基于虚拟仿真技术搭建大型设备辅助教学与远程共享系统

2021-02-11高学平刘璐李淑颖

科技创新导报 2021年24期

高学平刘璐李淑颖

摘要：本文基于计算机仿真技术，开发大型设备辅助教学与远程共享系统。仿辅助教学系统能直观地演示大型设备内部结构、工作原理、样品制备、设备操作、上岗考核等整个辅助教学平台等教学与培训项目;能较好地解决大型精密仪器稀少和学生与社会大量需求之间的矛盾问题，提高大型设备的受益面和利用率。远程共享系统能够拉近时空距离，实现异地可视化交流，提高大型设备平台服务社会的能力。

关键词：虚拟仿真大型设备辅助教学远程共享

中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：

Platform Construction of Large Equipment Auxiliary Teaching and Remote Sharing System

Based on the Virtual Simulation Technology

GAO Xueping1 LIU Lu2* LI Shuying2

（1. School of Materials Science and Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China;

2. School of Mechanical Engineering， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China）

Abstract： Based on computer simulation technology， this paper develops a large equipment auxiliaryteaching and remote sharing system. The simulated auxiliary teaching system can intuitively demonstrate the internal structure， working principle， sample preparation， equipment operation， post assessment and other teaching and training projects of the whole auxiliary teaching platform; It can better solve the contradiction between the scarcity of large precision instruments and the large demand of students and society， and improve the benefit surface and utilization rate of large equipment.The remote sharing system can shorten the space and time distance， realize the remote visual communication， and improve the ability of the large equipment platform to serve the society.

Key Words： Virtual simulation; Large-scaleequipment; Auxiliary teaching; Remote sharing

大型儀器设备平台是高校“双一流”建设的重要支撑与保障，是一流学科建设与发展的物质基础，是学校培养创新型、复合型人才和开展高水平科研工作的关键条件[1，2]。为了配合我国世界一流高校的建设，国家和高校投入了高额经费，购置了大量的先进分析测试设备，建设了一定数量的高水平测试平台，这极大地改善和提高了高校的办学条件、科研实力，推进了科研水平的提升。

1国内大型设备平台建设与运行

1.1大型设备平台建设与运行中存在的问题

大型设备平台在持续的建设与运行中，逐渐产生投入、产出、设备利用率、社会服务等方面的问题。

1.1.1大型设备的利用率不高，但存在用户机时紧张的问题

国家和高校将主要精力放在了大型设备的论证与购置上，在人力方面的重视程度不够，这种情况下产生了大型设备的利用率不高，而存在用户机时紧张的问题矛盾现象。

1.1.2短时间内难以培养大量合格的上岗学生

为了改变大型设备的利用率不高，用户机时紧张的问题，同时培养研究生的动手能力，可以大面积培训研究生，使研究生具备独立操作大型设备与测试分析的能力，24h运转大型设备，由此解决用户机时紧张与设备利用率不高的矛盾。但此又产生一个新的问题：传统的教学与培训系统难以满足当前的要求。电子显微镜类的大型设备都属于精密仪器，结构与原理复杂，操作精度较高，没有大量的机时进行实际操作练习，短时间内难以培养合格的上岗学生，这是目前困扰大型设备平台的一个问题[3，4]。

1.1.3大型设备的远程开放共享，服务社会不到位

大型仪器设备平台，不仅服务于本校科研，还肩负着服务社会的责任。异地距离造成时空间隔，信息不易传达，共享成本高，是导致大型仪器设备难以远程共享的一大原因。

1.2信息技术与虚拟仿真技术的发展与应用情况

计算机信息技术与虚拟仿真技术的发展，为教育教学的创新发展提供了一个全新的模式，也使基于网络的虚拟实验教学和远程教育得以实现[5-8]。虚拟仿真实验教学是国家深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，国家层面要求推广建设优质虚拟仿真教学资源。

目前，正处在各高校大型设备虚拟仿真平台建设的热点时期，各高校纷纷建立各种教学与培训[9]。北京欧倍尔公司以清华大学部分平台设备为实验基础数据，针对学生学习、考核，以及专业分析人员的操作培训，开发了一系列大型分析仪器3D虚拟仿真课件。通过搭建三维虚拟仿真实验室，建立一个逼真的3D环境，使实验者产生身临其境的感觉。中国科学技术大学化学虚拟仿真实验教学中心的大型仪器仿真系统、贵州大学化学化工虚拟仿真实验教学中心大型仪器设备虚拟仿真教学实验部等均正在建设中[10-11]。

总体而言，国内虚拟仿真技术在大型设备培训教学方面应用的课件资料极少，更缺乏系统性虚拟仿真教学材料。已有部分高校与科技公司开展了某些型号大型设备虚拟仿真实验室构建工作，但是侧重点和目标客户群不尽相同，应用面较窄，数据库不完善，针对性不强，不能满足高校大型平台不同厂家、不同型号大型分析仪器设备的虚拟教学与培训工作[12-13]。

1.3 学校大型设备平台建设与运行的现状

山东大学在建设双一流大学的过程中投入大量的建设经费，构建了多个校级公共技术平台，如图1所示。山东大学依托学院，构建学科群性质的差异化大型设备共享平台，充分体现设备的通用性、专用性，采取统管共享和专管共享的模式，實现统分结合、分类管理，良好的建设思路和完善的管理体制，进一步发挥出平台设备的功能，为培养创新人才和开展高水平科学研究工作提供有力的支撑和保障[14，15]。

目前，学校已经着手解决平台运行中存在的机时与设备利用率的矛盾问题;山东大学正在积极推进一校三地虚拟实验资源的开放共享建设，支持建设校级虚拟仿真实验教学共享平台，鼓励与提倡开展虚拟实验资源建设，拓展实验内容的深度和广度，延伸实验教学时空效果，学校层面要求实施建设线上、线下相结合的实验教学新模式，不断提高学生的实践能力和创新精神。

为了解决目前大型设备平台存在的问题和当前形势要求，本文基于虚拟仿真技术构建大型设备仿真系统和远程共享系统，力争实现大型设备“人人皆学、处处能学、时时可学”，提高设备利用率和大型平台服务社会的能力。

2 基于虚拟仿真技术的大型设备辅助教学培训及远程共享系统的总体设计

针对以上大型仪器开放共享的问题，本文开发大型设备技能培训虚拟仿真平台，通过仿真系统，直观地显示大型设备内部电子光学系统的结构、工作原理与运行机制，内部电子束的运动形式、设备真空工作原理、样品制备、设备操作等教学与培训项目。虚拟仿真系统提供的图像，动画和视频能够形象、生动直观地展现精密设备的各系统，可以让学生透彻、感性地掌握设备的原理、结构及实验流程;同时构建的大型仪器设备操作的虚拟仿真系统，可让学生迅速掌握操作要领，再利用少量实验机时，就能培养出合格的上岗者，这对于解决用户机时紧张与设备利用率不高的矛盾问题，具有重要的意义;基于虚拟仿真技术开发一套大型仪器设备操作的系统，构建可以做到“人人可学、处处可学、时时可学”，具有三维立体的、网络化的大型仪器虚拟实验室，开展虚拟结合实验教学工作，对于提高学生的实践动手能力、提高大型设备利用率，具有极大的实际应用价值。

大型仪器设备平台，不仅服务于本校科研，还肩负着服务社会的责任。异地距离造成时空间隔，这是造成大型仪器设备难以远程共享的一大原因。本文构建人机远程交互系统，实现异地可视化交流样品处理技术与方法、测试具体要求与实现等，避免人员往返等成本问题，只需花费少许样品邮寄费，这是高校仪器设备资源社会化服务的一种创新模式。

2.1以电镜类设备为例的虚拟仿真系统建设内容

扫描电镜、透射电镜等大型仪器设备已经广泛地应用到化学、生物、医学、材料等各个研究领域，尤其在微观材料领域的研究工作中，更是不可或缺的工具[16-18]。本文以扫描电镜为例，构建了扫描电镜类设备结构、工作原理、上机操作等教学与培训虚拟仿真系统，并实现网络化，实现部分大型设备24h开放。大幅提高设备利用率;整合现有资源，构建了大型设备远程交互系统，提高高校仪器设备资源社会化服务范围与水平，使大型设备平台服务山东、服务社会，建立更多的校企合作项目。具体建设内容如图2所示。

2.2需要解决的关键技术问题

第一，虚拟仿真内容脚本的撰写。脚本编制是虚拟实验开展的关键，不只是设备原理、操作仪器，要充分考虑使用者的交互作用、案例学习，使得步骤之间的联系更加紧密，同时将设备理论知识、设备操作、安全注意事项、案例应用、数据分析等具体内容通过丰富的递进方式进行展现。

第二，虚拟仿真平台技术的实现，关键技术要求：虚拟实验室主场景要有实时动态渲染效果，满足多角度对设备的观察与了解;虚拟平台具有二次扩展能力，满足不同试验项目的定制化要求与实验内容更新需求;开发多人操作与协同模块技术，实现多人操作训练与同步管理。

第三，虚拟仿真辅助教学系统与实践实验结合，探索线上线下相结合的新型实验教学模式，通过系列教学培训，最终解决大型仪器设备稀少、实践机时少的问题。

3大型设备虚拟仿真系统搭建实施方案

3.1大型设备虚拟仿真系统实施方案

大型设备虚拟仿真系统实施具体方案如图3所示。通过仿真素材编写、主场景的确立与建模、仿真项目设计、平台数据整合4个步骤过程，主体构建理论学习、操作训练、上岗考核3个模块，案例学习与数据处理作为选学内容。通过将网络可视化软件、视频与语言交流的硬件的配合，实现大型设备远程交互系统。

在充满足图像实时渲染画面质量的要求基础上，进行虚拟仿真主场景的建立，如图4所示。在场景数据承载方面，制定三维场景建模规范流程，以主场景来控制单体模型数据，结合场景动态加载技术，实现多场景数据的流畅显示与转化。采用VRPlatform搭建虚拟现实平台，开放项目所需的二次开发接口，在易用性、交互性、稳定性方面均可达到一般要求。采用多人协同开发端模块开发实现多人同步训练功能。

以模拟实体演示和流程描述为主建立基体结构、工作原理以及操作流程3个项目的教学内容。上岗考核模块中，以2～3个实验案例为主题进行大型仪器操作虚拟仿真，根据实验步骤进行仿真脚本的编制，增加操作的真实性和实用性。建立数据处理中心，对每位参与学习者的考核操作单元步骤进行记录并与标准进行对比，最终作出评判。

3.2系统运行效果

大型设备技能培训辅助教学系统的虚拟仿真平台，如图5所示。在没有接触仪器设备的情况下，人员通过虚拟仿真系统模拟动手操作过程，更直观地了解设备的结构组成、工作原理，为了更好地实践操作打好基础。该系统在本科生、研究生和部分社会人员中开展试用，能较好地解决大型机密仪器稀少和学生与社会大量需求之间的矛盾。在实验教学中，通过线上线下的结合，解决大型设备贵重、稀少的问题，满足了从本科到博士的实验教学和科研工作;在人才培养方面，虚拟仿真平台可培训大量学生，提高学生的分析测试能力，并为测试行业培养高精尖测试人才，每年培训合格上岗人员50～100人;设备实现24h运行，能有效提高大型设备使用机时;远程共享系统，拉近了企业与高校平台的距离，增强了大型平台服务于社会的能力与机会。

4结语

大型设备辅助教学培训虚拟仿真平台系统性地构建扫描电镜的内部结构、工作原理、样品制备、实际操作培训、上岗考核等整个生态过程。该系统能较好地解决大型机密仪器稀少和学生与社会大量需求之间的矛盾问题，提高大型设备的受益面和利用率;为实验教学、技能培训提供了一种全新的途径;远程共享系统在开放共享、服务社会中能够发挥重要作用。

参考文献

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