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1不同層次的虛擬實驗

網(wǎng)絡技術推動了現(xiàn)代的仿真技術的飛速發(fā)展，應用的范圍也極為廣泛，在教學實驗領域也越來越受到重視，尤其在非計算機的工科類教學過程中。利用IT技術開發(fā)出運行于計算機內部并能在網(wǎng)絡上傳輸、交互的虛擬實驗環(huán)境，是解決工科類部分實驗的新型方法，而且能達到高效價廉的目的，正好符合了遠程教育的特征要求，這為遠程教學機電實驗設計環(huán)節(jié)帶來了新的解決方案。具體的虛擬實驗要根據(jù)具體機電課程教學要求選擇不同的方案。根據(jù)上海電大多年的遠程教學探索，仿真實驗主要表現(xiàn)在以下幾種層次。最簡單的人機互動的模式是通過網(wǎng)頁展現(xiàn)實驗內容，學生根據(jù)實驗流程和要求完成操作，例如為“組合機床概論”課程教學開發(fā)的“機床組裝”人機交互實驗，學習者通過點擊、移動某些機床部件，完成機床的組裝，如果順序出錯，將會報錯提示。虛擬仿真模式的實驗也可以通過遠程網(wǎng)絡來實現(xiàn)。通過網(wǎng)頁開發(fā)三維虛擬的實驗設備，學習者根據(jù)控制要求編寫控制程序，采用程序后，具體的設備動作可根據(jù)程序來運動，讓學習者對所采用的指令有一個直接的感官認識。根據(jù)實驗復雜程度，可以分為動作仿真實驗和現(xiàn)實場景仿真實驗，前者只要求實驗的動作觸發(fā)、運動到位等就可以了，例如下文中的可編程控制器工程仿真實驗，而后者則不僅包括了動作要求，還要求包含動力學分析功能，甚至要求包含熱分析、流場分析、磁場分析、電場分析、聲場分析等非結構場的分析等內容，例如汽車設計過程中的有線元分析、碰撞模擬，虛擬樣機等，就包含了類似現(xiàn)實的完全模擬。純仿真的虛擬實驗不需要與實際設備相連，側重在一些動作或場景的完成上。而有些深度的仿真實驗需要虛實結合，即控制指令可通過網(wǎng)絡傳達到遠程實驗室，操作具體的設備和器材。

2遠程實驗設計案例

本文以機電實用技術專業(yè)中一些課程為例，來對遠程教學過程中虛擬實驗的開發(fā)進行說明，這些實驗已適用在我們的遠程教學中，并取得了良好的教學效果。

2.1動作虛擬實驗

“數(shù)控機床編程”課程的實踐環(huán)節(jié)比重極高，學習時如果能將一些基本指令直接在數(shù)控機床上運行，并觀察相應動作，則這部分知識容易被牢牢掌握。但因設備昂貴、龐大等諸多原因，給遠程教學帶來極大的難題。為了簡化問題，開發(fā)團隊考慮到指令學習時一般以動作為主要掌握對象，因此，采用三維虛擬設備開發(fā)了針對數(shù)控指令的相應虛擬“數(shù)控機床”。例如，“G02”、“G03”均表示執(zhí)行銑刀的圓弧插補走刀過程，前者是順指針圓弧插補，后者則是逆時針圓弧插補，使用不同的指令后續(xù)程序設計則完全不一樣。為了更好說明問題，虛擬“數(shù)控機床”根據(jù)會根據(jù)不同程序來執(zhí)行相應動作，如圖1所示，（a）（b）兩圖分別表示了G02和G03的銑刀執(zhí)行過程，最后銑削出的圖形相同，但走刀過程完全不一樣。（a）（b）圖1G02、G03指令編程對比這樣，配上適當?shù)募庸幼餮菔緦嶒?，就算不能接觸到實際的數(shù)控機床，學生們通過虛擬動作過程，也能順利地掌握每條指令所代表的實際意義，教學效果明顯得到提高。

2.2工程虛擬實驗

某些課程的教學需要有控制對象，例如某大型設備、某生產流水線等，這在傳統(tǒng)教學也是不容易解決的難題。遠程教學中，創(chuàng)造一個虛擬的實驗環(huán)境來是我們亟待解決的問題。圖2是使用WinCC為“PLC編程”課程實驗開發(fā)的控制對象仿真混合攪拌加熱爐。仿真混合攪拌加熱爐具有實際加熱爐的控制特點，這些控制點與實際PLC相連。當液位達到高位境界點時，會觸發(fā)與之相連的可變程控制器的輸出端，同樣，實際啟動PLC上某輸入點，會對仿真加熱爐進行相應的功能控制。這些仿真設備可連接上實際的PLC，學習者可根據(jù)不同的控制的對象，驗證所編的控制程序。

3小結

傳統(tǒng)的工科實驗需要統(tǒng)一安排時間組織學員們到現(xiàn)場進行實驗，造成了時間、空間等的約束，這在遠程教育模式下難以實現(xiàn)；為解決這一難題，本文從不同層次上探討了利用仿真技術開發(fā)機電專業(yè)的遠程實的教學改革。實踐證明，虛擬實驗是遠程教學中勢在必行的有效途徑。

本文作者:徐丹麗楊煥宇劉曉莉工作單位:上海遠程教育集團信息與工程系