虚拟编程仿真实训教学平台的建设探索.pdf
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1、高等教育摘要:本文依照文献对比法和理论分析法首先就虚拟仿真实验教学项目建设政策建议进行论述,其次以机器人编程技术为例提出虚拟仿真平台的科教融合拔尖创新人才培养方案探索要点,最后探究本专业实验课程建设,以供参考。关键词:虚拟编程仿真;实训教学平台;建设;教学改革随着科技的不断发展与社会加速进步,在教学、科学研究等方面,虚拟仿真实训正逐步成为一种重要的教学手段与科研领域发展趋势。虚拟仿真实验利用计算机技术和虚拟现实技术,以模拟真实实验场景完成教学、研究与开发,该教学平台优势在于成本低、实验环境稳定安全、可控性高、教学效果直观。目前,各大高校虚拟编程仿真实训教学平台的建设效果良好,并得到大量推广与应
2、用,符合数字化时代背景下科技发展与人才培养的趋势需求。一、虚拟仿真实验教学项目建设政策建议(一)国家“十四五”发展战略对人才培养的新要求我国需要坚持创新发展战略,清楚地认识创新在整个建设过程中的核心地位,把科技创新和自立自强作为国家发展的重要战略支持。“科教兴国”“人才强国”“创新驱动”的发展战略,是高等教育发展的必然要求。与此同时,需要不断对大学科技科学教育教学形式和模式进行创新,充分发挥高质量、高水平的高校科研院所作用,建立一系列重点突出、体系完备,以能力为导向的基础学科核心课程、实验教学、教学基地,并持续加大数字化资源、数字化教学的共享、应用力度,由此保障提升高校科技人才培养力度。坚持“
3、四个面向”,在国家发展战略中明确提出了强化基础学科与工程能力的培养,在目前阶段,最主要的行动方向为实施教育数字化战略行动,而这一点也是本文所论述的虚拟仿真实验教学项目建设支撑点。(二)实验教学在人才培养中的作用科学实验是人类认识、改造世界的一种主要方式和方法,它是人类社会发展的基础。在“价值塑造”“能力培养”和“知识传授”的教育观念中,实验教学具有举足轻重的作用。在实验教学过程中,不仅可提升学生的实践操作水平,而且通过实验学生可深入掌握有关的知识,并达到强化知识、巩固知识的效果,205新潮电子虚拟编程仿真实训教学平台的建设探索宋同凯(沈阳科技学院,辽宁沈阳110 0 0 0)其中概念、理论是对
4、客观世界运动规律的抽象认识,但是一旦抽象出来,就会丧失其内涵,对此必须通过实验还原一个鲜活的过程。因此,在高校编程教学中,合理培养与突出学生的实验能力是开展教学的题中之义,也是落实科学发展观的主要内容,并且在工程实践中,实验也是必不可少的操作步骤、模式。在人文科学领域,除可纳入科学与工程的内容之外,还应纳人感性体验与技能训练,以此通过实验帮助学生更为清晰、准确地认识客观世界的属性与规律,由此培养学生的方法论、价值观,使其在实验过程中学生形成并优化行为与思考习惯,这是学生理论与实践素质的一个重要内容。(三)虚拟仿真的科学内涵与发展趋势通过上述对科学战略人才目标以及实验教学的分析可以看出,本专业需
5、明确科学精神为主要发展内涵与趋势,由此适应我国现代化信息技术的加速进程,而这一点也为虚拟仿真技术呈现出“虚拟仿真系统向智能化方向发展,虚实环境向无缝融合,自然交互向全方位舒适方向发展,技术应用向规模化方向发展”趋势。首先,虚拟仿真是将建模和仿真理论作为基础,将计算机系统作为一种工具,以研究目标为依据,构建并运行虚拟模型,并通过对研究对象的理解与支持,使其达到认识与改造的过程。并且虚拟仿真技术包括建模、系统与支撑、应用工程三个领域,而这些领域无一不体现出虚拟仿真与反映客观对象结构、运动的规律以及支撑科学技术发展的基础条件等。其次,虚拟仿真的核心是采用与项目相匹配的模型,根据所研究的目标,从特定的
6、角度明确反映客观对象的虚拟仿真对象与环境对实验教学所产生的可能性,但在这一方面中,可能会弱化有关的操作技能,对此教师需加以注意。一般来说结合具体教学课程、软件等可以复杂对象与系统为目标,并在此基础上构建一种能够体现目标的柔性、可配置的实验平台。第14 期(总第54 5期)第1 4 期(总第54 5期)二、虚拟仿真平台的教改方案基于虚拟仿真平台的科教融合拔尖创新人才培养方案探索以机器人控制技术为例(一)虚拟仿真平台V-rep(虚拟机器人试验台)是世界上最大的一款用于仿真和控制机器人的软件。Unity3D是集成三维视频制作、三维可视化、三维模型模拟等多个功能的软件。该软件主要优势功能可体现为跨平台
7、、层级编辑、一键部署以及物理引擎光影系统等方面,并且基于以Unity3D为基础的智能算法提供了一种动态可观测、丰富有趣的学习环境,极大地提升了教师教学质量,对科研开发也有一定的利用价值。无论是V-rep还是Unity3D模拟软件,都具备可视化、精细化和能够模拟真实物理环境的优势,可有效解决以往实验教学过程所遇到的教学与科研无法融合的现象问题。在本专业教学过程中,高校教师需合理运用虚拟仿真平台,由此充分调动学生的积极性,学生可以全身心地投人有关的教学环节中,并且通过借鉴高校虚拟仿真平台的经验,可以V-rep+Unity3D平台为基础,实现机器人控制技术虚拟仿真教学,利用虚拟仿真平台,在教学和科研
8、之间搭建一座桥梁,进而达到理论+实验结合的教学效果。(二)教改目标与效果以下内容提出虚拟仿真平台在教学过程中(理论+实验)可实现的目标。1.精细化针对无法实现现场化教学、理论教学脱离实际研究对象等问题,可构建虚拟仿真平台,并将各大高校所研究的机器人项目如“蛇型机器人”“太空机械手”“危险化学品安全机器人”等研究成果作为案例纳人该平台系统,以便我校学生进行深人学习。2.真实化以Matlab为基础的仿真程序编程较为烦琐,在很多方面均会忽略实际的环境参数,其中包括重力、摩擦力等,这一点会极大地影响机器人的工作性能。而V-rep和Unity3D虚拟仿真平台,有很强的物理引擎,可以实现对现实世界的仿真模
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