虚拟现实技术应用于控制教学范文

近年来，随着招生规模的扩大和就业形势吃紧，社会对学生的素质要求越来越高，特别是随着新知识、新技术不断引入材料成型专业的教学中，对材料成型专业的技术人员的素质提出了更高的要求。在新的教学规模、技术背景、质量工程和就业形势下，找出一条适应材料成型专业实验教学改革发展的新路，进一步提升材料成型专业的教学水平和教学质量，提高学生专业素质是材料成型专业的当务之急［1］。

1建立规整的实践教学体系

天津理工大学材料成型专业的培养目标是以金属材料、复合材料和高分子材料成型专业技术为重点，以材料成型专业工艺及材料成型专业模具的设计制造为主要方向。要求学生经过四年的专业学习，掌握材料加工成型理论、材料成型专业计算机模拟技术、材料成型专业过程中控制和检测技术以及成型模具的开发技术。实验教学不仅能够提高学生理论联系实际能力和动手能力，更重要的是提高学生利用所学的专业知识分析问题和解决问题的综合能力、培养学生创新意识的重要环节。为了保证专业基础课、专业限选课所设置的实验课能按教学大纲的要求开出并落实，材料成型专业应该建立有相关功能的专业实验室，“材料性能测试实验室”、“材料成型工艺与设备实验室”、“模具设计与制造综合实验室”和“材料成型计算机模拟实验室”。具体任务分别是:“材料性能测试实验室”主要使学生在材料科学、材料工艺、材料性能等基础课学习阶段，完成材料基础力学性能测试和分析，包括拉伸、压缩、冲击、磨损、杯突等等;“材料成型工艺与设备实验室”主要使学生在材料成型专业工艺、成型设备与控制、材料成型专业过程与原理等专业课学习阶段，完成不同材料成型专业所涉及的设备参观演示和成型过程实践操作;包括“模具设计与制造综合实验室”主要使学生在材料成型专业与模具设计、模具CAD/CAM、模具制造等专业课学习阶段，完成不同材料成型专业所涉及的模具认识，包括拆装、测绘、模拟、比较等;“材料成型计算机模拟实验室”主要使学生在材料成型专业计算机模拟技术、测试技术、控制技术、ANSYS有限元分析等专业课学习阶段，完成不同材料成型专业所涉及的工程模拟分析。

2在实践教学环节开展虚拟制造实验

基于上述认识，材料成型专业的实验教学的改革不是坐等之事。使用复杂、价格昂贵材料成型专业设备只有少数学校有条件为学生提供演示机会，而在虚拟实验中则可以轻而易举地实现。实践证明［2－4］，虚拟实验技术已经在很多学科的教学实践中得到应用，所以，虚拟实验技术可以作为材料成型专业实验教学改革的方向。

2．1虚拟实验的基本概念和特点

虚拟实验技术是基于原型专业知识体系，采用虚拟现实技术(Virtua1Reality，VR)在计算机系统实现虚拟实验环境。实验者通过计算机界面进行操作控制，可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目［5］，从而体验实践过程。低端的虚拟实验主要实现树状知识的结构，高层则可实现浸入式交互作用，或者实现虚拟制造。与传统实验相比虚拟实验具有以下显著特点:

(1)先进性:实验教学是帮助学生验证专业理

论的正确性和探索未知领域的活动。如果实验设备落后，反映到材料成型专业的实验教学上，就是很难使学生在实验教学环节得到应有的收获。这就要求必须向学生提供基础的、流行的、先进的实验设备。而虚拟实验充分利用先进的计算机技术来实现、提升和完善材料成型专业所需实验设备的功能，具备精确性和科学性的同时，还有可操作性。

(2)开放性:通过虚拟实验系统，学生可以自行建造材料成型专业所需的实验设备和实验环境，可实现传统实验无法达到的功能。虚拟实验采用软硬件结合的方法，学生根据实验目的选择复杂系统的材料成型专业设备，按照需要配置功能，从根本上克服在材料、设备、数量上的限制，学生可以在虚拟实验室根据内容进行验证、设计、综合、创新等多种类型的实验。

(3)实用性:由于虚拟实验系统所建立的模型具有科学性和准确性，好的虚拟实验系统的模拟结果和工程实际应该是一致的。在这样的虚拟现实环境中，学生可以进行各种材料成型专业过程的工艺设计、过程监测、质量评价和结果分析等。

(4)成本低:由于在虚拟实验室里“仪器设备”由软件“随意”实现，所以可在一定程度上解决了因设备缺乏、经费短缺、维护不当等诸多因素对实验的制约。

2．2材料成型专业虚拟实验建设思路

目前，虚拟实验技术的种类也很多［5－8］，天津理工大学材料成型专业的虚拟实验开发工作包括两部分:构建多媒体虚拟实验室平台和相关课程课件开发。使用Authware软件构建多媒体虚拟实验室网络拓扑示意图如图1所示，由于Authware具有容易使用，不用写程序，编辑环境强，管理机制高效等优点，为非计算机专业的教师使用提供了方便;再搭配由3DMax、Photoshop、Flash等制作动画的软件制作的多媒体课件，将会使制作出来的作品达到非常好的效果。在Authware软件构建的多媒体虚拟实验平台上运行的、由3DMax、Photoshop、Flash开发的课件包括以下两种:

(1)基于静态演示的虚拟实验

基于静态图像的虚拟实验是将多个不同距离和不同方位的静态图像按照相互关系有机地连接起来，形成空间的整体。观察时可以任意转动或改变视点，可以根据真实物体影像采用计算机生成图像的方式来建立三维模型，具体实例见图2。静态图像对图像的分辨率、质量、复杂度、真实性的要求都不是很高，不需要特殊的专用设备，在微机上通过相应的“按钮”即可体验实验对象，操纵虚拟的物体。材料成型专业认知虚拟实验内容见表1。

(2)基于动态交互的虚拟实验

基于动态交互的虚拟实验是一种真实和虚拟结合的模式，通过虚拟实验平台提供操作、控制、分析、观察和实验设置和实验选择的虚拟环境，并对真实的实验环境实施控制，具体实例见图3。材料成型专业的可用于动态交互虚拟实验内容见表2。

3虚拟实验在实验教学中的重要意义

虚拟实验技术的应用，首先要求教师要“改变”实验教学观念，实验教师由演示者向指导者、创新者转换。要求教师善于运用实验教学策略，鼓励学生将自主设计、自主探索和实验探究相结合。学生只有把握先进的学习技能，见多识广，才能更好地培养自己的实际综合素质［5－9］。

3．1实验教学经费的节约

利用虚拟实验教学系统，可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足，丰富实验资源。例如:虚拟的热处理实验，可以避免大量的能源消耗和实验操作所带来的危险;虚拟的钢板轧制工艺实验，可免除学员操作失误而造成的材料浪费。虚拟实验环境可以获得和真实实验一样的感受，丰富了学生感性认识，加深对教学内容的理解。

3．2实验教学手段多样化

教师利用虚拟实验，实现灵活机动的教学。通过虚拟实验教学，学生可以灵活控制学习时间，不受实验室开放的影响，不受书本的约束，自主地选择自己所需的实验内容。同时，实验考核也可多样化。利用虚拟实验系统，将实验设备、教学内容(包括理论教学)、教师辅导和学习者的思索、实验操作等融为一体，克服了实验教学长期受到课堂限制的因素。教师可以组织各种实时或非实时的分布式教学，回答学生问题。学生可通过自行完成各项实验内容，提交实验报告。

3．3实验内容与技术发展同步化

传统实验教学多为验证性实验，总是滞后于学科发展。虚拟实验技术的发展，给实验教学改革注入了新的活力。不但可以营造一个与技术发展同步的实验环境，还可以具有适当的超前性。在材料成型虚拟实验，过程中，可以突破物理上时间和空间的限制。以前因时空限制而无法实现的实验项目，现在可以通过虚拟技术进行模拟实验［10］。

3．4虚拟实验利于学生的兴趣和能力培养

在传统的模具实验中，由于受到设备缺乏，或数量、精度等等条件限制，在实验过程中总有一些学生不主动，或袖手旁观，或不屑一顾。由于虚拟实验利用多媒体技术来模拟真实实验过程［10］，使得整个实验过程具有游戏的特征，可以激发学生浓厚的学习兴趣。其次，在虚拟实验中，整个实验过程必须个人独立完成，学生可以很方便地通过改变实验参数分析不同的实验结果。有兴趣的学生还可以再做或多做，充分调动每个学生的学习兴趣。这有利于培养学生的科学意识和创新精神。

3．5从宏观模拟向微观模拟转化

随着专业学习的深入，以及对新材料、新工艺、新产品、高精度、低成本的现代制造模式的深入了解，可以把虚拟实验技术的学习上升为虚拟制造技术学习。例如，金属成型过程中，通过掌握材料成型机理、过程变化，在计算机上实现材料成型过程参数控制，实现最优设计与制造［11］，也就是说通过计算机模拟，一方面要研究和建立微观组织优化设计的考虑晶粒尺寸大小及分布，再结晶晶粒尺寸、再结晶程度等因素的目标函数，另一方面要研究和优化影响终锻件力学组织性能的状态变量和过程变量。适用的优化准则对材料最终的力学性能和微观组织性能具有重要的影响，通过优化坯料形状或预成形模具形状、模具速度使最终锻件具有良好的尺寸精度、少无飞边和所期望的微观组织。

4材料成型专业开展虚拟实验存在的问题

虚拟实验作为一门应用技术，虽然已经出现多年，但对天津理工大学材料成型专业而言，还是一个新生事物，在专业教学中开展虚拟实验还存在以下几方面的问题:

(1)虚拟实验技术是一个新生事物，引入教学过程，还没有引起各方面的足够重视。

(2)虚拟实验技术在材料成型专业的应用还很少见报道，所以还缺乏现成的虚拟实验教学软件，建立材料成型专业虚拟实验数据库的任务很重。

(3)在教学过程中还缺少创新思维，虚拟实验教学效果还有争议。

5结束语

虚拟实验在高等教育中有非常重要的作用，天津理工大学材料成型专业开展虚拟实验，不是摒弃传统实验教学，而是在传统实验教学和理论教学的基础上丰富教学形式。虚拟实验是一个人人参与实际的过程，是调动学生学习主观能动性的过程。在教学过程中“虚拟就是模拟”，其效能是有限度的，虚拟实验也不能代替对传统的真实仪器设备操作。结合理论教学，通过虚拟实验，建立参观基地，使我们的教学更生动、更有效果。在计算机信息技术高速发展的今天，只要领导重视，教师努力，实现计算机技术在材料科学与工程中新的应用是非常有意义的和可行的。