基于智能虚拟实验系统的实验教学新模式研究

沈振辉 杨拴强

（福建江夏学院，福建福州 350108）

基于智能虚拟实验系统的实验教学新模式研究

沈振辉 杨拴强

（福建江夏学院，福建福州 350108）

本文研究基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式，探讨构建智能虚拟实验系统的关键技术，提出智能虚拟机械类实验系统框架结构，在开发智能虚拟机械类实验系统的基础上验证新教学模式在提高实践教学效益和质量、提高学生实践能力和创新能力方面的可行性和有效性。

智能；虚拟；实验系统；实验教学；教学模式

1 引言

实践教学是培养学生创新意识、提高学生动手能力的重要环节，是培养高素质工程人员的重要平台，是实现高等教育培养复合型和应用型人才目标的有效途径。同时，实践教学也是高校教学过程中的薄弱环节，一直以来都是高校教学改革的重点。实验教学是实践教学的重要组成部分，其教学质量对人才培养目标的实现影响甚大。然而，大部分的实验设备费用昂贵，设备规模难以与日益增长的学生规模相匹配，导致实验教学规模难以满足高校教学发展需要。信息技术和虚拟技术的发展，为实验教学的改革提供了契机。基于信息技术和虚拟技术构建虚拟实验系统，深化了实验教学改革，提高了实践教育质量工程，成为高校教学改革的一个重要内容。

现有虚拟实验系统研究中，文献[1]介绍了牛津大学、赫尔辛基大学、卡耐基梅隆大学等大学的虚拟实验系统，论证了虚拟技术应用于实验教学的可行性和有效性。文献[2]构建的虚拟炼铁实验室被欧洲4所机构采用，且效果显著。文献[3][4]创建的虚拟工程实验室，解决了远程教育中难以开展实践教学的难题，验证了虚拟实践教学实验室的可行性和有效性。文献[5][6]建设的机械装备拆装虚拟实验系统，文献创建的基于网络的集成机械设计、机械制造、工程材料及技术测量的机械工程虚拟实验系统，文献[9]开发的集成减速器拆装实验、带传动性能实验及数控加工实验的综合虚拟实验系统，均在一定程度上提高了教学质量。虽然虚拟实验系统构建技术的研究已取得一定成效，但是目前虚拟实验系统难以充分利用已有的教学经验指导虚拟实验过程，无法最大限度地提高实验教学的质量。同时还存在人机界面不够友好，模型不够直观等不足，交互性、沉浸性较差等不足。

针对以上不足，有必要充分结合人工智能与虚拟现实技术，探讨智能虚拟实验教学机制，构建智能虚拟实验系统框架，获取、表达和处理实验教学经验知识，引导虚拟实验过程，深化实验教学改革，充分提高实验教学质量。

2 智能虚拟实验教学机制

构建智能虚拟实验系统要所需解决的关键问题是探讨智能虚拟实验系统的教学机制，研究人工智能技术与虚拟现实技术的集成机制，获取、表达和处理教师教学经验知识，解决现有虚拟实验系统难以利用已有的教学经验指导实验过程的问题；通过开发操作友好的人机界面及真实感强的实验设备模型，解决现有虚拟实验系统交互性、沉浸性较差的问题；开发教师教学经验知识库和模型库的组织、管理和维护模块，实现知识库和模型库的可选择、可调整、可扩展。

智能虚拟实验系统的教学机制如图1所示。学生通过自己的账号、密码登录智能虚拟实验系统，选择所要进行的实验项目后根据教师要求设定相关实验初始参数。进而通过互动性强的用户交互界面开始进行实验。系统根据学生选择的实验项目和设定的相关初始参数进行案例推理，在给定的相似度条件下寻找匹配系统内部存储的类似实验过程数据。若给定相似度条件下的实验过程数据存在，表明已经成功进行过相似类型的实验，则系统调用所存储的实验过程数据，并从实验过程数据中提取经验知识，对学生的实验操作过程进行指导，以便及时在学生误操作时结合实验项目所涉及的相关理论知识和经验知识给出相应的误操作提示及其产生原因，使学生能够进一步消化理论知识，掌握操作经验知识，实现学以致用的教学目标。如此反复调用相似实验过程数据引导学生操作直至实验过程结束。若在实例推理过程中，无法找到给定相似度条件下的历史实验操作过程数据，则表明不存在类似实验过程的成功实例，则在学生的每一步操作中重复根据系统存储的符号性知识进行推理判断学生的操作是否正确，若操作错误则给出错误原因和提示，并给出正确操作建议，直至实验操作过程结束。实验过程结束后，学生根据实验教学要求提交相应的实验报告后，退出系统，完成实验。

图1 智能虚拟实验教学机制

3 智能虚拟实验系统框架

构建智能虚拟实验系统，深化实验教学改革的目标是将人工智能技术与虚拟现实技术相结合，在构建智能虚拟实验系统系统框架的基础上，实现教师教学经验知识对虚拟实验过程的引导，同时建立有效获取、表达和处理教师教学经验知识的机制，开发知识库和三维模型库的组织、管理和维护模块，实现教师教学经验知识库和三维模型库的可选择、可调整、可扩展，并通过构建三维零件模型库和机器模型库，实现交互性、沉浸性良好的实验模式，达到提高实践教学效益和质量的目标。

智能虚拟实验系统是一个基于知识的实验系统。知识的获取、表达和处理需要知识库、推理机、解释机制和人机接口的支持。随着知识处理技术的日趋成熟，目前构建基于知识的系统的关键技术是知识获取、综合集成和知识库维护等方面。因此，智能虚拟实验系统应该是一个开放的系统，主要体现在以下几方面：

（1）智能虚拟实验系统应能够对实验教学的经验知识、领域知识、规范知识进行组织、管理和维护，同时实现知识的可选择、可调整、可扩展，以达到不断丰富和不断实用化。

（2）智能虚拟实验系统应能够满足外部系统的可嵌入功能，并支持外部系统的调用功能，使之能够调用外部系统的子模块，扩展系统的功能，从而达到系统可扩展的目标。

基于智能虚拟实验教学机制，围绕智能虚拟实验系统的构建目标，针对知识的获取、表达和处理机制，为实现知识的可选择、可调整、可扩展和可重用，构建智能虚拟机械类实验系统框架如图2所示。智能虚拟机械类实验系统主要包括CAD/CAE仿真、解释机制、动态数据库、推理机、知识库、知识库管理、知识获取、人机界面等模块。

图2 智能虚拟机械类实验系统框架

3.1 CAD/CAE仿真

CAD/CAE仿真模块主要实现实验环境、实验过程的可视化，以直观、交互性强的用户界面呈现实验过程，从而提高学生实验过程中的沉浸性和体验性。CAD/CAE仿真主要包括三维建模、运动仿真、结构分析等部分。三维建模和运动仿真主要由Pro/Engineer的二次开发工具箱实现，集成MFC开发环境和Pro/ Engineer实体建模环境，实现实验过程的三维仿真。结构分析主要集成ANSYS有限元分析环境，实现机械结构的静力、动力仿真。

3.2 解释机制

解释机制用于向用户解释系统的行为，包括对实验操作步骤规范性的推理过程、经验知识引导实验操作的推理过程等。

3.3 动态数据库

动态数据库用来记录实验操作过程中所需的控制信息、中间假设和中间数据。为避免数据信息膨胀，动态数据库模块还应具备及时删除历史信息的机制。

3.4 推理机

推理机模块用于有效的处理智能虚拟实验系统中的符号性知识和实例知识，根据符号性知识或实例知识推理判断学生操作步骤的规范性。同时，在学生操作步骤错误时推理得到错误原因并根据经验知识引导学生纠正操作。

3.5 知识库

知识库模块用于存储符号性知识、实例知识。由于符号性知识和实例知识在组织结构上、表达形式上各有特点，为了更加简便有效地组织、管理和维护这两种知识，将两种知识分开存储、管理和维护。

3.6 知识库管理

知识库管理主要实现知识的组织、管理和维护。知识的可选择、可调整、可扩展是壮大知识库的必要条件。同时，知识库难免出现矛盾、冗余等问题，有必要对知识库进行补充、优化和校验，以得到高质量的知识库。

3.7 知识获取

知识获取是开发智能虚拟实验系统的瓶颈问题和最大挑战。知识获取的目标是提炼相关的领域知识、经验知识、规范知识。知识获取采用人工获取的方式进行，由知识工程师通过人机界面进行。

3.8 人机界面

人机界面为学生、教师、知识工程师及外部程序与智能虚拟实验系统之间提供良好的交互界面，用于识别学生、教师、知识工程师及外部程序的命令、数据等信息，以及对智能优化设计系统的过程信息和结果信息反馈。

在智能虚拟机械类实验系统框架的基础上，可开发智能虚拟机械类实验系统，促进机械类实验教学改革，充分利用已有的教学经验指导实验过程，最大限度地提高实验教学质量。同时，解决现有实验系统存在的人机界面不够友好，模型不够直观，交互性、沉浸性较差等不足。

4 结论

4.1 研究了基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式，探讨了智能虚拟实验系统的关键构建技术，给出了智能虚拟机械类实验系统框架结构，开发了智能虚拟机械类实验系统。

4.2 智能虚拟机械类实验系统使“创新人才培养模式、加强实践教学环节研究，深化教学方法与教学手段改革，提高人才培养质量”得到了体现，解决了现有实验设备规模滞后于学生规模的问题，有效提高了实践教学效益和质量，提高了学生的实践能力和创新能力。

4.3 智能虚拟实验系统为应用型高校在课程与课堂中学生实践能力培养方式的探索提供理论和实践的借鉴，为促进教师更新教育教学理念，推动教学组织形式及方法的改革奠定基础。

[1]Dr.KamalikaBanerjee．UtilisingtheVirtualLaboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education．http://www.c-ol.org/pcf6/fp/zIN4150.doc，2012.2.15．

[2]AlexanderBabich，KonstantinosMavrommatis．Virtual Laboratory Concept for Engineering Education[C]．International Conference on Engine-ering Education and Research"Progress Through Partnership"．Ostrava，2004．

[3]He man Mann，Michal ev enko．Simulation and Virtual Lab Experi-ments across the Internet[C]．International Conference on Engineering Education．Valencia,Spain，July 21-25,2003．

[4]TanujaSheorey，VijayKumarGupta．EffectiveVirtual Laboratory Content Generation and Accessibility for Enhanced Skill Development through ICT[C]．2011 5th International Conference on Distance Learning and Education．Singapore，2011．

[5]吴纬纬，范建蓓，蔡娥等．装备认知虚拟实验系统的开发[J]．现代教育技术，2009，19(9)：117-120．

G712

A

1003-5168(2014)04-0271-02

沈振辉（1985.4—），汉族，毕业于福州大学机械制造及自动化专业，硕士研究生，助教，研究方向：CAD/CAE。