虚拟现实与仿真技术范例(3篇)

虚拟现实与仿真技术范文

[关键词]虚拟仿真;实验教学;轨道交通;三位一体;一纵四横;三层六型

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2015.20.157

[中图分类号]G434[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2015）20-0-02

1研究背景

随着我国高速铁路的迅猛发展以及“高铁出海”战略的提出，社会对轨道交通类人才的需求急剧增加。因此，为相关行业培养和培训技术人才和熟练技工的需求也日趋紧迫。地处淮海经济区和铁路交通枢纽（徐州）的江苏师范大学，立足于为区域经济社会发展提供技术人才和科技服务，加快了轨道交通类专业人才的培养，在理论教学的同时，也注重对学生的实验教学。

实验教学是理论教学的延续，学生通过亲历实验过程，能够加深对理论教学的理解，有助于对课堂教学知识的消化和吸收。实验室建设是实验教学的重要平台和保障基础，可以提升学科专业水平，提高人才培养质量。

目前，我国轨道交通专业实验教学和实践培训存在如下问题：真实平台设备价格高昂，占地面积大，难以同时实现多人的标准化实训和考核;对涉及不可逆的操作，极端的环境，不可控天气条件的运行状况无法进行真实教学和研究。然而，基于虚拟仿真技术的实验教学方法具有投资少、安全性高、拓展性强的优点，可为轨道交通专业实验教学的开展提供有力支持。

2虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，用一个虚拟的仿真系统来模仿真实系统的技术。虚拟仿真实验教学中心是通过虚拟仿真技术，模拟真实的实验设备和实验场景，使学生通过人机交互的方式在模拟的实验场景、实验设备中开展相关实验，达到在虚拟现实环境中，完成各种实验教学活动的目的。它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识等多学科融合的结晶。在实验教学中引入虚拟仿真技术，具有以下几点优势：第一，虚拟实验设备可以代替昂贵的真实设备，同时节约实验室用地，降低实验室建设成本，有利于缓解经费紧张压力;第二，仿真实验的引入突破了实验时间、空间的限制，有利于实验教学的开展和实验设备的利用，进而有利于推进实验教学的改革;第三，虚拟仿真技术可为实验教学提供良好的环境，有利于学生创新能力的培养;第四，虚拟仿真技术使得实验环境更接近现实，有利于缩短学生进入相关行业的适应期。

3构建虚拟仿真实验教学平台

根据教育部公布的“十二五”发展规划，工程实验室应在信息集成技术、虚拟仿真技术和智能制造技术等方面寻求突破，并大力推广和应用虚拟仿真技术。构建虚拟仿真实验教学平台、开展网络实验教学，不仅可以改进实验教学方法，还可以缓解实验设备和实验硬件资源不足等问题，有利于改善和提升实验教学的效果。基于此，江苏师范大学利用现有实验室条件和软件平台，积极筹划轨道交通信号与控制虚拟仿真实验教学中心的建设，主要包括“三位一体”实验平台、“一纵四横多分支”实验体系和“三层六型”实验项目。

3.1“三位一体”实验平台

轨道交通信号与控制虚拟仿真实验教学中心的建设目标主要有三个，其一是提高学生的工程实践能力和创新能力;其二是培训职工的职业技术能力和应急处理能力;其三是提升科学研究与试验的支撑能力。因此，首先建立了实验教学虚拟仿真平台，进而搭建实践培训虚拟仿真平台，在此基础上，进一步建设了科研服务虚拟仿真平台。三部分功能互补、相辅相成，共同构成“三位一体”多功能虚拟仿真实验平台（见图1），实现了“实验教学、实践培训、科研服务”的有机融合。

图1“三位一体”实验平台

3.2“一纵四横多分支”实验体系

在“三位一体”多功能虚拟仿真实验平台的基础上，按照“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则，以专业核心课程知识点为依据，以轨道交通全过程过程操作规范为标准，以安全运行控制为要求，建设由“行车控制”“运行车辆”“牵引供电”和“运输组织”四大部分构成的“一纵四横多分支”实践教学资源体系（见图2），以满足学校、企业和区域的虚拟仿真实践教学需求，实现校内外、本地区及更广范围内的资源共享，形成虚拟仿真实验教学中心的可持续发展。

图2“一纵四横多分支”实验体系

3.3“三层六型”实验项目

根据教育部高等学校本科专业课程实验设置要求，轨道交通信号与控制虚拟仿真实验教学中心将虚拟仿真实验分为基础层、应用层、提高层三个层次，包含验证型、演示型、综合型、设计型、科研型、创新型六种实验类型。其中，教学虚拟仿真实验属于基础层，注重专业知识基本原理的理解和验证，有验证型、演示型仿真实验项目46个;实践培训虚拟仿真实验属于应用层，注重专业知识的综合应用，培养学生的工程实践能力，提高职工的专业技能与职业素质，共有综合型、设计型项目42个;科研服务虚拟仿真属于提高层实验，共有科研型、创新型项目14个，全部面向学生、教师、轨道交通相关企业和相关科研院所开放，注重研究能力和创新能力的提升。

4结语

虚拟仿真实验教学中心作为高校实验教学的一个发展方向，以其依托的虚拟现实技术、网络技术、仿真技术和专业知识，拥有了传统实验室难以具备的优势：建设维护成本低，平台扩展性好，利用效率高等。轨道交通信号与控制虚拟仿真实验教学中心的建设，充分利用了上述优点，改进了本学科本专业的实验室布局和结构，搭建了“三位一体”虚拟仿真实验平台，形成了“一纵四横多分支”的实验体系，开发了“三层六型”实验项目。通过虚拟仿真实验教学中心的建设和实验教学方法的改革，希望能够提高学生的创新能力和实践动手能力，提升相关企业职工技能培训的效果，进而为高校实验教学的改革和创新提供一定的参考和借鉴。

主要参考文献

[1]孙爱娟.职教领域虚拟仿真教学资源建设与应用探析[J].中国电化教育，2012（11）：109-112.

[2]李平，毛昌杰，徐进.开展部级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013（11）：5-8.

[3]马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014（9）：14-18.

[4]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（9）：82-85.

虚拟现实与仿真技术范文篇2

一、虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是虚拟现实技术和系统仿真技术的合称[2]。虚拟仿真技术又叫虚拟仿真或者模拟技术，是将一个真实的系统用虚拟的方法模仿出来。虚拟仿真技术是随着计算机技术发展而逐步形成的一种实验研究技术，是数学推理、科学实验之后人类认识客观规律的第三类方法，已逐渐成为人类认识和改造客观世界的通用性、战略性技术[3]。虚拟仿真技术在多媒体技术、虚拟现实技术、网络通信技术等技术的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术结合在一起，构建逼真的虚拟环境。虚拟仿真可以是一个模拟器，一个仿真软件，或者一个数学模型等[4]。虚拟仿真技术应用在军事演习、医学手术模拟、广告宣传等。近年来，随着计算机技术与网络技术的发展虚拟仿真技术广泛地应用于实验教学，虚拟仿真实验已经成为一种新的教学模式[5]。

虚拟仿真技术在实训中具有真实性、交互性、开放性及扩展性[6]。真实性是指虚拟仿真实训中实验环境具有很强的真实感，学习者在虚拟仿真实训中感觉进入了真实的实训室，操作虚拟设备，体验真实的操作过程。交互性是指学习者可以通过键盘、鼠标操作虚拟设备，虚拟设备会在真实实训中所出现的现象。开放性是指可以将虚拟仿真实训以网页的形式，学习者可以随时随地进行虚拟实验，突破了时空的限制。扩展性是指虚拟设备或虚拟软件等可以实现灵活地配置与组合，而且更新与维护方便，可以对虚拟设备或虚拟软件进行二次开发。

二、PacketTrace软件在计算机网络实训中的应用

（一）PacketTrace软件简介

PacketTracer是思科公司开发的一种虚拟仿真软件，可供网络课程的初学者在虚拟环境中设计网络、配置网络、排除网络故障。该软件采用图形化用户界面，学习者可以通过鼠标拖曳设备及配置线构建网络拓扑;提供的数据包在网络中的流动过程可以适时地观察网络状态;可通过IOS配置对设备进行配置管理，锻炼学习者检查、排除网络故障的能力。

PacketTrace支持大量的设备仿真，比如路由器、交换机、Hub等各类网络连接设备的仿真，每类设备还提供不同的型号;双绞线、同轴电缆、光纤等各种传输介质的仿真;DNS、FTP、WEB、DHCP等服务器的仿真;还可以仿真很多模块。而真实的实训环境中往往不可能提供这么全面的实训设备。PacketTrace运行很多网络协议，支持TCP/IP协议，UDP协议、OSPF协议、HTTP协议、SMTP协议、Telnet协议等常见协议，及不常见的ARP协议、Ethernet协议、HDLC协议、ICMP协议、IPv6等协议。PacketTrace支持逻辑空间设计及物理空间设计两种模式。PacketTrace中的数据包可采用实时传输模式和仿真传输模式，实时传输与真实传输过程一样，仿真传输可以看到数据传送的过程。

（二）PacketTrace软件的应用

假设某公司需要构建自己的网站，并在网站上提供邮件系统服务。通过分析，为了完成本实验需要用到的设备有：首先需要一台网站（Web）服务器、一台邮件（E-mail）服务器;另外还需要一台域名解析（DNS）服务器（通常可以由专门的机构提供，为了方便在仿真软件中构建了自己的DNS服务器）;还需要几台可以上网的PC机;为了将这些设备连接起来，需要一台交换机。还需要配置每个服务器的协议及每个服务器和PC机的地址;如果需要远程登录交换机还需要对交换机进行配置。这个实验可以在真实的环境中完成，也可以在虚拟仿真软件PacketTrace中完成。以下先通过PacketTrace软件进行虚拟仿真实验。

1.构建网络拓扑

将Web服务器、E-mail服务器、DNS服务器、两台PC机拖曳进主界面，并连接好配置线，将设备分别重命名，得到实验的网络拓扑，如图1所示。

图1网络拓扑结构图

2.配置各设备

（1）配置DNS服务器。鼠标单击DNS服务器，首先在Desktop选项中选择“IPConfiguration”设置静态分配（Static），设置好各地址参数，其中IP地址192.168.1.2;然后在Config选项卡中设置GLOBAL项中的Gateway为：192.168.1.1，DNSServer为192.168.2;最后将DNS项以外的其他协议全部关闭，并在DNS中添加网站（fly.com）及邮箱（pop3.163.com，stmp.163.com）的域名解析，如图2所示。

图2DNS域名解析配置

（2）配置Web服务器。鼠标单击Web服务器，在Desktop选项卡中配置好IPConfiguration中各地址，IP地址为192.168.1.8;然后在Config选项卡中设置GLOBAL项中的Gateway为：192.168.1.1，DNSServer为192.168.2;再后将HTTP项以外的其他协议全部关闭，还可以在此处修改网页代码，以修改网页的显示内容。

（3）配置邮件服务器。点开E-mail服务器，配置好IPConfiguration中各地址，IP地址为192.168.1.3;然后在Config选项卡中设置GLOBAL项中的Gateway为：192.168.1.1，DNSServer为192.168.2;再后将E-mail项以外的其他协议全部关闭，并在E-mail项中设置Domainname及添加邮箱用户名及用户密码。

（4）配置交换机。如果交换机不需要远程登录进行配置管理，则无需配置。如果需要进行远程登录管理那么需要给交换机配置地址。交换机配置地址需要通过IOS配置方式。给交换机配置地址为192.168.1.253。点开交换机，进入CLI选项，回车后键入命令，下面进行简单的配置命令：

Switch>en//进入特权模式

Switch#conft//进入全局模式

Switch（config）#intervlan1（默认交换机的所有端口都在VLAN1中）//创建并进入VLAN1的接口视图

Switch（config-if）#ipaddress192.168.1.253255.255.255.0//在VLAN1接口上配置交换机远程管理的IP地址

Switch（config-if）#noshutdown//开启接口

Switch（config-if）#exit//回到全局配置模式

（5）配置两台PC机的地址。点开PC0，在Desktop选项中选择“IPConfiguration”设置静态分配（Static），设置好各地址参数，其中IP地址192.168.1.4。PC1的设置同PC0，其中IP地址为192.168.1.5。

3.测试验证实验

（1）验证网站功能。在PC0（或PC1）上，点开进入WebBrower选项，输入网址fly.com，再点击go，如果能够正确显示出Web服务器上的主页，则说明Web服务器实验成功。否则需要重新检测故障，并排除故障，直到能够成功显示。

（2）验证邮件收发功能。鼠标单击PC0（或PC1）上，选择Desktop选项，单击E-Mail，进入MAILBROWER，单击ConfigureMail，然后进行相应的配置。保存后返回MAILBROWER，进行收发邮件测试，如果能成功收发邮件，则说明邮件服务器实验成功，否则需要检测并排除故障。

三、PacketTrace虚拟仿真实验与真实实验的对比分析

在PacketTrace虚拟仿真软件中，学习者可以通过图形化界面，对虚拟的设备进行连线、配置、测试、排除故障等，在逼真的环境中，体验真实实验的过程，完成实验，得到真实实验的结果。而且虚拟实验中需要用到的实验设备，只需要用鼠标拖曳出来即可，仿真软件提供不同的设备和相同设备不同型号的选择，实验非常方便灵活。而在真实的实验中，很多实训场所不可能提供这么多的设备，更难具备各种不同型号的设备，仿真软件大大地节约了设备成本。在虚拟实验中，可以不断地重新配置，尝试不同的配置方法，不会损坏设备，配置不成功，可以删除设备，重新拖曳进新设备进行配置，而在真实实验中配置不正确，操作不当，可能损坏真实设备，而且不可能把真实设备丢掉后再用新设备进行配置管理，因此，虚拟仿真实验提供了更灵活的配置方法，增强了学习者的学习兴趣。在虚拟实验中，不需要专门的实训场所，不需要实训室管理维护人员，节约了实训场所成本以及管理人员成本;虚拟实验可以在任意一台电脑上完成，突破了时间与空间的限制，可以使学习者随时随地进行实验，学习更轻松，效率更高。

但是在虚拟仿真实验中有一些与真实实验不完全相同的地方，比如设备之间的连线，只需要选择一种介质即可，甚至可以由系统智能判断选择什么介质，所以配线环节不会出现错误。而在真实实验中，学习者可能不知道具体的设备需要选择哪种传输介质，或者传输介质没有连接好、松动、串扰等都可能造成实验不成功，而这些在虚拟实验中都不会出现。另外，如Web服务器配置，在虚拟实验中没有设备Web站点，只需要将HTTP协议打开即可，而在真实的实验中Web站点的配置存在版本的不兼容、默认站点的位置不正确以及登录用户的权限设置等问题都可能引起Web服务配置不成功。

因此，虚拟实验仿真实验需要与真实实验结合起来，不能只是单纯地进行虚拟仿真实验。比如，可以让初学者先通过虚拟仿真实验，熟悉设备、设备的型号、设备的配置方法、设备的管理方法、设备的排障方法等，然后再结合真实设备进行实验，这样将使学习效果更佳。

虚拟现实与仿真技术范文

关键词：虚拟仿真；电子类实验教学；应用

TP391.9；TN0-4；G642

一、虚拟仿真技术的概念与优势

虚拟仿真技术在电子类实验教学中的应用主要有两种方面：虚拟仪器技术和仿真。最早虚拟仪器这个概念是由美国仪器公司提出的，其主要含义就是“软件就是仪器”通过对应的软件来实现仪器的主要功能。在使用过程中利用LabvIEW编写虚拟的仪器面板，将各种数据信息采集设备和软件的仿真平台搭建出一个不同的仿真系统。仿真则是利用模型进行实验，对电路环境与电路过程中进行模拟，得到真正实验的全过程。虚拟仿真技术的核心内容就是将虚拟与实际结合，从而达到最佳的实验教学效果。同时，在虚拟仿真技术在使用过程中有以下几种优势

（一）节约成本

在传统的教学模式创新中需要不断的增加各种教学仪器设备，增加教学成本，而且要想进行实验只能在实验室进行。虚拟仿真技术的出现更好的解决了这些问题，在教学过程中只需要具备仿真软件计算机就能在任意地点进行实验，方便教师教学。

（二）理论与实际结合，激发学生兴趣

虚拟仿真技术可以将虚拟与实现结合，学生在接受新知识时还锻炼了学生的动手实践能力。将实验教学内容以更直观的形象展现出来，激发学生的学习兴趣，提高学习效率。

（三）实验平台的统一性和可恢复性

在使用虚拟仿真技术时，可以将多门课程实验进行统一，并为学生提供一个设计、原型、科学、的应用平台，这样不会丢失原有的实验信息，还会完成从原型设计到系统部署之前所有工作，从而将虚拟教学内容与实际教学实验的理论、知识更好的结合起来。

（四）教学内容的灵活性与创新性

虚拟仿真技术不同于其他试验箱数量固定的实验内容，在使用其技术时还会根据不同的需求搭建出一个不同的实验电路，让学生更直观的了解教学内容，同时还有利于教师开展一些综合性与设计性的教学实验，从而培养学生的创新能力。

二、虚拟仿真技术在电子类实验教学中的应用

随着电子技术快速发展以及教学内容不断的更新，传统的实验教学模式已经跟不上社会的发展，其中还存在着一些不足，虚拟仿真技术的出现将实验教学进行全新的完善，激发学生的学习兴趣，提高学生学习效率。电子电路课程是电子类专业必修课程，其中包括了：电路分析、模拟器电子技术、数字电子技术。在这三门课程中虚拟电子技术被学生们认为是一个难度最大，理论性较强的的一门课程。一般来讲，虚拟电子技术是与教学理念同步，有时也会落后于教学课堂。在传统的实验教学过程中，学生对实验的电路理论不够了解，对实验中可能出现的问题还没有特别清楚，因此，对于多数学生来说，在实验过程中一旦出现问题找不到任何的突破点，从而降低学习兴趣。在虚拟仿真技术中以二阶段有源低通滤波器为主的教学实验可以帮助学生加深对知识的了解，锻炼学生的动手动脑能力。

（一）二阶有源滤波器的仿真实验

在虚拟仿真技术中，常用的仿真软件有：Multisim、Pspice、Proteus等。在此，本文对Multisim在虚拟仿真技术中的使用以二阶有源滤波器电路进行了仿真。该技术操作简单容易上手，它在使用过程中具有非常多的元器件、虚拟仪器，它的功能强大，在使用过程中还为学生提供专用的万能表、示波器等常用仪表设备，而且还为学生提供了虚拟仿真技术的网络分析仪、频谱分析仪等仪器设备。二阶有源滤波器在教学过程中具有仿真的电路图，只需要在使用时输入信号频率和幅度，就可以通过滤波器的示波器进行观察，并让学生做出总结。同时，在使用时还可以利用波特图测试仪，设定使用频率的反问，保证学生可以更加直观的观看到二阶有源低通滤波器的频率响应线，学生在上课过程中就可以通过幅频特性曲线找到滤波器的频率。这样，学生就可以搭建出一个更为实际的电路，进行实验，从而总结出自己所得结果，并于教师交流。

（二）二阶有源滤波器的实际电路测试