虚拟仿真实验发展及其技术应用探析

徐雪飞 赵江东 柳晨阳 王 会

(1.皖西学院 电子与信息工程学院；2.皖西学院 实验实训教学管理部，安徽 六安 237012)

0 引言

2019年10月，教育部发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》指出，2019年到2021年，完成1 500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程建设[1]。教育行业要跟上信息化快速发展，将虚拟仿真实验应用到教学中已经成为了一种趋势。实验教学中，将虚拟仿真实验与传统实验相比较，学生不必担心传统实验中具有危险性的实验以及在实验室做实验过程中仪器的损坏等，并且只要有计算机等设备，就可以随时随地实验，学生还可以自己设计实验方案，实现自己的想法，这为学生独立学习自主探究提供了平台。

1 虚拟仿真实验发展现状

1.1 国内发展现状

2017年以来教育部和各个高校非常重视虚拟仿真实验项目的建设和应用，建设投入不断扩大，国内虚拟仿真实验发展迅速，应用广泛。

2018年，南开大学文学院国家级实验教学示范中心建设完成3个具有独立著作权的虚拟仿真实验。其中的古代汉语虚拟仿真实验，可以让学生借助于虚拟仿真的实验手段，更加透彻的了解汉字的造字规则和方法，还可以借助虚拟仿真技术创造的交流需求“困境”中，思考文字是如何变成语言以及之间的形成规律。另一个中华诗教虚拟仿真实验平台，更是在这个虚拟仿真实验平台上建立了不同的虚拟学堂来帮助学生解决诗词学习过程中的难点。

2020年，东北石油大学地球科学学院开发了油气勘探地球物理测井虚拟仿真实验。由于油气生成于数百到数千万年之前，埋藏于数千米地下，成藏条件、油气勘探过程受到许多限制，具有抽象、不直观、无法直接观察和测量的特点，而油气勘探地球物理测井虚拟仿真实验有效地解决了上述问题，从而更好地培养出地质类实践人才。

2019年，江西高校虚拟仿真实验教学共享管理中心为了在新型冠状病毒疫情期间不耽搁学生们的学习，推出84门虚拟仿真实验项目，学生用移动设备在家中就可以做实验。

1.2 国外发展现状

国外关于虚拟仿真实验系统，尤其是虚拟仿真实验方面，发展较早。美国明尼苏达护理学院与企业合作，开发了一款游戏，旨在让学生体验如同现实生活中的情景，来提高学生的实践能力。美国加州大学圣迭戈分校开发了一款虚拟仿真系统，把学生测量到的约旦堡垒的数据输入到这款虚拟仿真系统中，可以建立完整的约旦堡垒仿真模型。英国开放大学2006年利用三维虚拟世界“第二人生”中进行教学，在这个虚拟世界中可以构建一个与现实课堂差不多的环境，学生可以如同在现实课堂中与老师对话、完成作业。也可以让处于异地的学生和老师在这个虚拟世界中“面对面”进行交流。

2 虚拟仿真实验技术

2.1 虚拟仿真实验关键技术

(1)人机交互技术。简单地讲就是实现用户与计算机进行交互的一门技术。用户和计算机进行交互的方式大部分是通过指令来实现的。这些指令包括命令行、图形化、语音和行为交互，是人类语言、身体动作和面部表情。人机交互技术与计算机之间的信息交互的主要特点表现在面部表情、姿势动作、声音等方面。此技术已经应用于教育行业、动画创作、游戏等领域。

(2)可视化技术。可视化(Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术[2]。可视化还可以将声音用跳动的线条表示，更容易间接观察一些平常生活中不可见的事物。可视化技术就是让人们可以直接操控这些数据转化来的图形，来达到与计算机进行通信的目的。这种技术的产生，统一了人与机器的力量，将大大的提高人类的工作效率。可视化技术让用户有了三维的、仿真的和实时交互的能力。将可视化技术应用于虚拟仿真实验教学，将促进实验教学的根本变革。

(3)遥现技术。遥现技术是虚拟现实技术的重要研究分支。其基本要点是，操作员从操作机那里接收环境信息，然后将接收到的信息实时传输到异地操作员，可以像现场操作一样远程控制受控对象。遥现技术的意义在于，可以控制操作机(机器人)去一些危险的地方(高压、高温、有毒等)工作，来提高遥控作业的能力。

2.2 虚拟仿真实验主要开发技术

2.2.1 VR技术

虚拟现实技术(VR)又称灵镜技术，是一个综合了计算机图形学、人工智能、传感器技术及高分辨显示等技术，融视觉、听觉、触觉为一体，生成三维虚拟环境的信息集成技术系统[3]。虚拟环境中的用户能体验到各种场景的转换，更能与虚拟对象发生动态交互，犹如在现实中，帮助使用者更好理解抽象的理论知识，加深对其的理解。

2.2.2 AR技术

AR技术，也就是增强现实技术。AR技术把真实世界中难以感受的物品和感官信息在计算机中模拟仿真，然后投射到现实世界。简单地讲就是在现实世界中加入虚拟物品，并能与之互动。更具体的表述是它结合了以计算机技术为核心的各种技术，将在现实世界中很难经历的实体信息，如画面、触觉等，通过仿真处理，把虚拟信息内容在现实世界中显现出来，并且在此过程中，可以通过人类的感觉来感知，从而感受现实中无法体验的感官体验。当现实世界和虚拟信息内容融合时，对学习者的体验过程更真实，学习环境的增强现实效果就越好。AR技术的一些应用：ODG是非常有名的AR智能眼镜制造商，他们开发了一种能让飞行员在充满烟雾的座舱中清晰地看到其他场景的新产品，这个新产品就是用AR技术开发的AR口罩。

2.2.3 MR技术

MR技术，又名混合现实。MR技术是一种能把现实场景和虚拟音像完美交融在一起的技术，比AR技术有更好的互动性，能让用户有更高的真实体验感。混合现实不仅让物体或环境投射在虚拟世界或现实世界中，更是让物体或环境在两者中融为一体，让用户有沉浸式体验。MR技术应用在很多领域，比如医疗方面，医生进行术前讨论以及模拟手术过程，可以使用MR技术，让医生做手术更加精确有效。还有煤矿安全领域，利用MR技术模拟矿井灾害以及煤矿安全生产培训等。

2.2.4 二维动画

二维动画指在纸张、照片等平面上制作的画面。二维动画是将制作的原动画一帧一帧的逐个输入到电脑中，最终用合成软件，例如Nuke、Fusion等，进行合成，是一门综合的艺术。最传统二维动画制作是首先运用摄影机技术进行拍摄和记录，将各色的水彩颜料画在纸片或是其他类型的片上[4]。因为二维动画手绘表现形式，让人感觉到自然、直观、亲切；二维动画在画风上有一个显著的特点就是简单质朴，给人充分展现了抽象艺术的美好，同时二维动画的艺术性会更高一些。

2.2.5 HTML5

HTML在1990年诞生，经过了HTML2.0、HTML3.2、HTML4.0、HTML4.01、XHTML1.0、HTML5这么多版本的发展，HTML已经成为了互联网的标准，并且大规模应用在web应用开发中。而最新版本HTML5已经成为了万维网中核心语言HTML的规范。现今的程序可以通过网络浏览器从计算机、手机和其他终端访问相同的程序。这使使用者可以不受位置和设备的限制以远程访问的方式，来访问储存在“云”中的内容。随着计算机技术的快速发展，可以看到HTML5将在未来快速发展。

3 结语

本文对虚拟仿真实验国内外发展现状和运用在虚拟仿真实验开发的AR技术、VR技术、MR技术、二维动画、HTML5等技术进行了梳理和阐述，让读者能更加方便地了解虚拟仿真实验的发展和开发技术应用状况，为技术开发者提供了一定的借鉴和参考。随着计算机技术的快速发展，虚拟仿真实验的开发技术也会随之发展进步，从而推动虚拟仿真实验的快速发展和应用，在提高教育质量中发挥更好的作用。