6-韩宗珠、童思友-中国海洋大学-虚拟仿真实验教学中心资料
虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究
第53卷 第7期 2023年7月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(7):111~117J u l y,2023虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究韩 勇1,2,黄家琛1,马纯永1,2,杨 杰1,2,陈 戈1,2(1.中国海洋大学信息科学与工程学部,山东青岛266000;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266237)摘 要: 本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真㊁海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统㊂结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体㊂系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和C T D 观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量㊂关键词: 虚拟海洋;海浪仿真;船舶仿真;观测实验;实践教学中图法分类号: P 714;T P 391.9 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)07-111-07D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220075引用格式: 韩勇,黄家琛,马纯永,等.虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(7):111-117.H a nY o n g ,H u a n g J i a c h e n ,M aC h u n y o n g ,e t a l .R e s e a r c h o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d i m pl e m e n t a t i o n o n v i r t u a lm a r i n e e n v i -r o n m e n t s i m u l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(7):111-117. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2020Y F B 1710400)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2020Y F B 1710400)收稿日期:2022-02-09;修订日期:2022-03-10作者简介:韩 勇(1969 ),男,教授㊂E -m a i l :y o n gh a n @o u c .e d u .c n 在海洋科学及技术类专业中,出海实践是专业学习的重要组成部分㊂出海实践的教学内容包含理论知识学习㊁仪器设备操作㊁海洋观测实验等内容,是培养涉海专业人才的必要环节㊂但由于教学船只紧张㊁设备费用昂贵及培训周期长等问题[1],许多涉海高校无法开展出海实践课程,难以满足涉海专业学生的培养需求㊂目前中国隶属于高等学校的海洋调查船大多需要承担繁重的科研任务,难以满足广大高校涉海专业学生的实践教学需求,难以保证涉海人才的培养质量㊂因此在船时不足的条件下,一些涉海高校积极寻找新的海洋实践教学方案㊂大连海洋大学为涉海专业建立了虚拟仿真实验教学中心,采用模拟设备与三维仿真相结合的方式实现了驾驶模拟㊁轮机工程模拟和船舶仿真等实训内容[2]㊂江苏海洋大学建立了占地面积3400m2的海洋工程技术研究中心,并配有多种常规海洋仪器和大型海洋仪器,使涉海专业学生能在学校内完成和实践教学相关的训练课程[3]㊂然而,采用搭建真实场景模拟海上实践环境的方式仍旧存在着场景搭建成本高昂㊁后期维护复杂等问题,而且以室内培训为主的教学方式很难还原真实的海洋实践教学环境,导致教学过程缺乏沉浸感,影响教学效果㊂虚拟海洋环境仿真以虚拟现实技术为核心,融合海洋相关学科知识内容,对一定范围内的海洋环境及其相关要素在视㊁听㊁触等方面进行还原㊂虚拟现实技术具有沉浸性㊁交互性㊁想象性的特点[4],能够逼真展现海洋场景中的海浪㊁海风及船舶等关键要素㊂当前对于虚拟海洋环境仿真的研究主要集中在宏观状态下的渲染模拟㊂王顺利等[5]提出一种自适应的深浅海网格模型对海浪进行模拟,郭晓非等[6]使用图标映射法和流线法将海洋环境要素可视化,R a m o s 等[7]提出一种G P U 多线程技术对海浪场景实现实时绘制㊂然而,宏观的虚拟海洋环境仿真普遍缺乏交互性,缺少个体视角对场景要素的观察互动,难以满足涉海高校海洋人才培养的需求㊂因此本文依托中国海洋大学丰富的海洋实践经验,对虚拟海洋环境仿真技术进行研究,在此基础上设计并实现了具有交互性的虚拟海洋仿真系统㊂1 海洋调查船建模及运动仿真海洋环境具有多维性㊁庞杂性的特点[8],为提高其仿真效率,需设置重点观测区域㊂本文将东方红2号海洋综合调查船作为虚拟海洋环境仿真中的主要观测Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年载体,实地采集其表面纹理和结构参数,并使用3d s M a x 软件对船体及其设备器材进行三维建模㊂构建船体及设备模型面片共74000余个,高度还原了东方红2号的船体外观及船上的起重机㊁救生艇㊁绞车等设备细节㊂船体建模效果如图1㊂图1 东方红2号三维模型F i g .1 3Dm o d e l s o f D o n g f a n g h o n g 2现实场景中船舶在海上运动时会受到周围海浪起伏的影响作用,导致船舶姿态发生改变[9]㊂本文采取一种基于浮力变化分析的船舶运动仿真方法,对在不断变化的海面环境中船舶的运动状态进行模拟㊂通过对主船体模型进行体素化,将随海浪高度变化的船体浮力通过分割出的体素矩体进行分析,从而实现对船体运动受力变化的仿真㊂体素化技术是一种将连续几何体分割为一组最接近连续对象体素的技术[10],常应用在各种复杂模型的处理中㊂本文对东方红2号主船体模型网格进行体素分割,以主船体中心为原点建立笛卡尔坐标系,生成最小坐标为(x m i n ,y m i n ,z m i n )㊁最大坐标为(x m a x ,y ma x ,z m a x )的矩体,然后分别沿x ㊁y ㊁z 轴将矩体分割成n 份,最终获得切割后的小型体素,体素的中心坐标(x i ,y j ,z k )如下:x i =x m i n +D x i +12æèçöø÷,i =0,1, ,n -1y j =y m i n +D y j +12æèçöø÷,j =0,1, ,n -1z k =z m i n +D z k +12æèçöø÷,k =0,1, ,n -1ìîíïïïïïïï㊂(1)式中:D x ㊁D y ㊁D z 分别为沿三个坐标轴的分割间隔,且D x =x m a x -x m i n ()/n ;D y =y m a x -y m i n ()/n ;D z =Z m a x -Z m i n ()/n ㊂但主船体模型不是规则的矩体,分割出的小型体素并未全部包含在船体模型网格范围内,因此在完成小型体素切割后,需对获得的体素集合进行筛选㊂本文使用射线检测法排除冗余体素,原理如下:从当前检测体素中心引出朝向主船体模型的射线,并检测碰撞点,若碰撞点为1,则保留当前体素;若碰撞点为0,则标记为冗余体素排除㊂重复以上步骤直到体素集合被遍历,完成筛选㊂完成体素筛选后,对船舶在海面所受的浮力进行分析㊂通过体素化分析,船舶所受的浮力F B 可以分解为所有体素受到的浮力F b i 的集合㊂通过比较体素中心点(x i ,y j ,z k )与同一水平位置(x i ,y j )的海面高度H 1的大小,体素所受浮力F b i可表示为:F b i =r i ρg V ㊂(2)式中:r 为当前体素的浮力系数;ρ为海水密度;V 为体素的体积㊂浮力系数r i 表示如下:r i =1,H 1-z k >L z 2H 1-z kL z2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z2ìîíïïïïïïïï ㊂(3)计算出每个体素的浮力后,通过力矩平衡可以计算出当前船舶的旋转力矩,从而实现对船舶在海面运动状态的模拟㊂系统使用R i g i d b o d y .A d d T o r q u e 函数控制船体首尾的摆动,其摆动幅度受船体所受合力矩大小的影响;使用R i g i d b o d y .A d d F o r c e 函数模拟船体的在垂直方向上的受力,其大小与方向受船体重力与浮力的影响㊂船舶的运动仿真效果如图2㊂图2 东方红2号在海浪中运动F i g .2 M o v e m e n t o f D o n g f a n g h o n g 2i n t h ew a v e s 2 海洋环境仿真技术研究2.1基于G e r s t n e r 波修正的F F T 海浪仿真海浪仿真是海洋环境仿真中的一个关键部分,是多种海洋要素仿真的基础,能极大地影响海洋环境仿真的真实感㊂常见的海浪仿真方法包括基于物理模型建模㊁几何模型建模和海浪波谱建模㊂物理模型模拟海浪计算复杂㊁耗时较长;几何模型仿真海浪真实感较差,难以充分还原真实海浪情况[11]㊂考虑到仿真效率和真实性要求,本文采用基于海浪波谱的仿真方法,使用G e r s t n e r 波模型对海浪进行仿真㊂具体实现步骤如下:211Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究(1)确定波数矢量k ң㊂在海浪仿真所需的空间网格平面x o y 上,沿x 轴和y 轴分别采样N 和M 个点㊂此时波数矢量k ң=(2πn /L x ,2πm /L y ),L x 和L y 分别代表网格平面沿坐标轴的长和宽,n ㊁m 为整数且-N /2ɤn <N /2,-M /2ɤm <M /2㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)㊂H 0 (k ң)=1 2ε1+i ε2() φk ң()㊂(4)式中:ε1和ε2为均值方差相同(均值μ=0,方差σ2=1)㊁互相独立的高斯随机数;φk ң()为P h i l l i p s 谱,是常用于海面风浪模拟的波数谱[12],表达式为:φk ң()=A p k 4æèçöø÷k ң㊃r ң2e x p -1k 2l 2æèçöø÷㊂(5)式中:A p 为P h i l l i ps 谱常数;r ң表示风向;l 表示风速v 与海浪的关系且l =v 2/g ;g 为重力加速度㊂(3)用I F F T 算法反演空间域的海浪顶点高度H x ң,t ()㊂通过式(4)中求得的初始化高度场频谱H 0k (),计算傅里叶振幅值H k ң,t ():H k ң,t ()=H 0k ң()e x p i ωt ()+H *0(-k ң)e x p -i ωt ()㊂(6)式中:H *0是H 0k ()共轭复数;ω是角频率且ω= g k ,其中k 为波数矢量k ң的模㊂得到H k ң,t ()后,使用I F F T算法反演空间域中的海浪顶点高度㊂t 时刻海平面网格上某一点的瞬时波高H x ң,t ()表示为:H x ң,t ()=ð kH 0 (k ң,t )e x p (i k ң㊃x ң)㊂(7)式中:x ң=(x ,y )代表x o y 网格上点的坐标;x ㊁y 分别为采样点在X 轴和Y 轴的坐标数值,表示如下:x =n ㊃L x N ,-N 2ɤn <N 2y =m ㊃L y M ,-M 2ɤm <M 2ìîíïïïï ㊂(8)(4)使用G e r s t n e r 波模型对海浪顶点高度进行位移修正㊂G e r s t n e r 波模型是一种通过多个余弦波叠加而来的有限振幅波[13],适用于大范围海浪的仿真㊂相比使用正弦波海浪平稳的模拟效果,G e r s t n e r 波模拟的海浪波峰被压缩,波谷更宽,更接近真实的海浪波峰波谷情况㊂为实现对海浪受较强海风影响时浪尖受到挤压的效果模拟,根据G e r s t n e r 波模型理论,在t 时刻瞬时波高为H x ң,t ()的点坐标x ң=(x ,y )需要受到C h o p p y 波向量的位移修正,即点的真实位置坐标应当为(x ң+μD x ң,t (),H x ң,t ()),其中μ为偏移参数㊂偏移函数D (x ң,t )表示如下:D x ң,t ()=ð kk k ңH k ң,t ()e x p i k ң㊃x ң()㊂(9)(5)依据偏移修正过的海浪高度数据设置海浪网格平面,然后通过顶点着色器进行海面波纹渲染处理,实现海浪的仿真过程㊂海浪仿真效果如图3㊂图3 海浪仿真效果F i g.3 W a v e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2海风与风海流的粒子仿真2.2.1基于时变风速模型的海风仿真 海风的仿真对海洋学的研究和系统有着至关重要的作用,是海洋观测的重要组成部分[14]㊂系统基于粒子渲染技术,结合矢量场原理模拟三维空间中的海风轨迹,对海风的运动轨迹进行仿真㊂根据风速的变化性质,时变风速模型包含基本风㊁阵风㊁渐变风和随机风四种成分[15]㊂基本风V B 表示在一段时间内的基础风速,其值为常数㊂随机风V N 表示风速的随机变化,系统采用R a n d o m.R a n ge 函数进行模拟㊂基本风与随机风的仿真可通过简单建模完成,因此本文着重介绍阵风与渐变风的仿真过程㊂阵风V G 表示风速的突变性质,用来模拟在短时间内风速的剧烈变化㊂阵风的数学模型为:V G =0,t <t g 或t >t g +T G v g m 1-c o s 2πt -t g ()T G æèçöø÷éëêêùûúú,t g ɤt ɤt g +T G {㊂(10)式中:t 代表当前时间;v g m 代表阵风的最大风速;t g 代表阵风开始时间;T G 代表阵风周期㊂渐变风V R 表示风速在一段时间内的平稳变化,渐变风的数学模型为:V R =0,t <t r 1v r m t -t r 1()/(t r 2-t r 1),t r 1ɤt ɤt r 2v r m ,t r 2<t ìîíïïïï㊂(11)式中:t 代表当前时间;v r m 代表渐变风的最大风速,t r 1代表渐变风的开始时间,t r 2代表渐变风的结束时间㊂本文基于时变风速模型,采用粒子系统P a r t i c l eS y s t e m 对海风进行仿真㊂系统通过S t a r tD e l a y 控制粒子的延迟发射,模拟海风的开始时间;通过S t a r tS pe e d 控制粒子的发射速度,模拟海风的实时风速;通过R o t a t e()函数控制粒子的发射方向,模拟海风的风311Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年向;通过在S h a d e r 中将M a ps 设置为白色箭头,以指示海风前进方向㊂海风仿真效果如图4㊂图4 海风仿真效果F i g.4 S e a b r e e z e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2.2基于粒子迹线绘制的表层风海流仿真 风海流是指在风对海水的摩擦力与海面压力作用下,海水中形成的一种稳定海流[16]㊂根据‘海港水文规范“中对风海流的估算方法,近岸海区表层风海流的流速V u 可以近似为:V u =K V w ㊂(12)式中:V u 表示风海流的流速;V w 表示海面风速;K 代表流速系数,取K 的值为0.03㊂在浅海中,风海流的流向与风向的夹角较小,流向可近似为风的方向[17]㊂系统将2.1.1中的海风风速仿真结果作为输入,计算得出对应风海流的流速㊁流向与风向保持一致,并通过粒子系统进行仿真㊂粒子在场景的空间网格中按一定比例产生,并朝一定方向发射形成迹线,以模拟风海流的运动轨迹㊂在t 0时刻粒子方位表示如下:p t =p 0+ʏt 0vt()d t ㊂(13)式中:vt ()为粒子在t 时刻的运动速度;p 0为粒子发射时的初始位置;t 0代表粒子产生的时间㊂为描述风海流的运动轨迹,在粒子运动时保存其行动迹线,将粒子系统中的T r a i l s 模块的状态设置为激活,将贴图模式设置为拉伸状态S t r e t c h ,以实现粒子的拖尾效果,记录粒子的运动轨迹㊂在W i d t h O v e r T r a i l 中设置拖尾宽度随时间的变化趋势,实现对海流随时间的渐变效果模拟㊂在N o i s e 模块中设置噪声的频率与强度,以模拟实际情况下风海流的不规则运动㊂风海流仿真效果如图5所示㊂图5 风海流仿真效果F i g.5 W i n d c u r r e n t s i m u l a t i o ne f f e c t 3 交互式虚拟海洋仿真系统3.1虚拟海洋环境仿真系统架构本文基于海浪仿真和船舶运动仿真研究,结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,开发了虚拟海洋环境仿真系统㊂系统的结构可分为用户层㊁表现层㊁业务逻辑层和数据层(见图6)㊂用户层对应参与教学的用户角色,包含负责教学引导工作的教师和参与教学实验的学生;表现层包含系统各功能模块,主要有逻辑管理模块㊁用户界面模块㊁动画控制模块㊁用户交互模块㊁仿真实现模块和光学定位模块,通过组件式模块开发实现系统的低耦合度,提高系统的开发测试效率;业务逻辑层包含三维仿真逻辑和观测教学逻辑两大内容,其中三维仿真逻辑主要包含海洋环境仿真过程中的仿真算法逻辑实现,观测教学逻辑主要包括船体参观㊁海风观测和温盐深观测教学的逻辑实现;数据层对应数据存储和数据访问,包含模型数据㊁定位数据和仿真数据㊂图6 交互式虚拟海洋仿真系统结构F i g .6 S t r u c t u r e o f i n t e r a c t i v e v i r t u a lm a r i n e s i m u l a t i o n s ys t e m 3.2系统功能模块系统采用组件式架构,对特定模块的功能和数据进行封装㊂系统具体功能模块划分如下:(1)逻辑管理模块㊂逻辑管理模块主要功能是将各仿真模块按照一定的逻辑顺序组合后统一管理,并提供可与各模块通信的接口㊂逻辑管理模块中实现了系统启动运行及观测教学的逻辑设计,可设置系统的运行状态,编辑教学流程㊂在编辑界面中,可通过设置411Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究S t e p N u m 参数改变流程的步骤数量,拖动O b je c t 设置流程的步骤排序㊂在脚本中调用G e t C o m p o n e n t 函数可获取场景中对象的属性或组件,从而更改对象或组件的状态㊂通过逻辑管理模块,系统实现了教学流程构建,并设计完成了海风观测和C T D 观测的实验逻辑流程㊂(2)用户界面模块㊂用户界面(U s e r i n t e r f a c e ,U I )模块的主要功能是控制系统中U I 的状态开闭与位移旋转㊂系统使用U G U I 系统,制作了主界面登录U I 和场景中的交互U I㊂用户在登录界面登录后,可进入船舱的初始位置开始教学㊂在教学过程中,用户通过V R手柄与U I 上的按钮面板进行交互,即可触发对应的U I 事件,包括知识学习㊁教学考核㊁步骤推进等㊂通过用户界面模块,系统实现了文本㊁影音知识的教学,和教学内容的递进引导㊂(3)动画控制模块㊂动画控制模块的主要功能是控制系统中的动画播放状态㊂系统使用动画控制器A n i m a t o r C o n t r o l l e r 对动画片段C l i p s 进行管理㊂通过设置动画状态的控制参数及不同动画间转换条件,实现对不同C l i ps 的播放切换㊂系统通过动画控制器,实现了对海风观测实验中风向风速仪旋转动画,和C TD 观测实验中的C T D 下放(见图7(a ))收回㊁采水器的开闭等动画播放控制㊂(4)用户交互模块㊂用户交互模块的主要功能是设置场景中用户的手柄触发操作㊂通过V RC o n t r o l l e r 设置虚拟现实手柄的交互方式,用户在场景中可通过手柄进行近距离点按交互和远程射线交互㊂场景中可交互的物体通过标签T a g s 进行标记,当用户的手柄进入其触发范围内时,可激发物体的对应事件,如移动㊁变色㊁消失等㊂当手柄发出的射线接触到地面的传送标记(见图7(b ))时,松开扳机键可触发场景传送功能,实现用户在船舱㊁过道和甲板上的便捷传送㊂此外,通过N e t w o r k i n g 网络框架,系统可实现多终端用户间的协同交互,极大提高了系统的互动性和趣味性㊂图7 C T D 下放(a )及传送标志(b)F i g .7 P l a c i n g C T D (a )a n dm o v i n gi c o n (b ) (5)仿真实现模块㊂仿真实现模块主要负责系统中海洋环境仿真及船舶运动仿真中的运算及渲染功能㊂海浪仿真通过将计算所得网格高度值实时更新到对应的海面渲染器中,实现了对动态变化海浪的模拟㊂船舶运动仿真在物体的包围盒B o u n d s 中生成指定大小的正方体体素,通过射线检测保留在物体网格M e s h 内的体素,并实时分析每个体素与海面的位置关系,最终实现对海面船舶运动的模拟㊂海风仿真基于风速数学模型,将实时计算结果赋予粒子系统的E m i s s i o n 模块,实现对风速时变的海风模拟㊂风海流仿真在海风仿真的基础上,添加粒子拖尾迹线和随机误差,实现对海面表层风海流的模拟㊂(6)光学定位模块㊂光学定位模块主要负责场景中光学定位功能的实现㊂整个光学定位系统由12部F l e x 13摄像头组成,系统可在5mˑ6m 大空间内对多个目标的光学定位㊂视觉定位技术可以分为主动式视觉定位与被动式视觉定位[18]㊂系统采用的被动定位技术是由不同位置的相机拍摄同一场景,并通过对多幅图像中同一点的位置进行计算,来获得该点在空间内的三维坐标㊂本文定位系统使用多目立体视觉模型(见图8),其优势在于弥补了双目立体视觉定位易受环境干扰的缺陷,捕获的图像信息可以经过多次计算,可降低空间点的坐标估计误差㊂图8 多目立体视觉模型F i g.8 M u l t i -v i e ws t e r e o v i s i o n -b a s e dm o d e l 3.3基于虚拟海洋环境的观测实验3.3.1海风观测 海风观测实验使用风向风速仪(见图9(a))作为测量工具,模拟了对东方红2号顶部甲板的风速风向测量㊂在海风速测量实验中,学员通过操作手中的V R 手柄进行风速测量学习㊂实验开始后,虚拟场景中的V R 手柄将会替换为风向风速仪模型,晃动风向风速仪即可开始对场景内的风速㊁风向进行测量㊂风向风速仪的中央屏幕会显示当前位置的实时风速,单位为m /s,同时风杯旋转指示风力大小㊂风向风速仪上方的风标旋转指示风向,单位为(ʎ)㊂如图9(b)所示,学员在场景中手握风向风速仪并保持高举1m i n ,记录风向风速仪显示的平均风速和观察到的最多风向,完成风向风速测量实验㊂511Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年((a )风向风速仪,(b )应用场景㊂(a )A e r o v a n e ;(b )A p pl i c a t i o n s c e n a r i o s .)图9 海风观测F i g.9 S e a b r e e z em e a s u r e m e n t 3.3.2虚实结合的C T D 观测实验 温盐深是海洋物理学的重要参数,是海洋水文观测的基本要素[19]㊂温盐深测量仪(C o n d u c t i v i t y ,t e m p e r a t u r e ,d e p t h ,简称C T D )是海洋研究观测中的重要设备,能够精确获取水体的温盐深数据[20]㊂C T D 由水下单元㊁甲板单元和采水系统三部分组成,其主要功能是采集不同层位的海水㊂实验采用的S B E -911型C T D 采水系统,其搭载的各类高精度传感器可以采集海水的温度㊁盐度㊁压力㊁叶绿素㊁溶解氧等基础观测要素[21]㊂实验设计了C T D 观测实验,包含甲板单元介绍㊁采水单元安装㊁C T D 下放回收等内容㊂实验采用动作捕捉技术设计虚实结合的互动模式,在场景内配置了实体的C T D 采水系统,并放置多个光学M a r k 点进行标记㊂实验过程中深度相机捕获M a r k 点标志,并与M o t i v e 软件中的光学刚体端点进行匹配,将M a r k 点在现实坐标系中的坐标同步给空间坐标系中的光学刚体,然后将光学刚体坐标同步给仿真场景中对应三维模型,从而实现C T D 采水系统在现实场景与仿真场景中的状态同步㊂图10中,学员通过佩戴动作捕捉手套,可实现对现实场景和虚拟场景中C T D 采水设备的同步操作㊂虚实结合的互动方式能极大增强交互的真实感和交互性,从而提高观测实验的系统效果㊂图10 虚实结合交互F i g .10 C o m b i n a t i o n i n t e r a c t i o n o f v i r t u a l i z a t i o n a n d r e a l i t y4 结语本文将虚拟现实技术应用在海洋环境仿真中,通过船只建模及其运动仿真构建虚拟海洋环境观测载体,研究了以海浪仿真㊁海风仿真㊁海流仿真为核心的虚拟海洋环境仿真技术,并在此基础上设计实现了交互式虚拟海洋仿真系统,逼真还原了出海实践教学中海风观测和C T D 观测两大实验内容,扩展了海洋实践教学的形式,提高了海洋人才的培养质量㊂本文通过研究虚拟海洋环境仿真中的多项关键技术,实现了基于实践教学的海洋仿真交互式系统,对涉海高校实践教学的新型模式进行了探索㊂交互式虚拟海洋仿真系统在一定程度上弥补了当前高校海洋调查船难以满足人才培养需求的缺陷,避免了真实海洋实践过程中可能的安全隐患㊂虽然现阶段虚拟仿真系统无法完全取代真正的出海实践教学,但它可作为高校出海实践的有效补充,以提高教学资源的利用效率并缩短海洋人才的培训周期㊂随着海洋环境仿真技术与交互技术的进一步发展,虚拟海洋仿真技术将在高校海洋实践课程中获得更广泛的应用㊂参考文献:[1] 林昆勇.中国海洋科技创新发展的历程㊁经验及建议[J ].科技导报,2021,39(20):19-32.L i nKY .T h e c o u r s e o f i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C h i n a 'sm a r i n e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y :Ar e v i e wo f e x p e r i e n c ea n dc o u n t e r m e a s u r e s [J ].S c i e n c e&T e c h n o l o g y R e v i e w ,2021,39(20):19-32.[2] 隋江华,李昕,张堂伟.海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨[J ].航海教育研究,2015,32(3):70-75.S u i JH ,L iX ,Z h a n g T W.P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o no nt h ec o n -s t r u c t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g c e n t e r f o rm a r i n e s p e c i a l t y [J ].M a r i t i m eE d u c a t i o nR e s e a r c h ,2015,32(3):70-75.[3] 田慧娟,周立,汤均博,等.海洋实践教学观测平台的建设与应用探索[J ].实验技术与管理,2020,37(11):261-263.T i a nHJ ,Z h o uL ,T a n g JB ,e t a l .E x pl o r a t i o no nc o n s t r u c t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f o b s e r v a t i o n p l a t f o r mf o rm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h -i n g [J ].E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a ge m e n t ,2020,37(11):261-263.[4] D a n g x i a oW ,Y u a nG ,S h i y i L ,e t a l .H a p t i c d i s p l a yf o r v i r t u a l r e -a l i t y :P r og r e s sa n dch a l l e n g e s [J ].Vi r t u a lR e a l i t y &I n t e l l i ge n t H a r d w a r e ,2019,1(2):136-162.[5] 王顺利,康凤举,徐建华.通用化海浪仿真关键技术研究[J ].系统仿真学报,2017,29(2):381-386.W a n g SL .K a n g FJ,X u JH.R e s e a r c ho n g e n e r a l o c e a n s i m u l a -t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f S y s t e mS i m u l a t i o n ,2017,29(2):381-386.[6] 郭晓非,朱俊利,万剑华,等.基于C e s i u m 的海洋环境要素三维可视化研究[J ].海洋科学,2021,45(5):130-136.G u oXF ,Z h u J L ,W a n JH ,e t a l .3Dv i s u a l i z a t i o n o fm a r i n e e n -v i r o n m e n t a l e l e m e n t s b a s e d o nC e s i u m [J ].M a r i n e S c i e n c e s ,2021,45(5):130-136.[7] P u i g -C e n t e l l e sA ,R a m o sF ,R i p o l l e sO ,e ta l .V i e w -d e pe n d e n t t e s s e l l a t i o na n ds i m u l a t i o no fo c e a ns u rf a c e s [J ].T h eS c i e n t i f i c W o r l d J o u r n a l ,2014(2014):1-12.[8] 薄文波.海洋环境仿真系统的若干问题分析[J ].电子世界,2018(23):43-44.B oW B .A n a l y s i so f p r o b l e m s i n m a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n 611Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究s y s t e m[J].E l e c t r o n i c sW o r l d,2018(23):43-44.[9]黄松兴,焦甲龙,陈超核.方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略[J].浙江大学学报(工学版),2021,55(8):1473-1481.H u a n g SX,J i a o JL,C h e nC H.S h i p m o t i o nr e s p o n s e s i nc r o s sw a v e a n d r e l a t e d s a f en a v i g a t i o ns t r a t e g y[J].J o u r n a l o fZ h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),2021,55(8):1473-1481. [10] K a u f m a nA,C o h e nD,Y a g e l R.V o l u m e g r a p h i c s[J].C o m p u t e r,1993,26(7):51-64.[11]张文桥.动态海浪建模与仿真的关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2017.Z h a n g W Q.R e s e a r c ho nK e y T e c h n i q u e so fD y n a m i cO c e a n W a v e M o d e l i n g[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2017. [12]B a d u l i nS I,Z a k h a r o vVE.T h e P h i l l i p s s p e c t r u ma n d am o d e l o fw i n d-w a v e d i s s i p a t i o n[J].T h e o r e t i c a l a n dM a t h e m a t i c a l P h y s i c s, 2020,202(3):309-318.[13] N o u g u i e r F,G uér i nCA,C h a p r o nB. C h o p p y w a v e m o d e l f o rn o n l i n e a r g r a v i t y w a v e s[J].J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h: O c e a n s,2009,114(C9):1-16.[14]王国峰,赵永生,范云生.风速风向测量误差补偿算法的研究[J].仪器仪表学报,2013,34(4):786-790.W a n g GF,Z h a oYS,F a nYS.R e s e a r c ho n e r r o r c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mf o rw i n d s p e e da n dd i r e c t i o nm e a s u r e m e n t[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t,2013,34(4):786-790. [15]张真源,刘国荣,杨小亮,等.基于R B F神经网络的参数自适应P I D变桨控制器的设计[J].电力系统及其自动化学报,2020,32(5):16-23.Z h a n g ZY,L i uGL,Y a n g XL,e t a l.D e s i g n o f R B F n e u r a l n e t-w o r k b a s e d p a r a m e t e r a d a p t i v e P I D p i t c h c o n t r o l l e r[J].P r o c e e d-i n g s o f t h eC S U-E P S A,2020,32(5):16-23.[16]陈邦杆,洪广鹏,胡宗敏.码头设计流速探析[J].水运工程,2016(2):76-80.C h e nBG,H o n g G P,H uZ M.O nd e s i g n e df l o wv e l o c i t y o fw h a r f[J].P o r t&W a t e r w a y E n g i n e e r i n g,2016(2):76-80.[17]韩庆楠.基于电子海图系统的海流对船舶航迹影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.H a nQ N.R e s e a r c h o f t h e I n f l u e n c e o f t h eO c e a nC u r r e n t o n t h eS h i p T r a c kB a s e do nE C D I S[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,2008.[18] D e n g FP,H o n g G,Z h a n g S,e t a l.R e s e a r c h o nM o t i o nS e n s i n gI n t e r a c t i o nT e c h n o l o g y B a s e do nH T CV i v e[C].X i'a n:I n t e r n a-t i o n a l C o n f e r e n c e o nM a c h i n e r y,M a t e r i a l s a n d I n f o r m a t i o nT e c h-n o l o g y A p p l i c a t i o n s,2017.[19]张龙,叶松,周树道,等.海水温盐深剖面测量技术综述[J].海洋通报,2017,36(5):481-489.Z h a n g L,Y e S,Z h o uSD,e t a l.R e v i e wo fm e a s u r e m e n t t e c h-n i q u e s f o r t e m p e r a t u r e,s a l i n i t y a n d d e p t h p r o f i l e o f s e aw a t e r[J].M a r i n e S c i e n c e B u l l e t i n,2017,36(5):481-489.[20] H a n b a iF,A nP,M i a o m i a oQ.R e s e a r c ho nE x p e n d a b l eS e a w a t e rC o n d u c t i v i t y M e a s u r e m e n t S y s t e m[C].D a l i a n:20102n d I n t e r n a t i o n-a l C o n f e r e n c e o nS i g n a l P r o c e s s i n g S y s t e m s.I E E E,2010(1):115-118.[21]柴永平,占祥生.M V P在综合调测中对多波束声速改正的应用[J].海洋技术学报,2019,38(6):30-34.C h a i Y P,Z h a n X S.A p p l i c a t i o no f t h e M V Pf o r m u l t i-b e a ms o u n d v e l o c i t y c o r r e c t i o n[J].J o u r n a l o f O c e a nT e c h n o l o g y,2019, 38(6):30-34.R e s e a r c h o nK e y T e c h n o l o g i e s a n d I m p l e m e n t a t i o n o nV i r t u a l M a r i n eE n v i r o n m e n t S i m u l a t i o nH a nY o n g1,2,H u a n g J i a c h e n1,M aC h u n y o n g1,2,Y a n g J i e1,2,C h e nG e1,2(1.F a c u l t y o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266000,C h i n a;2.T h e L a b o r a t o r yf o rR eg i o n a l O c e a n o g r a ph y a n dN u m e ri c a lM o d e l i n g,P i l o tN a t i o n a l L a b o r a t o r y f o rM a r i n e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y(Q i n g d-a o),Q i n g d a o266237,C h i n a)A b s t r a c t: V i r t u a lm a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t ou n d e r s t a n da n dr e s e a r c h o c e a n.T h e p a p e r u t i l i z e d v i r t u a l r e a l i t y a n d v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y t o r e s e a r c h t h e s i m u l a t i o n o f w a v e, s e a b r e e z e,w i n d c u r r e n t a n d s o m e o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s i n v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t,a n d d e v e l o p e d a n i n t e r a c t i v e v i r t u a l o c e a n s i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n t h e r e s e a r c h r e s u l t s.C o m b i n e dw i t h t h e a b u n-d a n tm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h i n g e x p e r i e n c e o f O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,t h e D o n g f a n g h o n g2m a r i n e s u r-v e y v e s s e l w a sm o d e l e d i n t h r e e d i m e n s i o n s,a n d i t sm o v e m e n t o n t h e s e aw a s s i m u l a t e d b y v o x e l a n a l y-s i sm e t h o d.I n t h i sw a y,a v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t o b s e r v a t i o n c a r r i e rw a s c o n s t r u c t e d.T h e s y s t e m d e s i g n e d o b s e r v a t i o n e x p e r i m e n t s b a s e d o n p r a c t i c e t e a c h i n g o fm a r i n e r e l a t e d s p e c i a l t y,r e s t o r i n g t h e s e a b r e e z em e a s u r e m e n t a n d C T Dm e a s u r e m e n t.I n t h i s w a y,i t c a n e f f e c t i v e l y a l l e v i a t e t h e s h o r t a g e o f t e a c h i n g r e-s o u r c e s i n r e l a t e d u n i v e r s i t i e s,a n d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t r a i n i n g q u a l i t y o fm a r i n e t a l e n t s.K e y w o r d s: v i r t u a l o c e a n;s e aw a v es i m u l a t i o n;s h i p s i m u l a t i o n;o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t;p r a c t i c a l t e a c h i n g责任编辑庞旻711Copyright©博看网. 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M^(n)(c)×R_(1)中具有三个不同特征值的伪平行类空超曲面
特征具有一定意义.对于空间形式及黎曼乘积空间
中的伪平行超曲面的分类已经得到许多深刻的结
果[4].关 于 伪 黎 曼 空 间 形 式 中 伪 平 行 超 曲 面 还 没
有完全分 类 结 果,但 也 得 到 了 许 多 深 刻 的 结 论,
收稿日期:2019
11
j}使得 Tk ≠0.由方程(
{
,
}
,
)
T ⊥ ei ej 根据方程(
9 得到λiλj=c+φ;
情形2:
T ∈s
ei,
ej },根 据 方 程 (
11)得 到
pan{
λiλj=cc
o
s
h2θ+φ;
由以上讨论,假设 Aη 的三个特征值为ν,
λ,
μ,
对应特征向量的下标组成的集合分别记为 A,
B,
C.
则λμ,
AηX ,
T>
定义 1 设 f:
Σn →Mn (
c)×R1 是等距浸入,
若对于任意的 X ,
Y ∈TΣ ,存在 Σ 上的实值光滑
n
n
函数φ,使得
R(
X,
Y)·B =φ(
X ∧Y)·B
则称f 是伪平行浸入.
或
2
λiλj +φ)=0
+ε
(
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的八个模型以来,许多数学工作者对与该结论相关
的乘积空间中子流形问题进行了深入研究,并将其
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大学科学实验教学中心实验室智能管理系统解决方案
变更滚动新闻内容，支持图片、声音、影像等形式信息载体的在线发布。 � 滚动通知：滚动显示海洋生命科学实验教学中心最新的实验室通知。管 理人员以后台维护程序作为信息发布的支撑，可以方便的变更滚动通知 内容，支持图片、声音、影像等形式信息载体的在线发布。 � 实验室新闻：显示海洋生命科学实验教学中心发布所有的实验室方面新 闻、科研动态等。管理人员以后台维护程序作为信息发布的支撑，可以 方便的变更实验室新闻内容，支持图片、声音、影像等形式信息载体的 在线发布。 � � � 资料下载：提供日常教学、管理中使用的各种表格、资料下载。 实验设备信息：实时显示每个实验分室的设备使用、空闲、维护情况。 开放实验课程：显示开设的开放实验课程的相关信息，如开课时间、考 试方式、课程简介等。 2. 用户管理
中国海洋大学海洋生命科学实验教学中心实验室 智能管理系统解决方案
目
录
1. 2. 3.
系统简介.................................................................................................................1 系统特点.................................................................................................................1 开放教学管理平台.................................................................................................2 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 管理目标...................................................................................................... 2 框架图.......................................................................................................... 3 功能介绍...................................................................................................... 3 拓扑结构.................................................................................................... 10
物流包装虚拟仿真实验教学系统建设与实践
物流包装虚拟仿真实验教学系统建设与实践作者：王君刘华琼李秋霞侯贻蒙来源：《绿色包装》2021年第12期摘要：为践行我国物流专业“文工融合”，培养能够适应现代物流发展的实践型应用复合人才，以山东交通学院为例，建设了物流包装设计与测评虚拟仿真实验教学系统，阐述了该虚拟仿真实验教学系统的设计思路、建设内容和实践应用。
系统真实还原电视机、电冰箱、木质家具、浴室柜四类典型产品，嵌入物流包装工程实践中必备的缓冲包装设计、外包装设计、包装件性能实验三大模块相关知识体系，采用“线上学习+实验认知+仿真实训+实验验证+见习实践”五阶段多维度重复训练的教学方法，充分调动学生的工程实践能力，提升了物流包装实验教学效果，实现了实验教学资源的高效利用与共享。
关键词：物流包装；设计；测评；虚拟仿真；实验教学中图分类号：G642.0；TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 12-0045-06基金项目：山东交通学院本科教学改革研究项目（2020YB23）；山东交通学院博士科研启动基金（BS201901032）Establishment and Practice of Virtual Simulation Experimental Teaching System for Logistics PackagingWANG Jun， LIU Hua-qiong， LI Qiu-xia， HOU Yi-meng（Shandong jiaotong university，Jinan 250357， China）Abstract：To realize “Liberal arts - Engineering Integration” of logistics specialty in China，and to train the modern logistics applied compound talents， Shandong Jiaotong University established the logistics packaging design and evaluation of virtual simulation experiment teaching system. Herein， the design ideas， contents and practice of the teaching system were elaborated. In the system， four types of typical products （TV， refrigerator， wooden furniture， bathroom cabinet） were virtually restored， and three related knowledge modules （cushion packaging design， packaging design， packaging performance experiment） were embedded. The five-phase teaching method which is “online learning + cognitive training + simulation virtual experiments + field experimental verification + trainee practice” was adopted multidimensionally and repeatedly in practice. It can fully mobilize the engineering operation ability for the students， improve the experimental teaching effect of logistics packaging， and realize the usage efficiency and sharing of the virtual experimental teaching resources.Key words： logistics packaging； design； testing and evaluation； virtual simulation；experimental teaching教育信息化是信息时代深化人才培养教育改革、加强实践教学的必然要求。
虚拟仿真实验在海洋仪器使用与维护课堂教学中的应用
虚拟仿真实验在海洋仪器使用与维护课堂教学中的应用作者：王淑青雷桂斌杨婧灵来源：《大学教育》2020年第02期[摘要]海洋仪器使用与维护课程具有实践性、综合性、多学科性的特点，由于海洋仪器一般价格昂贵，出海实验成本高，难以满足实验教学的需要探讨虚拟仿真在海洋仪器使用与维护课堂教学的可行性和必要性，阐述虚拟仿真在海洋仪器使用与维护课程翻转课堂教学中的应用，坚持“能实不虚、虚实结合”，推动教学内容的改革，促进教学方式的创新，为海洋技术和海洋科学专业的教学改革提供一种新思路。
[关键词]虚拟仿真;海洋仪器使用与维护;海洋技术;海洋科学;实验教学[中图分类号]G642 [文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2020）02-0084-03“创新是从根本上打开增长之锁的钥匙。
以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等技术日新月异，虚拟经济与实体经济的结合，将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。
”[1]虚拟现实技术是现代教学手段的技术平台。
在《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中，虚拟仿真实验教学被列为高等教育信息化建设的重要内容之一，其本质特征是深度融合计算机技术拓展传统实验教学方式的新型教学模式。
《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》指出，于2017-2020年在普通本科高等学校遴选国家级虚拟仿真实验教学项目。
一、海洋仪器使用与维护课程采用传统教学存在的问题（一）海洋仪器内容广泛海洋仪器是用来观察、测量海洋要素的基本工具[2]，其测量种类繁多，如水文、气象、物理、化学、生物、地质等要素的时空分布规律。
测量要素涵盖了水色、透明度、盐度、海冰、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐、海流、波浪、潮汐、内波、水温、水深、硝酸盐等，以及该海区的水文气象要素，各种天气现象，内容多且繁杂。
受学时和实验室设备资源的限制，学生无法对每一个测量仪器都进行实际操作，这导致学生对海洋仪器的使用缺乏足够的专业训练，只能勉强达到预期的教学目标。
BP神经网络在滚动轴承故障诊断中的应用研究
BP神经网络在滚动轴承故障诊断中的应用研究作者：王尉旭周豪洪朝银来源：《无线互联科技》2024年第05期摘要：反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network ，BPNN）是一种深度学习模型，在各个领域都有重要应用。
文章以滚动轴承故障诊断为例，探讨了BP神经网络在其中的应用。
文章通过运用及优化BP神经网络，对凯斯西储大学提供的轴承故障数据加窗后进行离散傅里叶变换处理，再进行峰值特征提取，然后利用该数据进行神经网络模型的学习和预测，构建了一个能够准确预测轴承故障类型的网络模型。
该模型能够提高轴承故障诊断的效率和准确性，具有重要的实用价值。
关键词：BP神经网络；故障诊断；滚动轴承中图分类号：TP183；TP277文献标志码：A0 引言随着科技的飞速发展，人工智能技术逐渐渗透到各个领域，为人类社会带来了前所未有的变革。
作为人工智能领域的重要分支，神经网络的研究和应用备受关注。
当前数据处理领域存在诸多复杂的非线性问题，在工业领域中，滚动轴承的故障诊断就是一个典型的例子。
这些非线性问题往往很难通过传统的数据处理方法去解决，因为传统的数据处理方法无法很好地捕捉数据之间复杂的非线性关系，而神经网络技术就在其中发挥了重要的作用。
例如BP神经网络，以其强大的映射能力和自学习能力，为解决许多复杂的非线性问题提供了有效途径。
本文旨在探讨BP神经网络的技术原理和应用，通过深入剖析其基本原理和算法，揭示其内在的规律和特点，并介绍了BP神经网络的应用。
以滚动轴承故障诊断为例，本文对BP神经网络在工业领域的应用效果和优势进行了研究，为相关领域的研究和实践提供支持。
1 BP神经网络原理BP神经网络的基于反向传播算法，是一种自动调整神经网络权重的方法，通过每个神经元的输出误差调整神经网络中的权重，以达到最佳的输出结果。
与其他前馈神经网络不同，BP神经网络能够自动提取输入和输出数据之间的“合理规则”，并自适应地将学习内容记忆于网络的权值中［1］。
2.地质认识实习
中国海洋大学本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1. 课程描述：地质认识实习是地质教学活动的基本环节，也是理论与实践结合、技能训练和综合素质培养的有效途径，目的是培养学生观察、认识地质现象，训练野外地质工作方法和基本技能。
课程内容包括地质罗盘的使用，矿物的肉眼鉴定，区分三大岩类，认识实习区岩石地层单位、接触关系及断裂的识别标志，了解矿床的成因及成矿作用。
结合素质培养与业务教育，树立良好的思想作风、实事求是的工作态度、吃苦耐劳和为科学事业献身的精神是地质认识实习的最重要内容。
要求学生提交图切地质剖面图、地质简图、地层综合柱状图和实习报告。
Geological field training is an important part of practical teaching of Earth Science. Its purpose is to enable students to acquire basic skills and methods required by geological work through comprehensively training. This course enables students to master in the use of geological compass, megascopic determination of minerals and rocks, recognition of lithostratigraphic unit, stratigraphic contact relationship and distinction marks of fault in practice region. One of another important content is to foster students a pragmatic attitude and the spirit to bear hardships and hard work. Each student is required to submit an integrated- 1 -geological map and a practice report.2. 设计思路：地质认识实习是《地质学基础》理论教学完成之后的外业实践教学活动，对后续的专业理论课程起到承前启后的作用，是理论应用于实践必不可少的“筑基”教学环节。
基于IdeaVR的虚拟仿真实验系统设计与实现
第２４卷第１期２０２１年１月㊀㊀㊀西安文理学院学报(自然科学版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ ２４㊀Ｎｏ １Ｊａｎ ２０２１文章编号:１００８￣５５６４(２０２１)０１￣００３４￣０８基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现孙美丽ꎬ曾佩枫ꎬ常㊀勇(山东师范大学地理与环境学院ꎬ济南２５０３５８)摘㊀要:虚拟现实技术(ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙꎬＶＲ)具有沉浸感㊁实时交互㊁多人协同等特性ꎬ在教育领域中有着十分重要的应用价值.通过收集数据ꎬ利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ进行三维模型的构建ꎬ再利用ＩｄｅａＶＲ平台搭建整个三维场景㊁编辑交互动画ꎬ基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统实现了三维导航及漫游㊁实时信息查询㊁多人协同操作以及回忆测试等功能.实验结果表明ꎬ该系统可以让学生通过先进的虚拟现实硬件设备在沉浸式虚拟现实环境中进行交互式㊁协同式的操作和学习ꎬ与传统教学方式相比ꎬ大大增加了学生的兴趣㊁投入感和满足感ꎬ提高了认知效果和学习效率ꎬ从而证明了ＶＲ技术的实用性.关键词:虚拟现实技术ꎻ沉浸感ꎻ实时交互ꎻ多人协同ꎻ虚拟仿真实验系统ꎻＩｄｅａＶＲ中图分类号:ＴＰ３９１.９文献标志码:ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩｄｅａＶＲＳＵＮＭｅｉ￣ｌｉꎬＺＥＮＧＰｅｉ￣ｆｅｎｇꎬＣＨＡＮＧＹｏｎｇ(ＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＣｏｌｌｅｇｅꎬＳｈａｎｄｏｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５０３５８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ(ＶＲ)ｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｍｍｅｒｓｉｏｎꎬｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎬｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎａｎｄｓｏｏｎꎬａｎｄｈａｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｅｄｕｃａｔｉｏｎ.ＢｙｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｄａｔａꎬＳｋｅｔｃｈＵｐｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅ３ＤｍｏｄｅｌꎬａｎｄＩｄｅａＶＲｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｗｈｏｌｅ３Ｄｓｃｅｎｅａｎｄｅｄｉｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｉｍａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩｄｅａＶＲｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ３Ｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒｏａｍｉｎｇꎬｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｑｕｅｒｙꎬｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｃａｌｌｔｅｓｔ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ￣ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｌｅｔｓｔｕｄｅｎｔｓｃａｒｒｙｏｕｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｄｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｉｎｔｈｅｉｍｍｅｒｓｉｖｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｙｕｓｉｎｇａｄｖａｎｃｅｄｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｈａｒｄｗａｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅａｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄꎬｉｔｇｒｅａｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎ￣ｔｅｒｅｓｔꎬｓｅｎｓｅｏｆｅｎｇａｇｅｍｅｎｔａｎｄｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎꎬａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｃｏｇｎｉｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｅｆ￣ｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＶＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｉｍｍｅｒｓｉｖｅꎻｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎻｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｓｃｏｌｌａｂｏ￣ｒａｔｉｏｎꎻｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎻＩｄｅａＶＲ收稿日期:２０２０－０６－０８基金项目:２０１９年教育部产学合作协同育人项目(２０１９０１２０５０１９): 旅游与地理虚拟仿真实验教学作者简介:孙美丽(１９９７ )ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ山东师范大学地理与环境学院硕士研究生ꎬ主要从事虚拟现实ꎬ地理信息三维可视化研究.通讯作者:常㊀勇(１９６８ )ꎬ男ꎬ山东德州人ꎬ山东师范大学地理与环境学院副教授ꎬ博士ꎬ主要从事虚拟现实ꎬ地理信息三维可视化研究.虚拟现实技术是以计算机技术为核心ꎬ生成与一定范围真实环境在视㊁听㊁触感等方面近似的数字化环境[１].作为一种可以创造和体验虚拟世界的计算机技术ꎬ它利用计算机生成仿真环境ꎬ借助虚拟头盔显示器(以下简称头显)㊁无线控制器手柄等设备ꎬ使用户实时感知和操作虚拟世界中的对象[２]ꎬ获得身临其境般的感受.相对于计算机ꎬＶＲ将扁平的虚拟世界提升到三维立体的虚拟世界ꎬ其操控交互方式更加拟人化㊁自然化[３].随着科学技术的不断发展ꎬ计算机㊁平板电脑㊁手机等智能设备的日渐普及ꎬ网络的飞速发展ꎬ传统图片与文字等相关交互模式已经很难满足民众的多元化需求ꎬ沉浸式或者多元化的交互模式无疑会成为今后重要的发展趋势[４].因此ꎬ虚拟现实技术飞速发展ꎬ越来越多的虚拟仿真场景被应用于各个行业ꎬ给人类的生活和生产带来了巨大的变化ꎬ如实时人机交互技术能够让用户体验到高度的参与感和真实感[５].从这样的观点来看ꎬ将虚拟现实技术与专业理论教育及专业仪器拆装训练相结合ꎬ既可以解决一些用文字和传统图片难以说明和解释的学习内容ꎬ还可以期待通过一系列的人机交互功能使学习者高度参与到虚拟训练中ꎬ进而提高学习效果.因此ꎬ本文的目的是基于虚拟现实和人机交互技术ꎬ利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ及ＩｄｅａＶＲ开发一个具有良好沉浸感㊁交互性和多人协同能力的虚拟仿真实验系统ꎬ用于三维导航及漫游㊁实时信息查询㊁多人协同操作以及回忆测试等虚拟训练ꎬ以探讨ＶＲ技术在教育领域中的实用价值.１㊀系统架构将虚拟仿真技术与传统的测绘实习仪器全站仪的相关课程相结合ꎬ即 虚实结合 的原理ꎬ运用ＳｋｅｔｃｈＵｐ和ＩｄｅａＶＲ开发具有良好沉浸感㊁交互性和多人协同能力的虚拟仿真实验系统.系统的实现主要包括前期的数据收集ꎬ经过处理后ꎬ在建模软件中进行整个三维模型的构建ꎬ然后将整个三维模型导入ＩｄｅａＶＲ编辑器中进行三维场景的搭建以及各项系统功能的设计与实现ꎬ最终通过交互设备ꎬ对整个系统进行效果验证.系统的总体设计和架构如图１所示.图１㊀系统架构图２㊀数据获取及三维模型构建２.１㊀数据获取通过组织项目人员直接用全站仪或者ＧＰＳ等测量仪器对所需要构建三维模型的建筑进行测量ꎬ得到相关的参数数据ꎬ再通过在谷歌㊁天地图等一些在线地图中ꎬ获得所需位置的平面效果图数据ꎬ最后通过实地考察拍摄ꎬ拍摄实地建筑景观的全景图片作为该对象建模的完整参照图.２.２㊀三维模型构建三维模型的建立是整个虚拟实验场景的基础ꎬ能够模拟现实世界的物理特性[６].这决定了学习者是否能够直观体验真实的物理情境ꎬ以及动态交互所提供的逼真的沉浸式虚拟现实环境.三维模型构建的具体流程如下:５３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现(１)ＳｋｅｔｃｈＵｐ三维建模在三维模型的构建环节ꎬ选择ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件进行建模.ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件功能和操作简单㊁模型通用性好㊁模型较小㊁建模周期短ꎬ可以快速大批量精细建模[７].在建模过程中ꎬ将整个场景的构建分为两部分进行ꎬ即外部场景(教学楼)和内部场景(实验室)两部分.导入所需位置的平面图数据ꎬ根据相关的参数数据调整其比例ꎬ通过软件的画图工具ꎬ参照平面图绘制出封闭的面状底物ꎬ然后再利用拉伸工具将已经生成的面拉伸至空间实体的实际高度ꎬ在此基础上先做出该物体大致的轮廓ꎬ再遵循 从大到小ꎬ从整体到局部 的原则来完善细节[８].建模时ꎬ尽量使线条看起来简洁不嘈杂ꎬ不存在重叠面ꎬ防止在ＩｄｅａＶＲ中出现卡顿等现象.还要注意组建群组ꎬ以利于后续对模型进行修改时能方便快捷.(２)Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ贴图处理实体三维模型构建完成后ꎬ为了与实物外观相符ꎬ使模型更加逼真和美观ꎬ达到与三维空间实体更高的吻合度.这就需要通过实地考察ꎬ拍摄各方位的实景照片ꎬ然后在Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ图形处理软件中ꎬ对图像进行裁剪㊁拼接㊁模式调整以及其他相关处理ꎬ最后添加到ＳｋｅｔｃｈＵｐ中作为三维模型表面纹理.虚拟三维模型如图２所示.整个建模完成后ꎬ先通过把模型中的纹理贴图以ｄａｅ的格式导出ꎬ再将模型转换为ＩｄｅａＶＲ支持的３ｄｓ格式导入到纹理贴图的文件夹中ꎬ保证导入ＩｄｅａＶＲ中不丢失模型纹理ꎬ最终导入ＩｄｅａＶＲ中.图２㊀ＳｋｅｔｃｈＵｐ中三维模型效果图３㊀虚拟仿真实验系统搭建３.１㊀虚拟场景搭建平台ＩｄｅａＶＲ是曼恒数字自主研发的虚拟现实引擎平台ꎬ支持异地多人协同功能ꎬ是为教育㊁企业等行业用户打造的ＶＲ内容创作软件ꎬ可帮助非开发人员高效开发和应用行业内容.通过共享云平台获取ＶＲ素材资源ꎬ使用场景编辑器和交互编辑器快速搭建场景内容㊁制定交互行为逻辑ꎬ支持多种头盔显示设备.利用这款开发平台进行虚拟场景的搭建有以下几点优势:(１)使用零编程基础和图像化的方法快速制定交互和行为逻辑ꎬ解决ＶＲ教学内容建模困难的痛点ꎻ６３西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷(２)可以实现异地多人协同功能及快速构建仿真环境ꎬ还原真实世界中大型活动的分工与协作状态和过程ꎻ(３)目前市面上的ＶＲ软件显示立体效果必须是在大屏幕上ꎬ而ＩｄｅａＶＲ在显卡支持上有突破ꎬ保证场景流畅运行的同时ꎬ降低了硬件成本.３.２㊀虚拟场景设计虚拟仿真实验系统的场景设计是至关重要的一部分ꎬ构建一个十分逼真的虚拟情景ꎬ是进行虚拟教学的前提.将ＳｋｅｔｃｈＵｐ中建好的模型ꎬ以３ｄｓ的格式导入到ＩｄｅａＶＲ场景编辑器中ꎬ通过在ＩｄｅａＶＲ场景编辑器上对三维模型进行渲染㊁合并组件㊁灯光㊁天气等一系列加工ꎬ最终形成一个完整的虚拟仿真实验场景ꎬ如图３所示.图３㊀ＩｄｅａＶＲ中的场景４㊀系统功能设计与实现虚拟现实强调沉浸感㊁交互性和构想性ꎬ这决定了它不同于传统的二维人机对话的交互方式[９].传统人机交互通过计算机输入设备发送请求ꎬ经计算机处理ꎬ在输出设备进行显示.本文所探讨的人机交互技术与传统人机交互有所不同[１０].本系统用ＶＲ头显和无线控制器手柄代替传统的显示器和鼠标ꎬ学习者所看到的是真实的虚拟实验设备和教学环境ꎬ使学习者有现场沉浸感.整个仿真系统功能的交互设计都是通过ＩｄｅａＶＲ中的交互编辑器和动画编辑器实现的.４.１㊀三维导航及漫游虚拟漫游是虚拟技术的核心.虚拟漫游技术能够使用户体验到逼真的效果与沉浸感[１１].在虚拟仿真实验系统中ꎬ通过手柄和眼前看到的设备或按钮进行交互ꎬ设计了两种前往实验室的路径选择ꎬ如图４所示.图４㊀漫游导航７３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现其一是导航漫游功能ꎬ即出现提示箭头ꎬ指引学生前往实验室的路线.其二是直接跳转功能ꎬ即通过手柄与按钮的交互ꎬ直接使人 瞬移 到实验室的门口.第二种路径不仅需要在交互编辑器中进行实现ꎬ还需要对摄像机的视点进行动画处理ꎬ进行虚拟漫游时ꎬ控制主㊁副摄像机之间的跳转.４.２㊀虚拟实验室在虚拟实验室中主要实现专业仪器全站仪的虚拟教学ꎬ包括全站仪的理论教学㊁实时信息查询㊁多人协同操作及回忆测试等.４.２.１㊀理论教学ＩｄｅａＶＲ平台支持创建音频㊁视频和幻灯片三种类型的多媒体文件ꎬ通过这个功能在虚拟实验室中加入全站仪及其操作的视频㊁ＰＰＴ文件等ꎬ实现全站仪的理论教学.４.２.２㊀实时信息查询该系统中的实时信息查询ꎬ主要是实现对全站仪及其构造名称的信息查询ꎬ如图５所示.此功能主要是利用交互编辑器中的显隐性来实现ꎬ即信息查询内容是存在于整个场景中ꎬ但是设置为不可见状态ꎬ只有通过一系列交互操作ꎬ才可以把这种不可见状态转变为可见状态ꎬ从而实现信息查询的功能.图５㊀实时信息查询４.２.３㊀多人协同虚拟拆装多人协同操作的前提是多人共享虚拟空间ꎬ指将坐在远端物理位置的人置于完全相同的虚拟世界中.每个参与者带上头显或者立体眼镜ꎬ用各自的视角ꎬ浏览和操作同一场景ꎬ相互协作地共同完成某项复杂的工作.多人协同的管理者ꎬ不仅可以管理参与协同工作的参与者ꎬ而且还可以看到每个参与者头显中的实时场景ꎬ真正满足了现实世界中跨部门和跨地域的多人协作需求.学生通过在这种多人协同的社会条件下学习(无论是合作还是竞争)比在个人条件下学习要好.也就是说ꎬ与同伴一起学习的学生比单独学习的学生能记住更多的事实性材料[１２].多人协同功能的具体实现流程如图６所示.图６㊀多人协同功能实现流程８３西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷在全站仪的虚拟拆装中ꎬ分为自动拆装与手动拆装.自动功能是通过动画编辑器生成虚拟动画以展示全站仪的部件构造㊁拆装过程等ꎬ如图７所示.图７㊀全站仪的自动拆装图手动拆装训练ꎬ则是学习者自由拆装过程ꎬ没有固定的拆装路线ꎬ此过程主要是在多人协同功能下进行.当学生Ａ在一个地点进行仪器的移动和操作时ꎬ在另一个位置的学生Ｂ可以看到学生Ａ的化身ꎬ以及在场景中对仪器进行的操作等行为.不仅如此ꎬ学生Ａ与学生Ｂ还可以共同对全站仪进行操作ꎬ如图８所示.图８㊀多人协同操作９３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现无论是自动还是手动拆装训练ꎬ都会带给学生新颖直观㊁全方位的展示ꎬ帮助缺乏实际经验的学生建立起零部件空间的形状ꎬ并在没有实体或实体无法拆卸的情况下ꎬ通过虚拟动画理解全站仪的部件构造㊁装配关系以及工作原理等内容[１３].这种虚拟训练的优点是ꎬ在与实际装备㊁工作环境类似的学习环境中ꎬ反复进行安全教育ꎬ这有助于学习者在实际工作现场驱动设备.４.２.４㊀回忆测试为了检验学生的学习效果ꎬ在系统中添加虚拟考核功能ꎬ也可以说是对全站仪及其操作的回忆测试.在考试系统中ꎬ分为常规题以及操作题.常规题是通过导入编辑好的ＸＭＬ格式文档自动生成ꎻ点击面板 创建 列表下的出题按钮ꎬ选择编辑好的试题文件ꎬ即可在场景中看到试题板ꎬ保存好文件后ꎬ即可开始考试ꎻ操作题是通过学生对全站仪的虚拟拆装进行评判.５㊀交互设备虚拟场景中的一系列交互行为ꎬ都是在交互设备支持的基础上进行的ꎬ高端的ＶＲ设备可以产生身临其境般的沉浸式体验ꎬ它可以同时影响使用者的视觉㊁听觉和触觉.在场景中ꎬ交互设备为学习者提供了在环境中移动时㊁以自然的方式进行可视化和交互的能力.所以在整个虚拟仿真实验系统的开发中ꎬ用到的交互设备主要是ＨＴＣＶＩＶＥ套装ꎬ主要包括ＶＩＶＥ头戴式设备(ＶＲ头显)㊁ＶＩＶＥ操控手柄以及ＶＩＶＥ定位器.这套设备的大空间定位(ｒｏｏｍ－ｓｃａｌｅ)移动追踪技术ꎬ能够让使用者更加沉浸在虚拟场景中.所谓 移动追踪技术 ꎬ即当学习者在虚拟场景中移动时ꎬ跟踪技术感知到这种移动ꎬ并根据学习者的位置和方向呈现虚拟场景.而且ꎬＨＴＣＶＩＶＥ设备可以淘汰传统的键盘㊁鼠标和显示器的界面ꎬ允许学习者轻松地研究专业仪器ꎬ而不必成为仿真软件中操纵模型的专家.有了这种硬件支持ꎬ学习者可以更容易地增强对专业知识的认知.６㊀系统效果验证在ＩｄｅａＶＲ编辑平台上完成虚拟场景搭建后ꎬ对场景进行打包ꎬ进而在ＩｄｅａＶＲ启动器上打开该场景ꎬ选择渲染输出端并启动后ꎬ进入启动界面.整个虚拟仿真实验系统在ＩｄｅａＶＲ中启动后ꎬ通过ＨＴＣＶＩＶＥ交互设备进行验证实验.本次实验邀请了１０名年龄在１８到２５岁之间相关专业的学生ꎬ学生们对全站仪有一定的了解ꎬ避免了认知能力和知识结构的偏差.参与的学生被随机分配到两个组中ꎬ５名学生接受文字及图片性质的传统教学ꎬ５名学生通过虚拟仿真实验系统进行训练教学.最后ꎬ通过对这１０名学生进行教学过程中的一些表现以及理论知识的考察ꎬ得到实验结果:在相同时间内ꎬ接受虚拟训练教学的学生ꎬ更容易投入到教学环境中ꎬ并且对全站仪的认知提升更为明显.虚拟教学的实验验证场景如图９所示.图９㊀系统效果验证场景０４西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷７㊀结㊀论将虚拟现实技术与专业理论教育及专业仪器拆装训练相结合ꎬ既可以解决一些用文字和传统图片难以说明和解释的学习内容ꎬ还可以期待通过一系列的人机交互功能使学习者高度参与到虚拟训练中ꎬ进而提高学习效果.ＶＲ技术的沉浸感㊁实时交互㊁多人协同等特性在该系统中得到充分的体现ꎬ学生可实现三维导航及漫游以及专业仪器全站仪的理论学习㊁实时信息查询㊁多人协同虚拟拆装㊁回忆测试等虚拟训练.该系统的虚拟训练内容可以用于实际设备实习前的前期教育或实习后的复习ꎬ减少实习设备投资费用和诱发学生学习兴趣ꎬ从而提高教学效率和学生的实际操作能力.在对该系统的效果验证中ꎬ学生对全站仪的学习表现出了浓厚的兴趣ꎬ提高了认知效果和学习效率ꎬ这表明了该系统在教育领域中具有很高的应用价值.[参㊀考㊀文㊀献][１]㊀赵沁平ꎬ周彬ꎬ李甲ꎬ等.虚拟现实技术研究进展[Ｊ].科技导报ꎬ２０１６ꎬ３４(１４):７１－７５.[２]㊀王文润ꎬ王阳萍ꎬ雍玖ꎬ等.沉浸式虚拟仿真实验案例设计与开发[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０１９(６):１４８－１５１.[３]㊀李勋祥ꎬ游立雪.ＶＲ时代开展实践教学的机遇㊁挑战及对策[Ｊ].现代教育技术ꎬ２０１７(７):１１６－１２０.[４]㊀姬喆.基于ＶＲ虚拟漫游技术的交互设计应用研究[Ｊ].现代电子技术ꎬ２０１９(１５):８６－９０.[５]㊀ＹＵＹꎬＤＵＡＮＭꎬＳＵＮＣꎬｅｔａｌ.Ａｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳｈｉｐｓａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０１７ꎬ１２(６):８７３－８８４.[６]㊀ＨＵＡＮＧＴꎬＫＯＮＧＣＷꎬＧＵＯＨＬꎬｅｔａｌ.Ａｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓ[Ｊ].Ａｕｔｏｍａ￣ｔｉｏｎｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬ２００７ꎬ１６(５):５７６－５８５.[７]㊀黄检文.基于ＳｋｅｔｃｈＵｐ虚拟现实技术的数字校园漫游设计与实现[Ｊ].新丝路(下旬)ꎬ２０１６ꎬ(１２):９８－９９.[８]㊀张瑞菊.ＳｋｅｔｃｈＵｐ结合ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ在虚拟校园中的应用[Ｊ].计算机应用ꎬ２０１３ꎬ３３(１):２７１－２７２.[９]㊀张凤军ꎬ戴国忠ꎬ彭晓兰.虚拟现实的人机交互综述[Ｊ].中国科学:信息科学ꎬ２０１６(１２):２３－４８.[１０]李国友ꎬ闫春玮ꎬ孟岩ꎬ等.沉浸式３Ｄ催化裂化培训系统的设计与实现[Ｊ].计算机与应用化学ꎬ２０１９(２):１５３－１６１.[１１]ＰＲＡＴＩＨＡＳＴＡＫꎬＤＥＶＲＩＥＳＢꎬＡＶＩＴＡＢＩＬＥＶꎬｅｔａｌ.ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＷｅｂ－ｂａｓｅｄｎｅａｒｒｅａｌ－ｔｉｍｅｆｏｒｅｓｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＰｌｏｓＯｎｅꎬ２０１６ꎬ１１(３):ｅ０１５０９３５.[１２]ＢＡＩＬＥＮＳＯＮＪＮꎬＹＥＥＮꎬＢＬＡＳＣＯＶＩＣＨＪꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｕｓｅｏｆｉｍｍｅｒｓｉｖｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｌｅａｒｎｉｎｇｓｃｉｅｎｃｅｓ:ｄｉｇｉｔａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｆｔｅａｃｈｅｒｓꎬｓｔｕｄｅｎｔｓꎬａｎｄｓｏｃｉａｌｃｏｎｔｅｘｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＬｅａｒｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２００８ꎬ１７(１):１０２－１４１.[１３]谷艳华ꎬ朱艳萍ꎬ杨得军ꎬ等.用于网络教学的虚拟仿真交互式课件研究[Ｊ].图学学报ꎬ２０１６ꎬ３７(４):５４５－５４９.[责任编辑㊀马云彤]１４第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现。
实验课程名称-中国海洋大学信息科学与工程学院
中国海洋大学电子仿真实验与设计课程大纲课程英文名称Experiment and Design of Electronic Simulation【开课单位】信息科学与工程学院海洋技术系【课程模块】专业知识【课程编号】【课程类别】选修【学时数】32 【学分数】 1.5一、课程描述本实验课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。
1、适用专业：海洋技术专业。
2、实验的任务、性质与目标本课程是面向海洋技术系本科生开设的专业选修课，其先修课程为电路分析基础、数字电子技术基础和模拟电子技术。
本实验课程要求学生在掌握上述电路理论的基础上，利用Multisim 10 电路仿真软件，熟练掌握电子线路设计基础知识以及电子线路仿真软件Multisim 10的基本使用方法；具备使用仿真软件进行电路设计以及独立绘制电路原理图、对电路性能进行仿真，设计电路的基本能力。
通过实验教学，加深学生对理论课程的理解，加强学生的操作技能，及时解决学生学习过程中遇到的疑难点，为后续实践环节的学习和毕业后从事专业相关工作奠定坚实的实践基础。
3、实验方式与基本要求课程采用多媒体理论讲授结合计算机仿真实验的方式。
学生在掌握背景知识的基础上，分组实习掌握Multisim软件的操作，独立完成电路实验与设计。
按照本课程的三大组成部分，基本要求如下：第一部分Multisim 10简介与基本应用，要求学生掌握要点：Multisim 10的基本操作；Multisim 环境下的电路创建；Multisim 的仪器仪表使用；Multisim 的电路分析方法。
第二部分电路仿真实验，包括电路分析基础仿真实验、数字电子技术仿真实验、模拟电子技术仿真实验三个模块。
与三个模块相对应，分别要求学生掌握直流电路、动态电路、正弦稳态电路、谐振电路的仿真与分析；逻辑代数基本概念、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生和整形电路仿真实验与分析；放大电路的仿真实验与分析。
6-韩宗珠、童思友-中国海洋大学-虚拟仿真实验教学中心
多波束系统水深测量
海底热液监测模拟
海底探测虚拟仿真实验系统
该虚拟仿真实验系统以《海 底探测技术》课程为基础， 采用三维动画、Flash等虚 拟仿真技术完整地模拟讲解 了海底声波探测技术的原理、 设备组成与安装、海上测量 的作业流程、关键环节和影 响因素等，并通过互动环节 让学生能够仿真模拟海底探 测的实验过程，达到虚拟实 验教学的目的。
实测实验
其它海底探测虚拟仿真实验系统
多波束系统水深测量实验
侧扫声呐探测实验
其它海底探测虚拟仿真实验系统
浅地层探测实验
海洋地震勘探实验
考核界面及习题分析
海底观测虚拟仿真实验系统
主要是利用虚拟现实 技术再现了锚系式观 测平台和坐底式观测 平台的组成和结构， 坐底式观测平台投放 和回收过程，以及海 底冷泉和海底热液两 种海底场景，并进行 了监测模拟。
支撑平台
中心已经实现了实验教学、基本信息、仪器设备的计算机 网络化管理，并具备多媒体开放实验教学的软硬件环境： （1）建立了中国海洋大学海洋地球科学虚拟仿真实验教学中 心教学管理网站。 （2）拥有实验室开放和仪器设备共享的信息化管理系统，及 时公布开放时间、开放内容、开放程序、开放人员信息及开放 管理制度等。 （3）中心拥有共享的多媒体实验教学信息。 （4）有独立服务器用于中心的计算机管理系统。 （5）中心虚拟实验教学资源对网络用户开放。 （6）网站由学校网络中心统一管理，保障信息的安全。
桃村实习基地三维虚拟场景
桃村断裂实习路线漫游场景
野外虚拟实习系统-桃村
桃村实习基地地质分析场景
其它野外虚拟实习系统
安徽巢湖地质教学虚拟实习系统
地球物理虚拟实习系统
其它野外虚拟实习系统
山东半岛沿岸海洋地质虚拟实习系统
基于智慧实验室的人体解剖生理学实验教学体系构建
药学教育㊀基金项目:中国药科大学２０１９年校级教改课题㊀作者简介:缪明星ꎬ男ꎬ研究方向:药学教育教学管理ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｍｍｘ０２２４＠１６３.ｃｏｍ㊀通信作者:丁启龙ꎬ男ꎬ副教授ꎬ研究方向:药学教育教学管理ꎬＴｅｌ:０２５－８６１８５３０９ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｑｌｄｉｎｇ＠１６３.ｃｏｍ基于智慧实验室的人体解剖生理学实验教学体系构建缪明星１ꎬ李立文２ꎬ颜天华２ꎬ丁启龙１(１.中国药科大学药学院ꎬ江苏南京２１０００９ꎻ２.中国药科大学基础医学与临床药学学院ꎬ江苏南京２１０００９)摘要:人体解剖生理学是药学专业一门必修专业课ꎬ集实践性和科学性于一体ꎮ本研究提出将 智慧实验室 概念引入人体解剖生理学实验教学全过程ꎬ提高学生实验的兴趣及实验的互动性ꎬ并逐步完善基于 智慧实验室 的实验成绩考核评价体系ꎮ新的 智慧实验室 的人体解剖生理学实验教学体系ꎬ将带动国内人体解剖生理学实验教学改革ꎬ为培养社会急需的复合型药学人才奠定基础ꎮ关键词:智慧实验室ꎻ人体解剖生理学ꎻ实验ꎻ教学体系中图分类号:Ｒ３２２－３３㊀文献标识码:Ａ㊀文章编号:２０９５－５３７５(２０１９)１１－０６７６－００４ｄｏｉ:１０.１３５０６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｊｐｒ.２０１９.１１.０１４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｈｕｍａｎａｎａｔｏｍｙａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｗｉｓｄｏｍＬａｂＭＩＡＯＭｉｎｇｘｉｎｇ１ꎬＬＩＬｉｗｅｎ２ꎬＹＡＮＴｉａｎｈｕａ２ꎬＤＩＮＧＱｉｌｏｎｇ１(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈａｒｍａｃｙꎬＣｈｉｎａＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１０００９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＢａｓｉｃＭｅｄｉｃｉｎｅａｎｄＣｌｉｎｉｃａｌＰｈａｒｍａｃｙꎬＣｈｉｎａＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１０００９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｈｕｍａｎａｎａｔｏｍｙａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙｉｓａｃｏｍｐｕｌｓｏｒｙｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｃｏｕｒｓｅｆｏｒｐｈａｒｍａｃｙꎬｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙａｎｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｉｔｙ.Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙａｉｍｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｕｍａｎａｎａｔｏｍｙａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎａｓｍａｒｔｌａｂｏｒａｔｏｒｙ.Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆ"ｓｍａｒｔｌａｂｏｒａｔｏｒｙ"ｉｎｔｏｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｕｍａｎａｎａｔｏｍｙａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙｅｘｐｅｒ￣ｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇꎬｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｎｔｅｒｅｓｔｏｆｓｔｕｄｅｎｔｓᶄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓꎬａｎｄｇｒａｄｕａｌｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｂａｓｅｄｏｎ"ｓｍａｒｔｌａｂｏｒａｔｏｒｙ".ＬｅａｄｉｎｇｔｈｅｒｅｆｏｒｍｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｏｆｈｕｍａｎａｎａｔｏｍｙａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａꎬａｎｄｌａｙｉｎｇａｇｏｏｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｐｈａｒｍａｃｙｔａｌｅｎｔｓｕｒ￣ｇｅｎｔｌｙｎｅｅｄｅｄｂｙｔｈｅｓｏｃｉｅｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＷｉｓｄｏｍｌａｂꎻＨｕｍａｎａｎａｔｏｍｙａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙꎻＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎻＴｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍ㊀㊀«人体解剖学生理学实验»是一门研究正常人体形态及构造的科学ꎬ是药学专业领域的一门重要基础课程[１]ꎮ该课程集科学性与实践性于一体ꎬ在药学类各专业本科生的实验教学中具有重要地位ꎮ我国很多高校目前人体解剖生理学实验课程ꎬ存在实验课程设置从属于理论教学ꎬ实验学时数较少ꎬ对学生的技能培训不够规范ꎬ尚未形成独立实验教学体系ꎻ实验教学项目内容比较陈旧ꎬ以经典性㊁验证性实验为主ꎬ缺乏综合性㊁研创性实验教学内容ꎻ实验仪器设施比较陈旧ꎬ信息化技术在实验教学中应用不充分等问题ꎮ智慧实验室 是指软件虚拟技术模拟仿真实验环境ꎬ以学习分析技术智能指导实验过程ꎬ以虚拟现实技术创设实验临场感的实验环境[２]ꎮ 智慧实验室 通过对实验资源的识别㊁追踪㊁监管及学生实验过程与结果的反馈ꎬ构建学生自发式教学环境ꎬ逐步改变对学生 一步一式 的传统实验教学模式[３]ꎮ我校国家药学实验教学示范中心(以下简称 药学实验中心 )首次提出将 智慧实验室 的理念融入人体解剖生理学实验课程全过程ꎬ逐步优化整合实验项目ꎬ替换更新不合理实验内容ꎬ强化学生人体解剖生理学基础知识及实验操作技能ꎮ１㊀我校人体解剖生理学实验教学现状人体解剖生理学实验在药学专业本科生实验课程中具有十分重要地位[４]ꎮ但受几十年教育理论及传统思维的影响ꎬ我国药学高等教育在实验课堂教学及实验室建设等环节仍停留在附属及次要地位[５]ꎮ我校药学实验中心每年承担４１个班级本科生人体解剖生理学实验课程教学工作㊁１３００余名药学专业本科生接受人体解剖生理学实验技能培训ꎮ该课程共５１学时ꎬ分１７周完成ꎮ具体包括人体解剖模型讲解３周ꎬ基础性㊁验证性实验８周ꎬ综合性㊁设计性实验５周㊁实验理论考查及实验操作考试１周ꎮ药学实验中心利用教育部中央高校修缮基金及学校本科教学改革经费资助ꎬ建设了６间生理药理学机能实验室ꎬ为每个实验室配备８套４２０－Ｆ生物机能实验系统ꎬＺＺ－６小动物自主活动测试仪(成都泰盟软件有限公司)㊁ＨＸ－１００Ｅ小动物呼吸机㊁ＨＷ－２００离体组织灌流系统㊁ＧＬ－２离体心脏灌流系统㊁ＢＩ－２０００医学图像分析系统等学设备用于实验教学ꎮ药学实验中心结合创新型药学人才培养需求ꎬ融合药学㊁基础医学与生理学学科优势ꎬ围绕创新药物药效及相关机制研究ꎬ先后建设了６间 智慧实验室ꎬ自主开发了 人体解剖学网络学习系统 和 互动课堂Ｖ１.２.０ 软件ꎮ基于 智慧实验室 将二者联合应用于人体解剖生理学实验教学ꎮ２ 基于 智慧实验室 的人体解剖生理学实验教学体系２.１㊀ 智慧实验室 功能介绍㊀随着高等院校进入智慧化校园建设阶段后ꎬ 智慧实验室 在智慧化校园中起到非常关键的作用[６]ꎮ 智慧实验室 根据功能分为老师示范教学区和学生实验区ꎮ老师示范区安装１台高清术野摄像机作为示范教学ꎻ学生实验区安装８个高清摄像机㊁８台电脑进行自主学习㊁互动教学用ꎬ所有录制的视频可推送到智慧实验室平台ꎬ供学生㊁老师进行点播学习ꎬ老师㊁领导教学巡课ꎻ同时支持在学校的管理服务中心在大屏上进行督导巡课ꎮ智慧实验室 中控界面板功能介绍:智慧实验室中控面板如图１所示ꎮ①上课:教室内设备自动打开ꎻ②下课:教室内设备自动关闭ꎻ③主屏开:触摸一体机自动打开ꎻ④主屏关:触摸一体机自动关闭ꎻ⑤授课模式:大屏显示教师机系统ꎻ学生工位显示各自系统ꎻ⑥授课学生同屏:大屏及学生工位全部显示教师机系统ꎻ⑦示教模式:大屏显示示教摄像机画面ꎻ学生工位显示各自系统ꎮ示教学生同屏大屏及学生工位全部显示示教摄像机画面ꎮ学生１演示:大屏及学生工位全部显示学生工位１系统画面ꎬ以此类推ꎮ新的示教系统可以实验保教师机大屏幕与学生机显示屏同步教师示教全过程ꎬ从而解决之前在教师示教时ꎬ学生一哄而上层层围着教师观察ꎬ导致很难保证所有学生都能够清晰看到示教过程的弊端ꎮ图１㊀ 智慧教室 中控界面板㊀㊀ 智慧实验室 在人体解剖生理学中的应用:基于智慧实验室ꎬ药学实验中心开发了 互动课堂Ｖ１.２.０ 软件和 人体解剖学网络学习系统 ꎮ学生在课前ꎬ可以在网上自学实验内容ꎬ带着问题去进行实验ꎬ可以大大提高学习兴趣ꎬ同时有利于实验的顺利完成ꎮ 互动课堂Ｖ１.２.０ 软件由课堂考勤签到㊁双屏互动㊁电子绿板㊁分组讨论㊁课堂答题㊁学生评教等模块组成ꎮ 人体解剖学网络学习系统 由三维数字人体㊁３６０度人体标本库㊁在线学习与考试３个模块组成ꎮ通过这两个软件系统相互协作应用于教学ꎬ具有对全校师生免费开放ꎬ不受时空㊁访问人数限制和多种设备(ＰＣ㊁手机㊁ｉｐａｄ等)等任意访问等优势ꎮ学生可以在教室ꎬ宿舍㊁图书馆登录访问ꎬ没有时间限制和人数限制ꎮ学生还可以通过在线学习模块进行人体解剖生理学知识的测验ꎬ巩固所学基础理论知识ꎮ２.２㊀基于 智慧实验室 的人体解剖生理学实验教学具体环节㊀基于 智慧实验室 的人体解剖生理学实验教学５１个学时ꎬ分５个轮次ꎬ共１７次实验ꎬ每次实验教学为３个学时ꎮ具体包括实验设计与项目实施ꎬ数据整理与结果分析㊁效果评价与成绩考核等环节ꎮ首先以药学理科基地班试典ꎬ逐步探索合并基础性试验ꎬ优化综合性试验ꎬ增设创新性试验ꎬ并逐步向药学类各专业推广ꎮ第一轮实验教学(第１~３周):人体解剖模型篇ꎮ要求学生掌握运动㊁呼吸㊁消化㊁泌尿㊁循环㊁神经㊁内分泌及生殖系统的组成部分㊁位置㊁形态㊁结构和功能ꎮ第二轮实验教学(第４周):动物实验基本操作篇ꎮ要求学生掌握实验基本要求与实验室安全卫生规则ꎻ学习实验结果记录与数据处理ꎻ实验报告写作规范ꎻ掌握常用手术器械操作规范ꎬ熟悉生物机能信号采集系统及换能器的使用ＳＯＰ等ꎻ掌握常用实验动物(小鼠㊁蟾蜍㊁家兔等)解剖及常用给药方法(小鼠腹腔注射㊁肌肉注射ꎬ增加尾静脉ꎬ家兔耳缘静脉等ꎬ蟾蜍舌静脉)ꎮ第三轮实验教学(第５~１０周):基础性试验篇ꎮ要求学生完成刺激交感迷走混合神经㊁期外收缩㊁代偿间歇对蟾蜍心脏功能的影响ꎻ组织兴奋性的观察㊁神经干动作电位ꎻ血脑屏障㊁反射弧分析ꎻ脑内乙酰胆碱的定性测定ꎻ血液涂片㊁红细胞渗透脆性㊁血型鉴定㊁出凝血时间测定ꎻ化学物质对离体心脏的影响㊁蟾蜍肠系膜微循环观察等实验内容ꎮ通过以上６次实验教学ꎬ加深学生对所学基础理论理解的基础上ꎬ给予学生更多的动手操作机会ꎬ将学生从枯燥的理论学习中跳出来ꎬ体会到实验过程的乐趣ꎬ并为进一步开展综合性实验奠定基础ꎮ第四轮实验教学(第１１~１４周):综合性实验篇ꎮ本轮实验要求学生掌握药物对家兔呼吸运动的调节ꎻ药物对家兔离体肠肌运动的影响因素ꎻ药物家兔动脉血压的调节ꎻ药物对家兔尿生成影响因素等实验内容ꎮ完成以上４次实验教学的基础上ꎬ教师布置创新性实验设计作业ꎮ指导学生独立完成实验选题ꎬ项目实施ꎬ数据整理ꎬ结果汇报ꎬ成绩考核等环节ꎮ第五轮实验教学(第１５~１７周):创新性实验篇ꎮ①第一次:大学生创新实验设计ꎮ教师组织学生将各种研究方案拿出来展开讨论ꎬ论证方法的优缺点与结果分析ꎬ再由教师对研究方案进行评价和总结ꎬ最终确定一条或多条合理可行的实验方案ꎮ②第二次:大学生创新实验实施ꎮ利用实验中心提供的大学生创新实验平台ꎬ能为学生开展传统生理实验难以完成的大型综合性实验项目ꎬ加强学生对生理学知识的系统学习ꎬ学生根据上次课自主设计的实验方案ꎬ开展 研究创新性实验 ꎮ通过开设 研究创新性实验 课程使学生从文献检索㊁方案设计㊁项目申报书撰写等初级过程开始逐步深入ꎬ逐步融入科学研究全过程[７]ꎮ探索性实验是指针对某个领域有关的未知或者未全知的科学问题ꎬ采用科学思维方式ꎬ进行创新探索研究的一种开放式教学实验[８]ꎮ例如传统的生理学实验中 家兔血压神经体液调节 ㊁ 家兔呼吸运动的调节 及 家兔尿生成的影响因素 原来是３个独立实验[９]ꎮ通过计算机辅助教学系统将这３次实验进行整合为 家兔血压㊁尿生成ꎬ呼吸运动的神经体液调节 综合性实验ꎮ可在一个实验动物上实现动物血压㊁心率㊁心电图㊁尿生成两㊁呼吸频次等指标的动态监测ꎬ并分析其相互影响ꎮ③第三次:大学生创新实验考核ꎮ要求学生在课前对所有实验数据进行处理并独立撰写实验报告ꎮ学生以ＰＰＴ形式汇报实验结果ꎬ教师对实验结果进行分析ꎬ总结实验的重点与难点ꎬ提高学生对人体解剖生理学实验学习的兴趣ꎮ２.３㊀建立基于 智慧实验室 的人体解剖生理学实验成绩考核评价体系㊀该实验课程考核应根据教学过程中学生的课前准备情况㊁课堂互动参与情况㊁对问题的深入分析讨论情况以及实验理论考查及操作成绩ꎬ并结合教学方法及教学效果进行ＴＢＬ教学满意度调查[１０－１１]ꎮ原有的实验总成绩(１００％)包括平时成绩(３０％)㊁实验理论考试成绩(４０％)及实验操作成绩(３０％)３部分组成ꎮ其中平时成绩考核的依据仅仅是课堂表现和实验报告书写情况ꎮ本课程利用 互动课堂Ｖ１.２.０ 软件在线学习与课堂答题模块ꎬ将互动答题成绩加入平时成绩ꎬ并逐步提高互动答题成绩在平时成绩中所占的比例ꎮ该学习与考试系统能够作现有考试模式有益补充ꎮ现在教师上课前先把试题及答案传输到 互动课堂Ｖ１.２.０ 系统ꎬ学生可以利用课间在线答题ꎬ系统自动评分(学生可以多次答题ꎬ但只记录第一次答题的成绩作为平时成绩)ꎮ原来实验操作成绩仅仅考察实验基本操作完善的质量及完成时间等方面ꎮ２００９年开始ꎬ药学实验中心一直在国家药学理科基地班及国家生命科学基地班进行本科生研创性实验教学探索ꎬ并逐步向药学其他专业推广ꎮ研创性实验鼓励学生发挥主观能动性ꎬ在教师的指导下独立完成课题选题ꎬ方案设计ꎬ项目实施ꎬ数据整理及实验报告等环节ꎮ研创性实验的成绩将从实验设计可行性ꎬ实验项目实施性ꎬ实验结果可靠性ꎬ课题汇报流畅度等方面考核实验成绩ꎬ建立综合性设计型实验教学评价体系ꎮ３㊀基于 智慧实验室 的人体解剖生理学实验教学改革成果 智慧实验室 实现了教师机与学生机联网ꎬ新的示教系统可以实现教师机大屏幕和学生机屏幕上同时清晰呈现教师机的高清示教ꎬ确保每位学生都能够清晰看到示教全过程ꎮ有利于提高教学质量ꎬ激发学生学习兴趣ꎻ 智慧实验室 将 人体解剖学网络学习系统 和 互动课堂Ｖ１.２.０ 软件二者联合应用于人体解剖生理学实验教学ꎮ新的教学手段在课前的预习ꎬ平时课堂中的互动答题ꎬ课后的复习等环节都将发挥很大作用ꎬ有利于激发学生对人体解剖生理学实验的兴趣ꎬ并巩固人体解剖学基础理论知识ꎮ新的实验成绩考核评价体系ꎬ利用软件的在线学习与课堂答题模块ꎬ将互动答题成绩加入平时成绩ꎬ并逐步提高互动答题成绩在平时成绩中所占的比例ꎮ将研创性实验的成绩将从实验设计ꎬ实验完成情况ꎬ实验报告质量等方面ꎬ多维度㊁多层次考查学生对实验的理解掌握程度ꎮ实验理论考试改用在线考试和评分ꎬ可以提高工作效率ꎬ有效减少老师的阅卷工作量ꎮ４㊀讨论智慧实验室 极大地丰富人体解剖生理学实验教学手段ꎬ激发了学生学习兴趣ꎬ有效提高了实验教学质量ꎬ然而新教学系统还存在一些需要完善的地方ꎮ比如 智慧实验室 需要配备高清摄像头㊁电脑㊁手术无影灯㊁示教操作平台及建立互联网ꎬ实验室建设成本较高ꎻ 智慧实验室 与４２０－Ｆ生物机能实验系统等设备存在软件兼容性的问题ꎻ学生实验操作视频上传功能还需要与教务处的学生个人信息系统对接后才能完善使用等ꎮ综上ꎬ建设基于 智慧实验室 人体解剖生理学实验教学体系将引领国内人体解剖生理学实验教学改革方向ꎬ并培养学生规范化人体解剖生理学实验能力ꎬ培养社会急需的具有复合型药学人才奠定基础ꎮ参考文献:[１]㊀袁琳ꎬ胡鑫.药学专业«人体解剖生理学»实验教学的探讨[Ｊ].科技创业月刊ꎬ２０１５ꎬ２８(１８):７２－７３.[２]汤嘉立ꎬ习海旭ꎬ黄纯国.智慧虚拟现实实验室的构建研究[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０１８ꎬ３５(９):２３２－２３５. [３]周春樵ꎬ朱思征.基于互联网＋的 智慧创新实验室 架构研究[Ｊ].改革与开放ꎬ２０１６(７):８２－８４.[４]颜天华.基于互联网＋的人体解剖生理学实验教学体系构建[Ｊ].教育现代化ꎬ２０１６ꎬ１１(３３):７８－８０.(下转第６８２页)题:①制备工艺中关键工艺参数的制定不符合要求ꎮ例如缺少粉碎㊁浓缩混合㊁干燥㊁制粒等的关键工艺参数ꎬ或者其制定缺少相关研究资料的支持ꎻ②制剂处方中具有多药材基原的药材未明确其基原ꎻ③质量标准研究中存在的问题较多ꎬ主要包括:质量控制项目过少ꎬ如缺少含量测定等ꎻ薄层鉴别图谱不清晰ꎬ薄层图谱照片不支持其检验结论ꎻ含量测定方法学研究资料不完善㊁部分实验设计错误ꎻ缺少微生物限度检查方法学适用性研究资料等ꎻ④稳定性试验研究资料中仅提供检验数据ꎬ未提供相关的图谱资料等ꎮ２.２.６㊀临床研究方案及临床总结㊀对于临床已使用５年以上的品种ꎬ其临床研究方案及临床总结是对临床使用历史的经验性总结ꎬ也是确定制剂的功能主治㊁明确今后临床使用方向以及体现其临床优势和特色的重要依据ꎮ在此部分资料中ꎬ临床研究方案及临床总结不完善的情况较为普遍ꎬ存在问题主要表现在以下方面:①临床诊断中的中医病名不准确㊁不统一ꎻ②中医证型中的症状内容描述不完整㊁不具体ꎻ③治疗方法和临床合并用药情况描述不具体ꎻ④临床总结报告中ꎬ诊断标准㊁纳入标准㊁排除标准㊁脱落标准㊁疗效观察标准㊁安全性评价指标等不完善ꎻ⑤病历资料中缺少临床实际症状及不良反应情况ꎬ临床有效病例数不足等ꎮ３ 结语针对以上存在的问题ꎬ需要相关医疗机构在申报前严格把关ꎬ加强立题的合法性㊁科学性㊁合理性审查ꎬ科学㊁细致地做好相关研究工作ꎬ贯彻落实医疗机构中药制剂管理的各项规定ꎬ保证质量ꎬ突出特色ꎮ在保证中医临床用药的安全㊁有效㊁质量可控前提下ꎬ充分考虑医院和患者的实际需求ꎬ高度重视医疗机构中药制剂的发展ꎬ进一步加强药学㊁临床等相关部门的沟通协作ꎬ提高医疗机构制剂申报资料的质量ꎬ促进医疗机构中药制剂的健康发展ꎬ繁荣中医药事业ꎮ参考文献:[１]㊀王晓曦ꎬ高静ꎬ高敏洁.传统医疗机构中药制剂实施备案管理后的监管重点探讨[Ｊ].中国食品药品监管ꎬ２０１９(８):５８－６３.[２]周萃ꎬ王杰ꎬ邬科ꎬ葛颖华ꎬ等.加强医疗机构中药制剂研发与备案管理的思考[Ｊ].中医药管理杂志ꎬ２０１９ꎬ２７(１２):９０－９２.[３]夏杰ꎬ尹蔚萍ꎬ张文荫.发展中医医院中药制剂的思考[Ｊ].中医药管理杂志ꎬ２０１４(２２):１５２３－１５２７. [４]蒋霞ꎬ何成章ꎬ黄银妹ꎬ等.中药肾毒性评价模型与技术的研究进展[Ｊ].广西医科大学学报ꎬ２０１７ꎬ３４(７):１０９４－１０９６.[５]胡彦君ꎬ钟良才ꎬ李柏群.医院中药制剂发展模式㊁合理用药及研究方向探讨[Ｊ].药物评价研究ꎬ２０１９ꎬ４２(５):１０２０－１０２６.[６]周跃华ꎬ胡军.关于含国家重点保护野生药材中成药注册申请的思考[Ｊ].中草药ꎬ２０１３(４４):１７０７－１７１２. [７]夏杰ꎬ张玲忠ꎬ李松梅ꎬ等.医疗机构中药制剂质量标准处方中用药名称存在的问题探析[Ｊ].中国医院药学杂志ꎬ２０１９ꎬ３９(１０):１０７６－１０８１.[８]曹梦蝶ꎬ吴锐ꎬ王张ꎬ等.我国批准上市中成药的品种㊁主治和用药特点[Ｊ].中成药ꎬ２０１９ꎬ４１(８):１９９９－２００６. [９]刘兴昌ꎬ倪龙ꎬ白晓菊ꎬ等.国家药品标准中成药功能主治规范工作回顾与展望[Ｊ].中国药品标准ꎬ２００５(４):３０－３３.[１０]王玉团ꎬ王旭ꎬ赵燕.中成药国家标准剂量单位计量形式的探索研究(二)[Ｊ].中国药品标准ꎬ２０１７ꎬ１８(２):８７－９０.[１１]孟菲ꎬ李学林.中成药说明书中规格项存在的问题与探讨[Ｊ].当代医学ꎬ２０１５ꎬ２１(１２):１４－１５.[１２]陈延芳.论中成药标准规格的研究和制定[Ｊ].中成药ꎬ１９８８(７):４１－４２.[１３]曹国颖ꎬ胡欣ꎬ孙钊ꎬ等.医疗机构制剂生产的风险因素分析与管控[Ｊ].中国药事ꎬ２０１８ꎬ３２(１):３０－３３.[１４]张南平ꎬ余坤子ꎬ魏峰ꎬ等.中药材质量的本质与评价方法探讨[Ｊ].中国药事ꎬ２０１８ꎬ３２(１):４８－５３.(上接第６７８页)[５]㊀刘李ꎬ缪明星ꎬ刘晓东ꎬ等.基于创新能力提升的药学开放性实验教学平台研究[Ｊ].药学教育ꎬ２０１４ꎬ３０(６):６２－６５.[６]唐磊ꎬ孙佩红.高校实验室智慧化管理平台建设研究[Ｊ].内蒙古财经大学学报ꎬ２０１８ꎬ１６(４):１０６－１０９. [７]王德利ꎬ汤海峰ꎬ刘永红ꎬ等.高校药学专业实验教学改革的研究与实践[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０１３ꎬ１０(３０):１５－１８.[８]原鲜玲.试论以学生为中心的生理学实验教学模式改革[Ｊ].南方医科大学学报ꎬ２０１８ꎬ３８(７):９８－９９. [９]李立文ꎬ缪明星ꎬ丁启龙ꎬ等.计算机辅助教学在药学类专业生理实验教学中的应用－以中国药科大学为例[Ｊ].江苏科技信息ꎬ２０１３(２０):２５－２６.[１０]董旋ꎬ彭磊ꎬ吕立堂.非医学院校人体解剖及生理学实验开设方式探索[Ｊ].课程教育研究ꎬ２０１８(４０):２２５. [１１]罗孝美ꎬ田虹ꎬ蒋慧ꎬ等.ＴＢＬ教学在人体解剖生理学教学中的运用[Ｊ].现代医药卫生ꎬ２０１７ꎬ２３(３３):３６６５－３６６７.。
从抽象到直观:虚拟仿真实验在电磁学教学中的应用
从抽象到直观：虚拟仿真实验在电磁学教学中的应用
张软静;施国栋;黄启洪;富笑男
【期刊名称】《遵义师范学院学报》
【年(卷),期】2024(26)2
【摘要】电磁学作为物理学和应用物理学专业的核心基础课程,存在着理论课与实验课难以紧密结合的教学难点。
基于此,文章以带电粒子在磁场中运动的探究型教学设计为例,提出在教学中引入虚拟仿真实验的教学模式,并介绍了虚拟仿真实验的应用,即采用不同的软件和媒介工具在理论课教学中针对不同的侧重点加入互动性元素进行教学。
该教学模式能为学生提供生动、直观、有趣的学习体验,增加理论学习的互动性和趣味性,提升教学效果。
【总页数】5页(P123-127)
【作者】张软静;施国栋;黄启洪;富笑男
【作者单位】河南工业大学理学院;遵义师范学院物理与电子科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】G642.0
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坐底式观测平台投放和回收过程
海底观测虚拟仿真实验系统
锚系式观测平台
坐底式观测平台
海底观测虚拟仿真实验系统
海底冷泉监测模拟
海底热液监测模拟
实验资源
(二 )
虚实结合、相互补充的野外实习实验项目，如山东栖霞桃村地质认识虚 拟实习系统、安徽巢湖地质教学虚拟实习系统、山东半岛沿岸海洋地质虚拟 实习系统，地球物理虚拟实习系统和青岛近郊地质学课程虚拟实习系统。
单波束测深虚拟仿真实验系统
单波束水深测量原理
GPS选型实验
单波束测深虚拟仿真实验系统
设备选型实验
测深仪安装位置确定实验
单波束测深虚拟仿真实验系统
坐标系建设实验
测线布设实验
单波束测深虚拟仿真实验系统
模拟测深过程1：输入平均声速 模拟测深过程2：上传测线数据（测 线布设实验中自动生成） 模拟测深过程3：动画模拟测量过程 模拟测深过程4：模拟测量结束后下 载数据到本地
特色与创新
（1）立足海洋学科优势，创建虚拟仿真实验教学体系。 （2）立足科研优势、以研促教，保障中心高水平可持 续健康发展。 （3）以学生为中心，寓知识传授、实践能力培养、综 合素质提高于一体，学生创新成果突出。 （4）自主研发虚拟仿真软件，提高了实验室建设水平。
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海洋地球科学虚拟仿真 实验教学平台结构
教学体系
实验资源
(一 )
高成本、高消耗的实验项目，如各种海底探测设备的虚拟操作 实验；真实实验平台难以开展、不可逆、周期长的实验项目，如 海底热液、冷泉的观测实验。
中心简介
本着“科学规划、共享资源、突出重点、提高效 益、持续发展”的原则，按照“立足专业教学、注重 学科交叉、突出海洋特色、着眼学科发展”的建设思 路，以全面提升学生的创新精神和实践能力为目标， 构建了海洋地球科学虚拟仿真实验教学体系。在此基 础上，通过自主研发、联合攻关、持续投入等方式， 利用虚拟现实、多媒体交互、Web、3D可视化等信息 化技术，建设完成海洋地球科学虚拟仿真实验教学共 享平台，构建了结构化、系统化、高度仿真的虚拟实 验环境和实验教学资源。
海洋地球科学虚拟仿真实验教学中ห้องสมุดไป่ตู้建设
韩宗珠 童思友 海洋地球科学学院
中国 ●武汉 2014.11.30
中心简介
海洋地球科学虚拟仿真实验教学中心隶属于中国海 洋大学海洋地球科学学院，依托海底科学与探测技术教 育部重点实验室和海洋地球科学省级实验教学中心，主 要承担海洋地球科学学院本科生的海洋地质学和海洋地 球物理学相关的实验课程教学，以及面向校内外的海洋 地球科学虚拟仿真实验资源的开放共享服务。
多波束系统水深测量
海底热液监测模拟
海底探测虚拟仿真实验系统
该虚拟仿真实验系统以《海 底探测技术》课程为基础， 采用三维动画、Flash等虚 拟仿真技术完整地模拟讲解 了海底声波探测技术的原理、 设备组成与安装、海上测量 的作业流程、关键环节和影 响因素等，并通过互动环节 让学生能够仿真模拟海底探 测的实验过程，达到虚拟实 验教学的目的。
海洋地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心 情况简介2014
实测实验
其它海底探测虚拟仿真实验系统
多波束系统水深测量实验
侧扫声呐探测实验
其它海底探测虚拟仿真实验系统
浅地层探测实验
海洋地震勘探实验
考核界面及习题分析
海底观测虚拟仿真实验系统
主要是利用虚拟现实 技术再现了锚系式观 测平台和坐底式观测 平台的组成和结构， 坐底式观测平台投放 和回收过程，以及海 底冷泉和海底热液两 种海底场景，并进行 了监测模拟。
支撑平台
中心已经实现了实验教学、基本信息、仪器设备的计算机 网络化管理，并具备多媒体开放实验教学的软硬件环境： （1）建立了中国海洋大学海洋地球科学虚拟仿真实验教学中 心教学管理网站。 （2）拥有实验室开放和仪器设备共享的信息化管理系统，及 时公布开放时间、开放内容、开放程序、开放人员信息及开放 管理制度等。 （3）中心拥有共享的多媒体实验教学信息。 （4）有独立服务器用于中心的计算机管理系统。 （5）中心虚拟实验教学资源对网络用户开放。 （6）网站由学校网络中心统一管理，保障信息的安全。
桃村实习基地三维虚拟场景
桃村断裂实习路线漫游场景
野外虚拟实习系统-桃村
桃村实习基地地质分析场景
其它野外虚拟实习系统
安徽巢湖地质教学虚拟实习系统
地球物理虚拟实习系统
其它野外虚拟实习系统
山东半岛沿岸海洋地质虚拟实习系统
青岛近郊地质学课程虚拟实习系统
实验资源
(三 )
一些现象与过程（微观或宏观)无法直接观察的特色 课程实验项目，如结晶学与矿物学、海底构造等。
硬玉三维结构
洋陆俯冲数值模拟
海岸动力地貌虚拟仿真实验系统
模块1 沙滩结构及其特征展示
模块2海岸动力作用过程展示
模块3沙滩沉积物特征展示
模块4 沙滩观测和测量方法展示
海洋沉积动力学虚拟仿真实验系统
悬浮体观测虚拟实验教学
沉积物观测虚拟实验教学
构造地质学虚拟仿真实验系统
构造地震的物理模拟
洋陆俯冲数值模拟