虛擬仿真技術優點
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虛擬仿真技術優點范文第1篇
Abstract The application of virtual technology to the teaching of electronic technology is a hot topic in the reform of electronic technology in Colleges and universities. On the computer， the Multisim software is used to simulate some of the circuits. It can demonstrate the experiments that cannot be done in the classroom and laboratory， and solve the difficulties in learning， so as to embody the teaching principles of combining theory with practice. Therefore， this paper will explore the application of virtual simulation experiment in the current electronic technology teaching reform， and put forward corresponding suggestions for its practical application measures， so as to better accomplish the teaching of electronic technology.
Keywords virtual simulation experiment； electronic technology； teaching reform； application
相對于傳統的電子線路實驗，虛擬仿真實驗的演示結果與理論值之間的誤差更小，參數修改更方便，且電路構造靈活，擴展性非常強，故目前高校電子技術教學改革中不約而同地引入了虛擬仿真技術，本文將針對虛擬仿真實驗在高校電子技術教學中的應用進行分析與探討，從而增強虛擬仿真實驗在電子技術教學中的應用效果，提高高校電子技術教學的教學質量及滿足培養電子技術專業的人才的需要。[1]
1 虛擬仿真技術的優點及應用現狀
電子技術是一門實踐性非常強的學科，而在課堂上，由于在實驗箱上進行實驗繁瑣且實驗數據誤差大，教師無法在課堂上演示所有實驗。現在一般學校采用的方法是老師講授完相關理論知識后再由學生在實驗室驗證，這樣容易面造成了理論和實際的分離；另外電子技術高速發展，新電路、新器件不斷涌現，而實驗室受條件限制無法及時滿足各種電路的設計和調試要求，實踐環節的缺失影響了學生的學習興趣與學習效果。
為解決此問題，一味地依靠教師的理論教學是不夠的，只有課堂教學與實驗結合，才能夠從根本上解決。虛擬仿真技術是把Multisim仿真軟件運用在PC平臺上，作為圖形操作的界面，與相似的現實中電子實驗工作臺連接，工作臺能夠完成與現實一樣的實驗操作。[2]由于虛擬仿真技術在電子技術中的應用范圍主要是電子電路分析、設計及仿真方面，所以普遍采用的是一種EDA軟件，因為其實踐效果強，環境模擬逼真，教師對這類軟件的操作也比較便利，學生在實驗課中也能夠靈活地對實驗參數、電路改造等進行模擬，能夠滿足學生的實踐操作欲望，對其動手能力進行有效鍛煉。
2 Multisim軟件的介紹
Multisim軟件是目前高校引進虛擬仿真實驗的重要工具，實質上Multisim軟件是在windows系統環境下開發出的電路仿真軟件，能進行電路瞬態分析、穩態分析、時域和頻域分析、噪聲分析、直流分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析、電路容差分析等，且可以完成故障模擬及數據儲存等要求，其功能十分完善。Multisim軟件優點：能為用戶提供直觀的操作界面，便于原理圖的設計輸入，能夠幫助學生進行元件放置及連接、任意拖動引線和進行微調，有利于教師對學生的實踐能力評價；元件的劃分系列有序，便于學生在數量眾多、型號豐富、器件模型繁瑣等情況下，快速尋找到所需的元件，節省了實驗時間，便于實驗的高效進行；豐富了電子設備種類，由于學校對電子實驗室的投入限制，電子實驗室能夠提供的實際設備是有限的，故而很多實驗都要因實際原因進行調整，但Multisim軟件能夠提供與實際功能相同的函數發生器、波特圖儀字信號、頻率計發生器、示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀、失真度儀、網絡分析儀等18種虛擬儀器，以及與實?H完全相同的示波器、數字萬用表、信號發生器，既節省了實驗室投入成本又便于學生的實踐操作； Multisim軟件的仿真電路的準確性非常高，比如對比傳統的SPICE模型的高頻仿真實驗， Multisim軟件采用了高頻電路仿真元件模型庫及儀表搭建高頻電路所進行的高頻電路仿真實驗，其數據的準確性遠遠高于SPICE模型，加之Multisim軟件能夠從計算機上直接進行實驗數據曲線、電路原理圖、元件庫清單等打印，縮短了實驗的時間，能夠讓學生更為直觀地了解到自身實驗操作的情況。
3 虛擬仿真實驗在電子技術教學中的應用研究
基于虛擬仿真技術的各類優點，高校的教學情況及學生的學習狀況等實際情況，虛擬仿真實驗在電子技術教學改革中的應用可以從教學模式及學習組織形態這兩方面進行，能夠更好地加強其應用效果。
3.1 情景式教學
從學習共同體的構建及學生認知特點這兩個角度來看，目前電子技術教學所缺乏的是情景式的教學氛圍。情景式的教學能夠使得學生更快地融入到學習狀態、工作環境中，虛擬教學能夠較好地營造情景式教學氛圍，使得學生在逼真的教學環境中，進行實驗操作。學習情景與真實世界的結合，能夠提升學生的學習效果 。[3]其具體的應用方式是，在電子技術課堂教學中，使用虛擬仿真技術創設出一個虛擬的真實環境，將實驗室操作臺，圖形等難以表達的事物虛擬變化呈現出來，例如在電路實驗中，通過電路仿真模擬呈現出現實的電路工作狀態，將電路輸出結果轉化為一個變化的動態過程，使得學生可以直觀地觀察整個變化過程。教師通過合理的引導將復雜難懂的理論知識形象化，如此學生既能夠得到學習的滿足感又能更加深入地投入到學習中，教師通過虛擬仿真技術的應用也能夠將難解的理論知識通過圖形展示、實踐操作，逐步展示給學生，解決學生知識難消化的難題。
3.2 探究式小組學習
新時代背景下教師不僅要注重學生的理論知識教學，還要對鍛煉學生的實踐能力，探究式的小組學習，能有效地提升學生的創新實踐能力。單個學生對于問題的思考總是有局限性，而多個學生組成學習小組，共同探究問題的解決方法，能夠有效地進行創新思維培養，尤其是在電子技術課程中，大部分的知識都需要學生通過實踐來驗證。例如在模擬電子線路教學中有“三種基本的放大電路分析”的教學內容，教師可以把學生分成三個小組，分別仿真出三種放大電路的輸出波形，教師引導學生根據仿真出來的結果對三種組態電路特點進行比較，總結每種電路的優缺點，然后教師提出問題：怎樣利用三種基本放大電路構成多級放大電路來改善電路的性能？這樣通過對問題探討的層層深入及師生及學生之間的互動，能夠讓學生對所學知識的理解更加深刻。
3.3 虛擬仿真實驗在電子技術教學中的應用舉例
振蕩電路是電子線路教學中的重點也是難點，要產生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的fo，且在合閘通電時對于f=fo信號有從小到大直至穩幅的過程，即滿足起振條件。利用仿真電路圖能夠很好地模擬從起振到穩福的過程。
虛擬仿真技術優點范文第2篇
[關鍵詞]虛擬仿真;實驗教學;軌道交通;三位一體;一縱四橫;三層六型
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.20.157
[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2015）20-0-02
1 研究背景
隨著我國高速鐵路的迅猛發展以及“高鐵出海”戰略的提出，社會對軌道交通類人才的需求急劇增加。因此，為相關行業培養和培訓技術人才和熟練技工的需求也日趨緊迫。地處淮海經濟區和鐵路交通樞紐（徐州）的江蘇師范大學，立足于為區域經濟社會發展提供技術人才和科技服務，加快了軌道交通類專業人才的培養，在理論教學的同時，也注重對學生的實驗教學。
實驗教學是理論教學的延續，學生通過親歷實驗過程，能夠加深對理論教學的理解，有助于對課堂教學知識的消化和吸收。實驗室建設是實驗教學的重要平臺和保障基礎，可以提升學科專業水平，提高人才培養質量。
目前，我國軌道交通專業實驗教學和實踐培訓存在如下問題：真實平臺設備價格高昂，占地面積大，難以同時實現多人的標準化實訓和考核;對涉及不可逆的操作，極端的環境，不可控天氣條件的運行狀況無法進行真實教學和研究。然而，基于虛擬仿真技術的實驗教學方法具有投資少、安全性高、拓展性強的優點，可為軌道交通專業實驗教學的開展提供有力支持。
2 虛擬仿真技術概述
虛擬仿真技術是以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，用一個虛擬的仿真系統來模仿真實系統的技術。虛擬仿真實驗教學中心是通過虛擬仿真技術，模擬真實的實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗場景、實驗設備中開展相關實驗，達到在虛擬現實環境中，完成各種實驗教學活動的目的。它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識等多學科融合的結晶。在實驗教學中引入虛擬仿真技術，具有以下幾點優勢：第一，虛擬實驗設備可以代替昂貴的真實設備，同時節約實驗室用地，降低實驗室建設成本，有利于緩解經費緊張壓力;第二，仿真實驗的引入突破了實驗時間、空間的限制，有利于實驗教學的開展和實驗設備的利用，進而有利于推進實驗教學的改革;第三，虛擬仿真技術可為實驗教學提供良好的環境，有利于學生創新能力的培養;第四，虛擬仿真技術使得實驗環境更接近現實，有利于縮短學生進入相關行業的適應期。
3 構建虛擬仿真實驗教學平臺
根據教育部公布的“十二五”發展規劃，工程實驗室應在信息集成技術、虛擬仿真技術和智能制造技術等方面尋求突破，并大力推廣和應用虛擬仿真技術。構建虛擬仿真實驗教學平臺、開展網絡實驗教學，不僅可以改進實驗教學方法，還可以緩解實驗設備和實驗硬件資源不足等問題，有利于改善和提升實驗教學的效果。基于此，江蘇師范大學利用現有實驗室條件和軟件平臺，積極籌劃軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心的建設，主要包括“三位一體”實驗平臺、“一縱四橫多分支”實驗體系和“三層六型”實驗項目。
3.1 “三位一體”實驗平臺
軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心的建設目標主要有三個，其一是提高學生的工程實踐能力和創新能力;其二是培訓職工的職業技術能力和應急處理能力;其三是提升科學研究與試驗的支撐能力。因此，首先建立了實驗教學虛擬仿真平臺，進而搭建實踐培訓虛擬仿真平臺，在此基礎上，進一步建設了科研服務虛擬仿真平臺。三部分功能互補、相輔相成，共同構成“三位一體”多功能虛擬仿真實驗平臺（見圖1），實現了“實驗教學、實踐培訓、科研服務”的有機融合。
圖1 “三位一體”實驗平臺
3.2 “一縱四橫多分支”實驗體系
在“三位一體”多功能虛擬仿真實驗平臺的基礎上，按照“能實不虛、虛實結合、相互補充”的原則，以專業核心課程知識點為依據，以軌道交通全過程過程操作規范為標準，以安全運行控制為要求，建設由“行車控制”“運行車輛”“牽引供電”和“運輸組織”四大部分構成的“一縱四橫多分支”實踐教學資源體系（見圖2），以滿足學校、企業和區域的虛擬仿真實踐教學需求，實現校內外、本地區及更廣范圍內的資源共享，形成虛擬仿真實驗教學中心的可持續發展。
圖2 “一縱四橫多分支”實驗體系
3.3 “三層六型”實驗項目
根據教育部高等學校本科專業課程實驗設置要求，軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心將虛擬仿真實驗分為基礎層、應用層、提高層三個層次，包含驗證型、演示型、綜合型、設計型、科研型、創新型六種實驗類型。其中，教學虛擬仿真實驗屬于基礎層，注重專業知識基本原理的理解和驗證，有驗證型、演示型仿真實驗項目46個;實踐培訓虛擬仿真實驗屬于應用層，注重專業知識的綜合應用，培養學生的工程實踐能力，提高職工的專業技能與職業素質，共有綜合型、設計型項目42個;科研服務虛擬仿真屬于提高層實驗，共有科研型、創新型項目14個，全部面向學生、教師、軌道交通相關企業和相關科研院所開放，注重研究能力和創新能力的提升。
4 結 語
虛擬仿真實驗教學中心作為高校實驗教學的一個發展方向，以其依托的虛擬現實技術、網絡技術、仿真技術和專業知識，擁有了傳統實驗室難以具備的優勢：建設維護成本低，平臺擴展性好，利用效率高等。軌道交通信號與控制虛擬仿真實驗教學中心的建設，充分利用了上述優點，改進了本學科本專業的實驗室布局和結構，搭建了“三位一體”虛擬仿真實驗平臺，形成了“一縱四橫多分支”的實驗體系，開發了“三層六型”實驗項目。通過虛擬仿真實驗教學中心的建設和實驗教學方法的改革，希望能夠提高學生的創新能力和實踐動手能力，提升相關企業職工技能培訓的效果，進而為高校實驗教學的改革和創新提供一定的參考和借鑒。
主要參考文獻
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虛擬仿真技術優點范文第3篇
關鍵詞：電子電工；實驗；仿真技術
中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）19-0202-02
實驗教學能夠積極提升學生的動手能力與實踐水平。傳統的實驗教學中存在的常見問題：學生對儀器設備不熟悉，不能完全按照操作規范進行操作實驗，造成儀器設備的損壞，甚至帶來人身傷害等。模擬仿真技術的出現解決了這些常見問題，下面我們就來探討模擬仿真技術對電子電工實驗的影響，以及如何利用模擬仿真技術改變傳統的電子電工實驗教學。
1 模擬仿真技術在電子電工實驗中的優勢
傳統的電子電工實驗需要專業的實驗室，專業的儀器設備，需要購買大量的教學實驗器材，再加上儀器、設備的日常維護費用，就需要投入大量的資金來確保實驗室的正常運轉。此外，在學生進行實驗操作過程中，指導教師要全程引導和時刻關注實驗的進展，確保實驗過程安全，避免出現由于操作失誤造成儀器設備的損壞，甚至人身意外傷害。實驗前后，指導教師還要對儀器設備進行例行檢查，清點、準備實驗器材，完成一系列的相關工作。與傳統的電子電工實驗相比，模擬仿真技術，具有明顯的優勢，僅僅借助EWB、Multisim、Matlab、MAX+plusII等仿真軟件提供的實驗平臺就能完成日常的教學實驗，實驗平臺提供的虛擬儀器、虛擬元器件完全能替代實物元器件，學生能夠根據需要進行各種內容的常規模擬仿真實驗，仿真結果與傳統實驗室獲得的結果基本吻合。電子模擬仿真實驗具有以下優點：一是不需要專業的實驗室、專業的儀器設備，不需要大量購買實驗器材，電子元器件等必備物品，節約大量資金；二是仿真實驗平臺提供的各種類型虛擬元器件基本上能滿足實驗的需要，特別是個別昂貴、不太容易購買到的實物元器件，在仿真實驗平臺都能找的到；三是實驗過程中，學生根據需要隨時都能修改虛擬元器件的參數進行仿真實驗，整個過程方便、快捷；四是實驗過程不需要指導教師全程關注，即使學生操作失誤或線路連接錯誤，也不會出現意外事故，最多是模擬仿真實驗沒有結果，或者系統提示錯誤。五是學生可以根據顯示錯誤代碼，根據錯誤代碼或系統提示，進行查錯、修改，直到得到預期結果；六是模擬仿真實驗提高實驗操作的效率，縮短了電子設計的周期。
在安全性方面，一般來說電子電工實驗都具有一定的危險性[1]。例如，學生在進行強電實驗過程中，如果電路連接錯誤，容易造成線路短路，燒壞線路，甚至出現電火花和冒煙現象，極易引發火災，對學生的人身安全和實驗的儀器設備的安全構成威脅。與此同時，如果學生在實驗過程中沒有嚴格遵守操作規范實，也極易對實驗儀器設備造成損壞。例如，在進行邏輯電路實驗的過程中，芯片位置的安裝一旦出現錯誤，會造成芯片燒損，實驗數據的丟失，甚至影響到實驗設備的正常使用。如果我們借助模擬仿真技術進行實驗，學生的實驗操作主要依靠計算機軟件來完成，這就不存在上述安全方面的問題。
2 模擬仿真技術在電子電工實驗的應用
隨著現代電子技術的快速發展，模擬仿真技術在電子電路設計、電工實驗中得到了快速普及與應用。日常簡單的模擬仿真實驗，僅需要一臺電腦就可以完成，學生根據系統提示信息、錯誤代碼，就可以快速的找到錯誤點進行修改，模擬元器件在實驗過程中所具有的特性與實物元器件的特性具有一定的相似，而且僅靠修改元器件、儀表的參數就能取代傳統實驗過程中更換元器件和儀器設備的步驟，節約了實驗成本，避免資源浪費。與傳統的實驗教學相比，模擬仿真技術所具有的最顯著的特點就是方便、快捷、高效，更能吸引學生，激發學習興趣，同時也促進了教學質量的提升。
模擬仿真技術不需要專業的實驗室，網絡多媒體技術的快速發展也為模擬仿真實驗提供了便利條件，也促使了實驗教學方式的轉變。在實驗教學中，不需要到專業實驗室去，老師可以利用多媒體教室，采用多媒體教學的形式為學生進行演示，借助人機對話的形式對學生進行指導，借助仿真實驗，觀察由于電路、虛擬元器件參數的變化帶來的仿真實驗結果的變化，并對過程、結果進行分析、測試，通過對比仿真結果與理論結果得出實驗結論，與在實驗室做實驗一樣，同樣能夠使學生感受到實驗氛圍。
模擬仿真技術盡管有許多顯著的優勢，但是還是不能完全取代傳統的實驗教學。傳統的實驗教學培養了學生的動手實踐操作能力，這是仿真技術無法替代的，在實驗教學過程中，二者相輔相成，只有這樣，才能相得益彰，從而能積極促進電子電工實驗教學水平的提高。
3結論
綜上所述，在電子電工的實驗教學中，合理應用模擬仿真技術具有非常重要的意義。與傳統的實驗方法相比，通過這種開放式的實驗模式，學生更能加深對理論知識和概念的認識理解。模擬仿真技術的應用，拓展了學生的可操作空間，在實驗中提升了創新和綜合分析的能力。
參考文獻：
虛擬仿真技術優點范文第4篇
關鍵詞：優化；多細節層次；遮擋屬性
中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）20-0184-02
目前虛擬仿真技術的應用越來越廣泛，比如虛擬仿真技術在煤礦安全培訓中的應用、虛擬仿真技術在醫學教育領域的應用等。在這些應用中，高品質畫面效果與系統流暢地運行總是兩個相悖的需求。要做到畫面精細美觀，就很難做到數據量很小，數據量龐大又會導致系統運行不流暢。這時候就需要考慮優化的問題，只有對系統進行優化才能很好地調和這兩個矛盾。在實際開發中，不但要在虛擬仿真環節使用優化技術還要對模型進行優化處理。由于篇幅所限，在此主要闡述虛擬仿真環節的優化。
一、LOD技術應用
1.LOD技術綜述。虛擬現實技術作為一種新型的人機交互技術具有沉浸、交互、構想三個基本特性，其中沉浸性是指使用戶投入到計算機生成的虛擬環境中的能力，是虛擬現實系統的核心。為了使用戶在使用虛擬現實系統時擁有沉浸感，必須實現圖形的實時繪制。實時繪制就是要求圖形顯示速度必須跟上視點移動速度，消除遲滯現象。當場景很簡單，例如僅有幾百個多邊形，要實現實時繪制并不困難，但是，為了得到逼真的顯示效果，場景中往往有上萬個多邊形，有時多達幾百萬個多邊形，這就對圖形實時繪制提出了很高的要求[1]。虛擬現實和交互式可視化等交互式圖形應用系統要求圖形生成速度達到實時，而計算機所提供的計算能力往往不能滿足復雜三維場景的實時繪制要求，因而研究人員提出多種圖形生成加速方法，LOD模型則是其中一種主要方法。1976年，Clark提出了細節層次（Levels of Detail，簡稱LOD）模型的概念，認為當物體覆蓋屏幕較小區域時，可以使用該物體描述較粗的模型，并給出了一個用于可見面判定算法的幾何層次模型，以便對復雜場景進行快速繪制。LOD技術在不影響畫面視覺效果的條件下，通過逐次簡化景物的表面細節來減少場景的幾何復雜性，從而提高繪制算法的效率。由于LOD的諸多優點和它很好地解決了虛擬仿真技術中流暢運行和界面精美的矛盾，成為虛擬仿真領域的研究熱門，并且取得了不少的成果。而Virtools中LOD屬性添加就是應用之一。
2.LOD優化系統的實現。首先在3D MAX中，將所建模型轉化為可編輯面片。Virtools中，在Level Manager下的三維物體上右鍵，選擇右鍵菜單命令Add Attributes（添加屬性），彈出Add Attribute Type的設置窗口，選擇該窗口中的LOD Object，然后單擊Add Selected按鈕即可添加LOD屬性。第二步則是設置LOD屬性面板的參數。給物體添加LOD屬性需要設置其參數，參數面板如圖1所示主要包括所選用的算法和LOD模型的選擇標準。通過LOD參數可以設置物體根據所占畫面比例進行面數增減，通俗地說就是越近越精細，越遠越粗糙。在Level Manager（層管理器）下的三維物體上雙擊打開3D Object Setup面板，雙擊Value參數的值，彈出如圖1所示的參數設置窗口。設置當對象在屏幕中的顯示占總面積的80%以上時完整顯示，隨著所占面積的縮小，剔除的面數逐漸增加，直到對象在屏幕中顯示面積為1%時，將剔除面數的98%，僅保留2%，這將極大優化系統。
二、其他優化技術
1.減少渲染數量。虛擬漫游系統的實時渲染，被遮擋的物體也會被渲染，如果將被遮擋物隱藏，當視角發生改變后，物體又不能正常顯示；在Virtools中解決這一問題的方案是給遮擋物增加遮擋屬性，那么被遮擋的物體就不會被渲染，當視角發生改變后，被遮擋的物體也能正常顯示出來。具體操作和增加LOD屬性相似，在添加屬性窗口選擇Optimizations（優化）/Ocdluder（遮擋），然后單擊Add Selected按鈕即可添加遮擋屬性。
2.減少渲染范圍。影響渲染進程的除了場景中對象的復雜程度和數量等因素，視域范圍和深度也會對渲染有所影響。如果漫游的每一幀都顯示和處理所有場景數據是效率很低而且不必要的。將場景進行分塊處理，在漫游中，只渲染攝像機能觀察到的場景分塊，對沒有進入視角的場景分塊不做調用和處理，這樣可以極大地加快系統的渲染效率。其中的優化包括了兩個方面：一方面是在建模階段對場景進行分塊處理，另一方面是在交互設計階段對不同的場景進行調用及攝像機的視野范圍進行設置即視錐體裁剪技術的運用，通過縮小渲染深度，達到減少渲染對象的數量，從而實現系統的優化。視錐體裁剪技術來優化系統的原理如圖2所示，攝像機的視野范圍可以看作是一個四棱錐，為了方便理解作者把立體空間平面化為實線所包圍的區域，渲染的范圍就是實線三角形，將攝像機的Far clip（遠裁切）參數減小，將下邊線推進到虛線的位置，渲染的范圍就縮小了，從而實現了系統的優化。如果能配合霧效，將遠景模糊處理，效果更自然。
虛擬仿真系統的優化途徑有很多，具體的系統開發中一般不會都用。根據系統開發的規模常用的有LOD技術，再結合遮擋屬性設置，如果還要進一步優化則通過減少渲染范圍配合霧效的障眼法來處理了。
參考文獻：
[1]張劍利.基于Web的交互式產品虛擬展示平臺關鍵技術研究[D].江蘇科技大學，2009.
[2]劉林濤.建筑場景虛擬漫游關鍵技術的研究和實現[D].蘇州大學，2008.
虛擬仿真技術優點范文第5篇
關鍵詞：建環專業;實驗教學;虛擬仿真
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）05-0106-02
引言
虛擬仿真技術是20世紀末才興起的一門嶄新的信息技術，能夠模擬真實設備或系統的工作過程，具有信息量大、生動形象、身臨其境、實時交流等特征。虛擬仿真實驗教學是虛擬仿真技術在教育領域的應用，是高等教育信息化建設的重要內容[1]，促進當前教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。
建筑環境與能源應用工程是一個典型工科類的專業，在人才培養中普遍存在“重設計、輕實踐”等問題，強化專業實驗教學內容，培養應用型、復合型和創新型的實用人才，是社會對建環專業教學改革的迫切要求。將虛擬仿真技術的引入到建環專業實驗教學中，解決目前實驗教學中的存在問題，提高建環專業人才培養質量，是值得研究和探索的課題。
一、建環專業實驗的教學現狀
目前，建環專業實驗教學基本上是傳統模式[2]，存在實驗課時少、教學內容陳舊、實驗教學方法和手段單一等諸多問題。實驗類型多以驗證性、演示型為主，學生學習被動，往往敷衍了事。為了改進實驗教學效果，很多學校做出積極探索和改革[3-4]，如獨立設置專業實驗課程、改革實驗考核模式、開設創新實驗、增加生產實習等。雖然這些努力對提高實驗教學質量起到了一定作用，但是，建環專業實驗教學改革發展中存在瓶頸：
1.受實驗室條件限制，很難開設交叉性專業實驗。
暖通空調系統形式多樣、構成復雜、設備龐大、維護費用高，受實驗室空間和資金的限制，很難建設較為綜合的暖通空調實驗平臺，使學生對系統整體性和在工程中的實際運行缺少全面性認識。
2.受生產與安全條件限制，生產實習教學效果很難達到預期要求。
為了彌補交叉性專業實驗的不足，很多學校加強了生產實習環節。但是，由于實際工程環境復雜、危險大、操作安全要求高，企業出于經濟效益和安全考慮，不可能同意把在工程現場進行實驗教學，只能是走馬觀花的參觀式教學，實際教學效果不佳。
3.受師資力量和實驗設備限制，實驗教學質量大打折扣。
大多數學校建環專業每年招生2個班以上，有的學校甚至達到4個班。當學生人數多時，而師資力量有限、實驗設備數量有限時，如何安排好學生進行實驗，并且能夠激發學生主動性、積極性是一件非常困難的事情。
二、建環專業虛擬仿真實驗教學的必要性
虛擬仿真技可以生動形象地復現各類復雜的暖通空調系統，有效解決建環專業實驗改革的瓶頸問題。虛擬仿真實驗不受實驗室條件的限制、生產與安全條件的限制、師資與實驗設備的限制，可以實現在課堂和實驗室中無法實現的教學過程，拓展實驗類型，開展豐富多樣的專業交叉性、創新性實驗。
建環專業開展虛擬仿真實驗教學，將帶來如下優勢：①能營造出一種仿真式與交互式的實驗環境，不用考慮實驗室面積、投資、運行、維護費用，使得實驗經費大大降低。②能展現建環專業的最前沿技術，擴展實驗項目。③擴展實驗內容和深度，突破課堂教學難點。④去除了繁雜的實驗準備工作，節省去人力、物力，更有效利用師資力量。⑤可以反復訓練，為學生自主學習提供平臺，提高學習興趣，促進主動思考。
對于實踐教學而言，不同層次的實踐教學可以用不同層次的虛擬仿真技術進行模擬。在專業基礎課程中的實踐教學可以使用簡單、高效、成本低廉的傳統仿真技術來完成，對于專業核心課程的實踐教學或綜合性實驗，可采用虛擬現實系統來實現。
三、建環專業領域的常用仿真技術
仿真技術以低成本、高開放性和廣泛適用性等優勢，已經在建環專業相關的科研領域有了廣泛應用和研究，很多仿真軟件被用于暖通空調的仿真建模，主要分為以下三個方面：
1.建筑室內環境的仿真。主要有Fluent、Airpak、Phoenics和Flovent等軟件，其中Fluent和Airpak最具代表性。Fluent軟件包含豐富而先進的物理模型，能夠準確模擬所研究對象內的空氣流動、傳熱和污染等物理現象。Airpak則是專門面向HVAC領域的室內環境仿真軟件，在功能上沒有Fluent全面，但是比Fluent更易于建環專業人員使用。
2.建筑或空調系統能耗的仿真。主要有EnergyPlus、DeST、DOE-2和BLAST等軟件，其中EnergyPlus和DeST在我國應用最多。EnergyPlus吸收了DOE-2和BLAST的優點，采用集成同步的負荷/系統/設備的模擬方法。DeST基于狀態空間法理論，利用多區熱質平衡算法和三維動態傳熱算法模擬建筑能耗。
3.暖通空調系統性能的仿真。主要有TRNSYS、SIMULINK、HVACSIM+和DYMOLA等軟件。TRNSYS模塊化結構的動態系統模擬軟件，內置了200多個功能性子程序，目前應用最為普遍。DYMOLA是基于方程式的多物理系統模擬軟件，能夠很好解決因果類仿真平臺的代數循環問題，而且具備將建模和數值方法的理想解耦，適用于開發復雜的空調系統仿真模型。
可見，仿真技術已經在建環專業科研領域有廣泛應用，可以模擬建筑室內復雜的熱環境，仿真各種復雜的空調系統，為暖通空調虛擬仿真實驗的開發奠定了技術基礎。
四、建環專業虛擬仿真實驗教學的發展狀況
仿真技術是用來構建仿真系統的物理模型，真實反映出實際系統的特性。對于虛擬仿真實驗來說，必須有交互式界面，通常用Vega、U3D、Eclipse、CATIA、WebBuilder、Visual Studio、LabVIEW等軟件平臺開發，使學生可直接參與，探索仿真對象的變化過程。目前，雖然建環專業領域的仿真研究很多，但主要應用于科研領域;建環專業的虛擬仿真實驗研究相對很少，尚處于初步探索階段。
美國可持續建筑性能研究所開發了LearnHVAC軟件，如圖1所示。學生可以對空調系統進行模擬操作，包括短期控制模擬，長期能耗模擬，分析系統故障。教師可以自定義暖通空調系統的模擬場景，對學生的實驗進行管理。目前，LearnHVAC只是可發了變風量系統一項實驗內容。
在國內，山東建筑大學開發了太陽能系統、地源熱泵系統等虛擬仿真實驗軟件，只側重于對原理的認識和體驗，實驗功能簡單;合肥工業大學楊善林教授將組件技術應用于中央空調的計算機仿真培訓系統研發過程中，其開發方法能夠對虛擬仿真軟件有一個很好的參考作用[5];湖北工業大學以BIM技術、信息技術為支撐，組建了綠色建筑全生命周期虛擬仿真實驗教學中心[6]。
目前，虛擬仿真實驗教學已經逐漸得到重視，很多大學已經開展了相關調研，建設虛擬仿真實驗室、開發虛擬仿真實驗項目、研究虛擬仿真教學方法等工作已經逐步開展。
五、結束語
虛擬仿真技術是當前高等教育的重要教學手段，虛擬仿真實驗建設必將推動建環專業實驗教學發展，如何與傳統實驗項目有機結合，設置合理的實踐教學計劃，開發創新性虛擬仿真實驗項目，提高人才培養質量，將是近年來建環專業實驗教學改革的重點內容。
參考文獻：
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[3]熊軍，劉澤華，羅清海，等.工程應用能力的實驗教學改革研究――以建筑環境與設備工程專業為例[J].高等建筑教育，2011，20（1）：158-161.
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