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關(guān)鍵詞：虛擬仿真；Matlab；電力電子技術(shù)；實驗實訓(xùn)

中圖分類號：G642.0文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1674-9324（2016）02-0134-02

作者簡介：王波（1982-），男，浙江義烏人，博士研究生，副教授，研究方向：電工、電子和自動化

一、引言

電力電子技術(shù)是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新興學(xué)科，且廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、IT、通信、國防以及民用電器、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。

二、電力電子技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前高職院校基本都采取理論教學(xué)加實踐操作的模式進行電力電子技術(shù)課程的教學(xué)。首先，講解電力電子器件的工作原理、特性以及使用方法；然后對各種變流電路（包括整流、逆變、斬波和交流變換等）的電路構(gòu)成、工作原理和波形等進行分析；最后在實驗實訓(xùn)臺上進行實操、搭建電路、觀察波形等進行驗證。電力電子技術(shù)課程本身屬于電類各專業(yè)課程中較難的課程之一，教學(xué)對象又為高職學(xué)生，他們理論基礎(chǔ)差，計算能力弱，因此教學(xué)重心一定偏向?qū)嵅佟Ｈ缓螅趯﹄娏﹄娮与娐愤M行實驗實訓(xùn)分析的過程中，由于電力電子器件具有非線性等特點以及電力電子電路的復(fù)雜性，造成實驗實訓(xùn)結(jié)果不明顯，單從示波器顯示波形不能很好地檢測電路的正確性。而且電力電子技術(shù)的實驗實訓(xùn)都涉及到220V或者380V的高電壓，具有一定的危險性。往往造成學(xué)生實驗實訓(xùn)項目做得迷迷糊糊，不知道結(jié)果是否正確，即使知道錯誤了也很難進行排故，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣減低，形成惡性循環(huán)。

三、虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是近年來隨著計算機技術(shù)迅猛發(fā)展而逐步形成的一類實驗研究的新技術(shù)，它在各類專業(yè)各種類型的課程當(dāng)中被廣泛應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點主要有：（1）實驗硬件門檻低，基本不需要專業(yè)的實驗設(shè)備，只需要普通計算機即可；（2）實驗過程安全可靠，不涉及高電壓、高電流；（3）實驗過程迅速、結(jié)果清晰明顯，能快速地在計算機屏幕上顯示所需要的所有結(jié)果，一目了然；（4）糾錯排故簡單，基本的仿真實驗修改只需要在仿真環(huán)境下進行器件或者連接的修改。鑒于以上優(yōu)點，虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課程實驗當(dāng)中進行應(yīng)用十分合適，并能有效地提高電力電子技術(shù)課程的教學(xué)效果。目前，可對電力電子電路及系統(tǒng)進行虛擬仿真的軟件較多，如Matlab、Pspise、Saber以及Multisim等。這些模擬仿真軟件的出現(xiàn)，為電力電子電路及系統(tǒng)的分析提供了方便、有效的手段，大大簡化了電力電子電路及系統(tǒng)的設(shè)計和分析過程。其中Matlab軟件由于其Simulink環(huán)境下提供的SimPow-erSystems工具箱在電力系統(tǒng)分析、電力電子電路分析中令人滿意的表現(xiàn)、友好的界面和模塊化的形式受到廣大用戶的青睞。根據(jù)電力電子技術(shù)課程教學(xué)的要求，結(jié)合課程實驗操作內(nèi)容，我們設(shè)計、建立并實現(xiàn)了涵蓋高職教學(xué)要求的十五個電力電子技術(shù)Matlab仿真項目。下面以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行模擬仿真的方法和步驟。

四、仿真實例

本節(jié)以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行電力電子電路仿真的方法和步驟。直流升壓斬波電路是典型的直流斬波電路之一，它通過電容、電感元件的儲能以及電力電子器件（此處使用IGBT）的通斷控制，使負載上得到比電源電壓高的電壓。根據(jù)電路原理圖，在Matlab的Simulink中建立直流升壓斬波電路仿真模型，步驟如下：

1.仿真平臺建立。啟動MATLAB，進入MATLAB環(huán)境，點擊工具欄中的Simulink選項，進入所需的仿真環(huán)境，點擊File/New/Model新建一個仿真平臺。

2.模塊提取。在Simulink環(huán)境中拉取所需要的模塊到仿真平臺中，具體做法是點擊左邊的器件分類，電力電子仿真實驗一般只用到Simulink和SimPowerSys-tems兩個，分別在它們的下拉選項中找到我們所需的模塊，用鼠標(biāo)左鍵點擊所需的模塊不放，然后直接拉到仿真平臺中。

3.仿真模型建立。將提取的各模塊，按照原理圖布局好位置并進行連線。具體做法是移動鼠標(biāo)到一個模塊的連接點上，會出現(xiàn)一個“+”字型光標(biāo)，按住鼠標(biāo)左鍵不放，一直拉到所要連接的另一個模塊的連接點上，放開左鍵，連線就完成了。

4.參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置分為模塊參數(shù)設(shè)置和仿真參數(shù)設(shè)置。模塊參數(shù)設(shè)置如下：直流電壓源的幅值設(shè)置為100V。電阻負載設(shè)置為1Ω?？刂泼}沖電壓由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，電壓幅值設(shè)置為3V，周期設(shè)置為0.001S，脈沖寬度比的大小設(shè)置可改變輸出負載電壓的大小。IGBT、功率二極管、信號分解器、電感和電容可保持默認設(shè)置。示波器根據(jù)需要輸出的波形個數(shù)設(shè)置輸入端口數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)置如下：將開始時間設(shè)置為0，終止時間設(shè)置為0.01，算法設(shè)置為ode23tb。

5.仿真。完成以上步驟后便可以開始仿真，仿真結(jié)束后雙擊示波器觀察波形。直流升壓斬波電路在控制脈沖電壓寬度比為80%和40%時的仿真波形如圖3所示，與理論分析值一致。五、小結(jié)虛擬仿真技術(shù)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展在近些年得到了長足的發(fā)展，越來越多的課程在教學(xué)中引入了虛擬仿真技術(shù)，它對課程教學(xué)效果的提供具有較大的作用。文章在分析教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，引入了使用Matlab軟件的虛擬仿真技術(shù)，并以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行電力電子電路仿真的方法和步驟。

參考文獻：

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【關(guān)鍵詞】汽車維修；教學(xué)；仿真技術(shù)；應(yīng)用

一、前言

隨著社會經(jīng)濟與信息技術(shù)的快速發(fā)展，對于汽車維修教學(xué)所提出的要求也不斷增加和提高，而如何培養(yǎng)高技術(shù)的維修人才也成為了當(dāng)前汽車維修教學(xué)所研究的一個重要課題。在汽車維修教學(xué)中，若缺乏相應(yīng)的實戰(zhàn)練習(xí)，很容易使學(xué)生基本操作技能得不到提高，但是若在教學(xué)中，每個環(huán)節(jié)都采取實地練習(xí)，勢必會加大教學(xué)的成本，而這對于學(xué)校而言，也是其當(dāng)前面臨的一個主要難題。

二、在汽車維修教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的優(yōu)勢

仿真技術(shù)作為一門多學(xué)科綜合技術(shù)，其基礎(chǔ)主要有控制論、信息技術(shù)、系統(tǒng)論以及相似原理，將計算機或者專用設(shè)備來作為技術(shù)實施的主要工具，通過系統(tǒng)模型對設(shè)想系統(tǒng)、實際系統(tǒng)實施動態(tài)試驗。

在汽車維修教學(xué)中，汽車零件的拆卸、裝配等均是非常耗時的工作，而這些工作的完成時間對于維修任務(wù)的完成效率而言，也會造成不同程度的影響。針對這種情況，要想更快且更好地來完成各項維修任務(wù)，就必須要熟練掌握汽車拆裝技能，基于拆裝規(guī)范要求來進行作業(yè)，但是要想達到上述這些要求，就必須要加強學(xué)生的實訓(xùn)，由于在實訓(xùn)教學(xué)過程中，所需的設(shè)備以及器材較多，所需的教學(xué)實習(xí)場地也相對比較大，使得很多學(xué)校不太重視這方面的內(nèi)容，而最終導(dǎo)致學(xué)生實踐操作能力低下。鑒于這種情況，在汽車維修教學(xué)中，引入仿真技術(shù)，將汽車各零件的構(gòu)成、分解、檢驗、調(diào)整、拆卸以及裝配等結(jié)合在一起，借助于計算技術(shù)來虛擬再現(xiàn)這些場景，這樣學(xué)生就能夠通過計算機來進行汽車構(gòu)造原理以及維修操作的模擬，繼而使其能夠更好地掌握實際操作技能、方式以及要領(lǐng)等。在汽車維修教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)不僅可使維修工的培養(yǎng)時間有效地縮短，減少教學(xué)實習(xí)場地與訓(xùn)練器材等所投入的費用，同時在很大程度上也使教師工作量得到了減少，有利于最大經(jīng)濟效益以及社會效益的實現(xiàn)。

三、在汽車維修教學(xué)中仿真技術(shù)的具體應(yīng)用

（一）汽車維修仿真系統(tǒng)

在仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上來構(gòu)建汽車維修模擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備以下四種功能：

第一，可使汽車這種虛擬部件得到動態(tài)且實時地展示。在教學(xué)中，學(xué)生可通過在計算機上的操作，輕松完成對發(fā)動機或者變速器等的解剖、翻轉(zhuǎn)以及平移等各種操作。同時該系統(tǒng)還可將汽車部件和各部件之間的裝配關(guān)系全視角的展示出來，使學(xué)生能夠更為直觀、快捷以及形象地了解汽車構(gòu)造特征，并在其頭腦中構(gòu)建一個全方位形象，繼而為學(xué)生維修操作技能的提高打好基礎(chǔ)。

第二，可逐步分解并裝配、調(diào)整汽車的整個構(gòu)造以及各部件，通過仿真模擬汽車的拆裝維修過程與調(diào)整過程，來構(gòu)建虛擬場所，學(xué)生在這一場所中通過分析，可及時解決其在汽車維修中遇到的各種問題。在該系統(tǒng)中最基本的一個內(nèi)容就是根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求以及步驟順序等逐步分解整車或者各部件，反之根據(jù)技術(shù)要求與具體步驟來把這些分散零件組裝成為整車。除此之外，在整個裝配階段，還需實施大量調(diào)整工作。在實際教學(xué)中，學(xué)生只需要對虛擬部件進行觀察和分析，選用正確工具，利用鼠標(biāo)來選擇相應(yīng)的部件，最后在計算機所彈出的這一數(shù)據(jù)輸入對話框中將力矩數(shù)據(jù)輸入到其中，就可完成相應(yīng)的虛擬拆裝作業(yè)。

第三，該系統(tǒng)可自動演示汽車整個分解過程以及裝配過程。在汽車維修教學(xué)中，初學(xué)者可通過該系統(tǒng)事先對整車以及各部件分解過程與裝配過程進行觀看，繼而使其在頭腦中對于汽車維修有一個基本的認知。而使用人員則可基于自身的實際需求，選擇不同部位或者視角來進行學(xué)習(xí)，通過這種具有針對性的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生更快地掌握各種維修操作技能。

第四，可實現(xiàn)評估與考核的模擬。通過計算機統(tǒng)計能力與數(shù)據(jù)分析能力的應(yīng)用，來構(gòu)建具備考核功能的模塊，該模塊不僅可進行單機自測，同時還不會受到數(shù)量上的限制實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的模擬考核，既可同時出題進行統(tǒng)一的考核，也可進行分組考核，在該模塊中，每一個項目都具備相應(yīng)的自動評分功能。在評估考核指標(biāo)中主要包含維修時間、結(jié)果及計算機自動統(tǒng)計操作所得到的分數(shù)，根據(jù)該考核結(jié)果，教師可綜合評定學(xué)生。

（二）應(yīng)用實現(xiàn)措施

第一，通過仿真技術(shù)所具備的三維模擬技術(shù)來進行整車三維造型的模擬，在這一環(huán)節(jié)中，可通過PROE、3D-MAX、UG或者MAYA等軟件來進行模擬，基于汽車維修中具體維修項目，真實且全面地對汽車零件、裝配以及其物理特性等進行模擬，確保所模擬的內(nèi)容和工程實際情況相同，并非一種簡單實體造型，最后，再將其統(tǒng)一輸出成為一種純?nèi)S模型的格式。

第二，在模擬好三維造型以后，借助于當(dāng)前先進VIRTOOLS虛擬引擎的應(yīng)用，通過3D部件來進行三維場景的構(gòu)建，以此達到模擬交互的目的，同時還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的步驟關(guān)卡。通過制作這種虛擬場景，使每一個3D部件均有屬于自身個性特征以及交互的能力，當(dāng)在和使用人員進行交互的過程中，可根據(jù)不同需求做出相應(yīng)的反映，并反饋出相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

第三，構(gòu)建全面且真實的汽車維修數(shù)據(jù)庫。可通過ACCESS與SQL-SERVER等軟件來進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫以及單機版數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，基于汽車維修項目的實際需求來構(gòu)建相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。最后，還應(yīng)進行各項管控、考核程序的編寫，從而確保汽車維修教學(xué)活動有序地進行。

（三）應(yīng)用效果

第一，便于學(xué)生思維的啟迪，使學(xué)生的想象力更為豐富，學(xué)生通過在這種虛擬場景中的訓(xùn)練獲得相應(yīng)的操作技能和結(jié)論，在經(jīng)過分析和整理后，成為一種新成果或者新結(jié)論，繼而提升學(xué)生感知效果。除此之外，這種教學(xué)還便于學(xué)生理解能力以及認知能力的提升，在以往的教學(xué)中，學(xué)生在知識的理解和掌握上一般停留于表面，而這也使得其認知效果達不到預(yù)期的目標(biāo)。而在汽車維修教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)，可將在電子教學(xué)中所遇到的問題得到及時地解決，同時在這種虛擬場景的訓(xùn)練過程中，學(xué)生所獲得的信息更加直觀、生動和形象，便于學(xué)生的理解與記憶。

第二，在汽車維修中應(yīng)用仿真技術(shù)，在虛擬場景中，通過虛擬技術(shù)，學(xué)生可以自己來進行故障的設(shè)置，基于自設(shè)的這些故障來實施檢測以及試驗，通過這種方式，可有效避免學(xué)生在實地訓(xùn)練中可能遇到的各種危險。同時采用該技術(shù)，還可有效緩解在教學(xué)中所存的教學(xué)資源短缺這一問題。

四、結(jié)束語

綜上所述，文章所介紹的這一汽車維修模擬仿真系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，所獲得成效良好，不僅調(diào)動和激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)動力與興趣，使汽車維修教學(xué)效率得到了提高，同時還便于學(xué)生對理論知識的理解，進一步提高了學(xué)生的操作技能水平。

參考文獻：

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【關(guān)鍵詞】電子電工 電子仿真技術(shù) 應(yīng)用效果分析

仿真模型主要是指物理模型或者是數(shù)學(xué)模型，可以替代實際的教學(xué)手段開展實驗和分析。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用計算機開展模擬仿真取得了非常好的效果，在實際應(yīng)用中，主要通過實驗形式開展各項實踐課，其目的就是增強學(xué)生的動手操作能力和解決問題的能力。更為重要的是能夠使教學(xué)內(nèi)容變得豐富，學(xué)生分析問題以及解決問題的能力均得到增強。

1 電子仿真技術(shù)在理論教學(xué)中的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電工教學(xué)中的理論教學(xué)是必不可少的。但是，電工教學(xué)注重的是學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，為此，理論知識的學(xué)習(xí)都是在為實踐的開展提供基礎(chǔ)和前提條件。并且理論教學(xué)的目的也是為實踐教學(xué)的開展提供依據(jù)，也為學(xué)生未來在工作崗位中工作提供了理論基礎(chǔ)。但是，如今很多中職教育中，教師一旦講述理論知識，學(xué)生就會感到枯燥，因為學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)知識差的現(xiàn)狀，面對復(fù)雜的電工理論會更難以理解。對于教師來說也產(chǎn)生了非常大的困擾。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真虛擬技術(shù)逐漸出現(xiàn)在人們面前。將仿真軟件技術(shù)配置到實驗課堂中，在講述理論知識的過程中，能夠借助計算機做出多媒體演示，演示的內(nèi)容可以有很多方面，比如，復(fù)雜線路的操作流程、注意事項等都可以直觀的呈現(xiàn)在多媒體屏幕上，也可以運用多媒體展示電路的搭建過程、參數(shù)的設(shè)置等多方面內(nèi)容。虛擬實驗?zāi)軌驅(qū)嶒灲Y(jié)果直接呈現(xiàn)在顯示屏幕上，使理論化的知識變得更加生動、直觀和具體，降低了理論知識的抽象性。

比如，在電路放大中，靜態(tài)工作點的選擇要體現(xiàn)出合理效果，能夠充分體現(xiàn)出放大器基本性能。如果設(shè)置的不合理就會出現(xiàn)程序上的失誤和失真，理論課程的設(shè)置也可以運用仿真技術(shù)構(gòu)建出來。因為在理論課堂上，學(xué)生往往會對一些公式或者是圖像了解不夠深入，并對教師的講解吸收較少，為此，導(dǎo)致了學(xué)生對基本的放大電路知識掌握的不夠明確。但是應(yīng)用仿真軟件可以做出EWB演示，給予學(xué)生一種非常直觀的感覺。學(xué)習(xí)效果也能得到提高。

2 電子仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

通過上面的論述可以知道，電子仿真技術(shù)能夠以實驗的方式引入到理論課堂中，使學(xué)生能夠以實驗的方式展開對理論知識的學(xué)習(xí)。而電子仿真技術(shù)最為重要的作用是能夠開展教學(xué)實驗，而電子電工教學(xué)最重要的也是實踐能力的培養(yǎng)，為此，該技術(shù)的重要性得以體現(xiàn)。此外，傳統(tǒng)方式的實驗課程危險性較大，學(xué)生鑒于理論知識的認知不足并缺少安全開展實驗方面的知識，為此，教師在組織學(xué)生做實驗過程中，會有所擔(dān)憂，如果學(xué)生較多，將更容易突發(fā)安全事故；還有一方面，鑒于教學(xué)經(jīng)費的限制，很多中職院校中都缺少實驗工具或者實驗場地，為了節(jié)省經(jīng)費，學(xué)校則會終止很多實驗。

而應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以避免上述問題的出現(xiàn)。只要中職院校中具備計算機，就可以在計算機房模擬各項實驗，大大減少了安全問題的發(fā)生。這種虛擬形式的教學(xué)實驗，可以使每一位學(xué)生都能加入到實驗操作中來，對各種電路進行設(shè)計和仿真處理，發(fā)揮自己的創(chuàng)新思維對電路進行合理構(gòu)建。提高了學(xué)生的動手操作能力，鍛煉了思維，使教學(xué)效果得以大幅度改善。

比如，在數(shù)字化的電路實踐課程中，學(xué)生可以應(yīng)用仿真軟件轉(zhuǎn)換器開展實驗，該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯電表與閾值表之間的轉(zhuǎn)換，還可以實現(xiàn)邏輯表達方式的轉(zhuǎn)換。學(xué)生可以借助這一功能對邏輯電路進行設(shè)計。此外，在實訓(xùn)項目的開展過程中，可以應(yīng)用仿真技術(shù)，對電路進行設(shè)計，可以有效降低電路元件的損耗，不同的電路元件都可以實現(xiàn)相互的轉(zhuǎn)換和利用，使實驗成本得以降低。再比如，在做濾波實驗中，應(yīng)用仿真技術(shù)開展實驗過程為：在儀表中調(diào)節(jié)好示波器，儀表中的A通道為數(shù)值的輸入端口，B通道為數(shù)值的輸出端口，再將儀器接入到仿真電源中，在示波器中可以看到整流后的效果，也可以改變電路中的電容參數(shù)以及波形。通過仿真儀器設(shè)備的使用可以使仿真實驗的開展更有效果，讓學(xué)生能夠?qū)嶒炗猩羁塘私?，比如，實驗操作步驟、實驗結(jié)果以及實驗注意事項等，在對具體的實物進行操作時，可以大大提高實驗效率。

雖然仿真實驗有非常多的優(yōu)點，但是在實踐中不能完全借助仿真技術(shù)，可以在實物實驗基礎(chǔ)上融入適當(dāng)?shù)姆抡婕夹g(shù)實驗，使仿真技術(shù)的功能得以充分發(fā)揮。

3 結(jié)語

仿真技術(shù)在電工教學(xué)中應(yīng)用的較為廣泛，可以大大提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果。首先，通過應(yīng)用仿真教學(xué)能夠使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得以激發(fā)，學(xué)生能夠更容易理解教學(xué)中的難點。仿真技術(shù)在課堂中被廣泛應(yīng)用以后，對實驗實施了動態(tài)演示，將復(fù)雜的內(nèi)容變得簡單，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。其次，仿真教學(xué)的開展，可以提高資源的利用率，彌補了中職院校中設(shè)備不足的現(xiàn)狀，可以通過模擬形式開展一些安全性低、不易操作的實驗。但是，高校和學(xué)生要正確認知該技術(shù)，并要將其作為一種輔助教學(xué)手段，不能對其產(chǎn)生多度依賴，最重要的還是要提高學(xué)生的實際動手操作能力。

參考文獻

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分析化學(xué)是關(guān)于研究物質(zhì)的組成、含量、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等化學(xué)信息的分析方法及理論的一門科學(xué)。分析化學(xué)的主要任務(wù)是鑒定物質(zhì)的化學(xué)組成、測定物質(zhì)的有關(guān)組分的含量等，是藥學(xué)專業(yè)的一門重要課程。同時，分析實驗技能也是藥學(xué)專業(yè)學(xué)生需要掌握的一門重要技能。目前的化學(xué)實驗基本上是在實驗室中進行的，該運作方式存在著投入大、損耗大、效率低、周期長、維護困難等缺點。而且，分析化學(xué)實驗課時的多少也是制約學(xué)生熟練掌握該技能的一大因素。由此導(dǎo)致理論與實訓(xùn)課程不能及時有效地結(jié)合起來，學(xué)生練習(xí)時間少，缺乏創(chuàng)新和學(xué)以致用的能力。仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的使用，既解決了實驗實訓(xùn)室與實驗實訓(xùn)設(shè)備引發(fā)的問題，又可以增加學(xué)生實訓(xùn)的課時。將仿真技術(shù)引入到分析化學(xué)實驗課的教學(xué)當(dāng)中，使教學(xué)更為生動形象，實驗設(shè)計更加靈活，既培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造能力，又提高了教學(xué)質(zhì)量。該分析化學(xué)虛擬實驗室平臺主要包括基本儀器、儀器的使用和經(jīng)典實驗三大板塊，包括了各種分析化學(xué)實驗中可能用到的量器及儀器的介紹和基本使用方法的介紹，還包括了6類經(jīng)典分析化學(xué)實驗，在每一類實驗中，都分別篩選了一些重要的實驗。每個代表性實驗的實驗步驟均配有文字及相應(yīng)的動畫演示，常用儀器也有相應(yīng)的視頻講解。通過虛擬演示實驗不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)分析化學(xué)實驗的興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題及實際操作的能力，還可以使學(xué)生在進行實際動手操作前對實驗內(nèi)容、步驟等方面有更為充分的認識，獲得身臨其境的體驗和感受。

2仿真實驗在藥學(xué)其他專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

藥學(xué)專業(yè)的很多課程都與化學(xué)相關(guān)，除了分析化學(xué)以外，還有眾多化學(xué)課程也已經(jīng)開始應(yīng)用仿真實驗來輔助教學(xué)，如有機化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)等。信息技術(shù)深刻影響了高等教育，仿真實驗彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。對于生物化學(xué)來說，仿真技術(shù)深入地展現(xiàn)了生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗的微觀機制，加深了學(xué)生對該學(xué)科的了解，對生物化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展起到了推動作用。而對于物理化學(xué)來說，傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗教學(xué)模式存在諸多弊病，將計算機仿真實驗應(yīng)用于物理化學(xué)實驗教學(xué)中后，充分體現(xiàn)了仿真技術(shù)在化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中的優(yōu)勢，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。這種教學(xué)方式與實際實驗操作有機結(jié)合之后，能夠更好地構(gòu)建出一個合理、有效的化學(xué)實驗教學(xué)體系。實踐也已證明，通過進入有機化學(xué)虛擬實驗室學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了很大提高，學(xué)生的實驗動手能力和實踐能力也得到了加強，仿真實訓(xùn)有力地推動了有機化學(xué)實驗教學(xué)的改革和教學(xué)質(zhì)量的提高。

3仿真實驗在藥學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用展望

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展和教育理念的更新，仿真技術(shù)正一步一步地拓展著傳統(tǒng)實驗教學(xué)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法通常是在學(xué)生自己動手操作前，教師花費時間對實驗原理及步驟進行講解，然后再進行實驗操作示范，教學(xué)手段單調(diào)，實驗操作過程的演示也不夠全面，有的學(xué)生甚至看不到教師的演示，對其理解整個實驗過程及掌握規(guī)范的分析操作技術(shù)有很大的影響，因而學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不夠理想。仿真模擬實驗作為一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，具有形象直觀、生動便捷、經(jīng)濟省時等多種優(yōu)點。目前，越來越多的專業(yè)課程已經(jīng)開始利用各種現(xiàn)代化技術(shù)來輔助教學(xué)，如中藥鑒定、藥物化學(xué)等。中藥鑒定的主要任務(wù)是研究和鑒定中藥的品種和質(zhì)量。中藥的品種繁多，我國現(xiàn)有中藥資源達12807種，在這些種類中，傳統(tǒng)中藥約1200種，其中常用中藥約500余種，就算是選擇一些常用的中藥來學(xué)習(xí)也是一項繁重的任務(wù)，對教學(xué)資源來說更是一個嚴(yán)峻的考驗。因此，建立豐富的仿真資源庫，利用仿真技術(shù)對各種中藥鑒別進行剖析、模擬并應(yīng)用于教學(xué)將是未來教學(xué)發(fā)展的一大方向。而對于藥物化學(xué)來說，藥物的合成實驗也是一項繁瑣的實踐，不同的合成工藝有不同的合成結(jié)果，目前，仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于藥物化學(xué)中的合成工藝研究，相信不久的將來也能廣泛應(yīng)用于藥物化學(xué)的教學(xué)中去。

4結(jié)語

篇5

關(guān)鍵詞 計算機網(wǎng)絡(luò)課程；仿真技術(shù)；NS；民辦院校

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）21-0008-03

1 在教學(xué)中應(yīng)用計算機仿真技術(shù)的研究背景

國外研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代，仿真技術(shù)的概念被提出。1961年，G.W.Morgenhtler首次對仿真一詞作了技術(shù)性的解釋，為之后仿真技術(shù)的研究提供了基本概念和動力。華盛頓大學(xué)和美國西屋科學(xué)基金在1994年開展了第一次流動教學(xué)計劃，開著裝置有電腦三維虛擬設(shè)備的流動教學(xué)車行駛在華盛頓，為中小學(xué)生接受三維動畫虛擬教學(xué)提供服務(wù)。采用這種教學(xué)模式，使教學(xué)過程更加直觀化和形象化，使學(xué)生參與教學(xué)能力得到提高。當(dāng)前，仿真教學(xué)已經(jīng)在國外軍事、會計類等課程中得到廣泛應(yīng)用，構(gòu)建適應(yīng)不同對象的模擬訓(xùn)練課程體系。這種仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用起步早、效果良好，值得借鑒。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前，仿真技術(shù)集中在電子電氣領(lǐng)域、數(shù)控設(shè)計領(lǐng)域，主要將其應(yīng)用于高端設(shè)計、重大工程。雖取得較好的成績，但這種仿真技術(shù)開發(fā)的軟件、程序十分復(fù)雜，不適宜教學(xué)使用。這種應(yīng)用是在實驗室、虛擬環(huán)境中進行的。如浙江大學(xué)已經(jīng)將其應(yīng)用到建筑工程方面的教學(xué)中，利用其進行虛擬規(guī)劃和虛擬設(shè)計。這種仿真技術(shù)的應(yīng)用對學(xué)生理論要求較高，不適合民辦大學(xué)教學(xué)使用。

這種教學(xué)是以簡單的技術(shù)應(yīng)用為主。天津中德中學(xué)在具體教學(xué)實踐中，以虛擬儀器為基礎(chǔ)，在設(shè)備故障診斷教學(xué)中采用仿真技術(shù)。這種教學(xué)單方面注重學(xué)生對虛擬儀器的具體操作，缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的指導(dǎo)。

民辦院校教育要合理處理學(xué)歷教育和職業(yè)教育的關(guān)系，更好地滿足高等教育大眾化的要求，必須以培養(yǎng)社會需求的應(yīng)用型人才為主。結(jié)合時展，要求計算機類課程的教學(xué)必須滿足新時代應(yīng)用型人才培養(yǎng)的條件，而應(yīng)用型人才的培養(yǎng)注重的是知識的高效管理和應(yīng)用的特點，這就要求目前應(yīng)做的重點工作是計算機類課程的應(yīng)用。計算機網(wǎng)絡(luò)課程作為計算機專業(yè)的必修課，突破了現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式，通過使用仿真技術(shù)達到更好的教學(xué)效果，從而加速計算機網(wǎng)絡(luò)課程由學(xué)到用的演變過程。計算機網(wǎng)絡(luò)是一門應(yīng)用性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，如何改革民辦高校的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式，研究創(chuàng)新型高效教學(xué)的理念與策略，就顯得十分迫切與必要。

2 基于仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式構(gòu)建

該教學(xué)模式的研究思路 本文從陜西省幾所重點民辦院校實際需求出發(fā)，結(jié)合調(diào)查分析計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)現(xiàn)狀，從計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的實證、實例入手，提出基于仿真技術(shù)教學(xué)的主要要素和提升策略，進而形成一套完整、可行且適合民辦院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式改革策略。

該教學(xué)模式的研究假設(shè) 民辦大學(xué)的學(xué)生計算機基礎(chǔ)知識欠缺，采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法顯然不能夠滿足目前的教學(xué)要求。經(jīng)調(diào)查，學(xué)生對現(xiàn)行的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方式已產(chǎn)生一些不滿意的情緒，計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的改革勢在必行?；谝陨蟽牲c原因，提出改革計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方式的假設(shè)：1）計算機網(wǎng)絡(luò)課程“仿真”教學(xué)與學(xué)生可接受程度之間的關(guān)系；2）計算機網(wǎng)絡(luò)課程“仿真”教學(xué)與學(xué)生興趣之間的關(guān)系；3）計算機網(wǎng)絡(luò)課程“仿真”教學(xué)與學(xué)生獨立學(xué)習(xí)之間的關(guān)系；4）計算機網(wǎng)絡(luò)課程“仿真”教學(xué)與各民辦大學(xué)對這種教學(xué)改革支持力度之間的關(guān)系。

該教學(xué)模式的構(gòu)建

1）根據(jù)學(xué)生的接受能力和課程的培養(yǎng)目標(biāo)，選擇效果較好的仿真技術(shù)。NS（NetworkSimulator，網(wǎng)絡(luò)仿真器）源于1989年美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的REAL網(wǎng)絡(luò)模擬器，REAL能夠為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議機算法提供更好的環(huán)境，在對各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)和體系結(jié)構(gòu)進行模擬時更加輕松。

2）仿真技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中應(yīng)用的主要教學(xué)要素和教學(xué)策略。

①教學(xué)要素。針對課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中師生的良好溝通過程，提出教學(xué)過程中的三大要素：教師、學(xué)生和教學(xué)資源。

②教學(xué)策略。

課堂教學(xué)3種策略。a.理論―仿真的“實例式”教學(xué)策略：教師將一些抽象的概念仿真為多媒體信息，使學(xué)生迅速理解概念。b.問題―探討的“探究式”教學(xué)策略：教師提供問題，之后積極引導(dǎo)學(xué)生進行獨立思考、提問，并且對知識進行延伸和拓展，在教學(xué)中需要發(fā)揮學(xué)生的主體作用，創(chuàng)建一個平等教學(xué)空間。c.課題―研究的“研究性”教學(xué)策略：教師設(shè)置一個有難度的主動探究課題，通過引導(dǎo)，使學(xué)生進行自主探究學(xué)習(xí)。

實驗教學(xué)3種策略。a.仿真―實操的“循環(huán)式”教學(xué)策略：教師教與學(xué)生學(xué)，在仿真推演―實際操作―發(fā)現(xiàn)問題―再次推演仿真的循環(huán)過程中完成。b.故障―分析的“發(fā)現(xiàn)式”教學(xué)策略：學(xué)生能夠在故障中進行學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生研究能力、完成知識發(fā)現(xiàn)的一種學(xué)習(xí)方式。c.自學(xué)―指導(dǎo)的“啟發(fā)式”教學(xué)模式：是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生獨立進行學(xué)習(xí)的模式。

依據(jù)教學(xué)過程中提出的三大要素，使用提出的教學(xué)策略開展教學(xué)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性，并有效結(jié)合仿真技術(shù)NS，獲得最佳的教學(xué)效果，從而形成最適合本地區(qū)民辦大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的仿真教學(xué)模式。

3 基于仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式的實施

根據(jù)學(xué)生、專業(yè)、學(xué)校的差異，結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)課程本身抽象難懂、實踐性強的特性，依據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的培養(yǎng)目標(biāo)、各個層次學(xué)生的能力以及不同專業(yè)對計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)目標(biāo)要求的不同，運用仿真技術(shù)，結(jié)合上面所提出的教學(xué)模式的要素和策略，實施該課程的仿真教學(xué)模式。

課堂教學(xué)的實施 在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中設(shè)計的概念十分多，在進行具體教學(xué)時，學(xué)生普遍反映網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與各層的協(xié)議的工作原理很難掌握。及時采用多媒體課件教學(xué)，學(xué)生依然感覺教學(xué)工作十分空洞，對知識難以全面進行把握。如在實踐教學(xué)工作中進行載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測教學(xué)工作時，雖然通過多媒體教學(xué)技術(shù)能夠進行演示，在課程結(jié)束之后，學(xué)生表示可以明白沖突檢測和退避策略，但是采用這一技術(shù)究竟會對整個局域網(wǎng)造成什么的影響，學(xué)生的了解并不是很清晰。如果在進行教學(xué)中使用NS進行實際網(wǎng)絡(luò)模擬，不僅會使教學(xué)工作更加生動、形象，而且能夠極大提高學(xué)生對學(xué)習(xí)知識的理解程度，提高學(xué)生利用所學(xué)知識分析、解決實際問題的能力。

又比如在NS中提供了各種改進的TCP版本的協(xié)議，其中包括TCP慢啟動、擁塞避免以及快速重傳和快速回復(fù)機制。在課堂教學(xué)過程中，可以通過利用NAM觀看數(shù)據(jù)報文和ACK報文的發(fā)送過程，使學(xué)生能夠觀察動畫窗口，同時能夠通過監(jiān)視窗口了解當(dāng)前數(shù)據(jù)庫報文和ACK報文的序號、窗口的大小以及隊列的長度等信息。在教學(xué)中，教師可以對仿真結(jié)果進行分析，通過圖標(biāo)的形式對不同版本的協(xié)議進行比較，使學(xué)生更加了解協(xié)議的工作原理。

實驗教學(xué)的實施 計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)僅僅依靠課堂教學(xué)是遠遠不足的，因此將實驗室教學(xué)工作作為補充。根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的性質(zhì)和教學(xué)要求，主要的實驗課程內(nèi)容包括網(wǎng)線制作、局域網(wǎng)組建以及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的配置等，這些實驗都會受到實驗條件的限制。因此，在進行具體實驗時，可以在實驗中安排一些仿真實驗，一方面可以有效彌補教學(xué)實驗條件不足的問題，另一方面可以使學(xué)生通過實驗對所學(xué)的理論知識進行驗證。

實驗教學(xué)工作的步驟一般包括實驗準(zhǔn)備、實驗內(nèi)容安排、實驗過程、實驗結(jié)果分析與實驗報告。在實驗教學(xué)中，由于選擇NS以及不同學(xué)生呈現(xiàn)出來的不同特質(zhì)，教師必須提前對實驗進行充分準(zhǔn)備。在實驗中涉及的NS模塊、相關(guān)協(xié)議參數(shù)以及實驗步驟等內(nèi)容，都需要詳細體現(xiàn)在實驗指導(dǎo)書中。在實驗中，針對不同學(xué)生的不同情況，可以指導(dǎo)學(xué)生將NS安裝到他們的實驗器械上，這樣可以方便學(xué)生在課外進行實驗。在安排實驗內(nèi)容時，可以指導(dǎo)學(xué)生利用NS搭建網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，直觀了解各協(xié)議行為，洞察其工作模

式；可以通過改變其協(xié)議參數(shù)，使學(xué)生認識到不同因素對網(wǎng)絡(luò)帶來的不同影響。

如在教學(xué)中，當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)互連課程教學(xué)時，教師可以指導(dǎo)學(xué)生建立一個基于NS的網(wǎng)絡(luò)，并且積極了解不同路由協(xié)議的工作原理，還可以引導(dǎo)學(xué)生對各種路由協(xié)議的性能指標(biāo)進行對比研究。在進行實驗教學(xué)時，可以將全班學(xué)生劃分為不同的學(xué)習(xí)小組，將學(xué)習(xí)好的學(xué)生指定為小組長，帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容共同完成實驗教學(xué)任務(wù)。在完成教學(xué)實驗之后，要求小組對實驗結(jié)果進行認真分析和討論，并撰寫實驗報告。

通過一個學(xué)期的實施，進行統(tǒng)計、分析調(diào)查結(jié)果；對仿真教學(xué)要素進行分析；針對課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中師生的良好溝通過程，提出教學(xué)過程中三大要素，即教師、學(xué)生和教學(xué)資源，有助于確定出建立教師、學(xué)生和教學(xué)資源三者之間良好的交互關(guān)系的基于NS仿真技術(shù)教學(xué)軟件的可靠性和有效性。經(jīng)過一個教學(xué)階段的試驗，根據(jù)學(xué)生的接受情況，最終形成實用的、基于NS仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式。

4 基于仿真技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式的創(chuàng)新

1）鑒于仿真教學(xué)的快速發(fā)展，在計算機課程中應(yīng)用這一技術(shù)是必然的趨勢，但就我國現(xiàn)狀來看，主要應(yīng)用側(cè)重于國內(nèi)重點公辦大學(xué)及部分高職高專的個別專業(yè)，以民辦院校為對象進行研究和應(yīng)用這一技術(shù)的教學(xué)模式較少。本課題正是以此為切入點，使得這一教學(xué)模式的發(fā)展更加全面。

2）在教學(xué)中以課程培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，把仿真技術(shù)與學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實踐學(xué)習(xí)相結(jié)合，讓學(xué)生快速理解抽象的理論知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并運用于實際工作中，做到活學(xué)活用。

5 小結(jié)

在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中，如何在教學(xué)活動中真實地展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)場景，實施網(wǎng)絡(luò)行為，使教學(xué)課堂更加生動，使教學(xué)形式更加活潑，進而提高學(xué)生在學(xué)習(xí)中的積極性和主動性，是當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的重點。通過文中的分析發(fā)現(xiàn)，將NS仿真器和其開放接口應(yīng)用在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中，使其作為一種輔助教學(xué)工具，通過與相應(yīng)的教學(xué)方法相結(jié)合，能夠取得更好的教學(xué)效果，革除傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端。同時對教師提出更多挑戰(zhàn)，一方面要求教師必須能夠熟練使用NS開發(fā)體系；另一方面要求其在教學(xué)中必須選擇合適的案例，并且在具體教學(xué)環(huán)節(jié)中要堅持循序漸進的原則，如此才能取得更好的教學(xué)效果。

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篇6

Abstract： For the problems of high cost and poor training effect of traditional safety training methods in oil production plant， this paper designs and realizes the virtual simulation platform of safety training in oil production plant by using 3D simulation technology. The virtual human simulation modeling， static and dynamic objects three dimensional scene modeling method are mainly introduced， and the level of detail and collision detection key technologies are solved in this virtual simulation platform. The results of practice show that the interactive operation drill and the highly reduced accident case obviously enhanced the security training effects， reduced the cost of oil field training and improved staff safety awareness and operational level.

關(guān)鍵詞： 三維模擬；虛擬仿真；場景建模；交互式控制

Key words： 3D simulation；virtual simulation；scene modeling；interactive control

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0078-03

0 引言

隨著油田的深入開發(fā)，采油廠在石油開采過程中的各種作業(yè)工藝變得越來越復(fù)雜，安全生產(chǎn)過程中的隱患問題日益突出，安全事故經(jīng)常發(fā)生[1]。因此急需對石油生產(chǎn)一線的作業(yè)人員進行切實有效的、系統(tǒng)的安全操作技術(shù)培訓(xùn)，特別是一些危險作業(yè)的操作方法的培訓(xùn)。提高油田工作人員安全技術(shù)水平和預(yù)防、處理事故的能力，對于石油的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，其中向油田職工展示以往的錯誤操作致使石油生產(chǎn)過程中發(fā)生的事故案例非常必要，以此達到警示的作用。

魍秤吞鋨踩操作培訓(xùn)大部分是以文字資料和多媒體課件為主、實物操作訓(xùn)練為輔的方式進行集中培訓(xùn)[2]。這種形式的培訓(xùn)存在很多問題，例如通過書本學(xué)習(xí)的培訓(xùn)方式枯燥無味，實物操作訓(xùn)練的成本很高，設(shè)備和培訓(xùn)人員的數(shù)量都受到限制，難以控制設(shè)備的操作時間，由于無法還原事故案例現(xiàn)場，很多事故無法真正再現(xiàn)給培訓(xùn)人員，如果在實際生產(chǎn)操作中遇到了緊急情況，員工依然是手足無措、容易發(fā)生事故，培訓(xùn)效果不理想，無法實現(xiàn)實時交互式操作訓(xùn)練功能[3，4]。

因此，針對傳統(tǒng)培訓(xùn)方法的不足，本文借鑒現(xiàn)代化油田安全培訓(xùn)方法，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于采油廠的安全培訓(xùn)中，使用三維模擬仿真技術(shù)，再現(xiàn)采油廠發(fā)生過的事故案例現(xiàn)場，描述每個案例的經(jīng)過和預(yù)防措施，以人機交互的方式展現(xiàn)在員工面前，實現(xiàn)三維的高度仿真效果，使培訓(xùn)者如親臨生產(chǎn)或事故現(xiàn)場。將三維模擬仿真技術(shù)應(yīng)用到油田培訓(xùn)工作中，讓培訓(xùn)者在這個過程中既能學(xué)習(xí)到正確的操作步驟，又能起到防范的作用，很大程度上解決了油田培訓(xùn)中的困難， 對油田的安全生產(chǎn)與管理起到積極的推進作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

采油廠事故案例虛擬仿真平臺主要利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將采油生產(chǎn)事故案例和安全防范措施進行仿真，仿真平臺主要應(yīng)用3DS Max進行建模、貼圖和渲染，通過Virtools工具將各個三維模型按照一定的結(jié)構(gòu)進行集成，用來組建完整的場景，仿真平臺可以通過接口如鼠標(biāo)、鍵盤、控制手柄、操縱臺等輸入設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備操作、故障處理等來實現(xiàn)人機交互。

本文的虛擬仿真平臺根據(jù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)進行劃分，可以分為數(shù)據(jù)服務(wù)層，仿真管理層、用戶界面層三個層次。操作者與系統(tǒng)進行交互時，通過界面顯示層輸入數(shù)據(jù)的訪問請求，通過仿真層中的各種服務(wù)，轉(zhuǎn)換為對數(shù)據(jù)服務(wù)層的訪問請求，數(shù)據(jù)服務(wù)處理請求后，將結(jié)果通過中間層，返回給界面層輸出。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采油廠事故案例虛擬仿真平臺由模擬仿真訓(xùn)練、事故案例再現(xiàn)、應(yīng)急救援措施三個部分組成。模擬仿真訓(xùn)練主要實現(xiàn)采油工、電力變電、抽油機等安全操作的三維仿真，同時可以自由漫游于井廠配電間等；事故案例再現(xiàn)主要通過三維技術(shù)再現(xiàn)采油廠近些年發(fā)生的典型安全事故案例，并且分析事故原因；事故應(yīng)急救援主要針對采油廠易發(fā)生的配電失誤、油氣泄露導(dǎo)致爆炸等事故，制作完整的事故應(yīng)急救援三維仿真。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 場景建模

在三維仿真系統(tǒng)中最重要的是場景數(shù)據(jù)庫的管理與三維模型的建立，整個場景三維建模過程也就是場景數(shù)據(jù)庫的建立和管理過程[5]。建立場景數(shù)據(jù)庫首先要做好前期準(zhǔn)備工作，收集和處理數(shù)據(jù)，并且確定場景數(shù)據(jù)庫的層次結(jié)構(gòu)，其次是建立三維實體模型，最后對模型進行集成優(yōu)化并測試，場景數(shù)據(jù)庫建立流程圖如圖3所示。

采油廠事故案例虛擬仿真平臺中的物體模型分為三大類：虛擬人、靜態(tài)物體模型和動態(tài)物體模型。虛擬人為供操作人員控制的替身或是與操作人員控制的替身合作完成任務(wù)的助手或監(jiān)護人等；靜態(tài)物體模型為場景中靜止不動的實體模型，例如房屋、樹木、道路等地形、地物；動態(tài)物體模型指的是具有運動屬性的各種仿真實體模型，如按鈕、開關(guān)、閥門等[6]。

2.1 虛擬人建模

虛擬人是整個虛擬仿真平臺的主體，其中人物模型的建立、人和動態(tài)物體間的行為描述對虛擬仿真平臺的質(zhì)量起決定性作用。由于虛擬人具有運動的特性，為了使虛擬人的動作看起來更加流暢、更加合理，本平臺采用曲面細分建模技術(shù)來構(gòu)建虛擬人的外形，其特點是虛擬人在運動過程中產(chǎn)生的皮膚拉伸和擠壓不會失真，并且運用正向運動與反向運動學(xué)技術(shù)對人物骨骼的運動進行虛擬仿真，然后通過蒙皮技術(shù)將人物的外形與骨骼模型進行連接最終構(gòu)建了完整的虛擬人。虛擬人的動作表現(xiàn)、行為控制、人與物體的交互也是虛擬仿真平臺的關(guān)鍵問題[7]。

通過對油田作業(yè)中常見操作活動的分析，將油田工人的一個操作活動分解成幾個基本行為，而每個基本行為是由幾個基本動作的不同組合完成，現(xiàn)將這些基本動作進行分類，建立人物幼骺猓庫中的動作包含了操作活動的所有基本動作，每個動作在語義上是獨立的，并且具有可重用性和通用性，這樣一個操作活動就可以通過基本動作的組合來實現(xiàn)。

2.2 靜態(tài)物體建模

靜態(tài)建模大部分是通過幾何建模技術(shù)，利用建模工具從形狀以及外觀上對實體進行模擬，并且通過使用紋理映射等方式來降低模型的復(fù)雜度[8]。根據(jù)井場內(nèi)實體的位置和重要程度確定建模順序，然后分別對其進行建模，最后進行集成。3DS Max建模工具為用戶提供了優(yōu)秀的樹狀層次結(jié)構(gòu)來組織管理模型，并且3DS Max中的圖形操作非常靈活，因為可以從最基本的元單位點、線、面等開始建立自己的三維模型，而且建立的所有三維模型都是通過樹形結(jié)構(gòu)組織在一起的。

2.3 動態(tài)物體建模

在虛擬仿真平臺中，閥門的開關(guān)，分離液的流動等都屬于動態(tài)物體建模。對運動部件進行動態(tài)建模時，首要任務(wù)就是建立運動對象，其方法是在已經(jīng)建好的模型文件中添加自由度節(jié)點，設(shè)立其相應(yīng)的局部坐標(biāo)，并進行定位[9]。在本文中通過粒子系統(tǒng)制作分離液和氣體流動的動態(tài)效果，來實現(xiàn)液體、氣體等不規(guī)則物體的模擬仿真。在不規(guī)則物體的建模方法中，相對來說粒子系統(tǒng)是一種比較好的方法，該方法的特點是能夠用很小的計算代價達到真實感很強的模擬效果，能充分體現(xiàn)不規(guī)則物體的動態(tài)性和隨機性[10，11]。本文中把分離液和被分離出的氣體都定義為粒子，這些粒子是具有生命周期并且是隨機運動的，而且粒子的運動狀態(tài)能夠被改變，通過動態(tài)控制粒子的運動軌跡來實現(xiàn)液體和氣體沿著管道內(nèi)壁流動的效果。分液的流動效果如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 層次細節(jié)技術(shù)

在本平臺中采用層次細節(jié)技術(shù)進行場景優(yōu)化，使用一組復(fù)雜程度逐漸增加的層次細節(jié)模型描述相同的對象，在場景漫游時，根據(jù)虛擬人視點距離目標(biāo)實體模型的遠近來選擇不同層次的細節(jié)模型，當(dāng)視點和目標(biāo)實體的距離較大時，選用細節(jié)程度較低的模型，反之則選用細節(jié)程度高的模型，動態(tài)調(diào)節(jié)虛擬場景中模型的復(fù)雜度，這種技術(shù)使系統(tǒng)在不影響整體視覺效果的同時又提高了場景的運行效率，實現(xiàn)不同視點觀看到復(fù)雜程度不同的模型，建立的四合一罐效果如圖5（a）、（b）所示。

3.2 碰撞檢測技術(shù)

本文中虛擬平臺的交互控制主要有系統(tǒng)漫游，控制閥門、開關(guān)等操作，而實現(xiàn)交互控制的重點就是碰撞檢測。為了避免平臺中兩個不可穿透的物體彼此穿透，所以在虛擬現(xiàn)實的建模中經(jīng)常會用到碰撞檢測技術(shù)。

本文中的碰撞檢測是根據(jù)兩個物體的相對位置計算它們之間的距離，例如現(xiàn)在進行更換法蘭墊片操作，虛擬人需要行走到設(shè)備前，系統(tǒng)實時檢測虛擬人與設(shè)備的相對位置，當(dāng)人與設(shè)備的距離L超過系統(tǒng)設(shè)定的距離Ls時，則不會發(fā)生碰撞，人繼續(xù)朝著設(shè)備行進，當(dāng)L

4 結(jié)論

本文建立了采油廠安全培訓(xùn)虛擬仿真平臺，通過三維模擬仿真技術(shù)模擬了采油生產(chǎn)過程與典型事故案例的再現(xiàn)事故應(yīng)急。由于在生產(chǎn)崗位中的各種關(guān)鍵設(shè)備，在正常生產(chǎn)情況下是無法看見其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它們的運轉(zhuǎn)情況的，培訓(xùn)時為了能使學(xué)員們了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文在三維軟件中按比例建立了四合一罐實物的整體和分部模型，建立場景數(shù)據(jù)庫，然后進行整體效果渲染，模擬設(shè)備的運行，使學(xué)員有身臨其境之感。

本文中的虛擬仿真平臺融入了采油廠安全培訓(xùn)的知識，并且其平臺的交互性與可操作性極大地增強了培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)效果，提高了操作人員的應(yīng)急處理能力與操作水平，并在很大程度上減小了油田培訓(xùn)的成本，對于油田的數(shù)字化發(fā)展有很大的意義。

參考文獻：

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篇7

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟建設(shè)進程的不斷推進和快速發(fā)展，機械工程行業(yè)開辟了嶄新的天地，在面對前所未有的發(fā)展機遇的同時，機械行業(yè)內(nèi)部之間的競爭也愈演愈烈。在這樣的社會背景之下，現(xiàn)代化的機械工程為了使自身保持健康持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，相關(guān)企業(yè)必須要做到在可控的生產(chǎn)成本范圍內(nèi)獲得最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。所謂虛擬制造技術(shù)指的是通過數(shù)值仿真和模擬等相關(guān)手段來取得最低的機械產(chǎn)品生產(chǎn)成本。因此，對于現(xiàn)代機械工程設(shè)計而言，虛擬制造技術(shù)應(yīng)用的效果直接關(guān)系著行業(yè)的發(fā)展前景。本文針對現(xiàn)代機械工程設(shè)計中的虛擬制造技術(shù)進行了初步的探討。

【關(guān)鍵詞】

機械工程設(shè)計；虛擬制造技術(shù)；機械設(shè)計；探究

1前言

近年來，虛擬技術(shù)在機械工程設(shè)計當(dāng)中取得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，這是由于知識經(jīng)濟時代對產(chǎn)品提出了低成本、快速度、高品質(zhì)等一系列要求。相關(guān)數(shù)據(jù)指出，虛擬制造技術(shù)在幫助企業(yè)提升機械產(chǎn)品質(zhì)量的同時，還可以在很大程度上降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，從而獲取最大化的經(jīng)濟效益。虛擬技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展受到了很多人的關(guān)注并有著廣闊的發(fā)展前景。

2虛擬制造技術(shù)簡介

虛擬制造技術(shù)指的是通過計算機來對模型進行模擬和虛擬分析的一種方式和手段。區(qū)別于傳統(tǒng)的機械設(shè)計技術(shù)，現(xiàn)代化的虛擬制造技術(shù)在很大程度上避免了傳統(tǒng)保守的設(shè)計觀念和手段。虛擬制造技術(shù)實質(zhì)上是機械制造對計算機的一種反射。在虛擬制造技術(shù)的支持下可以在計算機上實現(xiàn)對機械產(chǎn)品的模型設(shè)計、性能分析、產(chǎn)品加工等諸多功能。因此，在實際的生產(chǎn)過程當(dāng)中就不需要再將所有的零部件產(chǎn)品都加工出來，幫助企業(yè)對機械產(chǎn)品的經(jīng)營進行有計劃地管理與控制。

3虛擬制造技術(shù)的核心所在

3．1虛擬制造中的建模技術(shù)

虛擬技術(shù)的虛擬指的是通過計算機語言將現(xiàn)實生產(chǎn)當(dāng)中的機械制造流程映射出來，其中涉及到很多流程和步驟，主要有模型化、形式化以及計算機化等。建模環(huán)節(jié)涉及三種模型的建立。第一，生產(chǎn)模型。生產(chǎn)模型可以宏觀的劃分為動態(tài)和靜態(tài)兩種描述。動態(tài)描述需要基于系統(tǒng)狀態(tài)以及需求性質(zhì)均已知，然后進行全方位的預(yù)測和判斷。靜態(tài)描述主要考察的是系統(tǒng)生產(chǎn)的能力和特性。第二，產(chǎn)品模型。該環(huán)節(jié)的主要工作是對產(chǎn)品的外觀特征以及各參數(shù)進行具體的描述。第三，工藝模型。這個環(huán)節(jié)需要在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程當(dāng)中充分聯(lián)系各工藝參數(shù)，從而將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射出來。

3．2虛擬制造中的仿真技術(shù)

所謂仿真技術(shù)是指通過計算機語言將復(fù)雜的機械生產(chǎn)系統(tǒng)進行模型化處理，對其進行模型化和簡潔化從而獲得最終的系統(tǒng)模型。對于仿真得到的系統(tǒng)模型進行應(yīng)用分析，便可以實現(xiàn)在虛擬狀態(tài)下對產(chǎn)品的性能參數(shù)進行分析。仿真和實際的生產(chǎn)系統(tǒng)是兩個互相獨立的系統(tǒng)，他們之間不會產(chǎn)生相互干擾作用，與此同時，仿真系統(tǒng)可以充分地利用計算機的計算能力，從而大大縮短生產(chǎn)過程當(dāng)中所耗用的時間成本，可以幫助我們最大化地減少人力、物力以及財力的浪費。仿真技術(shù)涉及到的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，其中，制造的仿真和加工的仿真是兩個互相獨立的過程。

3．3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是基于計算機圖像系統(tǒng)、計算機顯示系統(tǒng)以及計算機控制等接口設(shè)備，為人類展現(xiàn)出一種沉浸體驗的計算機技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是為了改善以往使用的傳統(tǒng)的計算機交互方式，從而更好地提升計算機的操作性能。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的操作者、機器以及人機接口是目前為止最有力的一種仿真形式，極大地便利了人們對虛擬環(huán)境的體驗，給人以身臨其境的感覺。

4虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機械工程中的應(yīng)用

4．1具有強大的通用性和功能性

虛擬樣機技術(shù)的建立和發(fā)展離不開分析力學(xué)和多剛體動力學(xué)，這兩門學(xué)科是該技術(shù)得以快速發(fā)展的必要基礎(chǔ)條件，虛擬樣機技術(shù)的核心所在是解決復(fù)雜狀況下的機械系統(tǒng)建模問題。實際上，虛擬樣機軟件在對機械系統(tǒng)的運動進行分析計算的時候絕大多數(shù)采取的都是帶有約束乘子的微分方程。建立該微分方程的基礎(chǔ)是假設(shè)系統(tǒng)當(dāng)中構(gòu)建的自由度是六，對于多余的自由度分別進行限制，從而保證其通用性和適用性。

4．2極大的簡化了建模過程

傳統(tǒng)意義上的建模是在對機械系統(tǒng)的運動狀況進行分析的基礎(chǔ)上作出相應(yīng)的動力分析和計算，因此，該過程當(dāng)中不可避免的是對圖形的分析處理以及相關(guān)公式的大量計算?？紤]到系統(tǒng)運動的復(fù)雜性，所以，圖形及其公式處理都是相當(dāng)繁瑣的，這就導(dǎo)致在對圖形分析和公式計算的時候很容易出現(xiàn)各種各樣的錯誤。與之相對應(yīng)的虛擬制造技術(shù)當(dāng)中的建模不需要做這些大量的前期工作，而僅僅需要工作人員將構(gòu)建的連接方式、基本的物理參數(shù)進行輸入，然后借助強大的計算機來完成后期的分析和求解，不僅大大減少了工作量還有效提升了設(shè)計的精準(zhǔn)度。

4．3具備高效的數(shù)據(jù)處理能力

數(shù)據(jù)處理一直以來都是一個比較繁瑣的過程，出來對數(shù)據(jù)理性的歸納分析以外還必須要求工作人員具備極高的工作素養(yǎng)。虛擬制造技術(shù)不僅幫助我們直觀的看到運動的整個過程，還可以對機械的性能進行全方位的掌握。

5結(jié)語

目前，虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機械工程設(shè)計當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用，充分實現(xiàn)了機械工程設(shè)計的可視化，有效提升了機械行業(yè)的生產(chǎn)效率和水平。虛擬制造技術(shù)作為一種全新的技術(shù)理念，為今后機械制造業(yè)的發(fā)展提供了新的思路和方向。此外，虛擬制造技術(shù)對現(xiàn)代機械工程設(shè)計的強大作用使得其擁有了廣闊的發(fā)展前景，必將對社會生產(chǎn)生活產(chǎn)生更深遠的影響。

作者：黃岳陽 單位：廣西強榮實業(yè)有限公司

參考文獻:

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篇8

【關(guān)鍵詞】proteus仿真技術(shù);單片機教學(xué);改革;問題;作用

因為“單片機技術(shù)”課程是電子信息工程，自動化和機械等專業(yè)的重要部分，所以如果能熟練掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計和熟悉相關(guān)先進技術(shù)將對該專業(yè)學(xué)生的發(fā)展和就業(yè)產(chǎn)生積極影響，也會對proteus仿真技術(shù)和單片機系統(tǒng)的創(chuàng)新有很大幫助。如果想要更詳細和深入地了解單片機教學(xué)改革，就要對單片機的基本概念和單片機教學(xué)問題進行分析，根據(jù)基本認識對改革后的單片機教學(xué)的作用和做法進行闡述。單片機技術(shù)是一門對實踐性要求較高的課程，不僅要求老師在教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生動手能力和操作能力，使學(xué)生具備軟硬件開發(fā)的綜合素質(zhì)，還需要學(xué)生在學(xué)習(xí)中激發(fā)興趣和保證質(zhì)量，使得提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)全能性人才的目標(biāo)得以實現(xiàn)。

1 基于proteus仿真單片機教學(xué)的概述

由于社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)發(fā)展飛速，使得傳統(tǒng)的單片機教學(xué)脫離了發(fā)展趨勢，逐漸被現(xiàn)階段教學(xué)所拋棄。為了挽救這種消極的教學(xué)狀態(tài)，研究人員和老師在實際操作和實驗嘗試中發(fā)現(xiàn)了proteus仿真技術(shù)的有效作用。所以，為了給單片機教學(xué)研究進一步深入做好鋪墊，就需要對傳統(tǒng)教學(xué)模式和proteus仿真技術(shù)及其在單片機教學(xué)改革中的應(yīng)用進行初步了解。除此之外，proteus仿真技術(shù)已經(jīng)在實際應(yīng)用中有了顯著效果，通過把課堂教學(xué)流程分類區(qū)別，搜集與proteus仿真技術(shù)有關(guān)的教學(xué)案例，總結(jié)傳統(tǒng)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，為單片機教學(xué)改革的措施執(zhí)行與作用體現(xiàn)打好基礎(chǔ)。

1.1 傳統(tǒng)單片機教學(xué)的問題

雖然單片機教學(xué)已經(jīng)十分普及，但是其傳統(tǒng)僵化的教學(xué)模式使得學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量都不能得到保證，出現(xiàn)了許多問題。根據(jù)單片機教學(xué)的流程，可以在四個環(huán)節(jié)上總結(jié)出現(xiàn)的問題。第一，課堂教學(xué)。單片機教學(xué)中片內(nèi)資源，程序設(shè)計和接口電路是主要內(nèi)容，但是由于缺乏實際操作而使得學(xué)生在學(xué)習(xí)后也會對知識一知半解。第二，課內(nèi)實驗。驗證性實驗較多的特點使得操作實驗時只是按照連接導(dǎo)線和觀察效果的步驟來做，使得程序編寫和電路設(shè)計完全被忽略，增加了出現(xiàn)錯誤的幾率。第三，課堂設(shè)計。老師在設(shè)計課堂時，偏重于講解和實驗，不重視學(xué)生個體的差異化。第四，畢業(yè)設(shè)計。一方面，學(xué)生對基礎(chǔ)原理和知識不理解，使得實物制作十分困難;另一方面，操作能力和實踐機會的缺乏使得儀器破壞的事件頻發(fā)。

1.2 基于proteus仿真單片機教學(xué)的改革

隨著科技的快速發(fā)展，針對傳統(tǒng)教學(xué)中的問題，對單片機教學(xué)中應(yīng)用proteus仿真技術(shù)的呼聲越來越大。首先，proteus的仿真CPU和電路以及資源庫可以頂替硬件仿真器進行前期實驗，進行調(diào)整后再實際操作，減少實驗中出現(xiàn)偏差和問題的可能性。其次，單片機教學(xué)中直接應(yīng)用proteus仿真技術(shù)。比如，把proteus引入課堂，通過更加真切的仿真技術(shù)使得學(xué)生對單片機系統(tǒng)有一個完整的概念;還可以運用proteus仿真技術(shù)系統(tǒng)中的內(nèi)外模型，針對課堂實驗進行自主設(shè)計再進行檢驗，學(xué)生就能在實驗整體過程中對編寫程序和電路設(shè)計有深刻的認識;另外在畢業(yè)設(shè)計中，老師要給學(xué)生充分的學(xué)習(xí)自主性，在學(xué)生進行選題和仿真時進行技術(shù)指導(dǎo)，既減少硬件投入的浪費和元器件的損壞，又能提高學(xué)生的綜合能力。

2 基于proteus仿真單片機教學(xué)改革的作用

基于對proteus仿真技術(shù)在單片機教學(xué)中應(yīng)用的了解，老師在進行教學(xué)時要在基本理解和創(chuàng)新發(fā)展中提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生能力。所以，為了更好地對proteus仿真技術(shù)進行應(yīng)用，就需要相關(guān)人員在研究中實際操作，熟悉單片機教學(xué)應(yīng)用仿真技術(shù)的做法，總結(jié)出有效的措施和積極的作用，才能在以后的發(fā)展和創(chuàng)新中緊跟教學(xué)改革的潮流，迎合技術(shù)發(fā)展的趨勢。根據(jù)現(xiàn)階段已經(jīng)獲得信息和技術(shù)進行進一步研究，為學(xué)生的學(xué)習(xí)降低難度，為老師的教學(xué)開發(fā)創(chuàng)新，為proteus仿真技術(shù)的發(fā)展和單片機教學(xué)的改革總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，提高積極影響。

2.1 提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)

單片機教學(xué)需要改革一方面是因為教學(xué)方法的落后，另一方面是課程本身特點的難度。如果在課堂教學(xué)中只是進行講解和多媒體展示，學(xué)生對相關(guān)知識不理解，學(xué)習(xí)積極性就會下降。而引進proteus仿真技術(shù)使得課堂實驗變得實際可操作，學(xué)生在把知識具象化的同時鍛煉了操作能力，提高了綜合能力。例如，中斷優(yōu)先級是眾所周知的難點和重點，老師可以在proteus仿真技術(shù)的幫助下對實驗進行程序和電路的設(shè)計，通過操縱不同的開關(guān)演示“高優(yōu)先級中斷能中斷低優(yōu)先級中斷”的現(xiàn)象，學(xué)生在實驗過程中參與思考和實際操作，從而使得學(xué)生能自主學(xué)習(xí)。這種先進技術(shù)的引用不但為課堂教學(xué)和教學(xué)計劃的順利實施提供幫助，而且在促進教學(xué)事業(yè)的發(fā)展，提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)方面有積極作用和良好影響。

2.2 學(xué)生學(xué)用結(jié)合，加強動手能力

針對單片機教學(xué)中學(xué)生時間機會少，動手能力得不到鍛煉的情況，引進proteus仿真技術(shù)使得教學(xué)實驗的操作更加方便，結(jié)果更加直觀，學(xué)生在學(xué)習(xí)到理論知識的同時能進行實驗，這種學(xué)用結(jié)合不但提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率，而且對于綜合能力的培養(yǎng)有很大的幫助。比如，在“拓展單片機RAM技術(shù)”的實驗中，傳統(tǒng)教學(xué)方式通常會因為出現(xiàn)實驗箱顯示和信號出錯等問題，實驗操作不達標(biāo)，導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，學(xué)生把各種知識弄混。但是proteus仿真技術(shù)避免了這些問題，實驗過程和結(jié)果的清晰呈現(xiàn)在幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)計劃的同時，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，對學(xué)生未來的成長和發(fā)展起到良好作用。

2.3 完成獨立操作，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

獨立操作和創(chuàng)新能力的重要性一般體現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計的完成上。由于操作能力不足，實驗設(shè)備易損和創(chuàng)新思維缺乏等的問題出現(xiàn)，使得學(xué)生在完成設(shè)計時沒有信心和決心，這就直接影響了學(xué)生未來的發(fā)展和教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。舉例來說，在單片機接口技術(shù)的實際操作中，首先利用proteus技術(shù)對設(shè)計圖進行仿真檢驗，對出現(xiàn)的錯誤進行糾正;其次是進行實物制作。一般來說，如果仿真結(jié)果正確，安裝和調(diào)試不出錯，就能完成一件優(yōu)秀的畢業(yè)設(shè)計。所以，在進行實驗課堂和畢業(yè)設(shè)計時，需要在正確運用prouteus仿真技術(shù)的前提下，給學(xué)生自主鍛煉和獨立操作的機會，注重創(chuàng)新能力和新型人才的培養(yǎng)，為我國信息技術(shù)教育和相關(guān)先進技術(shù)運用的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

綜上所述，基于proteus仿真單片機教學(xué)改革的研究對轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)理念和優(yōu)化教學(xué)模式有很大幫助。首先需要對單片機教學(xué)的傳統(tǒng)方法和改革進行了解和研究，針對出現(xiàn)的問題進一步分析，才能系統(tǒng)地闡述出應(yīng)用了proteus仿真技術(shù)的單片機教學(xué)的作用。雖然proteus仿真技術(shù)有積極影響，但是在教學(xué)中不能拋棄已有的教學(xué)模式和實驗手段而僅僅依靠虛擬實驗環(huán)境。在應(yīng)用proteus仿真技術(shù)時，既要避免出現(xiàn)其他問題，也要重視其產(chǎn)生經(jīng)濟效益，提高教學(xué)效率和培養(yǎng)學(xué)生軟硬件開發(fā)能力的作用?；趐roteus仿真單片機教學(xué)改革的研究不僅促進了單片機教學(xué)水平的提高，還為信息技術(shù)教學(xué)課程未來的發(fā)展和創(chuàng)新提供了新思路。

參考文獻：

[1] 王京港，張翠平.基于項目驅(qū)動及Proteus仿真的單片機教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2013，（22）：138-139，143.

篇9

關(guān)鍵詞 工程設(shè)計能力；電工電子實習(xí)；教學(xué)資源

中圖分類號：G642.44 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）04-0063-03

Research on Improvement of Education Resources under Goal of Engineering Design Ability： A Case Study of Electrical and Electronic Practice//ZHU Jianhong， WU Xiao

Abstract It is imminent due to great demand for components and

teaching places in electrical and electronic practice teaching. Project

development of virtual laboratory can be integrated into the commu-

nity graduation project， realizing training in engineering design capabilities， saving education funding. Meanwhile， in the practice procession， task decomposition is done according actual situation and virtual environment. Students are free to allocate study time according to their actual situation. With the help of learning videos，

simulation operation is made in advance and self-learning is per-formed using the virtual environment， part of the task is completed，

reducing time of occupation on real experiment room， thereby cushioning problem of laboratory resource constraints， enhancing self-learning ability the same time improving the effectiveness of teaching.

Key words engineering design ability； electrical and electronic practice； teaching resources

1 前言

隨著實體教學(xué)資源的日漸緊缺，網(wǎng)上虛擬實驗室逐漸成為人們研究和應(yīng)用的熱點。虛擬技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用首先借助多媒體技術(shù)動畫演示；其次是仿真技術(shù)中引進電子線路設(shè)計；再后來開發(fā)建立虛擬實驗及虛擬實驗室，來緩沖教學(xué)中的硬件資源問題。因此，許多虛擬儀器及成熟軟件陸續(xù)出現(xiàn)。鑒于專業(yè)背景及應(yīng)用領(lǐng)域差異對實驗仿真模型和工作運行環(huán)境及表現(xiàn)形式等要求不同，虛擬實驗設(shè)計和應(yīng)用方面尚未出現(xiàn)完全通用、符合要求的虛擬實驗運行平臺，需要持續(xù)注入研究開發(fā)[1]。

電工電子實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)面向?qū)I(yè)廣，涉及電工方面與電子方面的元件及儀器儀表檢測設(shè)備繁多，虛擬環(huán)境開發(fā)既有動畫演示操作，又有電路的仿真與調(diào)試、故障的報錯，需要開發(fā)的測試儀器的技術(shù)含量及復(fù)雜程度參差不齊，開發(fā)過程跨多個軟件環(huán)境，加上電工電子技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)、新元件不斷出現(xiàn)，電工電子虛擬實驗室的開發(fā)必將是一個長期積累、不斷完善的過程。虛擬實驗室的建成迎合少投入多產(chǎn)出、資源共享的全新辦學(xué)理念，是高校未來發(fā)展的必然。

2 電工電子類社會人才需求與高校教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置

電工電子類社會人才能力需求 根據(jù)社會對電工電子類人才的職業(yè)能力需求，在專業(yè)能力方面必須具備計算機操作與應(yīng)用能力、電氣識圖與繪圖能力、計算機繪圖能力、電工基本技能應(yīng)用能力、電子基本技能應(yīng)用能力、檢測技術(shù)與常用電工儀表應(yīng)用能力、自動化設(shè)備與生產(chǎn)線安裝調(diào)試及操作能力、自動化設(shè)備與生產(chǎn)線故障排除與維護管理能力等；在社會能力方面必須具有較強的開拓發(fā)展的創(chuàng)新能力；在方法能力方面必須具有較好的對新的技能與知識的學(xué)習(xí)能力、解決問題的方法能力、制訂工作計劃的能力以及具備邏輯性、合理性的科學(xué)思維方法能力。

電工電子實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置的內(nèi)容與目標(biāo) 電工電子實習(xí)為代表的整周實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在高校多專業(yè)均有設(shè)置，實習(xí)的主要目的是將理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生加深對理論知識的理解和鞏固，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生踏實認真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。通過此環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅能夠在理論上了解常用低壓電器的識別與使用方法、各種電子元器件的識別與測量方法、常用電子儀器的使用方法和原理，以及電子產(chǎn)品的制作流程，更能親自動手參與到電子產(chǎn)品的裝配、焊接與故障檢測、調(diào)試過程，為以后的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計積累必備的知識，達到理論知識與實踐動手能力的真正結(jié)合。

實習(xí)的主要內(nèi)容是在充分熟悉和掌握低壓電器、電子元器件以及相關(guān)操作方法的基礎(chǔ)上裝配一個低壓電氣設(shè)備（如收音機、萬用表或其他電氣裝置），主要由元器件識別、焊接方法和技巧訓(xùn)練、設(shè)備工作原理解析及裝配與調(diào)試等幾個環(huán)節(jié)組成。其中裝配與調(diào)試是該實踐較重要的環(huán)節(jié)，有助于提高學(xué)生動手能力、綜合分析能力和解決實際問題的能力，有助于學(xué)生問題分析與解決工程師素質(zhì)的培養(yǎng)。

3 實習(xí)環(huán)節(jié)教學(xué)資源需求現(xiàn)狀分析

實體教學(xué)資源環(huán)境供應(yīng)緊張，設(shè)備更新需求強烈 電工電子實習(xí)環(huán)節(jié)傳統(tǒng)教學(xué)手段基本為全程實體教學(xué)、設(shè)計與制作，此種教學(xué)辦法必須首先以實體教學(xué)資源環(huán)境及師資數(shù)量給予保障。高校的招生規(guī)模逐年擴大，實驗室場地早已超過容限，設(shè)備臺套數(shù)也遠不能滿足逐年遞增的生源需求，烙鐵每批次的損壞率極高，調(diào)試設(shè)備不足，很多都是過時陳舊的設(shè)備，教學(xué)設(shè)備運行保障機制不夠完善，維護工作量大，不能滿足社會日新月異的變化。另外，由于用于該環(huán)節(jié)的實驗室未全配置多媒體設(shè)備，教師只能借用教室統(tǒng)一講解，學(xué)生無法邊聽邊操作。這些都暴露了硬件配置同步問題。

元件供應(yīng)及設(shè)備管理難度增加，影響教學(xué)效果 在實習(xí)過程中，由于每位學(xué)生的元器件都是預(yù)先向廠家定制，許多雜散細小的元器件易損、丟失不便保管，整個過程持續(xù)有學(xué)生索要元器件，部分元器件本地又難以購買，影響實習(xí)進度和產(chǎn)品的裝配，結(jié)合烙鐵的管理問題，無形中加大了實驗室管理難度。另一方面，為便于教學(xué)統(tǒng)一管理，實現(xiàn)成績評分公正公平，實習(xí)內(nèi)容基本固定，元件材料統(tǒng)一預(yù)定，這基本能保證對所學(xué)課程知識的鞏固，但要滿足學(xué)生興趣的多樣性及創(chuàng)新性的拓展實習(xí)，元件備用需求方面有一定難度。部分自我提高要求較高的學(xué)生完成實習(xí)任務(wù)過程中，本想設(shè)計性能更好的電路，也由于缺乏其他類型的元器件及先進的器件而不得不放棄自己的想法。

實習(xí)指導(dǎo)教師工作量明顯增加，現(xiàn)有師資力量顯露不足 學(xué)生裝配實體對象，如收音機，由于整個過程不熟悉原理，靠元器件外形“依葫蘆畫瓢”，加上粗心、焊接基礎(chǔ)差等原因，直接制造了許多故障，須在教師幫助下解決問題，往往出現(xiàn)排隊等候教師幫助的情況，這對實習(xí)指導(dǎo)教師的能力及工作強度也提出很高的要求。另外，鑒于收音機類調(diào)試設(shè)備較昂貴，實驗室設(shè)備投入無法實現(xiàn)人手一套，因此調(diào)試環(huán)節(jié)一直采用實驗室全天開放的形式。這樣雖然可提高設(shè)備利用率，節(jié)省費用，便于學(xué)生充分利用課余時間進行調(diào)試，避免了固定調(diào)試時間學(xué)生搶占調(diào)試設(shè)備及調(diào)試效果不好的情況，但同時也加大了教師的指導(dǎo)工作量與管理強度[2]。

4 虛擬教學(xué)資源在電工電子實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)改進

基于虛擬教學(xué)資源實習(xí)實施計劃再制訂，促進自學(xué)潛能培養(yǎng)，緩解實驗資源壓力 電工電子實習(xí)的任務(wù)包括電子電路的設(shè)計、元件的選擇及認識、電路的裝配及調(diào)試、問題的分析及故障排除。其中電路的裝配及調(diào)試可安排實體實驗室進行，其他環(huán)節(jié)可借助現(xiàn)代化教學(xué)手段，引進虛擬實驗室。部分實習(xí)任務(wù)可在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)首先設(shè)計電路、模擬元件裝配，學(xué)會調(diào)試。實體實驗室配置只是為了檢驗鍛煉學(xué)生的電子電路實體裝配及焊接技術(shù)，故障的排除也可借助仿真技術(shù)解決。因此，在此實習(xí)環(huán)節(jié)，教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容實施安排及計劃中，可針對學(xué)生專業(yè)的差異，改革同模式、固定實習(xí)項目內(nèi)容、定時間、定要求、定步驟的批量培養(yǎng)方式，努力解決新器件、新設(shè)備、新技術(shù)的短缺問題，從有利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的角度，研究新的實習(xí)教學(xué)手段，促進實踐教學(xué)水平提高，緩解實驗室資源、資金及用地壓力。

實習(xí)虛擬環(huán)境功能靈活多變，資源與時俱進，滿足部分實習(xí)任務(wù)需求 基于虛擬聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)平臺的新型實驗場所可擺脫傳統(tǒng)面對面的實體實驗室授課模式約束，給學(xué)生提供一個含有各類虛擬儀器設(shè)備的逼真實驗環(huán)境。其中的儀器設(shè)備有別于商用軟件中預(yù)先已經(jīng)定義好的儀器設(shè)備，可根據(jù)現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展重新“生成”新的儀器設(shè)備，保證教學(xué)內(nèi)容的不斷更新需求，使實習(xí)課題制作及訓(xùn)練能及時跟上測試技術(shù)的發(fā)展。虛擬實驗框架靈活可變，指導(dǎo)教師可以結(jié)合電工電子新技術(shù)發(fā)展持續(xù)完善備用元件庫及檢測儀器設(shè)備數(shù)據(jù)分析功能，實習(xí)者可以依據(jù)大綱，根據(jù)自己的需要和興趣，利用虛擬實驗室的實驗?zāi)Ｐ蛶?，自由搭接、組合、拆裝實驗框架，自行設(shè)計實驗步驟和實驗方法，自主學(xué)習(xí)[3]。在此基礎(chǔ)上，進行實習(xí)內(nèi)容模塊任務(wù)分析，預(yù)先進行電路設(shè)計與調(diào)試，完成部分實習(xí)任務(wù)。

循環(huán)開發(fā)與教學(xué)效果檢驗，以學(xué)生工程設(shè)計能力提升引領(lǐng)虛擬實驗室建設(shè) 虛擬實驗室開發(fā)建設(shè)應(yīng)為長期漸進過程，為減少儀器設(shè)備經(jīng)費的投入，解決高校實驗室經(jīng)費不足問題，其中的建設(shè)模塊可劃分為若干子課題，利用畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)鼓勵指導(dǎo)高年級學(xué)生利用多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)與虛擬技術(shù)相結(jié)合的方法，開發(fā)設(shè)計有別于傳統(tǒng)實驗室的現(xiàn)代化實習(xí)平臺。設(shè)計成果在低年級學(xué)生實習(xí)環(huán)節(jié)中進行應(yīng)用檢驗，檢驗發(fā)現(xiàn)的不足可作為下一年度學(xué)生畢業(yè)設(shè)計課題的立項來源，如此循環(huán)建設(shè)開發(fā)與檢驗、信息反饋與再設(shè)計，持續(xù)推動虛擬實驗室建設(shè)的更新完善，解決資源陳舊問題。通過此類項目的過程鍛煉，學(xué)生在校期間的工程綜合設(shè)計能力明顯得到提高，為順利走向社會打下扎實基礎(chǔ)。

建設(shè)成果聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)資源共享，營造自學(xué)環(huán)境 為解決實習(xí)用地問題，借助互聯(lián)網(wǎng)，將授課實驗室延伸到因特網(wǎng)所覆蓋的任何一個場所，處于不同地理位置的學(xué)習(xí)者可以同時對一個實習(xí)項目進行操作，接觸最新的儀器[4]。實習(xí)者可以在儀器庫中提取所需要的實習(xí)器材，自由進出實驗系統(tǒng)，拓寬實習(xí)的時空觀，提高實習(xí)效率。避免設(shè)備的重復(fù)購置，減少重復(fù)投資，提高辦學(xué)效益，比傳統(tǒng)實習(xí)模式更容易挖掘教學(xué)潛能[5]。同時，不斷設(shè)計增加具有高新技術(shù)的實習(xí)項目，引導(dǎo)學(xué)生接觸電工電子新知識及新技術(shù)，開發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科自主學(xué)習(xí)研究的意識。對學(xué)生的成果進行分析完善與改進，將制作優(yōu)秀的作品加入到虛擬實驗室中，以達到資源共享。

5 小結(jié)

電工電子實習(xí)虛擬環(huán)境建設(shè)作為資源共享平臺，在該平臺上學(xué)生能遠程接受多媒體授課，自主學(xué)習(xí)電工電子電路設(shè)計步驟及工作原理，認識元件的外形及功能，初步實現(xiàn)實體項目電路焊接實驗之前線路設(shè)計測試仿真及調(diào)試功能。平臺承擔(dān)整個實習(xí)環(huán)節(jié)的部分任務(wù)，減少實體實驗室占用時間，緩解了實驗室的壓力。同時在虛擬環(huán)境開發(fā)項目工作中融入高年級工程設(shè)計能力培養(yǎng)部分元素，總?cè)蝿?wù)拆分成若干子項目，作為畢業(yè)設(shè)計課題，引導(dǎo)學(xué)生進行工程設(shè)計開發(fā)，熟悉開發(fā)步驟，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題與解決問題能力，迎合社會對高校人才培養(yǎng)的需求，增強教學(xué)效果。

參考文獻

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[3]劉靜.基于X3D的虛擬實驗平臺研究與實現(xiàn)[D].濟南：山東理工大學(xué)，2008.

篇10

關(guān)鍵詞： 模擬訓(xùn)練器； 遙控武器站； 3DSMAX； Virtools； Qt

中圖分類號： TN964?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0097?04

Research of simulation shooting trainer for a certain remote control weapon station

YANG Shuo， TIAN Xing?ke， CUI Xiao?ying

（China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： The simulation trainer of fire control system is a new training equipment adapted to modern information warfare. A design scheme of shooting trainer is proposed for the fire control system of a certain remote control weapon station. Proceeding from hardware and software， the implementation method of each module is introduced in detail. The signal conditioning box was designed to achieve communication among different signals from the modules. 3DSMAX and Virtools are used to realize and drive three?dimensional virtual battlefield environment and the target. The display and control interface consistent with the real equipment was designed by means of Qt. The simulation results show that the design of shooting trainer can meet the training needs.

Keywords： simulation trainer； remote control weapon station； 3DSMAX； Virtool； Qt

0 引 言

坦克等裝甲車輛是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的重要作戰(zhàn)裝備，但也是對手打擊的重點目標(biāo)。怎樣降低裝甲車輛的損失一直是各國現(xiàn)在研究的重點，遙控武器站便是在這樣一種情況下形成的產(chǎn)物[1]。所謂遙控武器站，又稱頂置武器站，是將武器配置在頂置炮塔上，而車輛乘員在車艙內(nèi)通過遙控實現(xiàn)對武器操縱的一種武器裝備。遙控武器站克服了傳統(tǒng)炮塔對空間的需求，外形將變得更矮小，易于隱蔽；遙控武器站還可以有效降低因二次效應(yīng)對成員和裝備造成的傷害。

由于遙控武器站自身結(jié)構(gòu)和操縱的復(fù)雜性，為在作戰(zhàn)中充分發(fā)揮其威力，車輛乘員必須經(jīng)過長期的訓(xùn)練。然而隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式的快速轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的經(jīng)驗歸納式訓(xùn)練已遠不能滿足當(dāng)前戰(zhàn)爭模式對裝甲車輛乘員訓(xùn)練水平的要求，各國一直在探尋如何使車輛乘員能夠在短時間內(nèi)熟練的操作遙控武器站。近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使裝甲車輛模擬訓(xùn)練成為可能[2?3]。

本文設(shè)計了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器，該模擬射擊訓(xùn)練器所采用的設(shè)備與某型遙控武器站的實裝完全一致。由于實裝火控計算機硬件資源限制，在文中采用工控機替代火控計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。在硬件方面，設(shè)計了一種信號調(diào)理盒，以完成各個模塊間不同信號類型、不同接口間轉(zhuǎn)換。在軟件方面，通過3DSMAX完成了戰(zhàn)場環(huán)境及目標(biāo)的三維建模，通過Virtools完成了模型的視景驅(qū)動，采用Qt搭建了系統(tǒng)所有顯控界面。最后通過串口協(xié)議實現(xiàn)了模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，完成了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬射擊訓(xùn)練器設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計的遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器主要由5個模塊組成：操縱手柄、信號調(diào)理盒、工控機、顯示與控制終端和電源供電模塊。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。各子模塊的功能作用描述如下：

圖1 系統(tǒng)整體框架

1.1 操縱手柄

操縱手柄采用雙手操作與開關(guān)按鈕相結(jié)合的實現(xiàn)方式，通過雙手對手柄垂直/水平方向的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)理想高低/水平方向的角度位移輸入，手柄上的開關(guān)按鈕負責(zé)擊發(fā)復(fù)位、激光測距復(fù)位、光學(xué)變焦、自動裝填彈復(fù)位等動作信號的輸入功能。采用DSP處理器對角度位移信號和開關(guān)按鈕信號進行處理，并通過RS 422總線將處理后的兩種信號送入到信號處理盒中。

1.2 信號調(diào)理盒

由于各模塊之間的輸入/輸出信號、電壓及接口類型上的差異，必須要有硬件裝置實現(xiàn)各不同類型信號接口的轉(zhuǎn)換，才能使各模塊的信號正確地傳輸，以上實現(xiàn)均在信號調(diào)理盒中完成。

1.3 工控機

工控機作為整個系統(tǒng)的核心，接收來自操縱手柄的角度位移信號和開關(guān)按鈕信號，驅(qū)動可視化引擎，實現(xiàn)視景偏移、測距、擊發(fā)和爆炸等動作，同時將視景信號傳輸至顯控終端，實現(xiàn)三維可視化顯示；同時工控機還接收來自顯控終端的系統(tǒng)設(shè)

置指令（校炮，彈種與工作模式選擇，不同視角的畫面切換等），指令處理后反饋至顯控終端，完成人機交互下不同需求的顯示。

1.4 顯控終端

顯控終端采用電路基板與功能單元板組合的形式，完成信號接收處理和顯示，同時具備不同顯示需求的設(shè)置功能。

1.5 電源模塊

完成各個模塊不同需求的供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該模擬器系統(tǒng)中操縱手柄與顯控終端為實裝產(chǎn)品，可直接使用。鑒于不同模塊間的信號協(xié)議不同、接口形式不同及工作電壓的不同，本文設(shè)計了一種信號調(diào)理盒實現(xiàn)了信號調(diào)理、電源供電、電氣接口轉(zhuǎn)換等功能。信號調(diào)理盒連接工控機和其他模塊，是系統(tǒng)所有信號的中轉(zhuǎn)紐帶，其工作原理如圖2所示。圖中實線代表數(shù)據(jù)信號，虛線代表電源信號。

工控機輸出為VGA信號，而顯控終端僅接收LVDS信號，兩種信號類型不同，需將VGA信號轉(zhuǎn)換成LVDS信號。本文設(shè)計了信號調(diào)試板，通過主要系統(tǒng)編程微控制器芯片SM5964和Realtek公司平板顯示控制芯片RTD2013B實現(xiàn)對信號的解碼、轉(zhuǎn)換和編碼等功能，將VGA信號正確轉(zhuǎn)換為LVDS信號。工控機輸入采用的是RS 232串口形式，而操縱手柄和顯控終端采用的是RS4 22串口輸出，因此在信號調(diào)理盒中通過內(nèi)置芯片實現(xiàn)RS 422到RS 232的轉(zhuǎn)換。顯控終端及操縱手柄采用接插件形式傳輸數(shù)據(jù)及視頻信號，而工控機接受的是DB9等形式的接口輸入，因此在信號調(diào)理盒中要實現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換。顯控終端及操縱手柄需要24 V供電，因此還需要在信號調(diào)理盒中采用開關(guān)電源S?50?24將220 V電壓進行變壓處理。

圖2 信號調(diào)理盒組成圖

3 視景仿真軟件總體設(shè)計

視景仿真軟件是模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的核心組成部分，通過三維視景仿真技術(shù)，構(gòu)造坦克等目標(biāo)的三維模型，根據(jù)訓(xùn)練需求虛擬逼真的戰(zhàn)場環(huán)境，如此可代替真實的戰(zhàn)斗場景輸入，實現(xiàn)在整車不上電的條件下即可進行射擊訓(xùn)練[4]。整個視景仿真軟件可分為仿真環(huán)境建模與視景驅(qū)動2個部分，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。仿真環(huán)境制作主要包括：模型設(shè)計、場景構(gòu)造、紋理設(shè)計制作、特效設(shè)計等，它要求構(gòu)造出非常逼真的三維模型和制作逼真的紋理和特效；視景驅(qū)動主要包括：場景驅(qū)動、模型調(diào)動處理、分布交互、大地形處理等，它要求高速逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境，實時響應(yīng)交互操作等。

3.1 基于3DSMAX的仿真環(huán)境制作

3D Studio MAX，簡稱3DSMAX，是目前使用最為廣泛的三維建模、虛擬現(xiàn)實建模的軟件之一。3DSMAX 是一個集成化環(huán)境，把模型的建立、繪圖和渲染以及動畫制作3大部分集成在一起，利用 Windows 的圖形化界面，在一個窗口中即可完成場景建立、渲染和動畫制作等各項工作[5]。

圖3 視景仿真內(nèi)容

本設(shè)計選用3DSMAX對地形、植被、敵對坦克等進行3D匹配建模，不僅可以滿足模擬器訓(xùn)練的實時性和真實感的要求，而且營造了交互性好、沉浸感強的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。大致的制作步驟可分成如下2個步驟：

（1） 建模前需要參照大量的實景和目標(biāo)照片，建模過程需要對照這些實景和目標(biāo)的三視圖作為依據(jù)，把握好透視比例，完成素模制作。這一步驟會大量運用到擠壓、倒角、布爾及線段的圓角和渲染功能；

（2） 完成了素模建立后需要對模型進行貼圖，其中對于一些復(fù)雜模型（坦克，裝甲車等目標(biāo)），還需使Photoshop對其進行紋理繪制[6]。

3.2 基于Virtools的視景驅(qū)動設(shè)計

本文通過Virtools設(shè)計了擊發(fā)、校炮、二次瞄準(zhǔn)等效果。Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件，其具備交互性強、開發(fā)難度低、易學(xué)易用、可擴展性強等特點[7]，并且可以與三維軟件無縫結(jié)合，渲染效果好，能夠保證虛擬實驗具有較高的沉浸感和仿真性，因此本文選用Virtools作為交互功能的實現(xiàn)平臺。

首先利用 Virtools ExPorters輸出插件將上述基于3DSMAX制作的場景、模型輸出成Virtools可直接調(diào)用的.nmo格式文件[8]。然后將模型.nmo格式文件添加到Virtools中，組合運用其各類Building Blocks（互動行為模塊，簡稱BBs） 去實現(xiàn)設(shè)計好的交互功能，整個虛擬實驗開發(fā)完成后，要進行反復(fù)的測試，找出程序流程中出現(xiàn)的錯誤和不足，不斷的進行調(diào)試、完善和優(yōu)化。同時為了實現(xiàn)Virtools 交互程序的可重用性，本文還利用Qt對Virtools 交互程序進行二次開發(fā)，其核心是將Virtools輸出的.cmo文件以控件的形式嵌入到Qt工程中[9]，利用Qt中的QAxWidget類對.cmo文件進行控制。

3.3 基于Qt的界面設(shè)計

由于本文設(shè)計的是基于實裝的模擬訓(xùn)練器，因此除視景部分外應(yīng)該給士兵與實裝完全一樣的視覺效果。本文采用Qt對參數(shù)輸入、系統(tǒng)各項指標(biāo)顯示等界面進行了設(shè)計。

Qt 是一個多平臺的C++ 圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它完全面向?qū)ο螅辛己玫姆庋b機制，模塊化程度高，可重用性好，容易擴展，允許真正的組件編程，提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級圖形用戶界面所需的功能，提供了信號/槽機制替代回調(diào)函數(shù)，使組建間信號傳遞更安全、簡單[10]。它擁有強大類庫具有跨平臺開發(fā)環(huán)境。本文選取Qt制作屏顯界面，設(shè)計流程圖4所示，具體過程為：

（1） 程序初始化，加載初始界面；

（2） 讀取串口數(shù)據(jù)，判斷是否有輸入；

（3） 根據(jù)讀入的串口數(shù)據(jù)及來源進入不同的槽函數(shù)，若無輸入繼續(xù)等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數(shù)據(jù)輸入，則根據(jù)當(dāng)前頁面號用switch語句對不同Widget進行changestatus（由于屏顯界面切換十分復(fù)雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設(shè)計方式，將屏顯區(qū)域劃分為4個部分。在一個project下創(chuàng)建并創(chuàng)建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續(xù)等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數(shù)據(jù)輸入則對應(yīng)視景的變化，如行進、瞄準(zhǔn)、測距、二次瞄準(zhǔn)、射擊等。之后繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù)輸入。

4 仿真結(jié)果

通過視景仿真、界面設(shè)計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器的設(shè)計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構(gòu)建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓(xùn)練的效果如圖6所示。本文設(shè)計的模擬射擊訓(xùn)練器，可以在遙控武器站不上電且不需要其他裝甲車輛等真實目標(biāo)的情況下，對操作人員進行有效而逼真的訓(xùn)練。由仿真結(jié)果可知，該設(shè)計滿足遙控武器站對模擬射擊訓(xùn)練的需求。

5 結(jié) 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進行了初步研究，根據(jù)其特點，確定了系統(tǒng)的總體框架；設(shè)計了一種信號調(diào)理盒實現(xiàn)了不同模塊間的數(shù)據(jù)傳輸和接口轉(zhuǎn)換；利用視景仿真技術(shù)及Qt界面設(shè)計完成了技術(shù)仿真環(huán)境制作與視景驅(qū)動。

圖4 基于Qt界面設(shè)計流程圖

圖5 模擬訓(xùn)練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統(tǒng)的仿真驗證了本文設(shè)計的遙控武器站模擬設(shè)計訓(xùn)練器滿足基本射擊訓(xùn)練任務(wù)的需求?；诖嗽O(shè)計的思想，可以進一步開發(fā)裝甲車輛其他系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練器。

圖6二次瞄準(zhǔn)及擊發(fā)效果圖

參考文獻

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