虚拟编程仿真实训教学平台的建设探索.pdf

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“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、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拟，由此在虚拟的物理世界完成有关的编程教学内容。在课程设计中，以Unity3D为基础，按照牛顿理论对平台上的对象增加一些特性，如质量、速度、摩擦力等，并且还可实现在现实世界中所模拟出的移动机器人移动、物体碰撞以及重力效果等，在此还可利用该软件营造精美的视觉效果 2 。新潮电子3.可扩展依据虚拟仿真平台进行教学实践，教师需认识到该平台所具备的特点为创新成本低、安全性能较高、使用效率更高等。对此，在实际的教学以及科研项目过程中，教师要考虑有关的成本、生产、性价比等因素，避免造成学生出现无法尝试最新领域方法等现象问题，这种问题在很大程度上制约学生创新能力以及创造性品质的发展与提升。因此，基于该仿真平台，教师可通过平台以粘贴复制的方式快速完成零件替换、添加等过程，并要求学生针对机器人内部构造、性能分析等进行创新与尝试。除此之外，为实现我国科技兴国战略目标的达成，教师在实际的教学过程中，需明确指导学生推导出有关的新理论、新技术、新办法，并结合所搭建的平台要求学生具备二次开发的能力。学生需要在已经搭建好的平台上完成二次开发与修改工序，并通过验证的方式提出最新办法的准确性、精确性，由此结合理论创新与实验验证，进一步开创创新全过程，最终合理提升学生的创新能力与水平 3。在教学过程中，教师需基于所搭建的虚拟仿真环境，使用完成任务的方式，引导学生进行主动学习。在此基础上，经过反复学习和实践，完成以下几个方面的任务：利用经典的路径规划方法，完成了多类别环境中的移动机器人的三维定位导航；在避碰导航、巡逻等预设任务，利用深度强化学习等学习办法，使移动机器人能够自主地完成自动学习任务；在该平台基础上，按照科研项目关键科学问题导向，明确开放性题目指导学生所进行的课题研究，其中教师可设定的开放性目标为：地面协作的多机导航，无人机的火灾监测，气体泄漏的识别和报警，多机合作危险事件的处置等，这些开放性题目均可激发学生深度思考，且这些开放性题目的布置在于引导学生解决实际存在的科研问题，并运用虚拟仿真平台，在该平台运用的基础上保障创新成果得到进一步实施，突出体现创新成果的前瞻性、发展性。同时学生的研究结果也可以进一步丰富和完善已有的课程内容，可供后续参考。三、基于仿真平台的机器人综合设计实验课程建设基于仿真平台的机器人综合设计实验课程建设需完成三个步骤：“虚拟模拟环境的认知一视觉导向控制的理论和实验一算法的综合扩展应用”；知识理论教学内容包含三个主要层次，教学顺序须从易到难，课程内容设计层次与课程建设如下。206高等教育高等教育(一）产线基础认知与操作在本课程中，学生首先熟悉认识机器人的软硬件平台，掌握机器人上料过程的基本原理和装置的功能参数。在此教师需当好教学的指导者，引导学生完成有关理论知识的学习，其中包括电子线产品平台设备（机器人、电控、机械系统等)以及有关的网络通信知识、电子制造产线工艺流程、操作技术要点、原理等。学生根据教师所讲述的内容进行操作时，教师也可依据学生的学习情况，为其提供有关的习题、教材资源等，并结合网站内容，学生可高效完成自主学习任务。（二）机器人视觉引导控制理论学习与实验这一部分是实验模拟的主要操作部分，也是重要的理论知识内容。学生需结合实验指导书完成机器人视觉识别定位与运动控制算法编程、仿真学习任务。1.视觉识别定位实验视觉识别算法操作的对象主要是由像素构成的，并利用这些像素构成的图像完成分析和处理过程。在识别定位目标在图像中的像素位置时，该过程需要将目标像素坐标转换成世界坐标，并根据模拟的工作原理，将其与实际的物理世界的位置进行对应，因此在这一课程中，应着重影像坐标变换的理论与方法研究。在实验环境下，对相机坐标轴进行合理设置，可以得到坐标间的转换关系。随后，采用模板匹配法实现图像的可视化。通过一定的算法，即匹配系数，找到一个在图中的物体，并且为这个物体设定坐标。之后，利用仿真软件的外部界面及拍摄功能，获得目标模板，通过C#程序实现对目标的自动识别和定位。最后，学生可以将收集到的照片集，用深度学习算法对其进行计算，并将计算结果与仿真软件相结合。在此基础上，利用深度学习方法对目标进行识别和定位，并对不同方法进行比较，由此完成该阶段的学习任务。2.机器人运动学控制仿真实验机器人运动学主要研究的是对机器人自身位姿所的描述与控制，在此过程中，还包含对机器人某关节、末端执行的位置与姿态。其中，坐标系变换也是用旋转矩阵表示的。在此基础上，提出了一种利用连杆参数刻画机构之间运动关系的方法。在确定机械手每个关节的转角后，可以针对机器人末端执行器在空间坐标系下的坐标展开求解，这一方法属于正向运动学求解新潮电子方法；机器人末端位置求解此时各关节转角变量，这一过程的求解为逆向运动学分析。在学生学习与实验过程中，还可以使用机器人的示教操作编程指令和内部的插补运动算法，在给定的两个位置上，控制机器人移动；此外，还可以通过C#语言，在已知的D-H参数的基础上，对机器人进行正、逆运动学的求解。在完成该部分知识的训练任务后，学生可自主完成代码编程任务。（三）开放式工业产线设计与虚拟调试本阶段的主要任务为，学生能够按照生产过程所需要技术和设备功能，了解以机器人为核心的工业品生产线系统的设计与调试。了解可编程逻辑控制器(PLC)和设备之间的通信原理、技术，在生产过程中对生产流程进行节点控制、定时控制、节拍控制等。在此过程中，学生可在虚拟仿真软件的环境下，完成自主设计，并构建拥有新功能的机器人站位，通过自主完成新增设备I/O点配置、完成产线节拍设计、PLC程序设计（梯形图）、机器人视觉控制程序设计，由此实现视觉控制技术在新产品开发中的创新性应用效果。四、结语综上，基于虚拟仿真平台的机器人综合设计实验课程建设可有效提升学生的实验操作水平，并达到自主研究科研项目的教学效果。高校应在权威性、合理性的技术规范系统支持下，全方位地建立标准化技术知识地图，并在此环境下完成对虚拟仿真机器人编程教学体系的重塑，并重构高校虚实结合的专业实验教学体系，构建具有行业特点的跨学校、跨区域的实验与教学共享机制。同时，依据我国“十四五”提出的科技兴国战略要求，加速落实实验教学结构性变革，促进“四新”形势下人才培养质量的显著提升。参考文献：1梁亮,程丽丽,张珠玲,等.基于虚拟仿真模型的PLC实训平台 J.吉林大学学报（信息科学版),2 0 2 1(4):39 7-4 0 2.2何杰,王大立,袁红,等.化工仿真中图像翻转变换图形学编程研究 J.无线互联科技,2 0 2 1(6):4 8-50.3石承玉,邱峰,施新宇,等.基于VR的涡喷六航空发动机维修教学平台的设计与模拟排故应用 J.电脑知识与技术,2 0 2 1(4):1 3-1 4.第1 4 期（总第54 5期）207