摘 要：随着专业知识的不断深入和扩展，传统教育手段远远满足不了知识的发展。如何运用现代教育技术手段激发学生对科学研究的兴趣，是目前高等教育亟需解决的一个首要问题。将计算机虚拟仿真技术应用于专业教学中，使理论教学结合现代教育技术，将基础知识和理论形象地表现出来，不仅能够提高学生的积极性，提高教学质量。而且，能够培养学生对于未来科学研究的兴趣，培养学生的实践能力和创新精神，从而提高其综合能力。它既适合于在教师指导下的课堂教学，也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习，在教学中有着广泛的应用前景。
关键词：虚拟仿真技术 现代教育技术 科学研究 创新能力
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）02（a）-0173-05
教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》明确要求：“要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”[1]。而传统教学向研究性教学转变的关键在于激发学生科学研究的兴趣。只有利用现代技术手段改变教学内容和形式，才能不断激发学生的兴趣、求知欲和研究意识，培养学生的实践能力和创新精神，从而提高其综合能力。
伟大的科学家爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”这就是说一个人一旦对某事物有了浓厚的兴趣，就会主动去求知、去探索、去实践，并在求知、探索、实践中产生愉快的情绪和体验，所以古今中外的教育家无不重视兴趣在智力开发中的作用[2]。俗话说：“万事开头难，良好的开端是成功的一半”。教学也一样，一旦学生对该门学科感兴趣，他们就会深入地、兴致勃勃地学习这门课的知识。因此，激发和引导学生学习专业课的兴趣和动力就成为教师一个首要任务。
法国天文学家、数学家拉普拉斯在谈到万有引力定律的发现时曾说：“认识一位天才的研究方法，对于科学的进步，甚至对于他本人的荣誉，并不比发现本身更少用处。科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。”
因此，本文在分析传统教学方式局限性的基础上，提出将计算机虚拟仿真技术应用于专业教学中，使理论教学结合现代教育技术，将基础知识和理论形象地表现出来，不仅能够提高学生的积极性，提高教学质量。而且，能够培养学生对于未来科学研究的兴趣，培养学生的实践能力和创新精神，从而提高其综合能力。它既适合于在教师指导下课堂教学，也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习，在教学中有着广泛的应用前景。
1 传统教学方式的局限性
传统的教学方式存在三个方面的问题：
一是教学方法单一、课堂气氛枯燥无味。主要强调学科理论知识，把传授教育科研的理论知识作为教育的主要任务，以学生接受理论知识的程度来衡量教学效果。教师教什么，考试考什么，方法的教学变成了纯粹的知识传递，学生在被动的灌输理论知识，结果是学生变成了知识的容器，完全失去了学习的主动性。
二是实验内容少而陈旧。实验是教学活动的重要环节，实验教学和课堂理论教学相辅相成，主要对课程的理论作出科学验证或展开演绎，让学生加深对理论的认识，同时通过实验培养学生的创新意识和科学严谨的作风[3]。目前许多院校普遍存在实验设备不足、型号落后、难以跟上科技发展。受到这些条件的制约，单纯投入了大量资金购进和更新设备，仍然跟不上信息技术的迅猛发展。学生缺乏真正的科研实践，掌握基本的科研方法成为不可能。因而在不同程度上影响到学生动手能力和创新能力的培养。
三是评价方式不科学。传统的大学教学评价更多地体现为纸笔考试方式，关注学生的最终学习结果，忽视了学生学习的具体过程。而教育研究方法的获得关键在过程中体验，因此传统的评价方式亟需改革。
2 虚拟仿真技术简介
虚拟仿真（Virtual Reality）技术，简称VR，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多个领域。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境—— 虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，与虚拟环境进行交互[4]。
虚拟仿真集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。它最早源于美国军方的作战模拟系统，20世纪90年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。
虚拟仿真具有五个基本特征：虚拟性，是指虚拟仿真技术以真实世界的现象和物体为参照或在人脑中想象出来的不存在的物体，通过计算机图形技术以及其他媒体手段刻画的虚拟的情景，或者展示一定原理；科学性，是指虚拟的现象或物体虽然是在计算机中体现的，虚拟的，但是它是参照现实现象或依据一定的科学原理设计的，不是凭空捏造的；交互性，是指虚拟仿真是一个开放的环境，能对用户的输入做出响应，并能通过显控装置来影响用户和被用户控制；目的性，是指虚拟仿真不仅是一个媒体、一个高级用户界面，还是一个应用系统，它以生动形象的形式反映设计者的思想；沉浸性，是指观察者对虚拟世界的情感反映，这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界。
本文基于这几个特征进行举例说明如何通过虚拟仿真技术将生活中的自然现象以及复杂的工程问题通过图像表达出来，同时根据这些有趣的虚拟技术进行更加深入的科学研究。
3 虚拟仿真技术辅助教学的尝试
基于虚拟仿真技术，笔者课题组教师对所在院系的本科生及研究生的岩石力学方面专业课程进行了调整，辅助以大量的虚拟仿真手段进行教学，效果显著。
一般来说，一个完整的虚拟仿真系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。图像和数据分析是本文进行科学研究的重点。
其中并行计算机群配备联想深腾1800集群系统，系统由48个计算结点、1个I/O结点、1个管理结点和6.4TB光纤磁盘阵列组成。每个节点配置2颗Intel Xeon E5430（四核、主频2.66GHz、二级缓存6MB*2）、16GB内存、146G SAS硬盘，并配有Red Hat Linux AS5操作系统[5]。
本文中虚拟仿真系统的软件平台主要包括力学计算分析系统和虚拟仿真应用软件开发系统。其中，力学计算分析软件采用具有自主知识产权的“真实破裂过程分析系统（RFPA）”，它是基于有限元理论和全新的材料破裂过程算法思想，通过考虑材料的非均匀性来模拟材料的非线性，通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏的非连续行为，可用于研究脆性材料从细观损伤到宏观破坏的全部过程。RFPA可以计算并动态演示材料从受载到破裂的完整过程，整个系统具有较强的开放性和可扩展性。该分析系统采用高效的并行求解策略，在联想深腾1800集群系统上实现了自由度超千万的有限元计算。
在教学中，主要指导学生利用该硬件及软件平台，进行岩土工程专业课程的学习。在教学过程中，我们主要强调以下几点。
3.1 激发学生潜在科学研究兴趣
专业课上那些深奥难懂的公式、原理，而且传统任课老师那种古板教条式的教学方法，总是会抹杀学生探究科学研究的兴趣，使学生对专业课产生厌烦心理，更不用说科学研究。在人的潜意识中，对自然现象都有好奇的心理，总会有探求其本质原因的想法。因此，通过虚拟仿真手段首先把学生对于科学研究的兴趣挖掘出来，然后再进行专业知识灌输，这是事半功倍的做法。
笔者在对学生进行专业课程教授之前，首先会通过虚拟仿真手段展示大量的我们身边常见的自然现象。例如，图1中的干涸的池塘呈现出不规则的等间距裂纹现象。这个现象在自然界是非常普遍的。在我们知道断裂力学之前，只能凭经验认为那是泥土缺少水分或者温度变化造成的。但是，从断裂力学角度如何解释呢？这个现象发生的过程是怎么样的呢？图2便是通过力学计算后，通过计算机图形学的方法展现出来的裂纹效果。不管存在多少影响因素，这种现象的结果肯定有力学原理在里面。计算机虚拟仿真的优势就是能够展现事情发生的过程。图3是模型在力的作用下，产生图2裂纹效果的全过程。模型中任意点的力学作用都保存在数据库中，方便于从力学角度进行更深层次的探讨和分析。（如图1～3）
3.2 扩展学生研究兴趣，进入真正的科学研究
科学研究需要发散思维，通过某一具体实例能够挖掘同类的案例，然后进行归纳总结，形成此类问题的本质性认识。培养学生创新能力，首先要提高学生发散思维能力、归纳总结能力。如果没有原始案例的宏观概念，做到发散思维是不可能的。因此，这个能力的培养是进行科学研究的关键所在。
笔者对学生发散思维的培养仍然是借助虚拟仿真系统，在充分挖掘学生科学研究兴趣的基础上，引导学生进行相关问题的尝试。上例中展现给学生的是池塘中干裂的现象以及计算机模拟。可以提示学生模拟中用的是两种材料，并且裂纹是在表面材料中发生的，这只是在两层平板模型中出现的现象。假如，把平板变成圆柱体或球体，那会是什么结果？现实中能否找到这样的现象？图4中既是各种曲面裂纹现象。（如图4、5）
引导学生找到要研究的问题以后，便要指导学生去亲手解决问题，实现要模拟的结果。首先，需要教会学生使用模拟分析系统，需要有针对性的教学生如何建立想要实现的模型，如何初始化参数，如何计算分析，如何进行图像处理。最后，在教师的辅助下达到学生能够亲手制作简单的模拟，这样既锻炼了学生的动手能力，同时又使学生充分享受到成功过的喜悦，增强了对科学研究的自信心。如图5所示圆筒形和球形的表面裂纹模拟结果。
现象模拟出来以后，就要指导学生如何进行更加系统的科学研究工作。由于这是通过计算机模拟出的结果，输入的模型和尺寸是固定的，试着让学生重新建立模型改变两层材料的厚度，或者修改输入的材料参数等，将不同的结果通过图形和曲线表现出来，最后得出此类问题的实质性结论。即（1）表面裂纹块面积的大小和表层材料的厚度有关，越薄形成的裂纹块的面积越小；（2）裂纹块的形状跟两个方向的力有关，受力相等裂纹块接近于正方形，受力较大的方向裂纹块边长较长；（3）裂纹块不是无限的分割下去，是跟表层材料尺寸有关，达到极限面积后便不再继续分割。原因是：此时，在两层材料之间没有作用力，块体内部各处应力为0。
这部分扩展科学研究工作一般会用到极限分析方法、统计分析方法、归纳类比法、假设法等。培养学生熟练运用这些方法，科学研究工作才会做的更好。
3.3 主动制作虚拟仿真题目，进行科学研究探索
实验是教学活动的重要环节，实验教学和课堂理论教学相辅相成，主要对课程的理论作出科学验证或展开演绎，让学生加深对理论的认识，同时通过实验培养学生的创新意识和科学严谨的作风[3]。但是，物理实验具有耗费时间、人力、物力、财力以及不可再现等缺点。虚拟仿真技术恰恰可以弥补这方面的不足，辅助物理实验。因此，有人也将虚拟仿真称作数值实验。鼓励学生对所做的物理实验进行数值模拟研究，引导学生主动进行扩展研究。
如图6所示，岩石力学实验中对于单轴抗拉强度的数值测定，一般是通过巴西圆盘劈裂试验测到的数据。在物理实验中，裂纹从起裂、扩展到最终试样破坏，虽然有应变片和压力计等记录装置，但是却不能准确探测试样中每个点的应力和应变值。计算机数值模拟却可以做到这一点（如图6、7所示）。
引导学生通过虚拟仿真技术设计实验室中无法进行的实验，并进行深入的科学研究。例如，尺度更大的岩体和岩体结构在实验室里是无法实现的，可以设计如图8所示的模拟。瓦斯突出、瓦斯爆炸等许多矿山动力灾害现象也很难通过实验室实验演示。另外，人类短时间无法认知现象的过程，例如地球板块演化过程是相当漫长的，人类文明相对于这个过程犹如大海中的一滴水。所有这些现象，都可以依据一定的科学原理，借助于数学、统计学等工具，通过计算机图形技术展现出来。既可以对完整过程再现，又可以进行深入的科学研究，从而培养学生进行科学研究的能力。（如图8）
3.4 把虚拟仿真技术作为工程研究的重要手段
“自20世纪90年代以来，计算机模拟正在成为科学和工程许多领域内解决问题的主流方法，与理论分析、实验研究一起成为科学研究的三大支柱之一。基于模拟的工程和科学已经成为国家的核心竞争力”，这是摘自《力学学会团体会员活动信息》一文。充分说明，计算机模拟已经变成新世纪科学研究的重要手段之一，它和其他两种方法是相辅相成、互为补充、不可替代、不可分割的关系，三种方法统一形成现代科学研究方法体系。理论分析为实验研究和数值分析提供理论指导；实验研究为理论分析和数值分析提供准确的参数和直观现象印证；数值分析是对理论分析和对物理实验的印证，也是对物理实验的补充，又是对未知现象的尝试和探索，进而将理论研究升华到新的高度。
因此，数值分析包含两方面内容：一是再现实验室中和自然界中的已知现象；二是对未知现象、未知理论进行预测。如图9所示，图9-A是实验室中正在组建的水电站的拱坝和边坡试验模型，因为场地和设备的限制，只能制作缩小一定比例的相似模型。图9-C则是按照1∶1制作的数值模拟，边坡和拱坝的材料性质取自岩样的物理实验结果，并且可以施加静水压力、温度荷载、渗流水荷载等，模拟环境完全接近于真实状态。由于数值分析一般是基于有限元、边界元、离散元等数学理论，只要给定真实的材料性质，计算分析结果便是真实可靠的。对于天文学中的天体运行规律则是物理实验无法做到的，只有依据万有引力定律、能量守恒定律等，利用计算机模拟手段对宇宙中各个星球进行轨道预测、星球大爆炸模拟。（如图9）
4 模式实施与效果评价
科学研究都是很枯燥的，有的甚至无法触摸到、无法感知，有的尺寸特别大，有的尺寸特别小，我们既要证明其存在又要了解其原理。只通过运算解析方法是无法完全探知其中的奥秘的，而且不能直观反映规律本质。虚拟仿真技术是基于固体力学、动力学、热力学、磁学、声学等基础学科，把解析计算融于现代计算机求解技术中，辅助以图像和声音等信息，形成完全虚拟仿真的技术。
教师利用这种特定实验情境，启发学习者主动探讨研究，完全像做实验一样归纳和总结出相关的规律。利用情境或在情境中进行教学，能够让学习者参与进来，做到教师只是引导者而非讲演者，更利于学习者主动进行学习。一些原来单纯利用黑板和演示不容易讲得清楚的东西，现在在模拟实验中实实在在地动态显示出来，便于讲解。从学习者角度也不会再感到科学研究的艰难、枯燥，原来仅仅靠想象的抽象东西，现在活灵活现地出现在面前。完全可以独立或与学习伙伴一起进行实验，可以仔细观察，利用系统关键提示和解释；反复实验，经过思考后得出结论，实现探究学习。
因此，利用这样的模拟实验开展教学，能够大大激发学习者的求知欲，满足学习者的探索欲，最大限度地发挥学习者的认知主体作用，让学习回归本体，就是实现学习者自主学习，不再是“被教会”。如图10，笔者总结了利用虚拟仿真技术的软硬件平台实施辅助教学的各个环节。（如图10）
通过以上基于虚拟仿真技术的教学模式尝试，笔者认为虚拟仿真技术应用教学对人才的培养具有以下几个方面的优势。
4.1 激发学生对于科学研究的兴趣
虚拟仿真技术可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉。因此，这有助于激发学生对于未知现象的探索兴趣，发挥科学研究的主动性。
4.2 增强学生动手能力
虚拟仿真系统具有较强的交互性，需要实验者根据实验内容亲手设计实验，自动或者手动加入一些图像、声音等辅助的手段来展示所要表现的主题。同时，实验过程中也需要进行人机交流，输入人所想机器输出人所期待的结果。因此，这种交互活动能够大大增加学生信心，增强学生动手实践能力，从而有效提高学生的学习热情和效率。
4.3 促进学生对科学研究方法的掌握
虚拟仿真技术（数值分析技术）与理论分析、实验研究一起成为科学研究的三大支柱。作为新型的科学研究方法，数值分析将成为未来主要的科学研究方法。未来科学研究的成功也许决定于对数值分析方法掌握程度。
4.4 拓展学生的知识面
虚拟仿真技术不受实验场地限制，可以展现任意大小、任意复杂程度的对象，也可以展现高危险现象、不可见的现象，可见不可及的物体，想象出来的物体等。同时，虚拟仿真技术具有探知不可预测、不可知的优势。这些内容和现象在实验室中，甚至在现实中都是无法得到。因此，虚拟仿真技术能够拓展学生的知识面，为以后进行更加深入的科学研究打下良好的基础。
5 结语
本文根据教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中明确要求的“要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”的号召，在分析传统教学模式的基础上，提出运用虚拟仿真技术手段激发学生对科学研究的兴趣这一新型教学模式的尝试，用该手段辅助教学，不但有助于学生对基础知识的理解，有利于学生创新意识的培养，而且能够在教学过程中启发学生，理论与实践相结合，提高学生的积极性，提高教学质量。而且，能够培养学生对于未来科学研究的兴趣，培养学生的实践能力和创新精神，提高学生的动手能力和创新意识，从而提高其综合能力。它既适合于在教师指导下课堂教学，也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习，在教学中有着广泛的应用前景。
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