摘要:远程教育越来越受社会欢迎，传统的专业教育也不断探索与新模式相匹配的教学实施途径。研究仿真技术在国内外制造业应用情况，讨论了仿真技术在机械专业远程教学中的技术基础。其中针对专业远程教学的难点，提出虚拟仪器、虚拟实验、虚拟样机等行之有效的新途径和新技术，为工学专业的远程教育实践，提供新的参考。
关键词:系统仿真；虚拟仪器；虚拟样机；虚拟试验
一、引言
高等教育从精英教育向大众化教育的转变，新型教育模式远程教育因具有不受时空限制的灵活性，在国内外受到越来越多的肯定和接受。传统专业也不断探索与之相适应实施途径[1]。近几年机械制造专业因受到政府大力扶助，许多在职技术人员选择远程教育模式，以求学习工作两不误。
工学专业本身强调的实践环节，需要用到专业实验设备、实验环境等，给远程教育带来新的难题。仿真技术为以网络为传输媒体的远程教学提供了有效途径。
二、仿真技术在国内外发展情况
仿真技术应用于机械产品开发是社会发展的必然结果。对机械产品仿真开发的基础理论和应用技术的研究，是国内外工程技术界普遍关注的一个热点。产品的仿真，包括了三维实体建模工具，零件可视化建模，虚拟加工，产品装配模拟，虚拟实验室建模，虚拟现实编程，虚拟仪器测试等多个方面[2]。
在美国、德国和日本等发达国家，仿真技术广泛应用在汽车制造、工程机械、航空航天、机械电子等多个领域，许多复杂产品的设计都采用仿真技术来优化性能、降低成本、缩短开发周期。例如汽车制造领域，美国MDI公司为提供的CAR模块，为整车制造提供虚拟样机[3]。与西方发达国家相比，我国仿真技术在机械领域的应用并不普及。仿真技术在国外的成功应用，已引起我国许多专业人士和企业的高度重视。
三、仿真技术是机械专业远程教学的基础之一
仿真技术的发展改变了制造业的传统生产模式。人们希望建立的机械系统的三维实体模型和力学模型，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能[4]，其目的是为实际产品设计和制造提供依据。
随着仿真技术与机械制造技术结合的步步深入，为传统生产周期长等问题提供了新的解决途径，也为该专业远程教育创造了条件。具体表现为：
（一）借助CAD技术，对零部件的三维参数化实体化几何建模，不需手工制图，方便远程教学；
（二）借助于数控加工技术和CAM仿真，虚拟加工和控制过程；
（三）通过有限元动态性能仿真，分析对象结构合理性、动力性、运动性、疲劳等；
（四）通过新型技术——虚拟样机技术对机械系统进行全过程仿真，即对整个生产CAD/CAE/CAM过程的仿真。
仿真技术在教学中具有特点如下：①创造虚拟的环境，减少了繁琐的硬件设备的投资和维护；②容易体现专业知识综合运用，利于提升学习者的知识能力；③有利于机制专业的远程教育操作。
四、仿真技术与专业远程教学结合
在传统的设计与制造过程中，通过周而复始的“设计—试验—设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更谈不上对市场的灵活反映[5]。
仿真技术突破了传统的设计与制造的限制，通过可视化和可供分析的图形、环境等仿真，真实地模拟产品的形状、运动及受力情况。它能够快速分析多种设计方案，将设计师的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。
机械专业远程教学中重点要解决远程实验等问题，例如开发虚拟设备、建立虚拟实验室等。主要解决途径如下：
（一）虚拟仪器
虚拟仪器是以透明的方式把计算机技术和仪器功能结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理，表达并以友好的图形界面显示出来，完成各种测试、测量和自动化控制等任务，具有技术性能高、扩展性强、集成等强大优势[6]。
虚拟仪器在机械专业教学中的应用逐渐深入，尤其是对于远程教学模式，更有非常宽广的应用场地。现代机械电气系统的日益复杂化，如果采用传统的硬件测量设备，将带来教学成本过高，而且现实的设备不利于远程教学。利用虚拟仪器技术，学习者可以将各种数据采集设备集成到计算机中，通过软件实现各种数据读取和信号分析处理，最后将结果显示出来，学习者们轻松地仿真各种电气设备，开发各种电控单元等，例如报警系统、汽车制动等。解决了远程学习中不能直接对硬件进行设计的缺陷。
（二）虚拟实验
工科课程教学强调实验环节，仿真技术为远程教学中提供一个全新的解决方案。由于计算机在记忆能力、运算能力、运算速度、信息处理能力等方面的优势，仿真系统逐渐被用于处理复杂、非线性系统的设计和制造。模拟实验的目的是通过计算机对实验环境、对象进行几何、运动、性能等方面数学建模，求得对实物原型系统规律性认识。利用虚拟现实技术、交互式技术和试验分析技术，可方便地在计算机上产生一个虚拟的实验环境，对被试产品进行各种性能测试和检验，并作用于人的视觉、听觉、触觉，使实验者可以类似真实的环境中完成各种预定的试验项目，替代传统试验。
（三）虚拟样机
虚拟样机是针对物理样机而言的，设计人员在计算机上，从CAD系统中提取出零部件各种参数信息，定义构件间的连接和约束，并对整个系统进行虚拟装配，获得具有物理样机属性的虚拟样机，在各种工况模拟环境下操作虚拟样机，分析其各组成部件的运动和受力，如有缺陷等，直接在计算机上修改和调整设计方案，直到满意，最后制作物理样机。
虚拟样机技术包含几何建模、结构分析、驱动建模、模型分析、控制分析、优化处理、仿真分析七大基本模块[7]，目前已成为相对独立的产业技术，正在并继续对制造业产生深远的影响。
虚拟样机技术中仿真贯穿了产品设计到成型的整个过程，适合于用于专业远程毕业设计环节，可以考察学习这对于专业知识的综合运用情况，目前有成熟的虚设计工具有Adams、Pro/ENGINEER等。
五、小结
远程教育需紧跟专业技术的发展和社会需求，同时还要考虑技术教育的可操作性。仿真技术目前应用于机械系统设计与制造过程的每个环节，甚至整个过程，创造一种全虚拟的数字化实践环境。将仿真技术与专业相结合，并将其引入远程教育中，是克服工科类远程教学的中实践环境等条件限制的有效途径。
参考文献
[1]曾广杰等，传统专业改造的探索与实践，高等工程教育研究，2003 年第3 期
[2]徐鑫，刘巍，基于虚拟现实的仿真技术在职业教育中的应用的理论探讨[J]，渤海大学学报（自然科学版），2007.1
[3]程燕,鲍务均. 综述基于ADAMS的液压仿真虚拟样技术[ J ]， 机械研究与应用, 2005, 18 (1) : 94～95.
[4]王忠伟，谢国保,行业性院校学科专业的改造[J]，教育评论, 2006.6
[5]祖旭,黄洪钟,张旭，虚拟样机技术及其发展[J]，农业机械学报, 2004, 35(2) , 168～171.
[6]李耀麟，高校信息化教育职能机构的困境及发展策略[J],电化教育研究,2006(1).
[7]朱士龙，刘光勇等，虚拟现实技术及其在分布交互式仿真系统中的应用，系统仿真学报，2000.3
