影视动画中大型水场景的制作影视特效中大型水场景，如洪水、海啸等，如果要达到某种逼真的效果，在实际拍摄取景的过程中，往往需要经过多次拍摄才能完成。对于一些危险性、破坏性场面不仅拍摄起来困难，而且还可能会对演员造成一定的人身安全。另外有些虚构的场景也很难在现实世界中找到。如果能借助于计算机来生成具有高度真实感的虚拟场景，则可以为制作者节省大量的钱财，还可以保证人员的安全。在国内外的电影拍摄与制作过程中，如《海神号》、《水世界》、《水啸雾都》、《泰坦尼克号》等，均采用了虚拟仿真技术实现水场景特效的建模与仿真。
虚拟现实场景中水体的制作为了增强虚拟环境的真实感，往往需要在虚拟环境中添加各种自然景象。而自然景象中一个重要的组成部分便是水体的制作，包括了江河湖海、瀑布、喷泉等，如军事仿真训练海战场景中海洋仿真，河流整治效果虚拟展示、港口海岸工程与水利工程建设虚拟仿真、城市建设规划中河流的设计等。这些水场景要求尽可能真实，同时满互性、实时性要求。
3D游戏中水场景的制作电脑游戏要能吸引更多的玩家，一个趋于真实的自然景物场景制作非常关键，如逼真的江河湖海、溪流、水池、瀑布、喷泉等，可以让玩家有种身临其境的感觉。目前流行的一些游戏软件中，都有一些逼真的水场景仿真，比较典型的有《勇闯水世界》中海天相接、波光粼粼的大海场景，逼真的水池仿真，《航海世纪》中壮观的海洋、瀑布场景等。《极品飞车》中赛道两边流淌的小溪、一望无际的大海、交错的河流、鳞次栉比的城市以及飞奔而下的瀑布等。
数字流域的三维可视化仿真随着各领域数字化进程的发展，水利行业正在逐步开展数字化流域三维可视化研究，推动数字流域建设的发展。流域三维可视化仿真研究是构建数字流域可视化信息平台的基础，其中三维可视化仿真系统的关键环节是流域中水虚拟场景的仿真，包括了洪水演进实时动态仿真、海浪风暴潮预报仿真、涌潮实时仿真、溃坝波仿真等。三维可视化仿真的主要目的在于利用计算机图形学和图像处理技术将科学计算得到的数据和仿真结果转换为三维模型，并能实现动态仿真和交互控制，以弥补原先数值仿真中所采用的二维表现形式直观性不强、表现力不足、交互性差的缺点。
各种水现象的虚拟仿真
1海浪仿真海浪作为生活中最常见的自然现象之一，其仿真结果可广泛应用于电脑游戏、电影电视、虚拟海战环境、海港与堤岸工程建设等领域中，成为了水体虚拟仿真的主要研究热点。海浪作为一个时刻变化的复杂环境，它的产生、传播、消失与风场、气候、潮汐、水下地形等因素息息相关。海浪从外观上看是杂乱无章的，总体上表现为海面连续变化的紊乱的波峰和波谷，波形极不规则，其波高、波长、周期等物理量均为随机量，传播方向也变化不定，而且海浪的范围非常广阔，因此海浪的仿真十分困难。随着计算机软硬件技术的发展，其研究的重点从最初研究静态海浪高度场的生成，动态海浪网格的构建，到现如今研究海浪特效的生成技术等，总体上可分为三类:一类是深海区域海浪的仿真，侧重于大面积海域的构建，以及海浪在风作用下无规则涌动、以及波浪翻滚的效果。这方面研究代表性的有DamienHinsinger等人［3］仿真的逼真的深海区海浪，ViorelMihalef［4］仿真的风暴潮作用下的波浪翻滚效果;第二类是近岸海浪的虚拟仿真，侧重于仿真海浪与潮滩或堤岸交互后产生的浪花及波浪破碎效果，以及海面与堤岸建筑物相互映射的视觉效果等，代表性的有Peachey［5］等人仿真的近岸海浪沿海滩地形变化所产生的反射、折射现象以及浪花、泡沫等效果;QiangWang等人［6］仿真出海浪冲击码头和冲上海滩形成破碎波的效果。第三类主要研究海水在船的作用下形成的海浪效果，如曾芬芳等人［7］仿真出随机海浪，以及舰船航行中的浪花，如艏浪、艉浪等，从而为海战场视景图生成创建了一个较为逼真的海洋虚拟场景。从波浪的构造技术来看，对于深海区相对比较平静的海浪大多采用基于波浪谱或基于Perlin噪声函数的方法，通过构建海面高度场来实现。而对于波涛翻滚的海浪和近岸海浪，一般通过构造特殊的波浪函数，如基于Gerstner波的方法或通过匹配适当的二维破碎波浪库来实现。对于波浪的破碎部分和浪花的仿真，则采用基于粒子系统的方法，通过改变浪尖处粒子的位置、速度、颜色来实现。对于船形波，一般先利用开尔文波理论构建出船行波模型，然后采用粒子系统技术构造出船行波的浪花。
2河流湖泊的仿真河流湖泊是数字流域的主要研究内容，同时也是虚拟现实、计算机游戏场景的重要组成部分，因此其研究受到了较大的关注。相对于海洋来讲，河流湖泊属于中等尺度的流体，其研究重点主要关注的是两个方面的内容:一是仿真河水的动态流动效果;二是仿真水流与障碍物的交互碰撞效果等。这方面研究比较典型的有PeterKipfer等人［8］仿真的河流中水绕过岩石障碍物流入水池的仿真效果。QizhiYu［9］则实现了大范围流域内河流的三维可视化仿真技术，从近处观察可见河面的波纹与涟漪，并仿真了河水分叉及绕开障碍物进行流动的效果。另外程甜甜［10］针对太湖水域进行了研究，仿真出太湖湖面连续动荡变化的效果，以及小面积水域内(如水塘)雨滴落入水面后，水面波动的效果。FabriceNeyret［11］仿真了小溪在流动过程中产生的振荡波和涟漪效果等。流动的河水仿真一般采用网格高度场的方法或基于物理的方法来实现。网格高度场的方法把河水看作是一个由大量水粒子构成的网格，每个水粒子沿一定的速度和方向平稳推进，便可仿真出水流的动态效果。基于物理的方法则通过求解二维浅水波方程，得到水流的速度场，在进而得到水域各处的压强，把压强大小伸缩后当作第三维的数据，即当作水表面高度后，逼真地仿真物体在水域里移动时产生的波纹或漩涡。湖泊的仿真类似于较为平静的海面波浪的仿真，大多采用波浪谱方法或构造Perlin噪声函数来实现。
3水波的仿真当物体落入水池中，会产生水波。水波以扰动点为中心，并向四周传播;由于水存在的一定的阻尼作用，水波在传播过程中能量会逐渐的衰减，直至最后消失。水波的仿真为平静的水面赋予了生机，增加了虚拟现实的真实感。当传播中的水波碰到池壁反弹后会产生干涉与叠加效果，另外如果碰到小的障碍物后会产生绕射效果，增加了仿真的难度。从水波的传播效果来看，水波仿真包括了深水波和浅水波两个部分。在深水区域，水波可以自由地进行传播，而不用考虑地形和海岸线对波形的影响。在浅水区域，则需要考虑波的反射、折射、干涉、叠加等各种现象。从引起水波的介质来看，则主要有雨点波、船行波和落物波等。雨点波产生的波纹小，但密集、波与波之间会产生干涉等现象，如杨怀平等人［12］在水池中仿真雨点波、反射波、紊乱波以及水花效果等。陈前华等人［13］仿真了近距离观察雨点或水龙头的水滴掉入水池后产生涟漪的场景。在水波仿真过程中同时考虑了水波的叠加、反射、绕射，以及坝缺口处的穿越效果。落物波是当物体落入水中所产生的波形，同时伴随着水花的产生，如NilsThuerey等人［14］仿真出物体落入水面后溅起的水花产生到消亡及引起的水波传播效果。船形波是船在水上航行时产生的一种特殊水面波动效果，随船的运行轨迹变化而变化。如CemYuksel等人［15］仿真出船行驶过程中产生的破碎波效果。相对于海浪来说，水波的波纹一般较小，属于小振幅波，而且其影响范围也相对较小，因此其构建一般采用小振幅波理论，通过邻域传播思想来构建。还有一种方法是通过求解二维浅水方程来实现，通过水流方程控制水波的传播效果。#p#分页标题#e#
4喷泉的仿真逼真的喷泉效果可以大大增强虚拟现实系统的沉浸感。喷泉的形式多种多样，如一柱擎天式、宝塔式等，同时当喷泉喷水口的压力值比较高时，高速的水流与空气碰撞会产生很多水雾，使喷泉产生雾蒙蒙的效果。逼真的喷泉仿真同样是虚拟现实场景中不可或缺的景象，成为许多虚拟现实爱好者的重要研究对象。如万华根等人［16］实现了音乐喷泉的实时仿真。他采用流体动力学和粒子系统方法，通过求解纳维—斯托克斯方程的特例———均匀圆管中的平稳流体Hagen－Poisuelle流来仿真喷泉的动作，结合音乐的强度来控制喷泉喷射的高度。肖何等人［17］提出了一种基于等加速运动和色彩融合的喷泉仿真方法。其基本思想是在运用物理学原理仿真实现喷泉粒子的运动轨迹时，结合等加速运动来简化粒子运动状态，并采用纹理色彩融合绘制粒子。蒋恒恒等人［18］仿真出喷泉在不同喷射层数、不同喷射角度、不同喷射力作用下形成的视觉效果，同时仿真了喷泉从高处向下落入水面时产生的水花效果。
5瀑布的仿真当流动的河水流经具有一定落差的岩石或大坝时，便成了瀑布。瀑布的仿真可用于网上虚拟漫游系统、3D实时游戏、动画及影视广告的制作过程中，也可以重现消失的瀑布景观。由于受地形和风力风向的影响，瀑布的形状千姿百态，特别是瀑布流下时与障碍物的碰撞形成的水花飞溅现象更是难以仿真。瀑布仿真相对比较逼真的有管宇等人［19］仿真出水流下大坝时形成的瀑布效果，同时考虑了瀑布与物体间碰撞时形成的水花效果。张亚旭［20］不仅实现了水流从高处流下时形成的瀑布效果，而且仿真出与岩石碰撞后的水花飞溅效果，此外还加入了天空、光照和雾化等效果来增加场景的真实感。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通过改变粒子群的位置、速度、加速度等参数来实现逼真的瀑布效果。
6洪水的仿真洪水作为一种自然现象，给人类造成极大的灾难。随着计算机三维图形技术和流体仿真技术的发展，使得在计算机上仿真洪水的行为特性成为可能。对洪水淹没过程进行动态仿真和三维可视化展示，可以再现和预测洪水淹没的变化，为防洪减灾提供决策支持。因此其研究也受到了很大的关注。比较典型的有Jasrul等人［21］采用基于光滑粒子动力学的方法，针对2007年6月10日发生在吉隆坡的洪水淹没过程进行了仿真;康玲等人［22］采用基于数字高程模型的流域变动等流时线方法开发出洪水演进仿真系统，能够实时仿真流域洪水的淹没演进过程，较为逼真地仿真了洪水在流域内的形态变化，为防洪减灾提供了较好的决策支持。
7其它水现象的仿真除了针对海洋、江河、湖水、小溪、喷泉、瀑布等中大尺度范围的水体进行虚拟仿真外，国内外许多科研人员还针对一些小尺度的水现象进行了仿真研究。如HilkoCords［23］仿真出水管中的水快速流入水池，并产生水波，以及物体在水面漂浮的视觉效果。DouglasEnright等人［24］仿真出水倒入杯子时水的晃动效果。Jeong－MoHong等人［25］仿真出水倒入容器时气泡流的形成过程。PaulW．Cleary等人［26］仿真出啤酒倒入杯中产生泡沫的过程。对于小尺度的水体，大多采用基于物理的方法，通过求解光滑粒子动力学方法和欧拉法求解三维Navier－Stokes方程来实现。
研究趋势
纵观三十年来水体研究的发展变化过程，从最初主要研究海浪的虚拟仿真，到现如今研究各种水现象与水景观的虚拟仿真;从最初的静态仿真到现如今逼真的动态仿真;从单纯依赖CPU到现如今CPU与GPU相结合实现水体的仿真与渲染，无论是在研究方法上，还是在研究内容上，都有了长足的发展和进步。随着近年来计算机软硬件技术的飞速发展，特别是GPU技术的广泛应用，必将迎来水体研究新的热潮。今后一段时期水体的主要研究方向可归结为两点:多方法融合、多物体融合。
1多方法融合在研究方法上，从单一建模方法向多方法融合转变。因为对于一个复杂水场景的仿真，很难用一种方法表示出各种视觉效果。如虚拟海战场景中，对于海浪的仿真，不仅需要仿真出风平浪静时海面的视觉效果，还需要仿真出波涛汹涌的海浪所产生的浪花、泡沫等，同时需要仿真船在海面航行时所产生的轨迹浪等。因此结合每种建模方法各自的特点进行综合处理，从而可以达到性能和效果的平衡。比如黄玲等人［27］采用了基于3DGerstner海浪模型、Perlin噪声、NURBS几何曲面、粒子系统等多种方法实现海洋卷浪的建模与绘制。她首先基于三维Gerstner海浪模型，加入Perlin噪音扰动来构建海浪的基本造型;然后采用基于物理的NURBS卷浪曲面生成算法，构建3D卷浪曲面库;随后动态搜索波面波峰，用卷浪曲面取代海面波峰，将卷浪曲面与初始波面无缝拼接，最后采用基于粒子系统的方法构造出海浪的泡沫。NathanHolmberg等人［28］采用流体静力学理论产生二维高度场，然后构造一个非均匀有理B样条曲面来实现高度场的拟合，以此来构建主要水体;水与物体碰撞产生的浪花则用粒子方法来构建。
2多物体融合在研究对象上，从研究单个水体到研究水体与其它物体的交互方向转变。在这方面，近些年重点研究的对象主要有风暴对海面的影响，船与水的交互、海水与潮滩的交互，河水与堤坝的交互，瀑布与岩石的交互、洪水与地形及建筑物的交互、物体落入水中的交互、水倒入容器产生的交互等。如ToonLenaerts等人［29］仿真了水与多孔材料的交互过程。当拧一条湿的毛巾或捏一块带水的海绵时，水会逼真地从中流出。WitawatRungjiratananon［30］仿真了沙堆在水的冲击下塌陷、流动、变湿的过程。ToonLenaerts等人［31］仿真了水与沙及土壤之间的交互现象。当水流入沙堆时，沙受水力的冲击而流动，同时水融入沙堆中使沙变湿，达到了沙与水的相互融合。NuttapongChentanez等人［32］仿真了水倒入容器、溃坝后的水体冲击墙体，以及近岸海浪冲击灯塔和海滩时产生的破碎波、浪花、泡沫和薄雾的效果。H．Cords等人［33］逼真地仿真出船在水面上行驶产生的水波和绕过障碍物的效果等。
【关键词】虚拟仿真实验系统管理系统多样性
近几年，教育部一直在提出并让高校贯彻执行教学资源的先进性和创新性理念，这是适应当前社会的高速发展对人才提出的综合要求。如今，高等院校在教育理念上一直在摸索和发展中前进，但光有深刻的理论基础尚且不够，创新性需要在实践中才能得到体现和应用。尤其工科是一门实践性非常强的专业，要求毕业生在工作岗位上有很强的动手实践能力。在以往的实践中，学生的实践大部分是局限于在实验室展开。这种传统的实践模式存在以下几个弊端，一是高校资金短缺，实验室无法满足日益扩招的学生数量，这样从教学资源配置上无法很好的满足学生的需求；二是对理论知识学习不深刻的同学直接进入实验室进行操作实验，很容易因为误操作而损坏仪器仪表，直接造成了资源的浪费；三是一些高危险和能源型的会造成污染的实验也无法在实际的实验室中操作完成。近年来，高等学校逐渐的大规模引入了虚拟仿真实验系统，并且也形成了学科体系。
1传统仿真软件的特点
在使用虚拟仿真实验系统之前，高校工科专业近些年也在一直使用一些仿真软件作为对课堂和实践教学的补充，以电子专业为例，常用到的一些电路软件有EWB、Multisim，主要用于电子电路的功能仿真；还有由欧洲DesignSoftKft.公司研发的TinaPro软件，主要用于模拟及数字电路的仿真分析；美国WakeForest大学基于SPICE开发的CircuitMaker软件，主要用于电子电路仿真实验；英国Labcenterelectronics公司出版的Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。这些软件在很长一段时间里对教师和学生起到了很好的辅助作用，但在使用的过程中，也发现了一些弊端。一是这些国外的软件都是针对企业，工程使用开发，而不是针对学校的学生实验开发，很多软件的功能在基础学习中无法使用，没有针对性。二是国外的这些仿真软件更新换代太快，各门课程需不断的购买正版软件这对于学校和学生都不太现实，但是用下载的盗版软件又存在使用过程中有时软件不稳定的情况，对于一些电路的仿真和参数的分析会造成波动及误差。三是这些仿真软件的界面都是英文，对于英语基础较差或者是学生没有学习专业英语之前，是存在一定困难，从而造成了学生对软件的畏惧情绪。四是人机界面比较单一，没有配套的知识辅助资料和实验过程指导，教师要在很多学生中进行巡回指导，工作量大，效率低。
2虚拟仿真实验系统的应用
2.1虚拟仿真实验系统的特点
虚拟仿真实验系统是以计算机作为控制中心，采用多媒体技术手段在计算机上虚拟实验环境，软件构建逻辑结构模型，再和硬件相结合，构成虚拟系统。并利用互联网形成网络化虚拟系统在计算机人机界面上完成实验。该系统由课程实验仿真平台和实验管理系统构成，这也是和传统使用的仿真软件的最大区别之处。该系统引入了实验管理系统，也就是说，该系统搭建的平台可以针对学生，教师和实验管理员分别使用，每个学生，教师，实验管理员都有属于自己的管理账号。学生登录账号可以选课，可以提前预习实验要求，获取实验信息，并进行虚拟实验，最后提交实验报告和查询成绩接收实验结果反馈。而教师登录账号可以布置新实验，并提供一些实验案例和提出实验要求，还可以在线指导学生实验，对学生实验作出批改，实时与学生进行交流。实验管理人员登录账号可以添加和查看实验室，对学生和老师的考勤进行管理，对整个系统进行维护，做好后勤保障工作。这种基于网络的流程化管理完成了对实验过程的全面控制，大大的提高了效率。
2.2虚拟仿真实验系统的发展
虚拟仿真实验系统充分的降低了实验实践成本，搭建了一座从理论到实践的桥梁，使得实验过程安全可靠。通过网络化的实验管理系统，突破了空间和时间的限制，打造了生动直观的教学环境，提高了师生的互动性。虚拟仿真实验系统是在课堂，实验室，传统仿真软件，企业实践四种环节的基础上汲取经验弥补不足发展而来的。该系统连同以上四个学习环节可以优化组合，发挥最大优势。比如原理性概念性的理论知识可以结合课件或动画的形式在课堂完成，基本操作型的实验可以通过传统仿真软件验证后在实验室操作来锻炼学生的动手能力。创新性的，开发性的实验可通过虚拟仿真实验系统完成，学生可以反复设置参数，反复调试验证，反复的进行修正直到最后满意的结果，这个过程极大的减少了资源的消耗，降低了实验的成本。
3虚拟仿真实验系统在电子学科的应用
3.1虚拟仿真实验系统的建设
全国信息技术标准化技术委员会教育技术分技术委员会在虚拟仿真实验教学系统的开发方面制定了一系列的规范和标准草案，为各高校学科资源的共享应用奠定了基础。一个虚拟仿真实验系统的建设是集成了多门学科资源的，在这个方面，我们国家像北京邮电大学等高校潜心研究开发出了结合高校学科专业特点的虚拟仿真系统，建立了信息电子类课程的虚拟仿真实验平台。通过该平台提供的仪器设备可进行几百个电路、电子、信息的典型实验项目，充分的满足了高校学生的基础需求。另外，把一些前言的科研项目渗入到虚拟仿真实验范围，丰富了实验内容，开拓了学生视野，充分的满足了高校学生的深层次拓展要求，有利于培养创新性的人才。
3.2虚拟仿真实验系统在电路中的应用举例
以北京邮电大学开发的虚拟仿真实验系统为例分析，仿真平台模拟真实实验中用到的器材和设备，而且该仿真平台是中文界面，学生用起来直观方便。该实验平台提供了二十二种典型电路实验，在实际中，可以根据学科专业特点需要选取其中的典型性实验。下面以戴维南定理的验证与认识电路为例进行说明。该定理比较抽象，对其中的电路分析结果学生课堂难于掌握，通过虚拟仿真实验系统的流程化学习系统，学生可以轻松的对定理作出深刻理解。如图1所示，在界面的主器材库选取相应的器材设备，在右面的实验台搭建电路，完全模拟真实化的实验环境。如图2所示，是教师登录后的界面，教师可以在这个系统里对所有学生的实验进行批改，设置，操作。如图3所示，是学生登录后的界面，学生可以对老师提前选好的一些实验进行操作。
4小结
虚拟仿真实验系统为电子类专业的学生提供了多样的可选择实验项目，利用虚拟技术实现了理论与实践的密切结合，拓展了理论的深度和广度，在综合设计和创新方面，为学生提供了一个良好的平台。
参考文献
[1]孙燕莲，韩巍，文福安.构建仿真实验系统关键技术的研究[J].实验技术与管理，2005.
[2]路而红.虚拟电子实验室[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[3]文琪琪，文福安.虚拟实验指导系统的交互式设计研究[J].软件，2013.
关键词：虚拟仿真；药物制剂综合实训；实践教学
药物制剂综合实训是高职药物制剂技术专业一门重要的专业核心实践课程，该课程涉及药物制剂生产与检验的多个岗位，学生通过查阅文献，自主设计制剂处方和生产工艺，分工协作完成制剂的岗位生产与检验的全过程，有助于学生熟练掌握制剂生产的岗位标准操作，提高学生的岗位意识和责任意识，提升学生的综合实践能力，培养学生的创新精神，为学生毕业后从事药物制剂的生产与检验等工作打下坚实的基础。目前，我校已建成的高职药物制剂生产型实训基地能够满足药物制剂综合实训课程的实践教学要求。然而，在实训教学过程中仍然存在一些问题：一方面，由于实训涉及的岗位多，设备复杂，设备体积较大，投料量大，实训成本较高，实训耗时长，学生只能分组完成实训，设备使用的次数受限，导致学生的参与度不高；另一方面，由于实训涉及的岗位复杂，学生不能进入药厂生产车间中实际体验制剂生产中不同岗位的操作过程，导致学生在实训过程中岗位认知不足，学习的积极性不高，部分学生岗位意识淡薄，岗位职责不明确，出现岗位生产前检查和生产后清场不彻底、岗位生产操作不标准、岗位生产中仪器设备的使用不规范等情况。针对实训中存在的问题，本文尝试将虚拟仿真技术引入综合实训的教学过程中，将虚拟仿真与生产实操有机结合，为综合实训类课程的教学改革提供一些科学化的建议。
1虚拟仿真技术在实训教学中的应用优势
虚拟仿真技术是指在教学过程中，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术手段，构建一个高度逼真可视化的虚拟实验环境，进而开展实验操作的新型教学方式[1]。虚拟仿真可以创建各种形式的实验教学场景，供学生完成多种类型的实验，达到优化实验教学环境、提高实验教学质量等目的[2]。目前，虚拟仿真技术被逐渐应用于药学、药剂学、药物制剂技术、中药制药以及生物制药等课程的实训教学中并展现出诸多优势。
1.1虚拟仿真使实训内容更加生动形象
在传统的实训教学中，学生按照岗位标准操作规程、设备使用标准操作程序等文件完成岗位生产，文件中的内容相对比较抽象枯燥，将虚拟仿真技术引入实训教学中，将实训内容以虚拟仿真动画的形式生动、形象地呈现在学生面前，使学生产生身临其境的感觉，极大程度地激发了学生的学习兴趣[3]，加深了学生对知识的理解，提高了学生的学习效率。
1.2虚拟仿真使实训方式更灵活多样
虚拟仿真技术打破了实训时间、空间的限制，学生可在虚拟仿真实训平台上随时随地操作虚拟仪器设备，在虚拟场景中完成不同岗位的生产与检验工作，很大程度上缓解了由于实训设备数量有限、实训场地空间有限、实训学时有限等所造成的实训方式单一、不灵活的情况，虚实互补拓展了实训教学的方式方法[4]。
1.3虚拟仿真使学生学习的积极性和主动性得到了极大提高
虚拟仿真打破了地域的限制，学生可以身临其境地在虚拟车间内完成各岗位的虚拟生产操作，一人一机充分训练[5]，从而加深了对岗位生产的认识，教师适时地学习任务，开展虚拟仿真实训考核、组织互动交流以及在线答疑等学习活动，充分调动了学生学习的积极性和主动性，使每一名学生都高度参与到虚拟岗位生产的学习中来，调动了学生的学习积极性。
1.4虚拟仿真有助于深化岗位意识、提高岗位认知水平
在传统实训教学的基础上引入多岗位结合的虚拟仿真实训教学，让学生短时间内全面了解药厂环境[6]，有助于深化学生的岗位意识，明确岗位职责，提高岗位认知水平，使学生在虚拟仿真实训中自觉按照各岗位标准操作规程完成领料、生产前检查、岗位生产加工、物料周转、岗位清场以及文件撰写等工作，为学生下一步进入实训车间完成各岗位的实际生产工作打下了良好的基础。
1.5虚拟仿真有效降低了实训成本
虚拟仿真技术中所用的虚拟仿真设备可反复使用，各虚拟岗位不用真实投料就可反复生产，学生在熟练完成各虚拟岗位的生产操作后，再进入实训车间进行实际生产实训时，已经对各岗位的标准操作以及设备的使用有了充分的了解，可有效地提高学生的岗位生产效率，避免不合格产品的产生，有效降低了实训成本。
2虚拟仿真在药物制剂综合实训中的应用
根据目前综合实训教学模式的不足以及虚拟仿真在实训教学中的优势，本文将虚拟仿真技术与综合实训进行深度融合，提出了虚拟仿真与生产实操相结合的综合实训教学模式，并将该教学模式应用于药物制剂技术专业的综合实训教学中。该教学模式主要包括课前虚拟仿真实训、课中生产实训、考核评价3个阶段。
2.1课前虚拟仿真实训阶段
在课前，学生利用虚拟仿真实训平台，以第一视角进入虚拟固体制剂生产车间，按照各岗位标准操作规程身临其境地参与口服固体制剂生产过程中各个虚拟生产岗位的操作过程，包括领取文件、更衣、进入各虚拟生产岗位进行生产前检查并填写生产前记录、从中间站领取物料并填写出站记录、进行各岗位生产加工并填写生产记录、生产结束后进行物料转移、岗位清场并填写清场记录等。通过各生产岗位的虚拟仿真练习，学生对各生产岗位的认知更加深刻和全面。虚拟仿真实训教学除对岗位操作进行练习外，还将大型生产设备的结构、工作原理等以动画等形式最大限度地呈现在学生面前，拉近了理论与实践之间的距离。
2.2课中生产实训阶段
在课中生产实训阶段，学生在药物制剂GMP实训车间通过角色扮演的方式，最大限度地还原了虚拟仿真生产车间中各岗位的操作过程，学生自主进行岗位分配，不同学生扮演不同岗位的操作工，通过实际使用各岗位的生产设备完成各岗位的操作过程并填写相应记录，将实际生产过程中的中间产品如颗粒剂、片剂等送至中间站，由扮演中间站管理员的学生与扮演岗位操作工的学生完成中间产品的核对后，分别在进站记录上签字，授课教师扮演质量管理员，对生产及清场过程进行检查并发放清场合格证，负责中间品检验的学生扮演质量控制员，将中间品取样后进行检验。学生在整个实操过程中体验不同的岗位角色，极大地调动学生学习的积极性，拉近实践教学与实际生产之间的距离。2.3考核评价阶段在考核评价阶段，采取在线考试的方式考查学生对虚拟仿真生产岗位操作过程的了解程度，采取实操考核的方式考查学生对实际生产设备的使用、生产岗位的标准操作、生产记录的撰写等的熟练程度。合理分配虚拟仿真与生产实操考核在考核评价体系中所占分值的权重，充分体现以生产实操为主、虚拟仿真为辅的考核评价目标。
3教学效果评价与教学反思
对学生开展虚拟仿真与生产实操结合的药物制剂综合实训教学效果满意度调查，调查结果显示，学生对虚实结合的综合实训普遍表示认可，学生能够自主将虚拟仿真岗位生产与实际生产联系起来，提高了学生对不同制剂生产岗位的认知能力，不仅有助于学生对各岗位生产操作的熟练掌握，同时，也使学生对生产设备的结构及使用、药厂的综合布局等有了更加深刻的理解。然而，在虚实结合的实训教学中也存在着一些不足：（1）虚拟仿真实训与实际生产实训之间还存在着一定差距，如生产设备以及检验仪器的型号、所用的物料与文件、生产环境等的差异。（2）虚拟仿真技术对某些过程和某些真实问题难以模拟，例如处方筛选、工艺优化等过程以及压片岗位出现裂片或松片等质量问题时如何处理、制软材岗位黏合剂的加入量如何控制等。（3）现有虚拟仿真软件的开发技术有待进一步提高，以最大限度地满足药品生产企业岗位生产与设备更新的要求。此外，虚拟仿真技术的引入对教师信息化能力提出了更高的要求。
4结语
将虚拟仿真与综合实训实践教学进行了深度结合，围绕教学目标、教学重难点以及多岗位之间的联系开展虚实结合的综合实训教学研究，使学生全面了解制剂生产中各岗位操作过程，不仅有助于拓展实训教学内容，让学生在短时间内全面了解药厂环境，激发学生的学习兴趣，还能增强实训的交互性，培养学生的自主学习和团队协作能力，达到提高学生综合实践能力以及岗位认知能力、培养学生创新精神的目标。
参考文献：
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[3]杨佃志，张含波.虚拟仿真技术在药物制剂技术课程教学中的应用[J].科技风，2023（20）：60.
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关键词:环境工程;虚拟仿真;平台建设
为加快提高本科教育质量，2019年底教育部办公厅公布了2019年度部级和省级一流本科专业建设点名单，认定首批4054个部级一流本科专业建设点和6210个省级一流本科专业建设点［1］。作为进入榜单的省级一流环境工程专业建设点，需要进一步加强专业建设，持续提升本专业内涵和建设水平，发挥一流专业的示范领跑作用，培养本专业一流人才，为学校“双一流”建设奠定坚实基础。
1虚拟仿真实验平台建设意义
国家《教育信息化十年发展规划(2011—2023)年》提出深入推进信息技术与高等教育实验的深度融合，将实验信息化作为高等教育系统性变革的内生变量［2］，以高质量实验助推高等教育质量变轨超车，对培养高素质人才，建设高等教育强国，具有十分重要的意义［3］。虚拟仿真实验平台依托虚拟现实和人机交互等技术，使学生在虚拟场景中开展实验和实践［4］。虚拟仿真实验中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的功能，在涉及高危或极端的环境、不可逆的操作，高消耗、高成本、大型训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目［5］。虚拟仿真实验中心建设应充分体现虚实结合、能实不虚的原则［6］。
2建设思路
以环境工程省一流专业建设为契机，武汉工商学院环境与生物工程虚拟仿真实验中心以开源共享、在线学习的信息化方式推进我校化学和污水处理类改革，以实验、开放的思想推动化学和污水处理类教育更新;充分利用新媒体技术和互联网平台，创建开放共享平台，回应全媒体大数据时代对于“终身学习”的需求［8］。虚拟仿真实验平台建设以学生为中心，平台全天候开放，以线上线下交互学习的模式，将化学和污水处理类相关理论课、实验课、课程设计和污水处理厂生产实习等环节，与仿真实验互通交叉进行。在传统课堂中，学生学习的知识理论性强，理解扁平化，通过在直观、可视的虚拟仿真实验项目中实施设计实践、构思实现、运行操作、问题解决过程，增加学习的趣味性，学生对理论知识的感性认识不断增强，对设计理念的掌握运用逐步熟练，对知识结构的建立形成持续完善，实现对专业知识体系理解的“理性—感性—理性”螺旋提升，强化学生的问题分析解决能力、综合设计能力、实践创新能力。
3建设措施
3．1开发与利用实验资源
依托虚拟仿真技术研发公司提供的虚拟仿真产品及相关技术支持，项目用于学校虚拟仿真实验，并持续开发拓展项目内容及功能;充分发挥工程技术企业和信息技术企业在虚拟仿真实验项目中的积极作用，创新才人培养模式，强化大学生综合能力训练，培养适合创新性国家建设的应用型创新人才。湖北君集水处理公司是学校合作企业，为实验项目提供了大量的专业实验设备、技术支持和经费支持。持续开发独立自主知识产权《污水处理工艺虚拟仿真实验》软件作为课程推进的新动力。虚拟仿真实验平台建设涵盖四个模块:化学水质检测仿真实验室(含COD、BOD、总磷、总氮和污泥的仿真实验，包含演示，可用于预习，见图1)，污水处理厂3D仿真培训(可用于学生认知仿真实习或企业入职培训，见图2)，污水处理工艺设计(见图3)和仿真污水处理厂运行(见图4)。每个模块化单元有其参数设置和设计计算等。
3．2建设化学和污水处理虚拟仿真实验网络共享平台
3．2．1建设门户网站实现网络共享门户网站作为虚拟仿真实验网络平台数据库系统的网络入口，各模块包括首页，项目描述，项目团队，网络相关要求等，首页涵盖通知公告、相关视频、虚拟仿真平台和仿真软件展示等。通知公告便于师生及时掌握本行业相关赛事和讲座信息;相关视频有实验室安全知识讲座、科技治污、各种宣传片等;网络平台支持学生开展专业讨论、在线共享学习资料等，承担随时学习等功能［7］。污水处理仿真实验是在线开放共享的，进入实验时可以选择不同的角色，实现对用户的分级管理，主要包括专家、教师和学生，不同级别用户享有不同的使用权限，用以提高网络的安全性［8］。3．2．2实现虚拟仿真实验管理平台功能虚拟仿真实验项目构架及研发技术:通过3D仿真技术实现虚拟仿真。3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染。通过骨骼动画、关键帧和序列帧动画制作3D动画。通过计算机图形学(实时阴影，光照贴图，凹凸贴图等)和计算几何学(碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等)等实现现象仿真。通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真。开发工具采用Unity3d作为3D引擎，采用C#语言并通过VisualStudio工具进行程序开发。通过SVN，MicrosoftProject等工具进行程序版本控制和项目管理。虚拟仿真管理平台的开发语言是JAVA，开发工具是Eclipse跨平台的自由集成开发环境(IDE)。服务器硬件设有专人专管，部署在实验室核心机房;制定了虚拟仿真平台维护流程要求及维护记录，安排专人与欧倍尔公司对接并将软件持续改进。虚拟仿真实验平台涵盖对实验平台的后台维护人员和各类基础信息进行初始化、数据维护和功能设置，具体包括仿真程序教师端和仿真程序管理平台，仿真程序教师端包括学员管理和考试管理，仿真程序管理平台包括运维管理和部署管理。学员管理包括设置教师和学生的基本信息，包括实验安排、实验结果存储上传与数据分析、实验操作评价、实验报告成绩、实验课程成绩管理等功能;部署管理包括资料库、实验交流、实验过程管理、和在线答疑等部分［7］。
3．3建立和完善实验与科研队伍的培养制度
着力规范和加强教职工培训管理工作，明确按照学校建设发展的需要，“统筹规划、合理安排”的基本原则，采用校内与校外、国内与国外培训相结合，形式多样、有针对性、注重实效的方式来加强培训工作，确保建立起一支高水平的实验与科研队伍。大力支持从事实验与科研队伍人员相互学习、相互促进、共同提高，研究成果和发表的相关论文及编写的实验教材与同类科研成果一样享受各种奖励。担任有实验教学课程的新教师和实验技术人员上岗前必须经过培训，过好实践教学关，熟悉实验室环境，了解掌握仪器设备性能和操作使用方法，掌握实验教学软件的运用，认真备课，撰写指导实验的教案。同时，在指导实验前必须完成预备实验，进行试讲、试做，提供讲稿、试做记录，经系、实验中心负责人组织审查确认后可进行实验教学和指导实验。
4应用情况
4．1学科竞赛
2023年第46届世界技能大赛水处理技术项目交流赛(武汉)由武汉工商学院承办［9］，结合疫情防控相关要求，虚拟仿真平台模块是其中5个考试模块之一，占总成绩的10%，每个模块的设置充分考验选手设备安装能力、操作熟练程度、实验进程把握能力，以及界定、探索、解决不确定性问题的能力;2023年第46届世界技能大赛水处理技术项目湖北省线上集训也采用了虚拟仿真平台，并且向参加的14所院校52名学生和10余名教练介绍和推荐了本校自主开发的虚拟仿真软件;2023年第46届世界技能大赛湖北省选拔赛水处理技术项目正式比赛中［10］，武汉工商学院学子分别取得了第一名和第二名的好成绩。
4．2实验和实践教学
四、虚拟实验室建设的构想
据教育部“十二五”发展规划，工程实验室将在信息集成技术、虚拟仿真技术和敏捷制造技术等方面寻求重大突破，大力推广和应用虚拟仿真技术。为此，学校机械工程实验中心在现有的软硬件基础上，依托工学院计算机科学和教育技术等专业技术，积极筹划机械工程虚拟实验室的建设。建设虚拟实验、开展网络实验教学，既可丰富学习资源、缓解仪器设备的不足，又能体现个性化的学习环境，改进教学模式，提高教学效果。根据现有实验室的发展和实验项目情况，初步设想虚拟实验室结构如图1所示。主要为机构展示、虚拟仿真和性能测试三个方面，随着实验教学改革的不断深入，实验类型和数量都会逐步增加，最终形成完善的虚拟实验教学体系。
五、结语
从红河学院工学院对虚拟实验的应用情况看，部分虚拟仿真实验在实验教学中应用效果较好，显示了虚拟仿真实验的应用，弥补了仪器设备老化和不足的问题。通过使用该类虚拟实验，可增强学生实验兴趣，降低实验成本，在实验条件不足时，可部分代替实际实验过程。结合计算机技术、网络技术、数据库技术和教育技术等，相信虚拟仿真实验将具有更为广阔的应用前景。
【注释】
［1］蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用［J］.实验技术与管理,2011.28(8)76-78.
［2］郭桂苹,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析［J］.实验室科学，2010.13(5)175-178.
［3］魏芸.虚拟实验的分析与研究［J］.科技信息，2010(35)5-6.
［4］郭德伟,柯建宏.基于FlashActionScript的机构运动简图测绘实验设计与开发［J］.计算机与数字工程,2012.40(2)105-107.