計算機(jī)外不用再進(jìn)行任何硬件的添加即可實驗，這有力地推動了實驗課程教學(xué)改革，更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。仿真技術(shù)的另一重要應(yīng)用主要表現(xiàn)在學(xué)生的業(yè)余愛好上，如挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計大賽等等，學(xué)生就能夠用計算機(jī)來實現(xiàn)仿真，首先用計算機(jī)仿真出實驗的模型，再在計算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的模擬調(diào)試，最終用硬件來實現(xiàn)。在整個仿真的過程中，學(xué)生可以自由發(fā)揮自己的潛能，通過大量的仿真對比，來達(dá)到設(shè)計目的，也可大膽反復(fù)地調(diào)試，避免了器件的損壞。電子設(shè)計競賽中，由于proteus開發(fā)環(huán)的運(yùn)用，培訓(xùn)過程中不需投入任何硬件的條件下，學(xué)生卻普遍反映，對于單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純理論知識的學(xué)習(xí)更易接受也更易得到提高。事實證明，運(yùn)用proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真成功后進(jìn)行的實際制作，可明顯的提高單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計效率。此外，遠(yuǎn)程教學(xué)中仿真教學(xué)的運(yùn)用具體重要的意義，對于教學(xué)改革是一種很好的嘗試[2]。
2.2 實驗中引入matlab軟件內(nèi)建的simulink組件技術(shù)
目前，我國開設(shè)了電子信息類專業(yè)的高校中，大部分都將matlab軟件作為重要的實驗教學(xué)平臺，對定理以及算法進(jìn)行仿真和驗證實驗。simulink組件作為matlab的重要組成，能夠為用戶提供一個仿真分析與動態(tài)建模的集成系統(tǒng)環(huán)境。該環(huán)境下，只需利用鼠標(biāo)進(jìn)行簡單直觀的操作，就能夠完成復(fù)雜系統(tǒng)模型的構(gòu)建，在此過程中避免了大量繁雜的書寫程序。由于 simulink組件具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高，結(jié)構(gòu)仿真精細(xì)、流程清晰且貼近實際、效率高、使用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，simulink組件技術(shù)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于處理數(shù)字信號與控制理論等復(fù)雜的仿真設(shè)計之中。同時simulink能夠通過連續(xù)、離散采樣時間以及兩種采樣時間混合的的方式進(jìn)行建模，該組件還可支持多速率系統(tǒng)，不同的系統(tǒng)組成部分的采樣速率不同。此外，simulink為動態(tài)系統(tǒng)模型的創(chuàng)建，提供的圖形用戶接口(gui) ，使在進(jìn)行模型方塊圖的創(chuàng)建時只需通過鼠標(biāo)單擊與拖動鼠等簡單操作即可完成，為用戶提供了一種更便捷、更直接的創(chuàng)建方式，同時能夠立即獲得系統(tǒng)仿真結(jié)果。
該組件的這一特性，一方面可以使算法的驗證更為簡單，減少學(xué)生投入在驗證性實驗中所用的時間，而將大部分精力投入到設(shè)計性、綜合性試驗中；另一方面，可以使學(xué)生更快捷的驗證新思路、新算法，而不會由于代碼調(diào)試方面的問題影響了創(chuàng)新實驗的開展。以自適應(yīng)濾波中的經(jīng)典rls 算法為例，如果直接采用matlab編程方式，在進(jìn)行代碼調(diào)試時，就會消耗掉大量的精力，代碼長度將達(dá)到200 行以上。而如果采用simulink組件模塊化設(shè)計的思想，只需要鼠標(biāo)對模型的拖拽，就能以流程圖的形式將濾波器搭建起來。由于simulink提供了豐富的元件庫，采用圖形化的表示方法，學(xué)生在進(jìn)行算法驗證的時候只需調(diào)用成熟的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計即可。這樣的實驗方法事半功倍，思路清晰，參數(shù)的調(diào)整也十分便捷，廣受學(xué)生歡迎。由此可見，引入simulink組件后的實驗，既不會影響實驗效果，又能夠提高實驗效率，對學(xué)生模塊化編程的思想也有較好的促進(jìn)作用。
3 結(jié) 語
當(dāng)前，社會對人才綜合素質(zhì)的要求不斷提高，進(jìn)行實驗教學(xué)改革已經(jīng)迫在眉睫，而大學(xué)實驗教學(xué)的改革又直接影響到學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)必須能夠跟得上時代的腳步，把計算機(jī)仿真技術(shù)與simulink組件技術(shù)應(yīng)用到實驗教學(xué)中可以充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造能力，在學(xué)習(xí)到先進(jìn)技術(shù)的同時，提高學(xué)生對社會的適應(yīng)能力。
參考文獻(xiàn)
論文摘要：高等職業(yè)教育實踐教學(xué)對于促進(jìn)學(xué)生知識理解和掌握、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力方面發(fā)揮著非常重要的作用。但是由于我國高等職業(yè)教育教學(xué)條件相對不足，實踐教學(xué)不能最大限度的實現(xiàn)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來仿真模擬現(xiàn)場可以使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境進(jìn)行實踐教學(xué)的效果。
實踐教學(xué)在高等職業(yè)教育教學(xué)活動中占有非常重要的位置，對于深化學(xué)生對知識的理解和掌握、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力具有重要的作用。但是我國高等職業(yè)學(xué)校實踐教學(xué)特點(diǎn)及條件的限制，阻礙了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。不能最大程度的激發(fā)學(xué)生的求知欲望，在一定程度上影響了學(xué)習(xí)的效果，而用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進(jìn)行實踐教學(xué)卻可以解決這些難題。
1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵及特征
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)又稱臨境技術(shù)，是一種利用計算機(jī)系統(tǒng)來創(chuàng)建和體驗虛擬世界(Virtual World)的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合應(yīng)用各種技術(shù)來制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在 自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級的人機(jī)交互技術(shù)，使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體，通過虛擬現(xiàn)實的三維設(shè)備與物體接觸，從而真正地實現(xiàn)人機(jī)交互。可以說人處在虛擬環(huán)境之中跟現(xiàn)實環(huán)境是沒有差別的。
VR技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、視覺生理學(xué)、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶。其逼真性和實時交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。它同時具有沉浸性(immersion)、交互性(interacdon)和構(gòu)想性(imagination)L2 J，VR技術(shù)的發(fā)展始終圍繞這三個特征而前進(jìn)。沉浸性是指用戶對虛擬世界中的真實感，此種真實感將使用戶難以覺察、分辨出其自身正處于一個由計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中；交互性是指用戶對虛擬世界中的物體的可操作性；構(gòu)想性是指用戶沉浸在虛擬世界的多維信息空間中，依靠自身的感知和認(rèn)知能力獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而深化概念并萌發(fā)新意 J。因而可以說 ，虛擬現(xiàn)實可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。VR技術(shù)的實質(zhì)是一種采用計算機(jī)技術(shù)制作仿真的假想世界的技術(shù) J，采用計算機(jī)產(chǎn)生一個被仿真世界的動態(tài)、三維視覺環(huán)境，使操作者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。實現(xiàn)的方式主要是戴上特制的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及身體部位跟蹤器，通過聽覺、觸覺和視覺在虛擬場景中進(jìn)行體驗。
2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中的應(yīng)用
2．1 高等職業(yè)學(xué)校實踐教學(xué)的現(xiàn)狀
我國正處于社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展時期，時代需要大量應(yīng)用型人才、高技能人才?！凹涌炫囵B(yǎng)高質(zhì)量技能型人才，是當(dāng)前我國職業(yè)教育面臨的緊迫任務(wù)；加強(qiáng)實踐教學(xué)的建設(shè)和改革，是提高技能型人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)”[5]。因此，高等職業(yè)教育要將學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)工作落到實處，實踐教學(xué)起著不可替代的作用，加強(qiáng)實踐性教學(xué)可提高教學(xué)效果和開發(fā)學(xué)生創(chuàng)造能力，進(jìn)而達(dá)到鞏固理論知識、提高綜合素質(zhì)和實踐能力的目的?？梢?，加強(qiáng)實踐性教學(xué)，是當(dāng)前高等職業(yè)教育改革與發(fā)展的重中之重。幫助學(xué)生形成實踐操作技能和職業(yè)能力，滿足就業(yè)的需要是職業(yè)技術(shù)教育普遍的教學(xué)終端目標(biāo)。
高等職業(yè)教育實踐教學(xué)通常存在的問題：(1)專業(yè)實訓(xùn)設(shè)備體積較大而實訓(xùn)教學(xué)的場地有限，教師在講授設(shè)備操作、使用、注意事項時，只有在設(shè)備附近的少數(shù)學(xué)生能看清楚。(2)專業(yè)實訓(xùn)設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、單價較高，為實訓(xùn)教學(xué)增加設(shè)備的臺數(shù)勢必大幅度增加購置經(jīng)費(fèi)，而且每次使用機(jī)器成本較大(包括原材料、電力、機(jī)器損耗和設(shè)備維修費(fèi)用，而實驗產(chǎn)品是不能投放市場產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的)。(3)實驗設(shè)備更新速度相對滯后于技術(shù)更新的速度。如果按照現(xiàn)在的技術(shù)更新速度同步進(jìn)行實驗設(shè)備的更新，投入將是非常巨大的，由此造成的浪費(fèi)也是非常嚴(yán)重的。(4)由于實驗故障等原因?qū)е碌脑O(shè)備損耗較為嚴(yán)重。對實驗過程指導(dǎo)不力或?qū)嶒炦^程中的失誤，易導(dǎo)致設(shè)備非正常損耗。(5)對于沒有實踐經(jīng)歷的學(xué)生在真實實驗或生產(chǎn)車間進(jìn)行操作存在一定的危險性。因而在現(xiàn)實教學(xué)中，一般采用教師演示或組織學(xué)生看錄像的方式，但學(xué)生很難獲得感性認(rèn)識，實驗效果大打折扣。(6)教師只能對機(jī)械外表進(jìn)行講授，而機(jī)器的運(yùn)作原理及內(nèi)部運(yùn)作無法了解，當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法講授(機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時不能拆開機(jī)殼)；(7)在財經(jīng)、管理等文科專業(yè)教學(xué)中存在單純依靠語言講授，實踐不足的現(xiàn)象；旅游等專業(yè)的學(xué)生實踐教學(xué)要專程到旅游景點(diǎn)進(jìn)行，費(fèi)用太高等問題。
2．2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)
2．2．1 教學(xué)手段先進(jìn) 用現(xiàn)代化計算機(jī)仿真技術(shù)展示設(shè)備，學(xué)生能真實的對虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，且操作過程清晰易懂。同時，在立體投影屏幕上顯示相應(yīng)的圖像和交互操作的效果，坐在虛擬現(xiàn)實教室的其余近百名學(xué)生則可帶上立體眼鏡進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)，課堂氣氛活躍，參與度高，有利于學(xué)生的正確理解和掌握。
2．2．2 降低辦學(xué)成本 用現(xiàn)代化計算機(jī)仿真技術(shù)，減少設(shè)備臺數(shù)，沒有原材料消耗，旅游等專業(yè)減少了異地實踐的費(fèi)用，可大大降低辦學(xué)成本。
2．2．3 學(xué)習(xí)效果明顯提高 用現(xiàn)代化計算機(jī)仿真技術(shù)，將設(shè)備三維“虛擬”出來，并可產(chǎn)生互動，學(xué)生通過在計算機(jī)反復(fù)操作練習(xí)后，掌握基本操作技能的時間比以前大大減少，提高了教學(xué)質(zhì)量。
2．2．4 學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng) 用現(xiàn)代化計算機(jī)仿真技術(shù)，學(xué)生可使用計算機(jī)進(jìn)行仿真操作，使一些比較枯燥難于操作的實驗、實訓(xùn)變得有趣和便于掌握。
2．3 利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強(qiáng)高職學(xué)校理工科學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)
對于高等職業(yè)教育理工科專業(yè)的實踐教學(xué)，通過了解實驗儀器的結(jié)構(gòu)、原理及使用，科學(xué)驗證或展開演繹課程的理論，從而加深學(xué)生對理論的認(rèn)識。而對于專業(yè)方面的實踐課程，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力是十分重要的。傳統(tǒng)實踐教學(xué)專業(yè)實訓(xùn)設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、單價較高，設(shè)備損耗較為嚴(yán)重，且存在設(shè)備非正常損耗現(xiàn)象，有的專業(yè)實踐操作還有一定的危險性，并且存在設(shè)備更新速度在很大程度上滯后于技術(shù)發(fā)展速度的現(xiàn)象。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可減少資金投入并保持設(shè)備更新。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可保護(hù)昂貴的真實設(shè)備，減少誤操作的危險，縮短占用設(shè)備的時間。特別對于一些本來具有一定危險性的實驗實訓(xùn)教學(xué)活動，毫無危險性的虛擬現(xiàn)實 VR教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用尤為重要。例如，虛擬的化學(xué)實驗，通過模擬現(xiàn)實世界真實場景，營造一個虛擬的三維實習(xí)實驗環(huán)境，這個環(huán)境的真實感尤為重要。對于化學(xué)專業(yè)的實踐教學(xué)來說，應(yīng)盡量精確逼真地表現(xiàn)化學(xué)實驗的操作內(nèi)容、過程和現(xiàn)象。學(xué)習(xí)者可以通過虛擬操作獲得直觀的親歷體驗，從而在獲得安全操作方面知識的同時，提高他們在不同的復(fù)雜環(huán)境下的推理判斷和瞬間決策能力。以這種方式獲得的經(jīng)驗也會成功的轉(zhuǎn)移到學(xué)習(xí)者現(xiàn)實生活的實踐中。
【論文摘要將虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)教學(xué)領(lǐng)域后對傳統(tǒng)教學(xué)手段產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊。本文針對航空電子裝備教學(xué)中如何應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)給出了應(yīng)用方法和心得。
1.引言
自 20世紀(jì) 9O年代以來,以計算機(jī)仿真技術(shù) 、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現(xiàn),并逐步滲透到教學(xué)領(lǐng)域。作為一種新型的實驗教學(xué)手段,虛擬仿真教學(xué)對傳統(tǒng)的教學(xué)手段產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊,并引發(fā)了教學(xué)領(lǐng)域一系列深刻的變化。種種跡象表明,虛擬仿真教學(xué)將是今后實驗教學(xué)改革的一個重要發(fā)展方向。本文結(jié)合多年來在航空電子裝備教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的經(jīng)驗,探索在航空電子裝備教學(xué)軟件中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的方法和心得。
2.虛擬仿真技術(shù)簡介
虛擬仿真技術(shù)是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的合稱。
2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用三維建模技術(shù),構(gòu)建一個和現(xiàn)實世界的物體和環(huán)境相同或相似的虛擬三維場景,并能響應(yīng)用戶的輸進(jìn),根據(jù)用戶的不同動作做出相應(yīng)的反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要有動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形 天生技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要側(cè)重于對真實物體物理特征的仿真,也稱為視景仿真,它主要用于產(chǎn)品設(shè)計和展示、貿(mào)易廣告、游戲設(shè)計等。
在航空電子裝備教學(xué)中,大量用 到對裝備的外觀 、結(jié)構(gòu) 、組成 、連接 、機(jī)安裝位置的展示 ,傳統(tǒng)教學(xué)大都采用實物展示 的方法 。近年來隨著大量航空電子裝備 的更新?lián)Q代,因受經(jīng) 費(fèi)、場地及使用壽命等因素的限制 ,傳統(tǒng)教學(xué)方法 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求 ,而采 用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示方法則 以其廉價 、無場地限制和效果 良好得以廣泛應(yīng)用。
目前有大量成熟的軟件平臺可以進(jìn)行視景仿 真的開發(fā),主流平臺Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫 OPENFLIGHT已經(jīng)成為 了產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ,在軍事 、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發(fā)的技術(shù)平臺 ,解決物理模型的創(chuàng)建、場景顯示等新題目。該平臺可以達(dá)到照片級 的視景仿真效果 .同時采用嵌進(jìn) OPENGL技術(shù)來解決物理模型 的交互新題目。
2.2系統(tǒng)仿真技術(shù)
系統(tǒng)仿真技術(shù)是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科 .它通過建立實際系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)模 型 ,利用計算機(jī)運(yùn)算來達(dá)到對被仿真系統(tǒng)的分析、探究、設(shè)計等目的。系統(tǒng)仿真技術(shù)主要側(cè)重于對真實系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理、運(yùn)動方式 的仿真,也稱為行為仿真。系統(tǒng)仿真技術(shù)最初主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)等少數(shù)領(lǐng)域,后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機(jī)械等一些主要產(chǎn)業(yè)部分,并進(jìn)一步擴(kuò)大到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等一些非工程系統(tǒng)領(lǐng)域。 在航空電子裝備教學(xué)中,對裝備工作原理的講解既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)方法主要通過教員的講述,配合一些靜態(tài)的圖形幫助學(xué)員理解 .教學(xué)效果主要依靠于教員的授課水平和技巧 。近年來.我們嘗試將系統(tǒng)仿 真技術(shù)應(yīng)用到航空電子裝備教學(xué)中,根據(jù)被仿真裝備的工作原理,建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)裝備的不同工作狀態(tài),對模型進(jìn)行動態(tài)運(yùn)行.結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的逼真場景.較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術(shù)開發(fā)、研制的教學(xué)軟件不但可供教員教學(xué)使用.也可供學(xué)員自學(xué),并達(dá)到了較好的教學(xué)效果。
目前,有很多成熟的系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺軟件.如 Simulink、SystemView等,這些軟件以其功能強(qiáng)大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎.但價格較為昂貴,且大多未提供對外的仿真數(shù)據(jù)接口.仿真系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、擴(kuò)展性和可變性受到很多限制。當(dāng)然也可自行開發(fā)適用 的仿真開發(fā)平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用的是自行開發(fā)的系統(tǒng)仿真平臺軟件。
3.虛擬仿真技術(shù)在航空電子裝備教學(xué)中的應(yīng)用方法和步驟
3.1建立仿真模型
這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結(jié)構(gòu)的三維物理模型 ,也包括揭示其內(nèi)在工作機(jī)理及行為的數(shù) 學(xué)模 型。對三維物理模型的建立,主要依據(jù)裝備本身的物理狀態(tài),其原則就是在盡量減小面數(shù)的同時進(jìn)步逼真度。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立,則需要視系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)行取舍和優(yōu)化,本著夠用為度的原則 ,以盡量減小運(yùn)算量。建立數(shù)學(xué)模型時 ,還應(yīng)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行時的參數(shù)調(diào)整。
3.2創(chuàng)建仿真裝備的虛擬場景并驅(qū)動
對于虛擬場景的驅(qū)動,根據(jù)使用方式的不同采用了不同的方式假如進(jìn)行的僅是裝備外觀、結(jié)構(gòu)的展示,可使用EON進(jìn)行動作的編輯和驅(qū)動;假如需要對裝備進(jìn)行虛擬操縱仿真,則使用 GLStudio軟件先進(jìn)行操縱面板、虛擬儀表的編輯和制作,然后再利用 Vega Prime驅(qū)動以實現(xiàn)更復(fù)雜的交互操縱。
3.3系統(tǒng)集成
系統(tǒng)集成就是將上述做好的模型、場景按照教學(xué)軟件所需的形式將其有機(jī)的整合在一起,使之成為_個完整的 、規(guī)范的教學(xué)軟件。系統(tǒng)集成可以使用目前常用的軟件開發(fā)平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現(xiàn)實驅(qū)動軟件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 軟件開發(fā)平臺的運(yùn)行插件,因此,系統(tǒng)集成變得十分方便。編寫程序時,只需考慮軟件功能的布置,注重程序間的兼容性即可。
系統(tǒng)集成時,還需要將系統(tǒng)行為仿真的結(jié)果通過視景仿真表現(xiàn)出來,即用行為仿真的數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維物理模型的動作。由于系統(tǒng)行為仿真采用了專門的運(yùn)行平臺,和視景仿真處于不同的系統(tǒng)進(jìn)程中.因此這種驅(qū)動是通過兩進(jìn)程間的實時通訊來完成的。這里還需要考慮進(jìn)程間的同步新題目。
在歐美等發(fā)達(dá)國家，理論與實踐教學(xué)的學(xué)時比一般為1：2或1：3，遠(yuǎn)高于國內(nèi)大部分理工科高校。長期以來，國內(nèi)理工類高校實驗占教學(xué)之比重較低，普遍存在重理論輕實踐的傾向，這樣不利于人才的培養(yǎng)。教育部和財政部等單位于2012年2月了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校實踐育人工作的若干意見》，[1]文中針對加強(qiáng)實踐教學(xué)提出了明確的要求和具體的措施。其中第5條指出：深化實踐教學(xué)方法改革，加強(qiáng)實踐教學(xué)方法是專業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容。因此，需要從學(xué)生能力培養(yǎng)著手，對過去單一的實驗教學(xué)模式包括實驗內(nèi)容、方法和形式等方面做進(jìn)一步的探討和改革。
一、實驗教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整
“電路”課程高等工科院校是電子信息類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。我校電子信息工程學(xué)院12版教學(xué)大綱規(guī)定，電氣類專業(yè)的“電路”理論課程在大一的下學(xué)期開設(shè)，教學(xué)共計劃84學(xué)時，其中理論課時占64個，實驗課時占12個，共安排6次。實驗涉及到的課程主要內(nèi)容有：電路的基本概念與基本定律、電阻元件的VCR，電源的等效變換、線性電路的基本分析方法、基本定理、含有理想運(yùn)放的電路分析、一階電路的時域分析、二階電路的時域分析、正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析等。
針對新形勢下對人才培養(yǎng)的要求，“電路”課程的實踐教學(xué)改革應(yīng)該采取對不同教學(xué)對象因材施教、人盡其才的分層次教學(xué)方法，實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容和形式應(yīng)多樣化。作為民族院校，生源的差異性較大，對基礎(chǔ)較差的學(xué)生要求完成必做的驗證性實驗；對基礎(chǔ)較好的學(xué)生除完成基本要求之外，還要完成綜合性實驗；對動手能力強(qiáng)和創(chuàng)新意識強(qiáng)的學(xué)生，可分成興趣小組，完成設(shè)計性和自定項目的實驗。分層次的實驗教學(xué)可以充分調(diào)動不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，充分發(fā)揮其主觀能動性，為社會的發(fā)展培養(yǎng)和提供各種急需的復(fù)合型人才。[2]
在“電路”實驗內(nèi)容的調(diào)整上，將原來只要求做驗證性實驗改為計算機(jī)仿真實驗和硬件實驗兩大部分，其中硬件實驗又劃分為驗證性、綜合提高性和設(shè)計性三個層次。
將計算機(jī)仿真技術(shù)引入“電路”實驗，[3-4]采用EWB計算機(jī)軟件進(jìn)行仿真實驗，可以實現(xiàn)驗證性、測試性、設(shè)計性、糾錯性和創(chuàng)新性等不同形式的針對性訓(xùn)練，有效地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)提高分析、應(yīng)用和創(chuàng)新能力。而且，對復(fù)雜的實驗過程在計算機(jī)仿真過程中會更便捷高效，可保證一些高壓強(qiáng)電實驗的安全性。安排的相關(guān)實驗內(nèi)容包括電路的直流分析、一階RC電路的瞬時響應(yīng)、二階RLC串聯(lián)電路的瞬時響應(yīng)、電路的交流分析等。計算機(jī)仿真實驗安排兩次實驗，實驗內(nèi)容在以上指定實驗中選做。
實驗硬件化三個層次的教學(xué)內(nèi)容安排如下：
1.驗證性實驗
驗證性實驗也是基本實驗，教學(xué)計劃改革后保留少量的2-3個驗證性的實驗，要求所有的學(xué)生一人一組獨(dú)立完成。驗證性實驗的部分實驗電路已模塊化，在電路板上連接好；另外的一部分實驗電路要求學(xué)生根據(jù)實驗要求，自己用給定的元器件在面包板上搭建實驗電路。鑒于學(xué)生剛接觸電路實驗，驗證性實驗要求學(xué)生在完成指定實驗內(nèi)容的同時，熟悉各種常規(guī)電子儀器儀表的使用，掌握對電路中關(guān)鍵物理量的測量方法，掌握常用元器件的識別方法，以及掌握搭建電路的基本技能，學(xué)會對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生實事求是的良好的工作態(tài)度和腳踏實地的科學(xué)作風(fēng)。
實驗內(nèi)容包括：電阻元件伏安關(guān)系的測試、受控源特性的測試、疊加定理的驗證、直流電路中戴維寧等效和諾頓等效、交流等效參數(shù)的測量等。
2.綜合提高性實驗
綜合提高性實驗的目的是一方面要求學(xué)生能合理地選擇和使用元器件，另一方面培養(yǎng)學(xué)生扎實的基本功和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，提高分析問題和解決問題的能力，以及撰寫小論文的能力，使一部分學(xué)生能夠脫穎而出。學(xué)生按照老師提出實驗任務(wù)和設(shè)計要求，設(shè)計好實驗電路、寫出實驗步驟、并估算各元件參數(shù)。實驗可讓不同層次的學(xué)生進(jìn)行組合，不再局限于一人一組，安排1-2個實驗內(nèi)容。內(nèi)容包括：電阻網(wǎng)絡(luò)分壓電路設(shè)計、動態(tài)調(diào)諧電路的設(shè)計、運(yùn)算放大器與有源器件、最大功率傳輸和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計等。
3.設(shè)計性實驗
設(shè)計性實驗主要著重培養(yǎng)學(xué)生的靈活運(yùn)用理論知識的想象力和創(chuàng)新能力，為社會的發(fā)展輸送高素質(zhì)的專業(yè)人才。設(shè)計性實驗對學(xué)生提出了更高的要求，不再要求所有學(xué)生參加，將有選擇性地挑選有基礎(chǔ)扎實、能力強(qiáng)、有潛力和精力的學(xué)生參加，將他們分成興趣小組，由指導(dǎo)教師專門指導(dǎo)其完成設(shè)計性和自定項目實驗。通過設(shè)計性實驗可以進(jìn)一步挑選，讓其中能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)入學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊，重點(diǎn)培養(yǎng)他們參加全國各類電子設(shè)計制作競賽，以獲得更多的成長機(jī)會。設(shè)計性實驗的內(nèi)容包括：非正弦周期信號與選頻濾波電路的研究、波形產(chǎn)生和波形變換器的設(shè)計、直流穩(wěn)壓源和恒流源的設(shè)計等。
在時間上，實驗室在一定條件下對學(xué)生開放；在內(nèi)容上，除必做實驗外，還安排有選作實驗和采用現(xiàn)場指導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)答疑等多種指導(dǎo)方式；充分利用視頻、實物模型和演示等內(nèi)容豐富、形式多樣的教學(xué)手段。對不同程度學(xué)生實行因材施教。
二、硬件實驗平臺的改造
我?！半娐贰痹囼灲虒W(xué)改造前主要是依托計算與試驗中心的電工實驗室來完成的。該實驗室使用的KHDG-1電工試驗平臺由于存在使用年限長，設(shè)備老化嚴(yán)重，維護(hù)維修不方便，實驗電路已模塊化固定，只能完成驗證性實驗，無法進(jìn)行綜合設(shè)計型的試驗，根本不能滿足新形勢下我院“電路”課程教學(xué)改革和實踐教學(xué)的要求，以及由此課程展開的培養(yǎng)學(xué)生實踐技能和創(chuàng)新活動能力的需要。由此進(jìn)行了實驗平臺的改造，自制了試驗箱，改造后的實驗平臺的功能主要表現(xiàn)在：
針對驗證性實驗，將實驗中的驗證性實驗電路模塊化；針對綜合提高性和設(shè)計性實驗，可以在實驗平臺上自由搭建實驗電路。
引入該電路實驗平臺后，使得“電路”實踐教學(xué)具有以下幾個特點(diǎn)：
新的實踐教學(xué)平臺的設(shè)計制作和實驗內(nèi)容的調(diào)整，以及配套實驗教材的編寫。給任課老師一個提高理論教學(xué)與實踐能力的機(jī)會，尤其是對年輕教師，由此得到了鍛煉，從而促進(jìn)了教學(xué)改革，使教學(xué)質(zhì)量真正得到了提高。
新的實驗平臺的實施與使用，使學(xué)生盡快接觸到實際的電路元器件，熟練掌握元器件的識別與合理選擇及其正確使用，以及熟練掌握搭建電路的技能，在教學(xué)上可以靈活設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容。
通過實驗教學(xué)改革，提高了實驗平臺的實用性。靈活多樣的實驗內(nèi)容，真正的使學(xué)生通過本課程和實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練后，具備從事電路設(shè)計的基本技能和實踐能力。
為創(chuàng)新性活動提供了一個良好的條件。實驗不再局限于課本上的理論知識的驗證，綜合性實驗和設(shè)計性實驗培養(yǎng)了學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識的應(yīng)用能力，為學(xué)生提早進(jìn)入各種課外科技活動、各類電子設(shè)計競賽等活動提供了良好的條件。
實現(xiàn)了資源共享和優(yōu)化。新的實踐教學(xué)平臺的研制及使用，不僅降低了試驗教學(xué)的成本，而且改造后的實驗平臺也適用于其他專業(yè)相關(guān)學(xué)院如生醫(yī)學(xué)院、計算機(jī)學(xué)院等同類課程的試驗。
三、實驗教學(xué)改革后的效果
改造后的實驗平臺經(jīng)過兩年多的實踐，表現(xiàn)出良好的教學(xué)效果，主要體現(xiàn)在以下方面：
1.規(guī)范和完善了教學(xué)體系和教材建設(shè)
根據(jù)新的教學(xué)大綱重新編寫了實驗教材， 增加了提高性、綜合設(shè)計性的實驗內(nèi)容，符合了不同層次的教學(xué)對象，給學(xué)生個性的發(fā)展提供了空間和自由，調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性。
2.獨(dú)立性、自信心和學(xué)習(xí)積極性得到了鍛煉和提高
改造后的實驗平臺性價比高，可操作性強(qiáng)，可實現(xiàn)一人一組，真正使每個學(xué)生主動參與到實驗中去，切切實實的通過實驗達(dá)到提高，學(xué)生普遍反映效果好?；緦嶒灥耐瓿尚Ч浅：?，大部分學(xué)生的自信心得到了很大的提升，所有學(xué)生的積極性都有明顯的改變。
3.提高了理論知識的靈活應(yīng)用能力
由改造后的實驗平臺來實行分層次教學(xué)，最大限度提高了對理論知識的掌握和實踐的能力，使學(xué)生能真正透徹理解電路的基本概念并牢固記憶，切實掌握實驗的基本技能和基本方法，并將課本知識靈活的運(yùn)用到實際問題中，提高了分析問題和解決問題的能力。
4.創(chuàng)新能力提高
綜合提高性實驗和設(shè)計性實驗教學(xué)的實施，充分發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和個人專長，提高了靈活掌握和運(yùn)用理論知識的能力，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。
5.利用計算機(jī)仿真技術(shù)提高設(shè)計能力
將 EWB計算機(jī)仿真技術(shù)引入電路實驗，學(xué)生在仿真時可以放心大膽地連接電路，大大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力，教師著重引導(dǎo)學(xué)生對一個實驗嘗試多種電路，比較優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的方案，比較仿真軟件的分析方法、測量方法與硬件電路的異同以及測量結(jié)果的差異，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題。
關(guān)鍵詞：虛擬制造技術(shù)；現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計；機(jī)械制造；機(jī)械產(chǎn)品；機(jī)械設(shè)計
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A中圖分類號：TH166文章編號：1009-2374（2016）05-0073-02
作者簡介：伊紀(jì)斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學(xué)國防教育學(xué)院學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計
隨著知識經(jīng)濟(jì)和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產(chǎn)品生產(chǎn)廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質(zhì)、最短的研發(fā)時間、最低的成本消耗和最佳的服務(wù)來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設(shè)計一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設(shè)計的具體要求進(jìn)行的，在機(jī)械設(shè)計的過程中需要提前對設(shè)計中的設(shè)備裝配的干擾因素的不確定進(jìn)行考慮，但是產(chǎn)品在裝配中的缺陷只有在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設(shè)計的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴(yán)重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設(shè)計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設(shè)計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費(fèi)時間比較長、耗費(fèi)的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預(yù)測性市場中難以適應(yīng)。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動需要具備高度的柔性和快速的反應(yīng)，與此同時信息技術(shù)的飛速發(fā)展保證了機(jī)械制造的先進(jìn)性，信息化的使用對于現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計十分重要。
1虛擬機(jī)械制造技術(shù)
以往傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計技術(shù)的設(shè)備條件比較差，設(shè)計技術(shù)性不強(qiáng)，傳統(tǒng)的設(shè)計觀念比較保守，設(shè)計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設(shè)中完成機(jī)械工程的設(shè)計，傳統(tǒng)設(shè)計具有較大的隨意性，并且設(shè)計的關(guān)鍵過程還對設(shè)計者的經(jīng)驗和設(shè)計習(xí)慣具有很大的依賴性。設(shè)計的過程很難實現(xiàn)合理、高效和準(zhǔn)確。但是在現(xiàn)代化虛擬設(shè)計的相關(guān)技術(shù)可以很好地實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗依賴性強(qiáng)、設(shè)計過程靜態(tài)性和設(shè)計理念隨意性向現(xiàn)代化設(shè)計精確性、以數(shù)據(jù)知識工程和專家系統(tǒng)為保證的設(shè)計方式的發(fā)展，虛擬計算機(jī)技術(shù)需要對必要的信息進(jìn)行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設(shè)計方案和數(shù)值運(yùn)算的方式，當(dāng)然也會對CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進(jìn)行大量的應(yīng)用。虛擬機(jī)械制造技術(shù)主要是在虛擬環(huán)境下對計算機(jī)的模型進(jìn)行虛擬分析的一種計算機(jī)設(shè)計技術(shù)。該技術(shù)集成并綜合應(yīng)用了綜合性的機(jī)械制造環(huán)境，主要包括了各種仿真、分析、應(yīng)用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經(jīng)歷的主要階段有裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計、動態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術(shù)，機(jī)械設(shè)計人員不需要將所有的零件設(shè)備生產(chǎn)制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進(jìn)行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進(jìn)行干涉、對裝配的狀態(tài)實現(xiàn)檢查，對零件設(shè)計中的錯誤及時發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設(shè)計要求，可以依靠計算機(jī)技術(shù)方便及時更改模型，最后形成新的零部件設(shè)計圖和裝配圖，達(dá)到設(shè)計、裝配和制造檢驗的協(xié)調(diào)。
2虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵
虛擬制造技術(shù)包含了許多方面，主要有設(shè)計技術(shù)的提出、產(chǎn)品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹：
2.1虛擬技術(shù)中的建模技術(shù)
虛擬指的是在系統(tǒng)中將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射到虛擬環(huán)境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機(jī)化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內(nèi)容有生產(chǎn)模型建立、產(chǎn)品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結(jié)構(gòu)的建立。生產(chǎn)模型中有靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關(guān)于對系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性。動態(tài)描述是在已經(jīng)被得知的系統(tǒng)狀態(tài)和需求的性質(zhì)上對產(chǎn)品的整個過程進(jìn)行全面的預(yù)測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產(chǎn)品模型。在產(chǎn)品的模型建立中需要對產(chǎn)品的明細(xì)、形狀特征等方面進(jìn)行描述。對于VMS而言，要實現(xiàn)產(chǎn)品實施過程的全部繼承必須具備完整的產(chǎn)品模型。因此在虛擬制造中的產(chǎn)品模型不再是單一和靜止的，它可以運(yùn)用抽象的技術(shù)實現(xiàn)各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產(chǎn)品的工藝參數(shù)和關(guān)于產(chǎn)品功能的各種因素進(jìn)行聯(lián)系，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品模型和生產(chǎn)模型之間相互作用的反映。
2.2虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)
仿真指的是通過計算機(jī)實現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象化和簡潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行應(yīng)用，最終得到相應(yīng)的系統(tǒng)性性能分析。仿真主要以系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對實際的生產(chǎn)系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對計算機(jī)的計算能力進(jìn)行應(yīng)用，實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產(chǎn)決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費(fèi)。計算機(jī)技術(shù)還有很好的仿真修復(fù)功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。仿真技術(shù)過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運(yùn)行、結(jié)果的輸出和分析。仿真在產(chǎn)品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)中主要涉及的是產(chǎn)品建模、設(shè)計交互行為仿真等。方便對設(shè)計結(jié)果的評價，及時進(jìn)行反饋，降低產(chǎn)品設(shè)計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨(dú)立的，兩者不能實現(xiàn)集成，而VM中應(yīng)建立全面過程的統(tǒng)一仿真。
2.3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的是改善計算機(jī)的交互方式，提高計算機(jī)的可操作性，它是在對計算機(jī)圖形系統(tǒng)和多種顯示以及控制等接口設(shè)備的基礎(chǔ)上，以交互的三維環(huán)境為人提供沉浸體驗的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要由圖形系統(tǒng)和多種接口設(shè)備組成，使人在虛擬環(huán)境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機(jī)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有操作者、機(jī)器和人機(jī)接口。它幫助提升人和計算機(jī)間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現(xiàn)對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達(dá)到身臨其境的沉浸感覺。VM的關(guān)鍵技術(shù)之一就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。
3機(jī)械虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹
虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計中被稱作機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，它是20世紀(jì)80年代在計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計算機(jī)輔助技術(shù)。在計算機(jī)建立樣機(jī)模型后，對模型的多種動態(tài)性能進(jìn)行具體的分析，最后對樣機(jī)方案實現(xiàn)改進(jìn)。用數(shù)字化模型代替物理性的樣機(jī)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用，簡化了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間，最大程度降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和費(fèi)用，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)性能的提升，使設(shè)計產(chǎn)品實現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢，該技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就受到了眾多工業(yè)發(fā)達(dá)和高等院校及設(shè)計和生產(chǎn)企業(yè)的重視，許多著名的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計者都對該技術(shù)進(jìn)行了引入并運(yùn)用在自身產(chǎn)品的開發(fā)中，并且取得了極好的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效益。在機(jī)械工程設(shè)計中應(yīng)用仿真技術(shù)對零件進(jìn)行設(shè)計、生產(chǎn)工序等方面的選用以及工藝參數(shù)、加工工藝、裝配工藝等構(gòu)件的運(yùn)動性等均可以實現(xiàn)建模仿真。
4虛擬制造技術(shù)在機(jī)械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢
4.1強(qiáng)大的通用性和分析處理復(fù)雜問題的能力
虛擬樣機(jī)技術(shù)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)是分析力學(xué)和多體運(yùn)動力學(xué)，該技術(shù)的關(guān)鍵是對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自動建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件主要運(yùn)用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個構(gòu)件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進(jìn)行限制，實現(xiàn)其具有良好的通用性，達(dá)到適用性強(qiáng)的目的。與此同時，虛擬樣機(jī)技術(shù)還對機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。
4.2為機(jī)械系統(tǒng)建模帶來便利
傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模中要先建立運(yùn)動分析，隨后在運(yùn)動分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導(dǎo)。但是圖形的分析和公式的推導(dǎo)過程往往比較復(fù)雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設(shè)計人員只需要將機(jī)械的構(gòu)成方式和連接方法以及相應(yīng)的物理參數(shù)實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設(shè)計人員承擔(dān)了許多的設(shè)計難度。
4.3強(qiáng)大的后期處理能力
在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的理解還要依靠豐富的經(jīng)驗和理論。但是運(yùn)用虛擬樣機(jī)計算軟件為復(fù)雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術(shù)，使得設(shè)計人員直觀地看到機(jī)械設(shè)計的性能和運(yùn)動效果。
5結(jié)語
虛擬制造技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)代工程機(jī)械工程設(shè)計領(lǐng)域中的設(shè)計、試制等一系列過程的直觀性。實現(xiàn)了在產(chǎn)品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產(chǎn)品的原型，更好地替代現(xiàn)實中的硬件產(chǎn)品，更方便地對設(shè)計產(chǎn)品的性能和可生產(chǎn)性進(jìn)行評估，極大地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期，最大化地節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的成本，保證產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計可以適應(yīng)市場的靈活性的變化。虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)實技術(shù)和計算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械制造中的綜合應(yīng)用。在現(xiàn)代化計算機(jī)虛擬設(shè)計技術(shù)的幫助下實現(xiàn)對眾多產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，不僅不會造成實際物質(zhì)的浪費(fèi)，并且還能更直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)的具體情況，打開了機(jī)械制造和設(shè)計的全新局面。
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根據(jù)高職醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)電工電子技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題,針對高職生特點(diǎn),從教學(xué)內(nèi)容選取,教學(xué)方法、教學(xué)手段、考核方法改革等方面進(jìn)行分析、總結(jié)。
關(guān)鍵詞：
高職；醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)；電工電子技術(shù)
電工電子技術(shù)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性和實踐性都非常強(qiáng)。本文針對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)高職生專業(yè)和職業(yè)能力需求，根據(jù)高職生特點(diǎn)，以實踐、應(yīng)用為主線淺談其教學(xué)改革。
1存在問題
1.1理論與實踐脫節(jié)
傳統(tǒng)教學(xué)中理論教學(xué)與實踐教學(xué)是分開的，且過分追求教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性與完整性，忽視了電工電子技術(shù)作為應(yīng)用學(xué)科的實用價值，學(xué)生缺乏明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，難以理解課程目的和意義，影響了教學(xué)質(zhì)量提高和應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)。
1.2教學(xué)方法陳舊
教學(xué)基本上采用“教師講，學(xué)生聽”的灌輸式方法，有些教師對新的教學(xué)方法和手段不熟悉、不適應(yīng)，課堂上講得過多、過細(xì)，缺乏新意，沒有留出足夠的時間供學(xué)生思考回味。此外，課后作業(yè)過多也使學(xué)生無暇思考，導(dǎo)致其始終處于被動狀態(tài)，無法產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣和熱情。
1.3考核方式單一，內(nèi)容片面
電工電子技術(shù)課程考核采用閉卷筆試方式，主要考查學(xué)生理論知識掌握情況。這樣既不利于學(xué)生對知識的全面掌握，又不符合高職生學(xué)習(xí)特點(diǎn)。
2改進(jìn)措施
2.1課程整合和優(yōu)化
打破學(xué)科體系，改革課程設(shè)置，實施課程內(nèi)容的簡約、集成與重組，體現(xiàn)高職教育特色。以實際應(yīng)用能力培養(yǎng)為主線，精簡教學(xué)內(nèi)容，去除理論推導(dǎo)、證明、驗證內(nèi)容，注重技術(shù)重現(xiàn)和技術(shù)實現(xiàn)。實現(xiàn)做中學(xué)，弱化過深、偏難的理論，突出知識的實際應(yīng)用。以適用、實用為原則，優(yōu)化知識技能結(jié)構(gòu)，形成與職業(yè)崗位需要相一致的教學(xué)內(nèi)容。從職業(yè)崗位需要出發(fā)，將課程知識與技能有機(jī)結(jié)合起來，增加實用性和針對性，刪去與今后工作關(guān)系不大的內(nèi)容。例如，很多教材大篇幅講解二極管如何形成單向?qū)щ娦?、三極管內(nèi)部載流子的傳輸情況，然而在實踐中，只有專門從事研究的人員才可能用到這些原理，對于高職生而言，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該放在二極管、三極管的作用，如何判斷二極管正負(fù)極，三極管的標(biāo)號及管腳判別鑒定，如何通過參數(shù)來選擇二極管、三極管的型號等內(nèi)容上。對電子電路應(yīng)強(qiáng)化集成電路方面內(nèi)容（特別是集成電路的應(yīng)用），而難度較大、求解過程復(fù)雜的例題、習(xí)題應(yīng)予以刪減。
2.2加強(qiáng)與專業(yè)課程的對接
電工電子技術(shù)是專業(yè)基礎(chǔ)課，一般在大一第一學(xué)期開設(shè)。此時，學(xué)生對專業(yè)還不夠了解，授課內(nèi)容既要注意與各學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)知識的銜接，又要兼顧同后續(xù)課程的聯(lián)系。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)滿足各層次學(xué)生對課程深度和廣度的要求。
2.3課堂教學(xué)方法靈活多樣
高職生基礎(chǔ)相對薄弱，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生實際水平，對基礎(chǔ)知識、基本內(nèi)容和重點(diǎn)內(nèi)容精心組織，運(yùn)用多種教學(xué)方法，如比喻法、類比法、啟發(fā)質(zhì)疑法、講練法、實驗演示法，使學(xué)生克服厭學(xué)心理，樹立自信心，提高學(xué)習(xí)興趣。對于理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，教師要耐心講解，引入各種案例，多講多練，反復(fù)強(qiáng)化，務(wù)必使學(xué)生掌握。
2.4充分利用現(xiàn)代科技，豐富教學(xué)手段
抽象的電工原理講解起來容易使學(xué)生覺得枯燥乏味且生澀難懂，如電容的充放電等，若合理巧妙地使用輔助教具，往往能收到事半功倍的效果。教師可以通過教學(xué)錄像、實物模型、幻燈片、投影以及生動詳盡、圖文并茂的教學(xué)課件，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生視野，進(jìn)一步強(qiáng)化對基礎(chǔ)理論的掌握。為了適應(yīng)目前既要減少教學(xué)時數(shù)又要增加課堂信息量的教學(xué)改革形勢，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，提高自學(xué)能力，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源是有效可行的方法之一。在理論教學(xué)中引入仿真技術(shù)來提升教學(xué)質(zhì)量，使理論得以驗證。比如，對于一些較抽象的內(nèi)容，教師用語言不易描述，學(xué)生也難以理解，還有許多概念需要通過實驗闡述和驗證。在講授需要實驗演示的電路時，可利用事先建立的仿真電路文件進(jìn)行現(xiàn)場演示，不但提高了教學(xué)效率，而且降低了教學(xué)難度。實驗教學(xué)中引入仿真技術(shù)，具有3個優(yōu)點(diǎn)：（1）實驗信號存在時間過短，用常規(guī)儀器往往很難觀察到，借助仿真技術(shù)可以方便觀察；（2）將實驗任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生先進(jìn)行理論設(shè)計，然后按照設(shè)計要求進(jìn)行計算機(jī)仿真設(shè)計，再到實驗室按照仿真電路裝配實際電路進(jìn)行測量；（3）進(jìn)行虛擬仿真實驗，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和專業(yè)要求，聯(lián)系生產(chǎn)實際提出簡單的設(shè)計題目，讓學(xué)生進(jìn)行理論設(shè)計，然后在計算機(jī)上完成仿真實驗，檢驗和完善自己的設(shè)計。
2.5理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合
電工電子技術(shù)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，也是一門應(yīng)用學(xué)科，學(xué)生不僅要掌握必要的理論知識，還要把這些理論靈活應(yīng)用于實踐。但是，學(xué)生到企業(yè)實踐的機(jī)會很少，無法了解具體工作流程。為此，教學(xué)中，每章都從最基本的應(yīng)用實例出發(fā)，由實際問題入手引入相關(guān)知識和理論，由實訓(xùn)引出相關(guān)概念。首先，教師提出學(xué)習(xí)內(nèi)容、目的、要求及注意事項，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，再通過自己動手來加深對所學(xué)知識的理解，同時訓(xùn)練相關(guān)技能。這種在教師指導(dǎo)下，感性認(rèn)識與理性認(rèn)識的交互，對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)起到了促進(jìn)作用。教學(xué)所選實訓(xùn)項目應(yīng)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)相關(guān)，這樣會極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，實踐教學(xué)場所應(yīng)按照職業(yè)環(huán)境來布置，突出職業(yè)特點(diǎn)。同時，實踐教學(xué)嚴(yán)格按照生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線的現(xiàn)場有關(guān)規(guī)定，強(qiáng)化學(xué)生職業(yè)技能和職業(yè)素質(zhì)，促使學(xué)生形成一絲不茍、嚴(yán)格認(rèn)真的工作作風(fēng)。
2.6建立以能力為中心的課程考核體系
改變傳統(tǒng)考核方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力考核，實現(xiàn)向過程考核的轉(zhuǎn)變。學(xué)生學(xué)習(xí)效果的好壞主要取決于教學(xué)過程，與之相對應(yīng)的考核也應(yīng)貫穿整個教學(xué)過程?？荚嚥辉倬窒抻趩我坏拈]卷形式，而是采用開放靈活的方式，包括開卷考試、課程論文、口試、實際操作、調(diào)查報告、綜合考查等。不同內(nèi)容采用不同考核形式，如基本理論考核采用閉卷形式；實訓(xùn)技能考核采用項目任務(wù)形式，根據(jù)學(xué)生態(tài)度和操作情況，綜合評定實驗實訓(xùn)成績；平時作業(yè)可以結(jié)合生產(chǎn)實際寫課程論文和調(diào)查報告。課程結(jié)業(yè)成績由平時成績、實驗實訓(xùn)成績、期末成績（試卷）組成。為使學(xué)生全程參與，將其注意力轉(zhuǎn)移到日常學(xué)習(xí)上來，可擴(kuò)大平時成績和課程測驗比例，具體為：平時成績占20％，課程測驗成績占40％，期末成績占40％。另外，改革平時測試和實驗考核記分方式，實行實質(zhì)性評價，部分考核可按照A、B、C、D級評分，淡化分?jǐn)?shù)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。注重考核反饋，通過反饋使學(xué)生了解自己的不足，使教師調(diào)整教學(xué)方式。
3結(jié)語
論文關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)買技術(shù) 培訓(xùn) 作用
論文摘要:我國石油行業(yè)發(fā)展迅速，職工的素質(zhì)直接影響到石油企業(yè)的效益及安全生產(chǎn)狀況，因此，企業(yè)對職工的技術(shù)要求越來越嚴(yán)格。鉆井模擬器采用基于虛擬現(xiàn)實的虛擬制造技術(shù)，開發(fā)過程運(yùn)用多種先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，并結(jié)合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法。作為針對油田具體情況開發(fā)的新型培訓(xùn)系統(tǒng)。鉆井模擬器有著積極的意義。本文重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)的開發(fā)過程，詳述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田培訓(xùn)鉆井井控人員過程中的作用。
1．引 言
我國石油行業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)場地質(zhì)情況等密不可分，充滿著危機(jī)和挑戰(zhàn)。對于員工的能力和安全意識要求很高，傳統(tǒng)的進(jìn)場培訓(xùn)有一定的局限性，例如：職業(yè)培訓(xùn)效果是否良好主要依賴于教師的水平，培訓(xùn)過程沒有明確統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，針對性差，沒有可重用性等?？梢妭鹘y(tǒng)的培訓(xùn)技術(shù)不但受時間、空間的限制，而且在人力、資源、經(jīng)費(fèi)、組織實施等方面都存在很大問題。尤其對于危險作業(yè)或不具備實驗條件的高級培訓(xùn)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更是難以實現(xiàn)。傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的局限性制約了人們所期望的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率，滿足不了現(xiàn)代社會的需求。
鉆井模擬器采用虛擬制造技術(shù)的概念，開發(fā)過程基于現(xiàn)代計算機(jī)控制技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并結(jié)合了鉆井工程的實際工藝，改變了原有的鉆井培訓(xùn)方法。它為用戶提供了起下鉆、鉆進(jìn)、井控和鉆井事故及復(fù)雜情況處理等作業(yè)的操作過程模擬，主要用于鉆井司鉆、鉆井技術(shù)人員的操作培訓(xùn)和安全培訓(xùn)，并為學(xué)員培訓(xùn)考核提供了教師評分系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)過程中客觀上無法解決的技術(shù)難題。作為新型的針對油田具體情況開發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)，鉆井模擬器有著積極的意義。
2．基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬培訓(xùn)
該設(shè)備是以控制為中心的VM設(shè)備，主要用于鉆井人才的培訓(xùn)。這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù) ，真實生動的模擬了鉆井工藝流程的細(xì)節(jié)。學(xué)員能夠通過對仿真鉆機(jī)設(shè)備的操作，直接觀察到鉆井平臺上的活動以及操作結(jié)果，最終達(dá)到讓培訓(xùn)人員掌握正確操作過程的效果。虛擬培訓(xùn)有以下特征：
2．1 仿真性
在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下，虛擬培訓(xùn)設(shè)施與真正的培訓(xùn)設(shè)施功能相同，操作方法也一樣，學(xué)員通過虛擬培訓(xùn)設(shè)施訓(xùn)練技能與現(xiàn)實培訓(xùn)基地里同樣方便。這是因為虛擬培訓(xùn)環(huán)境無論是現(xiàn)實的環(huán)境還是構(gòu)想的環(huán)境，都是虛擬的但又是逼真的。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使受訓(xùn)者難以分辨真假的程度。
2．2 開放性
虛擬培訓(xùn)環(huán)境可以為所有受訓(xùn)者在任何時間、地點(diǎn)提供各種培訓(xùn)的場所。實際上，虛擬培訓(xùn)環(huán)境的內(nèi)涵是廣泛的，它不同于傳統(tǒng)的培訓(xùn)基地概念，它具備可以進(jìn)行類似于傳統(tǒng)培訓(xùn)項目的環(huán)境，但更擅長的是使學(xué)員置身于培訓(xùn)項目對象中的逼真環(huán)境。凡是受訓(xùn)者可以通過有關(guān)器具操作，來學(xué)習(xí)或訓(xùn)練某種技能的虛擬環(huán)境，并都?xì)w之于虛擬培訓(xùn)環(huán)境。
2．3 超時空性
虛擬培訓(xùn)環(huán)境具有超時空的特點(diǎn)，它能夠?qū)⑦^去世界、現(xiàn)在世界、未來世界、微觀世界、宏觀世界、客觀世界、主觀世界幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨(dú)呈現(xiàn)或進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并可隨時隨地提供給學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)。
2．4 可操作性
受訓(xùn)者可通過使用專門設(shè)備，用人類的自然技能實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的物體進(jìn)行操作，就像在現(xiàn)實世界中一樣。
2．5 對應(yīng)性
學(xué)員的培訓(xùn)內(nèi)容與虛擬環(huán)境是密切對應(yīng)的。例如，學(xué)員要學(xué)習(xí)飛行器駕駛技術(shù)，那么虛擬環(huán)境就是飛行器飛行的模擬環(huán)境。對應(yīng)性將能為受訓(xùn)者設(shè)定各種復(fù)雜的情況，以提高受訓(xùn)者的應(yīng)變能力，從而使得他們在實際環(huán)境下能得心應(yīng)手的處理各種情況。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能按每個學(xué)員的基礎(chǔ)和能力，對應(yīng)性的開展個性化的教育培訓(xùn)。
3．鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計
計算機(jī)圖形學(xué)是研究現(xiàn)實場景計算機(jī)顯示的科學(xué)，也是利用計算機(jī)處理人類所能看見的圖景的手段和方法。視景仿真技術(shù)是以計算機(jī)圖形學(xué)為理論基礎(chǔ)的三維模型動態(tài)顯示技術(shù)，基本原理是：根據(jù)觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)鼍斑M(jìn)行實時計算和實現(xiàn)，并做到對三維復(fù)雜環(huán)境中物體運(yùn)動的實時交互控制，產(chǎn)生良好的動畫效果。實現(xiàn)三維模型視景的實時動態(tài)顯示，一方面要求計算機(jī)硬件有高速運(yùn)算能力和很強(qiáng)的三維圖形處理功能；另一方面還要求在算法和軟件上有所發(fā)展，以便在硬件平臺上取得更好的實時動態(tài)顯示效果。視景仿真系統(tǒng)是鉆井模擬器的重要組成部分，它提供給用戶一個三維的真實感視覺環(huán)境。
3．1 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)分析
鉆井模擬器在虛擬培訓(xùn)過程中需要模擬井場環(huán)境和操作結(jié)果，這就需要視景仿真系統(tǒng)根據(jù)鉆井模擬器司鉆控制臺的操作過程，實時模擬出井場環(huán)境的變化和司鉆、井控操作對鉆井過程的影響。在現(xiàn)實的司鉆和井控過程中，操作錯誤和地質(zhì)環(huán)境變化都是事故的誘因，在鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)中也模擬了事故發(fā)生過程和事故排除的情況。實時地顯示鉆井過程中的數(shù)據(jù)，計算參數(shù)。根據(jù)司鉆臺操作的具體行為，依照物理模型和數(shù)學(xué)模型來模擬設(shè)備運(yùn)動的過程，使得鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的三維動畫過程更貼近現(xiàn)實。
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)需要對井場設(shè)備、自然環(huán)境、井下情況進(jìn)行實時的動態(tài)模擬，使培訓(xùn)者在培訓(xùn)過程中除了學(xué)習(xí)操作知識 ，還能更有效、直觀的學(xué)習(xí)到理論知識。硬件設(shè)施和三維圖形軟件的結(jié)合實現(xiàn)了虛擬模擬系統(tǒng) ，培訓(xùn)人員能夠通過這套虛擬培訓(xùn)設(shè)備完成所有鉆井工作人員所需要的專業(yè)知識和實際操作技術(shù)。
3．2 實時場景系統(tǒng)組成
根據(jù)鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的需要，開發(fā)過程在Windows xP平臺上，建模部分使用3D MAX完成機(jī)械部件的模擬，模型的管理由3D Explorer~成，并實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換導(dǎo)出。程序?qū)δＰ偷目刂朴蒀++Builder6．0實現(xiàn)，整個開發(fā)過程基于OpenGL2．0。
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的實時場景組成包括以下幾個部分：三維圖形實體模型、鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序、GLSL編寫的渲染效果。
在整個組成部分中，最重要的是鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)控制程序，在程序中完成了以下工作：場景初始化、工藝動畫控制、與主控機(jī)通信、參數(shù)顯示、碰撞處理以及特效渲染。
場景初始化：由于鉆井工藝的復(fù)雜性和虛擬培訓(xùn)的操作性，每個作業(yè)當(dāng)前場景都有所不同。在一個新的作業(yè)開始前，圖形程序在接收到控制機(jī)發(fā)出的作業(yè)指令后初始化當(dāng)前場景，例如：鉆井平臺上各操作部件當(dāng)前的數(shù)量、狀態(tài)以及位置。
工藝動畫控制：在完成規(guī)定工藝作業(yè)的過程中，司鉆控制臺做出的每一個動作都將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給主控機(jī)，再由主控機(jī)發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)給圖形程序，圖形程序得到參數(shù)后，做出具體反映。在圖形機(jī)上體現(xiàn)出鉆臺上各種控制系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)、具體動作、視圖選擇(包括上視角、井下視角、防噴器視角、多視圖顯示等)等。
與主控機(jī)通信及參數(shù)顯示：主控機(jī)的設(shè)計主要由鉆井模擬器設(shè)計的需求決定，由于這套儀器主要用于虛擬培訓(xùn) ，教師和學(xué)生之間有教與學(xué)的關(guān)系，主控機(jī)能夠提供給教師一個教育平臺，提供作業(yè)調(diào)度、控制、評分等功能，與此同時，傳遞司鉆控制臺上發(fā)來的各項數(shù)據(jù)，并把與操作有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)給圖形機(jī)，即鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)，兩方通信，傳遞參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在屏幕上顯示操作過程中需要操作者了解的參數(shù)值。
碰撞處理：在三維圖形的運(yùn)動仿真過程中是不允許有“穿墻而過”的狀況發(fā)生的，因此要對運(yùn)動物體作碰撞檢測的處理。為了遵循模型運(yùn)動的真實感，鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)當(dāng)然也包括碰撞的檢測與處理部分。
渲染特效：實現(xiàn)對火焰 、氣泡 、液體噴涌效果的模擬，使用GLSL實現(xiàn)電影級的光照效果，可以分別模擬白天，夜晚，探照燈等光照模式，大大地提高了圖形效果和真實感。
3．3 鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)設(shè)計
一個性能優(yōu)越、功能完備的系統(tǒng)需要在設(shè)計階段就進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計規(guī)劃。這樣，在后期的開發(fā)過程中才能完成高質(zhì)量的軟件項目。鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計遵循面向?qū)ο蟮脑瓌t，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和兼容性等方面都有突出的表現(xiàn)。
3．4 系統(tǒng)特點(diǎn)及設(shè)計目標(biāo)
鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)要求有以下特點(diǎn)：
1)可以生成高質(zhì)量的圖形，實現(xiàn)實時的可控動畫。
2)圖形的生成快速穩(wěn)定，對圖形硬件要求不高。目前，系統(tǒng)配置為NVIDA6800，NVIDA6系列以上顯卡都可以實現(xiàn)高質(zhì)量的圖形動畫。
3)提供給用戶多角度、多視圖的工作窗口，方便用戶定位觀測，在操作過程中既能觀察整個場面，又能集中觀察工藝作業(yè)下重要部件的工作過程。
4)建立模型細(xì)致、真實 ，宏觀模型和微觀模型通過軟件和程序分別建模，真實感程度高。
經(jīng)過分析鉆井模擬器視景仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)后，設(shè)定該系統(tǒng)要達(dá)到以下目標(biāo) ：
可擴(kuò)展性：對于新模型、新器件、新工藝的增加，方便快捷，可以在短時間內(nèi)完成對系統(tǒng)的擴(kuò)展。
兼容性 ：系統(tǒng)可以用于Windows2000／XP平臺，兼容于各種圖形加速硬件。
敏捷性：圖形生成迅速、穩(wěn)定，一般的圖形加速硬件既可滿
足要求；系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到反應(yīng)迅速、操作靈敏的功效。
3．5 基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計
鉆井模擬器圖形系統(tǒng)的設(shè)計是基于面向?qū)ο蟮?，系統(tǒng)規(guī)模較大，設(shè)計復(fù)雜?；谠阢@井工藝中涉及到的物體較多，并且各個物體在不同的方面有不同的特性，因此在設(shè)計之前，應(yīng)確定設(shè)計類的準(zhǔn)則。對本系統(tǒng)而言 ，這里關(guān)心的是用物體如何展現(xiàn)工藝流程 ，所有類的設(shè)計應(yīng)該圍繞物體的動畫功能需要來進(jìn)行。
在鉆井各工藝流程中，大鉤、鉆桿等物體是系統(tǒng)動畫的載體，具有物體自身的方法和屬性，因此 ，可以將其封裝成類。根據(jù)圍繞物體的運(yùn)動功能來設(shè)計類的思想 ，將液壓大鉗和液壓大鉗的活塞、吊卡的主體和活頁設(shè)計成不同的類，這樣設(shè)計不僅可以使動畫更加逼真，還能提高系統(tǒng)靈活性。
