摘要：在互联网飞速发展的大环境下，以及5G技术的到来，虚拟仿真在便捷高效、开放实用上得到更快更好的发展。虚拟仿真实验室的建设，相比传统实验室，可以有效提高实验教学的安全性，利于推广应用。文章介绍了国内外虚拟仿真教学的发展的历程，并以非接触测量为例，分析了高精度非接触测量虚拟仿真实验室的优势，促进高校运用“互联网+”教育，提升实验教学水平。

关键词：“互联网+”;非接触测量;虚拟仿真;实验室建设

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）05-0139-02

现今，各大高校均设立有虚拟仿真教学实验室，进一步提高了实验教育质量。虚拟仿真教学实验室能适用于多学科，多领域，便于快速形成配套管理体系。“互联网+”的教育背景下，推进虚拟仿真实验室的建设，打破传统实验教学的时间空间限制，虚拟仿真实验室能减少因为天气、地域等外部环境因素干扰，带来较大的实验误差，影响实验的顺利进行。另外，虚拟仿真实验教学能够同时满足较大规模的教学要求，对更多的学生进行实验指导。

2020年，因突如其来的新冠肺炎疫情，学校教学任务受到严重影响，通过大数据，互联网技术，以及对应硬件设备，实现了线上教学，虚拟环境的教学要求。虚拟仿真技术最大的特点是利用计算机技术替代实验教学环境中的各种场景和环节，使得难以在一线教学中开展的场地、实验器材等得以体现[1]。

1 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术又称 VR （Virtual Reality）技术。现今，这项技术应用广泛，如虚拟驾驶、虚拟自行车、虚拟划艇等，在游戏娱乐及仿真教学上都有应用，其优势不仅在于互动性强，还有场地限制性小，便于搭建虚拟仿真平台等。

该项技术最早起源于国外，早在20世纪中期，电子技术应用和数字信息技术高速发展，为VR技术的诞生提供了一系列的技术保障。1956年，摄影师Morton Heilig发明了Sensorama，一款集成体感装置的3D互动终端，它集成3D显示器、立体声音箱、气味发生器以及震动座椅，体验者可以观看多部短片，对于当时的人们来说，体验新颖，但设备体积庞大，使用条件也非常苛刻。因此，最早的VR技术运用不具有商用价值，仅作为隐秘信息查看，其技术功能相对单一。到20世纪70年代中期，民用领域才开始出现虚拟仿真技术，并在1984年，出现了第一款商业头戴式VR设备——RB2，现在的主流头戴VR设备与其类似，并且配有追踪手套，解决了VR设备功能方向单一问题，但售价高昂，难以普及。1995年，著名游戏厂商任天堂发布名为Virtual Boy的游戏机，是一种头戴式的游戏机，营造一种沉浸式体验，但受限于技术，头戴式的屏幕刷新率和分辨率较低，给用户带来了不适感，也未能推广开来。从那时起，人们对于虚拟现实技术的探索从未停止，借助计算机信息技术的发展，虚拟现实技术也进步飞速，大规模地应用于人们生产、生活的各个方面，如仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真训练等。

20世纪90年代，计算机设备在我国发展普及，为我国信息化技术发展奠定坚实基础。随着技术应用条件的不断革新及计算机技术应用水平的充分提升，我国信息化技术产业发展充分完善了全球互联网产业发展布局[2]。虚拟仿真技术开始受到重视，越来越多的高校科研机构参与研发。

2 虚拟仿真技术在非接触测量实验的应用优势

虚拟仿真实验是利用三维建模软件和虚拟现实软件建立虚拟实验场景与虚拟实验仪器，对真实实验进行模拟或重现，从而达到实验目的的应用过程[3]。不同于传统实验方式，虚拟仿真实验克服了传统实验平台的一些不足，丰富和拓展了现代教育实践的教育理念，推广性更强。

根据测量方式进行分类，分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量即使用测量工具与被测物体接触。因此，接触式测量往往需要人工完成，测量效率低下，并且人为操作时，测量精度受人为经验影响。测量一些精密元器件时，接触式测量还有可能会划伤元器件表面。所以，在特定情况下，非接触式测量的优势较为明显，如测量效率高、不会划伤工件表面等。

1）非接触测量虚拟仿真实验的安全性

非接触式测量通常是基于光电、电磁等理论，无需接触工件表面，就可以直观地获取工件表面信息，实际试验操作中，非接触测量方法主要有激光衍射法、激光扫描法、机械视觉测量等[4]。

非接触测量虚拟仿真实验是借助计算机硬件设备，通过计算机技术实现信息交互，对三维图像进行处理，利用虚拟元器件对被测图像进行测量，模拟现实实验环境，但全程通过计算机来完成，极大地提高实验的安全性、实验的高效率。工科类的学生可通过预先实验模拟，熟悉实验步骤，能有效起到对实验器材以及个人人身安全的保护作用。另外，面对一些复杂的测量环境，如高温环境、寒冷环境下等，非接触测量虚拟仿真实验能模拟这些复杂环境，并且具有环境参数设置，模拟现实环境条件，以达到更加精确的测量。非接触测量虚拟仿真实验也可通过环境条件，如改变温度条件、湿度条件、气压条件等，探索出最合适的测量环境条件，以提高测量的精确值，减少误差。

2）强化基础知识概念

高校课堂教学通常采用信息化教学，以多媒体设备为主要硬件设备，教师使用多媒体呈现丰富教学内容，利于学生从多个角度对知识概念理解，但是对于非接触测量实验课程，不能直观地展现实验过程。非接触测量虚拟仿真实验能很好地弥补这一缺点，仿真实验过程中，学生能观测到测量过程中的数据变化、数据处理的过程。因此，非接触测量虚拟仿真实验更加直观地反映实验过程，强化学生对基础知识概念的理解。由于非接触测量虛拟仿真在实验教学方面的运用，实现了对知识概念立体化呈现，使高校实验教学工作的开展，尤其是工科类学生，可以针对不同专业学科，优化教育策略，提高实验课程教学灵活性，为后续阶段实验教学工作稳步推进创造良好的基础条件。

此外，非接触测量虚拟仿真实验结果的处理，还为其他知识做铺垫，如误差补偿、数控加工等方面的知识，针对非接触测量虚拟仿真实验数据的处理，进行面型拟合，并与理论面型数据进行比较，得出误差模型，并对其进行补偿，利用数控机床，将误差模型导入，再对工件进行加工，可有效减少误差，提高加工精度。这些操作流程步骤，可有效提高学生们的知识水平能力，对测量加工制造这些方面知识系统性掌握。

3）理论与实践多元化能力培养

工科院校类注重实践创新能力，突出应用型人才培养，院校提供相应的实验实践场地，培养出专业知识理论扎实，实践动手能力较强，同时还具备一定创新能力的应用型人才。强化理论与实践相结合，推行“理实一体化”课程，构建实践育人体系，将专业能力培养贯穿人才培养的全过程[5]。非接触测量虚拟仿真实验的建设能够满足这些要求，理论与实践并重，并且培养学生的创新能力。根据学生的学习能力以及学习任务的不同，也多元化开展教学任务，布置出不同的测量实验任务，如针对平面、球面、非球面、离轴非球面、自由曲面等不同表面的非接触测量，确保适用不同学生，不同任务的要求。

非接触测量虚拟仿真实验还具有计算机软件操作能力的锻炼，在完成仿真实验的过程中，对计算机知识的水平能力的考验也具有重要意义。对多种待测工件，如平面、球面、非球面、离轴非球面、自由曲面等不同表面的非接触测量，提高了学生的学习能力，达到了举一反三，灵活运用的效果。

3 基于“互联网+”的非接触测量虚拟仿真实验建设

1）虚拟平台搭建

使用计算机等硬件设备，整合三维建模软件以及数据处理软件，对所建理论曲面模型进行测量，利用设计虚拟仿真实验软件，选择非接触式测量仪器的类型以及参数，然后测量并收集数据，处理数据;根据处理数据的结果，与所建立的理论模型面型数据比较，得到理论误差模型。高精度虚拟仿真实验操作流程如图1所示。其中登录平台可以更好地记录学生实验数据操作情况，便于指导实验过程。最终得到的测量误差模型，可以应用到误差补偿中，通过虚拟仿真实验对被测工件加工补偿减小误差。

2）课后教学检验

实验教师可登录教师系统，后台观测学生课堂虚拟仿真实验的过程，对其进行在线答疑，在线指导。另外，也可通过计算机终端资料发放、在线直播课程、仿真实验演示等辅助教学，提升教学质量。由于教师计算机与多台学生计算机终端相连接，教师的教学效率可大大地提高，对学生实验结果可进行线上检验、线上批改，减轻教师工作压力。

4 结束语

虚拟仿真实验室是科技与教育相结合催生出的，其出现是为了解决实验设备数量少以及场地限制等条件因素对教学的影响。 “互联网+”是指在创新2.0（信息时代、知识社会的创新形态）推动下由互联网发展的新业态，也是在知识社会创新2.0推动下由互联网形态演进、催生的经济社会发展新形态。通过互联网与传统行业的有机结合，迸发出更多活力。“互联网+”高精度非接触测量虚拟仿真实验室打破传统条件限制，为教学要求创造了更好的条件，解决了部分课堂矛盾，促进教学质量不断提高。

参考文献：

[1] 郭秀艳，马国金，吴霞，等.“互联网+”视域下虚拟仿真实验教学[J].中国冶金教育，2021（1）：55-56.

[2] 楊万霞.“互联网+”背景下高校虚拟仿真实验教学体系的构建与应用[J].吉林省教育学院学报，2021，37（2）：116-119.

[3] 陈莉.基于VRP的高中信息技术虚拟仿真实验平台构架研究[D].宁波：宁波大学，2014.

[4] 李鼎.零件轮廓尺寸非接触式测量技术研究[D].成都：电子科技大学，2019.

[5] 李凡，朱礼贵，王海涛.“互联网+”背景下汽车实验线上教学模式探索与创新[J].内燃机与配件，2020（18）：233-234.

【通联编辑：李雅琪】

收稿日期：2021-10-10

作者简介：杨清（1982—），女，河南杞县人，助理实验师，学士，研究方向为计算机应用。