虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设

MRLi 8月前 770


一、引言

以科研促教学,把新的科研成果及现代科学技术融于传统的教学活动中,不仅可为传统的课程注入活力,有利于提高教学质量和效果,而且能够扩展学生的视野,激发学生的学习热情,培养学生的动手能力和创新能力。

近年兴起的虚拟现实技术(Virtual Reality)是一个很好的技术手段,已经逐步被应用于现代教育技术之中。虚拟现实技术是将物体或信息与真实环境进行结合并对景象加以增强或扩充,呈现给用户一个感官效果真实的新环境,使用户从感官上确信虚拟物体是其周围真实环境的有机组成部分。在航空、航天、汽车、船舶、土木工程等专业,特别是在理论与实践紧密结合的学科中,该技术越来越显示出其优越性。

二、传统方式教学的不足

(1)对于理论与实践紧密结合的学科,在校内实习中,面临着实验室模拟与现场出入大、直观认识不足等缺点。现场认识实习、培训,又存在成本高、周期长、危险因素多、对生产影响大、联系实习地点较难、学生积极性不高等缺点,往往导致实习内容和过程达不到要求。

(2)在现实的实验教学环节,由于实验室仪器组数受场地、经费和利用率等问题的限制,加之学生人数众多和师资配备不足等原因,学生缺乏实践锻炼机会,特别是对一些实际场景、现场实际安全问题很难了解,导致学生走出校门工作后,短时间内对现场环境很难适应。

(3)虚拟现实技术虽然能够对工程环境的“表观”特征进行真实再现,但是其本身不具备计算、分析能力,对所研究对象的物理变化(包括速度、温度、压力、应力、位移、磁场等)不能做出实时表征,但这对理解所研究对象的运行机理和状态又是非常重要的。

三、虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台

针对以上传统教学方式上的不足,可以通过虚拟现实与数值模拟相结合的方式,实现虚拟环境与物理实体信息的相互补充,将现实环境中一些不易或不能被感受的因素投影到虚拟环境中,增强学生对这些因素的感知和认识。
如图1所示为北京朗迪锋科技有限公司为建立虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台而提出的解决方案。此解决方案以MultiViz和MakeReal3D软件为核心,集成流体、结构、热、三维CAD、三维场景等多学科数据,通过计算平台进行数值模拟,VR系统实现立体显示与交互。


图 1 解决方案结构图


(1)平台软件组成
  • 数值模拟软件

基于数值计算方法的模拟软件,ABAQUSNastranLS-DynaMechanicalFluentStar CCM+OpenFOAMMaxwell
  • 虚拟现实模型的开发与显示软件
此类软件包括三维CAD软件和三维场景软件,CAD软件如CATIA、UG、SolidWorks和Creo等,场景软件如3DS MAX和Maya等
  •  多领域通用工程数据可视化分析工具MultiViz
MultiViz是一款多领域通用工程数据可视化分析工具,可针对数值模拟的结果进行可视化分析,并可将分析结果导入到虚拟现实软件MakeReal3D中如图2所示为MultiViz可视化分析的结果示例。

图 2 数值模拟结果的后处理

  • 工业产品全生命周期虚拟现实仿真平台MakeReal3D
MakeReal3D专注于虚拟现实仿真技术在产品设计、制造、营销、使用、维护等生命周期各环节的应用与开发,从而帮助工业客户提高工作效率及产品体验。
MakeReal3D中可导入MultiViz处理后的数值模拟数据,然后再加入真实的CAD模型和三维场景,便可以实现虚拟环境与物理实体信息的融合。

图 3 虚拟现实与数值模拟结合

2)平台硬件组成

硬件主要包括运行各软件的计算机和VR显示与交互系统。
  • 计算平台
主要的计算平台是高性能的计算集群,如图4所示。辅助硬件为普通PC机或学生自备的笔记本电脑

图 4 高性能计算集群

  • VR系统

VR显示与交互系统一般指的是头盔、手柄、CAVE、CADWall、HoloSpace、PowerWall、LED立体拼墙等,通过MakeReal3D软件可以实现和VR显示与交互系统的连接,从而实现在VR环境下对数值模拟数据的显示与交互。

图5系统级硬件平台

图6桌面级硬件平台

(3)学生—虚拟现实—数值仿真之间的交互机制
在此教学平台中,学生处于中心位置,教师只是基本的引导,之后学生在PC机终端、自备笔记本电脑或高性能计算集群上开始根据自己对实际工程的理解,建立相应的模型,并进行模型内部物理信息的模拟计算,计算结果再与虚拟现实系统结合,学生便可感知该实际工程的“表观”环境信息以及“内部”的实体物理信息。

基于学生自己的“动手、动脑、动眼”的切身体会与实际感知,最后才有可能与教师之间展开深度讨论与质疑。具体的互动机制如7所示。


图 7 教学平台的内部交互机制

(4)课堂教学的实施模式

教学过程中摆脱了教师单一讲解的模式,课堂主要时间用于学生建模、计算模拟和实际感知。教学过程主要包括3大模块:

  • 学生自己动手设计、建模与模拟;
  • 学生与数值模拟和虚拟现实系统之间的互动,如图8所示;
  • 学生与教师之间的互动。


图 8 与虚拟现实系统互动

在虚拟实验中,学生可以通过鼠标或各种交互设备在三维沉浸式环境中漫游,近距离观察场景中的物体,并可对其中的物体进行自定义的各种操作,如测量、标记、剖切、爆炸图、装配、更改外观等等。

同时,由于融入了数值模拟结果,学生可以查看在不同工况下所研究对象的物理状态变化,动画播放瞬态结果,探针查询值的大小等等。

四、结束语

虚拟现实技术和数值模拟技术日益普及,把基于虚拟现实和数值模拟技术的软、硬件平台应用于工科专业的教学,通过让学生自发设计模型进行数值模拟分析,可实现对工程实例、实验模型和理论模型的精细数值表征。随后,将数值模拟结果融入虚拟现实系统之中,借助虚拟现实技术可实现对工程实例表观现象和内部物理特征的感知。

虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台可以缓解学时和实验室资源有限的矛盾,也使无法使用各种大型实验设备的学生对现代化的分析技术能有较为形象的感官认识和了解。虽然该手段不能完全取代现场实习与观测,却是对传统教学方式的一种有效补充与完善。



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