沈振輝 楊拴強(qiáng)
(福建江夏學(xué)院,福建福州 350108)
基于智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式研究
沈振輝 楊拴強(qiáng)
(福建江夏學(xué)院,福建福州 350108)
本文研究基于人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,探討構(gòu)建智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),提出智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),在開發(fā)智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證新教學(xué)模式在提高實(shí)踐教學(xué)效益和質(zhì)量、提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面的可行性和有效性。
智能;虛擬;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)模式
實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、提高學(xué)生動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)高素質(zhì)工程人員的重要平臺,是實(shí)現(xiàn)高等教育培養(yǎng)復(fù)合型和應(yīng)用型人才目標(biāo)的有效途徑。同時(shí),實(shí)踐教學(xué)也是高校教學(xué)過程中的薄弱環(huán)節(jié),一直以來都是高校教學(xué)改革的重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分,其教學(xué)質(zhì)量對人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)影響甚大。然而,大部分的實(shí)驗(yàn)設(shè)備費(fèi)用昂貴,設(shè)備規(guī)模難以與日益增長的學(xué)生規(guī)模相匹配,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)模難以滿足高校教學(xué)發(fā)展需要。信息技術(shù)和虛擬技術(shù)的發(fā)展,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了契機(jī)?;谛畔⒓夹g(shù)和虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),深化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,提高了實(shí)踐教育質(zhì)量工程,成為高校教學(xué)改革的一個(gè)重要內(nèi)容。
現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究中,文獻(xiàn)[1]介紹了牛津大學(xué)、赫爾辛基大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)等大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),論證了虛擬技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性和有效性。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建的虛擬煉鐵實(shí)驗(yàn)室被歐洲4所機(jī)構(gòu)采用,且效果顯著。文獻(xiàn)[3][4]創(chuàng)建的虛擬工程實(shí)驗(yàn)室,解決了遠(yuǎn)程教育中難以開展實(shí)踐教學(xué)的難題,驗(yàn)證了虛擬實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的可行性和有效性。文獻(xiàn)[5][6]建設(shè)的機(jī)械裝備拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),文獻(xiàn)創(chuàng)建的基于網(wǎng)絡(luò)的集成機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、工程材料及技術(shù)測量的機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),文獻(xiàn)[9]開發(fā)的集成減速器拆裝實(shí)驗(yàn)、帶傳動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)及數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)的綜合虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),均在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)的研究已取得一定成效,但是目前虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)難以充分利用已有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)過程,無法最大限度地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。同時(shí)還存在人機(jī)界面不夠友好,模型不夠直觀等不足,交互性、沉浸性較差等不足。
針對以上不足,有必要充分結(jié)合人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),探討智能虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制,構(gòu)建智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架,獲取、表達(dá)和處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識,引導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)過程,深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,充分提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。
構(gòu)建智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要所需解決的關(guān)鍵問題是探討智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)機(jī)制,研究人工智能技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的集成機(jī)制,獲取、表達(dá)和處理教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識,解決現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)難以利用已有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程的問題;通過開發(fā)操作友好的人機(jī)界面及真實(shí)感強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型,解決現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)交互性、沉浸性較差的問題;開發(fā)教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識庫和模型庫的組織、管理和維護(hù)模塊,實(shí)現(xiàn)知識庫和模型庫的可選擇、可調(diào)整、可擴(kuò)展。
智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)機(jī)制如圖1所示。學(xué)生通過自己的賬號、密碼登錄智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),選擇所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后根據(jù)教師要求設(shè)定相關(guān)實(shí)驗(yàn)初始參數(shù)。進(jìn)而通過互動(dòng)性強(qiáng)的用戶交互界面開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和設(shè)定的相關(guān)初始參數(shù)進(jìn)行案例推理,在給定的相似度條件下尋找匹配系統(tǒng)內(nèi)部存儲的類似實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)。若給定相似度條件下的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)存在,表明已經(jīng)成功進(jìn)行過相似類型的實(shí)驗(yàn),則系統(tǒng)調(diào)用所存儲的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù),并從實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)中提取經(jīng)驗(yàn)知識,對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行指導(dǎo),以便及時(shí)在學(xué)生誤操作時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的相關(guān)理論知識和經(jīng)驗(yàn)知識給出相應(yīng)的誤操作提示及其產(chǎn)生原因,使學(xué)生能夠進(jìn)一步消化理論知識,掌握操作經(jīng)驗(yàn)知識,實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。如此反復(fù)調(diào)用相似實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生操作直至實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束。若在實(shí)例推理過程中,無法找到給定相似度條件下的歷史實(shí)驗(yàn)操作過程數(shù)據(jù),則表明不存在類似實(shí)驗(yàn)過程的成功實(shí)例,則在學(xué)生的每一步操作中重復(fù)根據(jù)系統(tǒng)存儲的符號性知識進(jìn)行推理判斷學(xué)生的操作是否正確,若操作錯(cuò)誤則給出錯(cuò)誤原因和提示,并給出正確操作建議,直至實(shí)驗(yàn)操作過程結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束后,學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求提交相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告后,退出系統(tǒng),完成實(shí)驗(yàn)。
圖1 智能虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制
構(gòu)建智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目標(biāo)是將人工智能技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,在構(gòu)建智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識對虛擬實(shí)驗(yàn)過程的引導(dǎo),同時(shí)建立有效獲取、表達(dá)和處理教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識的機(jī)制,開發(fā)知識庫和三維模型庫的組織、管理和維護(hù)模塊,實(shí)現(xiàn)教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識庫和三維模型庫的可選擇、可調(diào)整、可擴(kuò)展,并通過構(gòu)建三維零件模型庫和機(jī)器模型庫,實(shí)現(xiàn)交互性、沉浸性良好的實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,達(dá)到提高實(shí)踐教學(xué)效益和質(zhì)量的目標(biāo)。
智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)基于知識的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。知識的獲取、表達(dá)和處理需要知識庫、推理機(jī)、解釋機(jī)制和人機(jī)接口的支持。隨著知識處理技術(shù)的日趨成熟,目前構(gòu)建基于知識的系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是知識獲取、綜合集成和知識庫維護(hù)等方面。因此,智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)開放的系統(tǒng),主要體現(xiàn)在以下幾方面:
(1)智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)?shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)知識、領(lǐng)域知識、規(guī)范知識進(jìn)行組織、管理和維護(hù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)知識的可選擇、可調(diào)整、可擴(kuò)展,以達(dá)到不斷豐富和不斷實(shí)用化。
(2)智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足外部系統(tǒng)的可嵌入功能,并支持外部系統(tǒng)的調(diào)用功能,使之能夠調(diào)用外部系統(tǒng)的子模塊,擴(kuò)展系統(tǒng)的功能,從而達(dá)到系統(tǒng)可擴(kuò)展的目標(biāo)。
基于智能虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制,圍繞智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo),針對知識的獲取、表達(dá)和處理機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)知識的可選擇、可調(diào)整、可擴(kuò)展和可重用,構(gòu)建智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架如圖2所示。智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括CAD/CAE仿真、解釋機(jī)制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、知識庫、知識庫管理、知識獲取、人機(jī)界面等模塊。
圖2 智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架
3.1 CAD/CAE仿真
CAD/CAE仿真模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)過程的可視化,以直觀、交互性強(qiáng)的用戶界面呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程,從而提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的沉浸性和體驗(yàn)性。CAD/CAE仿真主要包括三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)分析等部分。三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真主要由Pro/Engineer的二次開發(fā)工具箱實(shí)現(xiàn),集成MFC開發(fā)環(huán)境和Pro/ Engineer實(shí)體建模環(huán)境,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的三維仿真。結(jié)構(gòu)分析主要集成ANSYS有限元分析環(huán)境,實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力仿真。
3.2 解釋機(jī)制
解釋機(jī)制用于向用戶解釋系統(tǒng)的行為,包括對實(shí)驗(yàn)操作步驟規(guī)范性的推理過程、經(jīng)驗(yàn)知識引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作的推理過程等。
3.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫
動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫用來記錄實(shí)驗(yàn)操作過程中所需的控制信息、中間假設(shè)和中間數(shù)據(jù)。為避免數(shù)據(jù)信息膨脹,動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫模塊還應(yīng)具備及時(shí)刪除歷史信息的機(jī)制。
3.4 推理機(jī)
推理機(jī)模塊用于有效的處理智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的符號性知識和實(shí)例知識,根據(jù)符號性知識或?qū)嵗R推理判斷學(xué)生操作步驟的規(guī)范性。同時(shí),在學(xué)生操作步驟錯(cuò)誤時(shí)推理得到錯(cuò)誤原因并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識引導(dǎo)學(xué)生糾正操作。
3.5 知識庫
知識庫模塊用于存儲符號性知識、實(shí)例知識。由于符號性知識和實(shí)例知識在組織結(jié)構(gòu)上、表達(dá)形式上各有特點(diǎn),為了更加簡便有效地組織、管理和維護(hù)這兩種知識,將兩種知識分開存儲、管理和維護(hù)。
3.6 知識庫管理
知識庫管理主要實(shí)現(xiàn)知識的組織、管理和維護(hù)。知識的可選擇、可調(diào)整、可擴(kuò)展是壯大知識庫的必要條件。同時(shí),知識庫難免出現(xiàn)矛盾、冗余等問題,有必要對知識庫進(jìn)行補(bǔ)充、優(yōu)化和校驗(yàn),以得到高質(zhì)量的知識庫。
3.7 知識獲取
知識獲取是開發(fā)智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的瓶頸問題和最大挑戰(zhàn)。知識獲取的目標(biāo)是提煉相關(guān)的領(lǐng)域知識、經(jīng)驗(yàn)知識、規(guī)范知識。知識獲取采用人工獲取的方式進(jìn)行,由知識工程師通過人機(jī)界面進(jìn)行。
3.8 人機(jī)界面
人機(jī)界面為學(xué)生、教師、知識工程師及外部程序與智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之間提供良好的交互界面,用于識別學(xué)生、教師、知識工程師及外部程序的命令、數(shù)據(jù)等信息,以及對智能優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程信息和結(jié)果信息反饋。
在智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上,可開發(fā)智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),促進(jìn)機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,充分利用已有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程,最大限度地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。同時(shí),解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的人機(jī)界面不夠友好,模型不夠直觀,交互性、沉浸性較差等不足。
4.1 研究了基于人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式,探討了智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)建技術(shù),給出了智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),開發(fā)了智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
4.2 智能虛擬機(jī)械類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使“創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)研究,深化教學(xué)方法與教學(xué)手段改革,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量”得到了體現(xiàn),解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)模滯后于學(xué)生規(guī)模的問題,有效提高了實(shí)踐教學(xué)效益和質(zhì)量,提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
4.3 智能虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為應(yīng)用型高校在課程與課堂中學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)方式的探索提供理論和實(shí)踐的借鑒,為促進(jìn)教師更新教育教學(xué)理念,推動(dòng)教學(xué)組織形式及方法的改革奠定基礎(chǔ)。
[1]Dr.KamalikaBanerjee.UtilisingtheVirtualLaboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education.http://www.c-ol.org/pcf6/fp/zIN4150.doc,2012.2.15.
[2]AlexanderBabich,KonstantinosMavrommatis.Virtual Laboratory Concept for Engineering Education[C].International Conference on Engine-ering Education and Research"Progress Through Partnership".Ostrava,2004.
[3]He man Mann,Michal ev enko.Simulation and Virtual Lab Experi-ments across the Internet[C].International Conference on Engineering Education.Valencia,Spain,July 21-25,2003.
[4]TanujaSheorey,VijayKumarGupta.EffectiveVirtual Laboratory Content Generation and Accessibility for Enhanced Skill Development through ICT[C].2011 5th International Conference on Distance Learning and Education.Singapore,2011.
[5]吳緯緯,范建蓓,蔡娥等.裝備認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19(9):117-120.
G712
A
1003-5168(2014)04-0271-02
沈振輝(1985.4—),漢族,畢業(yè)于福州大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè),碩士研究生,助教,研究方向:CAD/CAE。