基于虛擬仿真技術在實訓教學中的研究

摘 要：虛擬仿真以其高效的實時渲染、實時修改以及眾多的第三方插件支持，能夠很大程度的提高傳統實訓教學的制作效率，減低實訓教學強度，縮短實訓制作周期，從而達到降低實訓成本的作用。在制作技術方面，使用虛擬仿真技術更能夠快速的在現實和虛擬操作之間做快速的資源轉換，進一步降低實訓周期和實訓成本。同時，在使用效果上，可以做到現實與虛擬之間的實時轉換，實訓教學中的某個情景需要與學生進行互動的時候，隨時可以進行切入。

關鍵詞：虛擬仿真；實時渲染；實時轉換；智能化；制作周期；衍生產品

虛擬仿真又稱虛擬現實技術或模擬技術，就是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術。從狹義上講，虛擬仿真是指20世紀40年代伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一類試驗研究的新技術；從廣義上來說，虛擬仿真則是在人類認識自然界客觀規律的歷程中一直被有效地使用著。由于計算機技術的發展，仿真技術逐步自成體系，成為繼數學推理、科學實驗之后人類認識自然界客觀規律的第三類基本方法，而且正在發展成為人類認識、改造和創造客觀世界的一項通用性、戰略性技術。

一、虛擬仿真介入實訓教學制作必要性

虛擬仿真技術具有以下四個基本特性：1、沉浸性；2、交互性；3、虛幻性；4、逼真性。這正是傳統實訓教學所欠缺的。

沉浸性（Immersion）：虛擬仿真系統中，使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。理想的虛擬仿真系統應該具有能夠給人所有感知信息的功能。

交互性（Interaction）：虛擬仿真系統中，不僅環境能夠作用于人，人也可以對環境進行控制，而且人是以近乎自然的行為（自身的語言、肢體的動作等）進行控制的，虛擬環境還能夠對人的操作予以實時的反應。例如，當飛行員按動導彈發射按鈕時，會看見虛擬的導彈發射出去并跟蹤虛擬的目標；當導彈碰到目標時會發生爆炸，能夠看到爆炸的碎片和火光。

虛幻性（Imagination）：即系統中的環境是虛幻的，是由人利用計算機等工具模擬出來的。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現在真實存在的環境，也可模擬出客觀世界中當前并不存在的但將來可能出現的環境，還可模擬客觀世界中并不會存在的而僅僅屬于人們幻想的環境。

逼真性（reality）：虛擬仿真系統的逼真性表現在兩個方面：一方面，虛擬環境給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺都是那么逼真，如同在真實世界一樣；另一方面，當人以自然的行為作用于虛擬環境時，環境做出的反應也符合客觀世界的有關規律。如當給虛幻物體一個作用力，該物體的運動就會符合力學定律，會沿著力的方向產生相應的加速度；當它遇到障礙物時，會被阻擋。

二、虛擬仿真介入到實訓教學中的優勢

使用虛擬仿真制作實訓教學，有著很多跟傳統實訓流程相同的步驟和方法，本文著重介紹兩者不同之處以及傳統實訓教學中可以利用虛擬仿真特性改善制作環境的方面。

1、實訓教學準備階段 – 可以更好地表達實訓教學知識點

一場實訓教學的實施，前期準備充分與否尤為重要，往往需要教師就實訓的目標、實訓的步驟、實訓知識點的設置等一系列問題進行反復的探討、商榷.首先要實訓結構完整、實訓設備完備，接著需要有詳盡的文字、階段性目標或者參數目標，傳統實訓教學在直觀性和信息傳達上有很大的局限。

2、實訓教學實施階段 – 可以節約實訓教學實施的時間成本

虛擬仿真在此階段可以利用“實時修改”和“實時渲染”所見即所得的自身優勢，介入到實訓教學實施中，“實時渲染”技術可以讓師生完整的看到實訓過程的整體結果，不用耗費大量的時間等到傳統實訓教學進行加熱、冷卻、固化等過程?！皩崟r修改”技術可以讓參與實訓的師生對自己不滿意的實訓過程進行修改，虛擬仿真開發人員只需對參數進行調節，就可以對實訓過程進行修改，并且可以實時的讓參與實訓的師生觀察到實訓效果的變化，協助參與實訓的師生對實訓細節的取舍。這其中就包括：實訓時間設置、危險實訓項目模擬、不可見實訓效果展現等方面。

3、實訓教學總結階段 – 可以多樣性的給予評價，并可隨時回放實訓過程

整個實訓過程通過虛擬仿真技術進行模擬的同時，該技術會把參與者的一舉一動進行記錄，正確的和錯誤的操作都會記錄下來。錯誤的操作，虛擬仿真技術可以標注，進行分析，并且在實訓完成后，給予參與者反饋，告知參與者錯誤在哪里，以便參與者隨時查詢，反復練習。

虛擬仿真技術可以基于時間軸技術，對整個教學過程進行回放、快進、慢動作以及多角度觀察。這是傳統實訓教學所不能比擬的。傳統實訓教學中，實訓過程的記錄是重中之重，優秀的實訓教學都是需要不斷地修改和磨合出來的，反復的進行準備、實施和調節，期間不可避免的造成創作人員精力消耗以及創意流失。虛擬仿真技術的介入可以讓實訓教師在同一流程中反復研究，針對重點難點進行教學并記錄。

三、實訓教學和虛擬仿真教學之間的互動

虛擬和現實的區別，在參與者方面來說，很大程度上就是“互動”的區別。是參與者能不能夠對其進行掌控的區別。

虛擬仿真技術現在不斷有新的技術的產生和應用，參與者的所能獲得的視覺和觸覺感受越來越趨于真實和直接。傳統的實訓教學中，多采用多媒體影片來記錄實訓過程，整個影片播放過程，學生只能夠被動的接受設置好的感官刺激外，沒有任何可以親自參與的內容，只能按照設定好的情節內容進行觀看，眾多參與實訓的師生的想法也無從施展，

虛擬仿真的介入，可以讓學生從被動的接受者變成主動地參與，假設有一個情景，一段化學實訓教學，傳統教學方式，整個化學實驗過程不能夠被打斷，學生只能線性的觀察整個實訓過程。而在虛擬仿真教學中，學生可以隨時介入到實驗過程中，比如，在化學反應的某個節點，學生再加入新的化學物質或者調整某種化學原料的參數、含量，這在傳統教學中可能存在危險，但是在虛擬仿真技術面前，這一切都不能成為問題。

虛擬仿真在實訓教學制作過程中的應用可以在實訓初期創意，實訓實施過程以及后期評價反饋過程中，提供更高效的制作工具，節省出大量的時間來進行實訓教學細節和其他相關部分工作；有效地打通虛擬和現實之間進行轉換的壁壘；提供更有趣的實訓教學體驗。虛擬仿真的介入將很大程度的推進實訓教學的發展進程。

作者簡介

李強，講師，就職于河北軟件職業技術學院。

（作者單位：河北軟件職業技術學院）