虛擬仿真計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告

虛擬仿真計(jì)算機(jī)

實(shí)訓(xùn)室項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告一、 虛擬仿真系統(tǒng)的定義虛擬現(xiàn)實(shí)(VR-virtualreality),也稱虛擬實(shí)境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維虛擬世界，并通過(guò)顯示器(HMD)、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供用戶一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。VR技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、視覺(jué)生理學(xué)、視覺(jué)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(cè)量技術(shù)、軟件工程、語(yǔ)音識(shí)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(shí)時(shí)交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。二、 虛擬仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)，使人們能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。虛擬仿真應(yīng)提供復(fù)雜場(chǎng)景圖形、聲音、交互操作、干涉檢查等多方面的支持，從而可以簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，提供應(yīng)用系統(tǒng)的功能和性能。虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過(guò)使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。三、 虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用自從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生以來(lái)，它已經(jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、教育教學(xué)、軍事模擬、先進(jìn)制造、城市規(guī)劃/地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)生物等領(lǐng)域中顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)效益，與網(wǎng)絡(luò)、多媒體并稱為21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的三大技術(shù)。四、 計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室方案背景虛擬仿真教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是從理論走向?qū)嵺`的一種卓有成效的教育模式，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是國(guó)家實(shí)施“素質(zhì)教育”和中職教育“質(zhì)量工程”、全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》提出關(guān)于“加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源體系建設(shè)，引進(jìn)國(guó)際優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程。建立虛擬仿真模擬室”的要求。教育部“質(zhì)量工程”中迫切需要解決規(guī)模與質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)資源不均衡等問(wèn)題。“十一五”期間，是我國(guó)高等教育鞏固成果、深化改革、提高質(zhì)量、持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。人才培養(yǎng)必須堅(jiān)持以強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)為著力點(diǎn)，必須堅(jiān)持以信息技術(shù)的應(yīng)用作為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，推進(jìn)教學(xué)方法的改革，重點(diǎn)突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生與社會(huì)接軌和適應(yīng)能力。虛擬實(shí)驗(yàn)是以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托而建立的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種全新的教學(xué)模式。虛擬實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者以交互的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最大限度地模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，并提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作方法相類(lèi)似的實(shí)踐體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)依托日益普及的微機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為信息時(shí)代的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種全新的教學(xué)模式，既能再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，又能克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，可以有效地解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，達(dá)到優(yōu)化教育資源、有效提高教學(xué)質(zhì)量的目的。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題。將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入現(xiàn)有教學(xué)體系，能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，提高學(xué)生素質(zhì)。既解決了學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際問(wèn)題，又順應(yīng)國(guó)家嚴(yán)抓教學(xué)質(zhì)量、注重創(chuàng)新人才培養(yǎng)的精神，開(kāi)辦交互式的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室將成為我校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的亮點(diǎn)。網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件，是面向教學(xué)的仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室。它由課程實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真系統(tǒng)采用多媒體技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)用結(jié)合，實(shí)驗(yàn)的安排更加靈活方便且不受時(shí)間空間限制。只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)可減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)強(qiáng)度，緩解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合。五、方案概述本項(xiàng)目以《2020年中國(guó)教育發(fā)展綱要》和《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要》為指導(dǎo)，以構(gòu)建現(xiàn)代教育創(chuàng)新體系、培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為牽引，融合現(xiàn)代教育理念，通過(guò)基于虛擬實(shí)驗(yàn)室，設(shè)備結(jié)構(gòu)、仿真軟件、智能評(píng)分軟件、利用正版三維引擎，軟件采取 B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)，集成三維虛擬展示平臺(tái)，對(duì)三維虛擬展示平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用webservice技術(shù)，SQLServer作為基本數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)發(fā)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)三維虛擬行走，三維設(shè)備拆解、組裝、使用，帶有考核、評(píng)分軟件的專(zhuān)業(yè)資源庫(kù)。效果逼真，接近實(shí)物，動(dòng)作連貫，有見(jiàn)圖如見(jiàn)物的感覺(jué)；可做到全方位全角度視角觀察看與操作，推拉遠(yuǎn)近景直觀預(yù)覽，隨著工作的推進(jìn)，允許資源庫(kù)內(nèi)容及功能做適當(dāng)調(diào)整。六、方案研究?jī)?nèi)容和實(shí)施方案可以讓計(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)教師完成模擬教學(xué)，影視后期、辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)三個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的全面展示，讓學(xué)生身臨其境，主體結(jié)構(gòu)可從顏色、架構(gòu)來(lái)進(jìn)行360度的展示，各功能區(qū)域可以采用圖片、視頻、PPT、課件問(wèn)答圖庫(kù)形式進(jìn)行教學(xué)和互動(dòng)，聽(tīng)覺(jué)上可采用背景音樂(lè)、文字注音講解、聲音特效等形式，本系統(tǒng)可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和單機(jī)環(huán)境下進(jìn)行操作。(一)實(shí)現(xiàn)方法虛擬現(xiàn)實(shí)與主流平臺(tái)結(jié)合，學(xué)生按學(xué)號(hào)登陸，按班級(jí)管理。以學(xué)生自主仿真模擬完成單個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)操作全過(guò)程、以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立掌握實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程、培養(yǎng)操作技能為目的。打造學(xué)、訓(xùn)、考，三位一體的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。其平臺(tái)主體完全基于企業(yè)真實(shí)環(huán)境，用最先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，重新創(chuàng)造虛擬的三位空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以虛擬手段重新構(gòu)建所有相關(guān)設(shè)備，以達(dá)到身臨其境的效果。并且可以分析講解設(shè)備各個(gè)部件的名稱及結(jié)構(gòu)。通過(guò)真實(shí)的企業(yè)設(shè)備的使用案例，以虛擬角色演示操作，學(xué)習(xí)現(xiàn)實(shí)工作中所遇到的真實(shí)情況。了解工作流程，提高解決問(wèn)題能力，訓(xùn)練業(yè)務(wù)技巧。從中學(xué)習(xí)、訓(xùn)練與考核學(xué)生的綜合能力，具有智能評(píng)分功能。虛擬設(shè)備維修提供必要的交互控制手段，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者實(shí)時(shí)交互地參與虛擬維修訓(xùn)練。整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程通過(guò)人機(jī)交互控制一系列操作動(dòng)作來(lái)完成。而穿越控制則是保證虛擬環(huán)境的真實(shí)感和用戶的沉浸感。知識(shí)庫(kù)為受訓(xùn)者提供全方位的知識(shí)支持。這些數(shù)據(jù)不是簡(jiǎn)單地羅列，而是通過(guò)一定的關(guān)聯(lián)形成有機(jī)整體。設(shè)備理論知識(shí)涵蓋了設(shè)備功能特征的各種參數(shù)，層次關(guān)系、裝配關(guān)系，及設(shè)備功能原理、故障機(jī)理。軟件自帶實(shí)訓(xùn)操作考核模式，使用者通過(guò)輸入學(xué)號(hào)、密碼登錄考核模式。成功進(jìn)入考核模式后可對(duì)設(shè)備拆解、設(shè)備維修的理論與實(shí)際操作進(jìn)行考核，并將考核的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。在“仿真實(shí)訓(xùn)軟件”中軟件自帶統(tǒng)計(jì)實(shí)訓(xùn)結(jié)構(gòu)功能，將用戶每次實(shí)訓(xùn)的結(jié)果進(jìn)行整理，并根據(jù)客戶的需求給予范圍內(nèi)的評(píng)估。本功能具有強(qiáng)大的查詢功能，并可以將查詢結(jié)果導(dǎo)成Excel表格形式，也可以進(jìn)行打印?！皩?shí)訓(xùn)結(jié)果評(píng)估”功能具有一定的權(quán)限管理，學(xué)生訪問(wèn)只允許查看自己的實(shí)訓(xùn)結(jié)果成績(jī)；班主任及任何教師訪問(wèn)只允許查看本班所用學(xué)生的實(shí)訓(xùn)結(jié)果成績(jī)；教務(wù)處及以上領(lǐng)導(dǎo)可以查看全校所用學(xué)生的實(shí)訓(xùn)結(jié)果成績(jī)。（二）成果形式：該項(xiàng)目軟件和硬件采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，按照要求用戶通過(guò)虛擬仿真管理系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)登錄，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，搭建數(shù)字化模擬培訓(xùn)系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)用戶分為教師、學(xué)生和系統(tǒng)管理人員三種角色，不同角色擁有不同權(quán)限。教師：教學(xué)展示、信息更新、課件講解學(xué)生：必做展示、互動(dòng)結(jié)果和互動(dòng)數(shù)據(jù)等管理員：實(shí)驗(yàn)課程管理、用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)管理。七、本方案優(yōu)勢(shì)采用B/S架構(gòu)，開(kāi)放式管理，學(xué)生操作條件只需一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦；提供一整套完善的虛擬實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，可以和其他教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)無(wú)縫集成；采用多媒體技術(shù)手段，提供了豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，方便學(xué)生學(xué)習(xí)；針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的難點(diǎn)重點(diǎn)提供智能指導(dǎo)，為學(xué)生提供一對(duì)一的實(shí)時(shí)指導(dǎo)；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)把實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)目標(biāo)落實(shí)到課程，從課程落實(shí)到每個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，并精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；將知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng)有機(jī)融合，形成完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；虛擬儀器能夠呈現(xiàn)真實(shí)設(shè)備無(wú)法體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；界面友好直觀、所有的仿真器材操作貼近實(shí)際，真實(shí)感強(qiáng)；可擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)教學(xué)需要靈活添加實(shí)驗(yàn)器材及典型實(shí)驗(yàn)，提供個(gè)性化定制服務(wù)；虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相比，主要有如下優(yōu)點(diǎn)