Abstract： Through the statistical analysis on four aspects of papers' published year， involving fields， research agencies and the first author which is related to study virtual prototype technology application included in Chinese sci-tech periodical database of VIP， this paper summarized the research condition of application of virtual prototype technology in nearly 10 years， and found that the research institutions of application of virtual prototype technology focus on colleges and universities， and suggested enterprise should apply virtual prototype technology actively to improve their market competitiveness.
关键词： 虚拟样机技术；论文统计；计量分析
Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis
中图分类号：C53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0312-02
0 引言
虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型，用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析，测试和评估产品的整体性能，进而不断改进和优化样机模型的设计，直至获得最优设计方案后，再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想，极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本，缩短了研发周期，提高了产品性能，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来，虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展，被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术，设计、装机、测试都在计算机中模拟完成，保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用，使企业能够以最低的成本快速推出产品，迅速抢占国际市场，提高了企业的市场竞争力，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。
本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台，通过对2003～2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索，采用论文计量学方法，对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析，概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况，以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。
1 数据来源及分析方法
本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源，以2003～2012年为时间条件，以“全部期刊”为期刊范围，以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索，经过整理汇总，删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库，采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析，概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。
2 统计分析结果
2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析 从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间，论文数量逐年增加，2004年和2005年，论文数量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年减小，2009年论文数量达到顶峰。这表明，2003年至2009年，我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快，并取得了大量的研究成果。但是，从2010年开始，论文数量较大幅度减少，特别是2012年，论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小，也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。
2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析 笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计，结果显示，我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域，部分论文同时涉及多个领域，论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人，这表明，随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展，虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。
2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析 在2508篇论文中，没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构，统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校，为2145篇，科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇，本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示，本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。
2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析 根据论文第一作者发文数量的统计结果可知，无作者数据的论文10篇，大部分作者1至2篇，发文数量排列前10位的作者见表3，其中，七位是本科院校的教授或讲师，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高级工程师，由此可见，本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。
3 结论与建议
从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出，2003～2012年10年期间，我国虚拟样机技术应用研究发展迅速，至2009年达到顶峰，近年又逐渐回落；应用研究涉及领域极为广泛，研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域；应用研究的主要机构是本科院校，应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况，但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。
虚拟样机技术问世之后，得到许多发达国家制造商的高度重视，立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中，取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国，虚拟样机技术的应用研究，不应仅在本科院校，不应仅有本科院校的学者和教师，更应广泛推广到企业和科研院所，让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。
面对日益激烈的市场竞争，我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术，减小产品的技术风险，缩短产品的研发周期，降低产品研发的成本，提高产品的性能，从而增强企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外，虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术，推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。
参考文献：
[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[2]熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报，2001，（1）：114-117.
关键词：计算机仿真；虚拟样机；试验；基于仿真的采办；装备采办
引言
从20世纪90年代开始，美国国防部为了更好、更快、更省地采购和部署满足21世纪军事需求的武器系统，进行了一系列卓有成效的防务采办改革，提出了基于仿真的采办（Simulation Based Acquisition，SBA）的概念。基于仿真的采办的核心思想是通过采用建模与仿真技术，以并行、迭代、柔性的思想指导武器系统的开发与采办，实现武器系统全生命周期各阶段的协同工作，是对传统采办在过程、支持环境和采办文化上的变革与创新。经过多年的实践与发展，基于仿真的采办得到美国军方和工业界的充分肯定，他们认为，基于仿真的采办可为切实缩短武器装备的研制周期、减少资源消耗、降低采办风险、提高装备质量。
虚拟样机（Virtual Prototype，VP）是基于仿真的采办中的一个重要概念，是建模与仿真技术在其中的一个最重要的应用形式。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练，成为缩短产品开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力的重要手段。
随着高新技术成果大量地应用于武器装备，武器装备变得越来越复杂。传统的串行采办过程，论证方、用户方、研制方和评估方分离的采办制度将很难适应未来武器装备的发展需求。因此，可以借鉴美军基于仿真的采办的成功经验，以并行、迭代、柔性的思想指导武器装备的开发与采办，用虚拟样机代替物理样机参与武器装备的预研、方案论证、工程研制、定型试验等过程阶段的试验与评估，并将试验与评估的结果直接反馈于武器装备的设计与研制，通过并行、迭代、柔性的方式不断地改进和完善武器装备的设计，更好地适应与满足未来不断变化的军事作战需求，降低武器装备的开发风险和开发成本，缩短研制周期，提高产品质量。
1虚拟样机技术
根据美国国防部建模与仿真办公室（DefenseModeling and Simulation office，DMSO）的定义，武器装备的虚拟样机是指在需求分析、方案论证、系统设计、演示验证等阶段使用的、代替武器装备实物样机的数字模拟产品。虚拟样机将建模与仿真技术扩展到新产品研制开发的全过程。它以计算机支持的协同工作为技术基础，通过支持协同工作、CAD、CAM、建模与仿真、产品分析、计算可视化、虚拟现实的计算机工具，将各个集成化产品小组（IntegratedProduct Team，IPT）的设计与分析人员联系在一起，共同完成新产品的概念探讨、运作分析、初步设计、详细设计、可制造性分析、性能评估、生产计划和生产管理等工作。
利用虚拟样机代替物理样机，可缩短开发周期，降低开发和测试成本，改进设计质量。利用虚拟样机，可使产品的设计者、使用者和评估者在产品研制的早期，在虚拟环境中，直观形象地对虚拟样机进行优化设计、性能测试、制造和使用仿真，对启迪设计创新、减少设计错误有着重要意义。
1.1虚拟样机技术的特点
1.1.1虚拟样机在产品的全生命周期中是不断进化的
李伯虎院士等学者认为，利用虚拟样机技术开发虚拟样机的过程，实质上是一种产品全生命周期基于模型的不断提炼与完善的过程。不仅如此，作者还认为，在产品的全生命周期内，随着论证方、研制方、使用方和评估方对产品认识的不断加深，虚拟样机的开发是一个不断进化、不断完善的过程。虚拟样机经过不断地迭代，逐步完善，逐渐逼近最终的实际物理样机，最后研制方根据最终的虚拟样机生产制造出满足设计目标的物理样机。
在进行系统论证时，由于对产品的认识还不深入，论证方仅仅能够勾勒出产品的大概轮廓，提出产品的主要战技指标要求，对于虚拟样机的许多细节，暂时还无法进行确定。当进行系统设计时，随着对产品设计的全面展开，虚拟样机的细节逐步丰满，产品的组成、工作流程、内外部接口等内容不断丰富，虚拟样机得到了初步地进化与完善。在后续的虚拟制造、虚拟试验、虚拟使用等环节，制造方、试验方和使用方会发现产品在论证与设计中的许多问题与缺陷，不断地提出产品的改进意见。这些都反馈到产品的论证方与设计方，对虚拟样机的设计进行修改完善，实现虚拟样机的不断进化，最后形成最终的虚拟样机产品，如图1所示。
1.1.2虚拟样机成为论证方、用户方、研制方和评估方之间直观的交流语言
以往，产品的论证方、用户方、研制方和评估方之间的交流主要通过各种文书实现，包括研制任务书、设计方案、设计图样、试验报告和使用说明书等文件。一方面，这些文件数量庞大，读完并理解需要耗费较长时间；另一方面，这些文书不直观，各方对文书的理解存在偏差，很难使各方对产品形成统一完整的认识。这些不利于各方之间的交流沟通，也直接影响到武器装备的作战使用。
利用虚拟样机，就很容易使各方对产品的认识具体化，形象化。论证方向研制方说明研制目标和要求时，可以将其论证的虚拟样机运行于仿真作战环境中，直观形象地展现武器装备的作战环境、作战目标、作战过程、使用要求、战技指标等，使双方沟通更通畅，更容易达到一致的认识；当用户培训操作手时，就可以直接利用虚拟样机，这样不仅能够比较容易地发现武器装备的设计问题和缺陷，而且武器装备的技术特点、使用特点也会直观立现，也使得部队能够在战时更好地运用武器装备，使用武器装备。
1.1.3虚拟样机利于增量式开发的实现
增量式开发是指，已经识别了武器装备的预期能力，对于其终能力的需求是明确的。最终能力需求是可以通过多次增量开发得到满足，但武器装备的每次增量开发取决于当前的技术成熟度。这是为了平衡技术成熟度和研发风险、费用以及用户能力需求紧迫性之间的关系。这样就允许核心作战能力可以快速投入战场来满足作战需求。这种策略可以随着技术的逐步成熟，将作战能力以连续增量的方式投入战场。增量式开发可以加快技术进步到战斗生成之间的转化，缩短武器装备的采办周期，形成“研制一批、生成一批、装备一批”的武器装备持续发展局面，使得关键技术进步可以快速形成战斗力。
虚拟样机的并行、迭代、柔性的开发过程与增量式的开发过程非常吻合，使增量式开发的过程较容易实现。另一方面，虚拟样机的模型复用技术也可以与增量式开发相结合，在增量式的开发过程中大量地使用模型复用技术，进一步加快开发过程，缩短开发周期，快速技术进步向战斗力的转换。
1.2虚拟样机技术的应用
目前虚拟样机技术已经显示出其强大的生命力，广泛的应用于航空、航天、车辆、机械等领域。波音777就是一个采用虚拟样机技术的典范，它首次采用虚拟样机技术实现了包含300万个零件的波音777飞机全过程无图纸设计。在11个月的时间里，设计小组利用虚拟样机完成了751个飞行小时的机翼测试，730个地面小时的飞行性能测试，1088个飞行小时的推进器性能测试，770个飞行小时的飞行稳定性测试，830个地面小时的飞行开发，1280个飞行小时用于ETOP，913个地面小时用于系统验证，共8384个测试小时，他们耗费了最短的时间进行了历史上最长时间的测试，减少了94%的费用和93%的设计更改。
随着仿真技术的发展，虚拟样机技术与武器系统的结合也越来越紧密。例如美国麦道公司采用虚拟样机技术研究F/A-18战斗机的发动机装配问题，可以在30分钟内确定发动机是否能够完全适应飞机及维修设备的需要；美国研制第4代战斗机F22的过程中，虚拟样机试验与评估以及风洞试验的经费比是6：4；美国“响尾蛇”空空导弹的三个型号，由于采用了虚拟样机技术，靶试的实弹数由129发减少到35发；在“爱国者”、“罗兰特”和“尾刺”地空导弹的研制过程中，节省研制经费10%～40%，缩短研制周期30%～40%，这三个地空导弹的靶试情况如表1所示。
李伯虎院士等人是在国内较早开展虚拟样机研究的技术团队之一。他们基于国家863/CIMS航天并行工程项目，开展了复杂系统的虚拟样机技术研究、应用与初步实践，并开发了具有自主知识产权的虚拟样机支撑平台，并将虚拟样机技术成功地应用于航天飞行器的设计与制造。
另外，虚拟样机技术在国内已成功地应用于导弹、火炮、轻武器等武器系统的设计与制造领域，也成功应用于机器人、数控机床、拖拉机等装备的设计与制造领域，甚至也应用于过山车和乒乓球发球机等娱乐设备的设计与制造领域。
2虚拟样机试验
2.1虚拟样机试验可以使传统的串行采办过程并行化
由图2可知，传统的采办过程是一种串行的采办过程，装备试验与评价活动并未贯穿装备的整个采办寿命周期，主要处于工程研制阶段之后，生产部署之前。传统的装备试验与评价活动基本上是以单件装备型号产品为试验对象，试验目的基本上是为了检验装备型号产品的各个单项性能指标是否达到了初始设计要求。利用虚拟样机试验就可以将传统的串行采办过程转变为如图3所示的并行的采办过程。
2.2虚拟样机可以弥补试验时物理样机数量上的不足
一般来说，装备在进行定型试验之前，生产的数量都极少，不能满足今后体系效能试验的数量要求。由于经费、生产能力等方面的原因，研制方又不可能生产出符合体系效能试验数量要求的装备。因此，在体系效能试验之前，对虚拟样机进行验模与评估，确保虚拟样机能够代替物理样机参加试验；试验时，利用虚拟样机代替部分物理样机，构建体系效能试验环境，驱动试验运行；试验后，对虚拟样机和物理样机的表现进行综合分析，评估装备的体系对抗效能。
2.3可以将LVC仿真资源进行综合集成构建逼真的虚拟样机试验环境
仿真资源通常可分为真实（Live）、虚拟（Virtual）和构造（Constructive）3种。真实仿真资源是指在部分虚拟的环境中由真实的人操作真实的装备；虚拟仿真资源是指在虚拟环境中由真实的人操作虚拟的装备；构造仿真资源是指在虚拟环境中由虚拟的人操作虚拟的装备。在装备的论证、研制、试验和使用过程中，产生了大量的IVC仿真资源，这些资源面向不同的仿真应用，满足了不同的仿真需求。在进行虚拟样机试验时应很好地继承LVC仿真资源，面向实战，进行综合集成，构建逼真的虚拟样机仿真试验环境。
关键词：计算机 虚拟技术 教学 应用
【中图分类号】TP3-4；G642
1 计算机虚拟技术
计算机虚拟技术是对物理计算机中的资源开展分配的技术，如在物理计算机中，可以利用虚拟技术来构建具有独立硬件资源的虚拟机，并且可以运行多个相同或者不同的操作系统。从计算机虚拟技术的优势来看，计算机虚拟技术具有着更高的资源利用效率、更好的隔离性与安全性、更低的成本、更高的兼容性能以及更加便捷的管理，这些优势也决定了计算机虚拟技术可以在计算机教学中具有一番作为。
2 计算机教学中虚拟技术所具有的优势
从计算机教学实践方面来看，计算机虚拟技术的应用可以为计算机教学活动的开展创造一个接近与真实情境的教学环境，从而使计算机实践教学活动需求得到满足。在计算机教学过程中，计算机虚拟技术所具有的优势主要体现为以下几点：
2.1 在计算机教学中，计算机虚拟技术的使用与维护更加便捷
在计算机教学过程中，可以在使用计算机虚拟技术的基础上，在一台计算机中制造模拟计算机，这些计算机有着独立的内存、操作系统与硬盘，并且可以独立运行，因此，在使用计算机虚拟技术开展计算机教学的过程中，即便是某一台虚拟机出现故障，真实存在的计算机以及其他虚拟机都不会被破坏，而对于出现故障的虚拟机，我们可以通过删除重建来完成维护，在此过程中，硬件部分并不需要更换。
2.2 在计算机教学中，计算机虚拟技术具有着更高的安全性和耕地的投入成本
由于使用计算机技术可以基于一台计算机模拟出多台虚拟机，因此可以在计算机教学中实现计算机的一机多用，另外，基于虚拟技术模拟的虚拟机具有着较强的环境适应性，这也会降低计算机实训教学中设备完善所需要的投入成本。相对于实体计算机而言，虚拟计算机的运行不会导致实体计算机面临计算机病毒等威胁，因此，从安全性能来看，基于虚拟技术模拟出的虚拟机具有着更好的安全性，而这也降低了计算机实训教学的管理难度。
2.3 在计算机教学活动中，基于虚拟技术模拟的虚拟机可以凭借较强的一致性来实现便捷安装
如果在虚拟技术的使用中，虚拟机的模拟需要复杂的流程和较多的时间，则可能会对教学效率产生负面影响，而事实上，虚拟机中的系统文件都是用映像包来存储，因此，在虚拟机的构建中，我们只需要通过复制映像包就可以完成移植，较强的移植性提高了虚拟机的构建速度，并且可以确保虚拟机配置的一致性。同时，将计算机虚拟技术应用到计算机教学中，可以在很大程度上来完善传统计算机教学中亟待改善的问题，作为计算机教师，只要确保自身的物理计算机具有正常的操作系统，就可以确保教学设备的可使用性，并且虚拟机的便携性、易用性也可以在一定程度上推动计算机教学效率的提升。
2.4 基于虚拟技术构建的虚拟机同样具有着联网能力
因此，对于具有不同教学任务与教学目标的计算机实训教学活动，虚拟机都可以满足其要求。另外，虚拟机的构建本身就可以成为计算机实训教学中的内容，这要求教师引导学生来了解虚拟机构建中的理论与操作方法，并要求学生在计算机实训或者日常生活中进行虚拟机的组建。当然，教师有必要将虚拟机在日常生活中的作用告知学生，如在预防病毒方面虚拟机所具有的良好表现等，从而推动学生学习兴趣和学习积极性的提升。
3计算机虚拟技术在计算机教学中的应用
3.1 构建多系统环境
教学机教学具有着多样化的教学内容，而教学内容的差异对计算机系统环境也具有着不同的要求，为了满足这些不同的计算机系统环境要求，学校可以采用虚拟技术来构建具有多种系统环境的虚拟计算机。无论是搭载哪一类计算机系统，虚拟计算机在完成文件部署滞后就可以通过启动来实现正常运行。而对于物理计算机而言，虚拟计算机仅仅是一个子系统，这种子系统可以对多种操作系统进行兼容从而实现一个物理计算机中系统的多样性。另外，在物理计算机中，可以利用计算机虚拟技术来构建一个虚拟的局域网，局域网中的网络运行情况与真实的局域网网络运行情况相一致，因此，在计算机实训教学中，可以有效解决网卡冲突等问题。
3.2 实现便携式计算机
在传统的计算机教学过程中，学生只能在实践教学课堂中通过上机来对教学内容做出练习，这种时空限制导致了学生在课后并没有太多接触真实操作实验环境的机会。然而计算机虚拟技术在计算机教学中的应用却可以有效突破这种时空限制，这主要是因为虚拟机文件可以让学生通过便携式拷贝设备来进行存储，并带出计算机实验室。只要是在由物理计算机的环境下，学生就可以将这些文件拷贝到物理计算机中并获得如同实践教学课堂中一样的虚拟机体验。这种功能的实现得益于虚拟计算机文件是在宿主机中以文件的形式存储，这让虚拟机具有了十分强大的便捷性与一致性。
3.3 构建网络教室
在计算机教学过程中，传统物理网络教室需要用户进行远程登录，在这种网络教室中，首先较差的隔离性导致物理计算机需要面对更加严重的安全威胁，并且会让物理计算机存在宕机甚至系统崩溃的风险；其次权限较低也是这种网络教室的重要缺陷；再次，在这种网络教室中，资源分配存在着一定的不合理性，当一个学生使用的资源较多时，就会对其他学生的资源进行占用，甚至会导致计算机系统所具有的运行速度降低。而基于虚拟技术基础上构建的虚拟网络教室则能够实现一人一机，当然这种网络教室同样具有着缺陷，即用户之间所进行的交互以及虚拟机的启动速度是需要解决的难点问题。但是虚拟网络教室所具有的有点也同样明显，相对于传统物理网络教室而言，虚拟网络教室可以实现对虚拟机进行隔离，这让虚拟机具有了更好的独立性与隔离性。同时在对虚拟机进行使用的过程中，学生具有着虚拟机中最高的操作权限，这能够在很大程度上确保学生能够获得良好的上机体验。另外，虚拟机的配置在设定之后不会受到其他虚拟机的影响，所以在资源的分配方面更加合理。
4 小结
综上所述，计算机虚拟技术在计算机教学中具有着重要的应用价值，因此作为计算机教育工作者，应当对计算机虚拟技术的应用做出探索与研究，并通过优化计算机教学中的计算机虚拟技术以及推动计算机教学中虚拟技术应用的多样化来实现计算机教学质量和教学效率的提升。
参考文献
关键词：虚拟样机技术；人才培养；机械工程类；仿真分析；创新
作者简介：路永婕（1981-），女，甘肃靖远人，石家庄铁道大学机械工程学院，讲师；陈娜（1979-），女，辽宁辽阳人，石家庄铁道大学信息学院，讲师。（河北 石家庄 050043）
基金项目：本文系石家庄铁道大学教育教学改革研究项目（项目编号：110408、110326）的研究成果。
中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）32-0033-01
在20世纪80年代，随着计算机科学技术的进步与发展，导致了虚拟样机技术（VPT，virtual prototyping technology）的出现，从而加快了工业发展的步伐。虚拟样机技术以自身的优势大大提高了工业产品的设计和研发的效率，极大地缩短了产品的生产和制造周期。目前虚拟样机技术在各领域的企业和研究机构里已经取得了良好的经济效益，得到了广泛的应用。因此各企业单位对熟练掌握虚拟样机技术的人才需求不断增长，这就势必要求在高等教育过程中更加注重培养大量的此类人才，以满足人才市场的巨大需求，进一步促进我国工业水平的提高。
虚拟样机技术作为一种先进的技术，在推动工业发展的同时也为高等教育培养高质量、高水平的人才提供了良好的手段和思路。在机械工程类本科教学实践中充分应用虚拟样机技术将会有力地促进工科类教学方式和教学体系的改革，会大幅度地变革旧的教学模式，实现大学生学习的多元化和主体化，使学生跟随工业技术发展的步伐，牢固夯实知识要点，掌握学科体系。
一、虚拟样机技术的理论依据与应用前景
虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，该技术结合了先进的建模技术、仿真技术、信息技术、优化技术、制造技术和先进的信息管理技术，涵盖了工业产品的概念、设计、实验、生产和制造的各个环节。可见，虚拟样机技术重点强调了工业产品的系统观，它针对产品的全生命周期，对产品进行全方位的测试、分析与评估，实现了不同领域的虚拟化的协同设计。
总之，虚拟样机技术是以虚拟样机为主体，可视化为界面，仿真分析为主要手段，三维造型软件为工具，建立起的多学科、多领域、多角度的协同设计平台。在机械领域中，虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学、传热学和控制理论为核心理论，几乎涵盖了机械工程体系中的各个子系统。目前基于虚拟样机技术，涌现出来了大量成熟的商业化软件，大体可以分为几何建模（SolidWork，UG，Pro/E）、结构分析（ABAQUS，ANSYS，NATRA）、多体动力学（SIMPACK，ADAMS，DADS）、液压与控制（AMESIM）、振动与噪声（SYSNOISE，AUTOSEA）等几个范畴，在机械工程、航空航天、国防和医学等各个领域发挥越来越重要的作用，在企业中已经得到了普遍的应用，获得了很多的成功案例。
因此在运用虚拟样机技术进行工业生产时，需要具备扎实的计算机、运动学、动力学和控制学多个学科的知识，这就对高等教育人才的培养提出更高的要求。从上述虚拟样机技术的内涵和理论依据可以发现，该技术具有很强的实践性强、可重复性和操作直观的特点，所以这些特点既是学生最终学习的目的，也为教师提高教育水平提供了很好的手段。
二、充分发挥虚拟样机技术在机械工程类教学中的作用
1.培养学生的仿真分析意识
在计算机技术高速发展的今天，基于虚拟样机技术的仿真分析已经日趋完善，分析的结果可靠、逼真，在工业生产中已经被广泛认可。所以，在教学过程中应引导学生积极掌握和利用仿真分析的技巧，在学习和吸纳新知识时充分应用仿真的手段进行分析和验证，提升对知识的理解程度，提高对专业知识的认知水平，形成良好的仿真分析习惯。
由浅入深地让学生在学习过程中随时借助虚拟样机技术对书本中的例题、课程设计中的案例和毕业设计命题从仿真的角度预演解题过程，树立起良好的仿真意识，这不仅提高了学生分析、解决问题的能力，而且在反反复复的仿真实践中对虚拟样机的综合应用能力得到提高，对专业知识的准确应用也会有一个比较深刻的认识。
2.注重理论与仿真实践结合
在机械工程相关专业的学习中，“机械原理”、“机械设计”、“机电控制”、“测试技术”等都是必修的专业基础课程，在以往的教学中，学生在掌握这些课程时比较头疼，教师在教授过程中诠释概念、分析原理时也比较吃力。分析其中的原因，主要就是学生在认知这些专业知识之前，相应的背景知识比较欠缺，对难懂的知识点存在很大的陌生感，教学的效果差强人意。然而虚拟样机技术恰恰可以弥补这一点，可以在教学的各个阶段都发挥不同的效用，在每门课程学习之前，教师可通过基于虚拟样机技术的成功工程案例的展示，激发学生对本专业知识求知的欲望，对课程设计的过程产生浓厚的兴趣，以最短的时间融入到课堂中。
因此在学习理论的过程中，对于那些晦涩难懂的理论就可以通过结合虚拟样机的仿真分析实践的方式，以鲜活的仿真现象直观揭示理论的真正内涵。例如，对于“机械原理”教学可以通过多体动力学的仿真软件建立机构的虚拟样机模型、定义部件的约束、动态仿真运动的轨迹、获取各构件的运动学特性曲线等等就可以清晰展现机械原理的整个理论体系，让学生轻松享受学习的过程。
[关键词] 虚拟现实技术
有学者认为,虚拟技术是指以网络技术、多媒体技术等具有物理实体特征的信息技术为物质基础,建构虚拟技术场域的技术中介手段。这种分析比较明确地表述了虚拟技术实体不是虚拟的,作为存在于现实空间的技术表现形态,它是具有物理特征的技术,虚拟技术的“虚拟”性在于是建构虚拟技术场域,即网络虚拟空间的技术中介手段。虚拟技术实现了波普尔所描述的世界1、世界2和世界3的高度契合与统一,在理论上具有同构性,从这个意义上说虚拟技术是具有革命性的技术形态。也有学者认为,所谓虚拟现实技术,是指在计算机软硬件及各种传感器(如高性能计算机、图形图像生成系统,以及特制服装、特制手套、特制眼镜等)的支持下,生成一个逼真的、三维的、具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境,使用户在这些软硬件设备的支持下,能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的“虚拟”世界中的对象进行交互作用。
从词源看,“虚拟”一词是由英文virtual reality(虚拟现实,又译虚拟实在)派生出来的。在英文中,表示“虚拟的”词语并非unreal(不真实的)、visional(虚幻的)、pretended(虚假的)或fictitious(编造的),而是virtualiter,意为“具有可产生某种效果的内在力的”,源于拉丁语“virtus”、“virtualis”。中世纪神学家兼逻辑学家邓?司各脱曾赋予这个词最初的哲学含义。他从唯史论的基本观点出发,认为事物的概念不是以形式的方式,而是以产生某种效果的内在力量或者能力的方式涵盖其经验性的内容,从而构成形式上统一的现实。因此,事物的概念就是一种虚拟的现实。他试图用“虚拟的”这个词来沟通形式上统一的实在与人们杂乱无章的经验之间的鸿沟,他把虚拟实在赋予事物或过程经验的某些方面,把经验等同于实在。从这个意义上来说,人类思维、意识的发展过程,人类运用概念、符号进行抽象思维来认识自然的过程,就是一个不断虚拟化的过程。人的历史和经验,要依靠文字虚拟过程来传递、保存。印刷文字和图像的物理持性中,包含了虚拟化了的人类经验,使得人不必亲身经历,便可以继承祖先的历史和经验。显然,这种借助意识、概念和符号的虚拟是现实在人脑中的表现形式,同时也是人认识现实世界的方式。
牛津大学出版社出版的《牛律辞典》(1989)对目前计算机及通信等科技领域里经常使用的“virtual”解释是:“Not physically exiting as such but made by software to appear to do so from the point view of the program or the user。”可以翻译为:一种由软件生成的非物理存在,但从程序和用户角度来看像真的一样。虚拟特指用0、1数字方式去表达和构成事物及其关系。商务印书馆出版的《牛津高级英语学习词典》(OALD)中对“虚拟的”(virtual)一词的解释是:实质上的,但尚未在名义上或正式获得承认。《美国传统辞典》对virtual的解释是:“Existing or resulting in essence or effect though not in actual fact,form,or name”,意为“虽然没有实际的事实、形式或名义,但在实际上或效果上存在和产生的”。
“虚拟”一词的当代用法,来自计算机技术和软件工程。在计算机技术中的虚拟存储器、虚拟服务器和企业管理中的虚拟组织等语汇中,“虚拟的”意味着“虽然是无形或非正式的,但在功能上相当于……”。因此具体地说,虚拟就是用数字方式去构成这一事物,或者用数字方式去表达这种关系,从而形成一个与现实不同但又具有现实特点的数字空间。
计算机科学家用“虚拟内存”来代表计算机以这种方式设置的RAM(随机存取存贮器)。虚拟内存技术不添加硬件即可扩展计算机的数据存储,例如,在个人计算机上,虚拟内存可以是RAM的一部分,仿佛它就是硬盘存储空间。这种虚拟磁盘可以像硬盘那样来用,但却不用受实际的机械磁盘的物理限制。随着计算机和信息技术等的发展,虚拟的意义有了扩展。正如美国学者迈克尔?海姆(Michael Heim)所指认:“‘虚拟’一词的涵义后来变成了任何一种计算机现象,从计算机网络上的虚拟邮件到虚拟工作组,到虚拟图书馆甚至虚拟大学,可谓应有尽有。在每种情况下,这个形容词所指的是一种不是正式的、真正的实在。当我们把网络空间称为虚拟空间时,我们的意思是说这不是一种十分真实的空间,而是某种与真实的硬件空间相对比而存在的东西,但其动作则好像是真实空间似的。”从数字化虚拟技术的实践应用来看,虚拟技术在电子计算机领域已经获得了非常广泛的应用。“虚拟内存”(Virtual Memory)、”虚拟存储器”(Virtual Storage),“虚拟主机”(Virtual Host/Virtual Server)、“虚拟光驱”、“虚拟终端”(VPC)、“虚拟专用网”(VPN)成为经常被使用的电子计算机术语。
这些计算机专用术语基本上可以解释为:以电子计算机硬件技术为技术基础,以软件技术为技术解决方案,在计算机或网络上建构出来的具有真实硬件功能的虚拟的技术存在方式。这些技术存在方式是建构虚拟世界的技术基础。我们可以发现,虚拟技术既包括硬件技术也包括软件技术,是硬件技术与软件技术高度契合的数字化关系表达方式。今天软件工程师们一般是在一种不是正式的、不是真实的但又是实际的意义上来使用这个术语,也就是说相对于自然的、物理的存在来说,虚拟实在让主体在感觉层面上产生具有效果上的等同性。同时软件工程师们也没有把虚拟实在所构成的空间环境简单地称为可能世界,因为在现实世界中许多不可能发生的现象在计算机系统中能够发生,虚拟蕴含着比可能更宽泛的哲学内容。
从认识论的角度来理解,“虚”是一种主观存在,特指大脑对“实”的感知、认知和加工以及在此基础上形成的意象和意境。意识是大脑的本能,意识运动的机制形成人类大脑的思维。人类通过思维形成对“实”的意象和意境。从本质上来看,“虚”是存在于大脑之中的东西。“虚”的主体或精髓――意识或思维――不能以外在的形式精确再现。但却可以通过语言、动作、表情、文学艺术等形式对其进行描述,我们可以广义地称其为“虚拟”。 正如尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte)在《数字化生存》中所说:“虚拟现实能使人造事物像真实事物一样逼真,甚至比真实事物还要逼真。”
参考文献:
[1]刘友红:人在电脑网络社会里的”拟生存”[J].哲学动态,2000.1:15
[关键词] 虚拟现实技术
有学者认为,虚拟技术是指以网络技术、多媒体技术等具有物理实体特征的信息技术为物质基础,建构虚拟技术场域的技术中介手段。这种分析比较明确地表述了虚拟技术实体不是虚拟的,作为存在于现实空间的技术表现形态,它是具有物理特征的技术,虚拟技术的“虚拟”性在于是建构虚拟技术场域,即网络虚拟空间的技术中介手段。虚拟技术实现了波普尔所描述的世界1、世界2和世界3的高度契合与统一,在理论上具有同构性,从这个意义上说虚拟技术是具有革命性的技术形态。也有学者认为,所谓虚拟现实技术,是指在计算机软硬件及各种传感器(如高性能计算机、图形图像生成系统,以及特制服装、特制手套、特制眼镜等)的支持下,生成一个逼真的、三维的、具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境,使用户在这些软硬件设备的支持下,能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的“虚拟”世界中的对象进行交互作用。
从词源看,“虚拟”一词是由英文virtual reality(虚拟现实,又译虚拟实在)派生出来的。在英文中,表示“虚拟的”词语并非unreal(不真实的)、visional(虚幻的)、pretended(虚假的)或fictitious(编造的),而是virtualiter,意为“具有可产生某种效果的内在力的”,源于拉丁语“virtus”、“virtualis”。中世纪神学家兼逻辑学家邓?司各脱曾赋予这个词最初的哲学含义。他从唯史论的基本观点出发,认为事物的概念不是以形式的方式,而是以产生某种效果的内在力量或者能力的方式涵盖其经验性的内容,从而构成形式上统一的现实。因此,事物的概念就是一种虚拟的现实。他试图用“虚拟的”这个词来沟通形式上统一的实在与人们杂乱无章的经验之间的鸿沟,他把虚拟实在赋予事物或过程经验的某些方面,把经验等同于实在。从这个意义上来说,人类思维、意识的发展过程,人类运用概念、符号进行抽象思维来认识自然的过程,就是一个不断虚拟化的过程。人的历史和经验,要依靠文字虚拟过程来传递、保存。印刷文字和图像的物理持性中,包含了虚拟化了的人类经验,使得人不必亲身经历,便可以继承祖先的历史和经验。显然,这种借助意识、概念和符号的虚拟是现实在人脑中的表现形式,同时也是人认识现实世界的方式。
牛津大学出版社出版的《牛律辞典》(1989)对目前计算机及通信等科技领域里经常使用的“virtual”解释是:“not physically exiting as such but made by software to appear to do so from the point view of the program or the user。”可以翻译为:一种由软件生成的非物理存在,但从程序和用户角度来看像真的一样。虚拟特指用0、1数字方式去表达和构成事物及其关系。商务印书馆出版的《牛津高级英语学习词典》(oald)中对“虚拟的”(virtual)一词的解释是:实质上的,但尚未在名义上或正式获得承认。《美国传统辞典》对virtual的解释是:“existing or resulting in essence or effect though not in actual fact,form,or name”,意为“虽然没有实际的事实、形式或名义,但在实际上或效果上存在和产生的”。
“虚拟”一词的当代用法,来自计算机技术和软件工程。在计算机技术中的虚拟存储器、虚拟服务器和企业管理中的虚拟组织等语汇中,“虚拟的”意味着“虽然是无形或非正式的,但在功能上相当于……”。因此具体地说,虚拟就是用数字方式去构成这一事物,或者用数字方式去表达这种关系,从而形成一个与现实不同但又具有现实特点的数字空间。
计算机科学家用“虚拟内存”来代表计算机以这种方式设置的ram(随机存取存贮器)。虚拟内存技术不添加硬件即可扩展计算机的数据存储,例如,在个人计算机上,虚拟内存可以是ram的一部分,仿佛它就是硬盘存储空间。这种虚拟磁盘可以像硬盘那样来用,但却不用受实际的机械磁盘的物理限制。随着计算机和信息技术等的发展,虚拟的意义有了扩展。正如美国学者迈克尔?海姆(michael heim)所指认:“‘虚拟’一词的涵义后来变成了任何一种计算机现象,从计算机网络上的虚拟邮件到虚拟工作组,到虚拟图书馆甚至虚拟大学,可谓应有尽有。在每种情况下,这个形容词所指的是一种不是正式的、真正的实在。当我们把网络空间称为虚拟空间时,我们的意思是说这不是一种十分真实的空间,而是某种与真实的硬件空间相对比而存在的东西,但其动作则好像是真实空间似的。”从数字化虚拟技术的实践应用来看,虚拟技术在电子计算机领域已经获得了非常广泛的应用。“虚拟内存”(virtual memory)、”虚拟存储器”(virtual storage),“虚拟主机”(virtual host/virtual server)、“虚拟光驱”、“虚拟终端”(vpc)、“虚拟专用网”(vpn)成为经常被使用的电子计算机术语。
这些计算机专用术语基本上可以解释为:以电子计算机硬件技术为技术基础,以软件技术为技术解决方案,在计算机或网络上建构出来的具有真实硬件功能的虚拟的技术存在方式。这些技术存在方式是建构虚拟世界的技术基础。我们可以发现,虚拟技术既包括硬件技术也包括软件技术,是硬件技术与软件技术高度契合的数字化关系表达方式。今天软件工程师们一般是在一种不是正式的、不是真实的但又是实际的意义上来使用这个术语,也就是说相对于自然的、物理的存在来说,虚拟实在让主体在感觉层面上产生具有效果上的等同性。同时软件工程师们也没有把虚拟实在所构成的空间环境简单地称为可能世界,因为在现实世界中许多不可能发生的现象在计算机系统中能够发生,虚拟蕴含着比可能更宽泛的哲学内容。
从认识论的角度来理解,“虚”是一种主观存在,特指大脑对“实”的感知、认知和加工以及在此基础上形成的意象和意境。意识是大脑的本能,意识运动的机制形成人类大脑的思维。人类通过思维形成对“实”的意象和意境。从本质上来看,“虚”是存在于大脑之中的东西。“虚”的主体或精髓——意识或思维——不能以外在的形式精确再现。但却可以通过语言、动作、表情、文学艺术等形式对其进行描述,我们可以广义地称其为“虚拟”。 正如尼葛洛庞帝(nicholas negroponte)在《数字化生存》中所说:“虚拟现实能使人造事物像真实事物一样逼真,甚至比真实事物还要逼真。”
参考文献:
[1]刘友红:人在电脑网络社会里的”拟生存”[j].哲学动态,2000.1:15
[关键词] 虚拟现实技术
有学者认为，虚拟技术是指以网络技术、多媒体技术等具有物理实体特征的信息技术为物质基础，建构虚拟技术场域的技术中介手段。这种分析比较明确地表述了虚拟技术实体不是虚拟的，作为存在于现实空间的技术表现形态，它是具有物理特征的技术，虚拟技术的“虚拟”性在于是建构虚拟技术场域，即网络虚拟空间的技术中介手段。虚拟技术实现了波普尔所描述的世界1、世界2和世界3的高度契合与统一，在理论上具有同构性，从这个意义上说虚拟技术是具有革命性的技术形态。也有学者认为，所谓虚拟现实技术，是指在计算机软硬件及各种传感器(如高性能计算机、图形图像生成系统，以及特制服装、特制手套、特制眼镜等)的支持下，生成一个逼真的、三维的、具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境，使用户在这些软硬件设备的支持下，能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的“虚拟”世界中的对象进行交互作用。
从词源看，“虚拟”一词是由英文virtual reality(虚拟现实，又译虚拟实在)派生出来的。在英文中，表示“虚拟的”词语并非unreal(不真实的)、visional(虚幻的)、pretended(虚假的)或fictitious(编造的)，而是virtualiter，意为“具有可产生某种效果的内在力的”，源于拉丁语“virtus”、“virtualis”。中世纪神学家兼逻辑学家邓?司各脱曾赋予这个词最初的哲学含义。他从唯史论的基本观点出发，认为事物的概念不是以形式的方式，而是以产生某种效果的内在力量或者能力的方式涵盖其经验性的内容，从而构成形式上统一的现实。因此，事物的概念就是一种虚拟的现实。他试图用“虚拟的”这个词来沟通形式上统一的实在与人们杂乱无章的经验之间的鸿沟，他把虚拟实在赋予事物或过程经验的某些方面，把经验等同于实在。从这个意义上来说，人类思维、意识的发展过程，人类运用概念、符号进行抽象思维来认识自然的过程，就是一个不断虚拟化的过程。人的历史和经验，要依靠文字虚拟过程来传递、保存。印刷文字和图像的物理持性中，包含了虚拟化了的人类经验，使得人不必亲身经历，便可以继承祖先的历史和经验。显然，这种借助意识、概念和符号的虚拟是现实在人脑中的表现形式，同时也是人认识现实世界的方式。
牛津大学出版社出版的《牛律辞典》(1989)对目前计算机及通信等科技领域里经常使用的“virtual”解释是:“Not physically exiting as such but made by software to appear to do so from the point view of the program or the user。”可以翻译为:一种由软件生成的非物理存在，但从程序和用户角度来看像真的一样。虚拟特指用0、1数字方式去表达和构成事物及其关系。商务印书馆出版的《牛津高级英语学习词典》(OALD)中对“虚拟的”(virtual)一词的解释是:实质上的，但尚未在名义上或正式获得承认。《美国传统辞典》对virtual的解释是:“Existing or resulting in essence or effect though not in actual fact，form，or name”，意为“虽然没有实际的事实、形式或名义，但在实际上或效果上存在和产生的”。
“虚拟”一词的当代用法，来自计算机技术和软件工程。在计算机技术中的虚拟存储器、虚拟服务器和企业管理中的虚拟组织等语汇中，“虚拟的”意味着“虽然是无形或非正式的，但在功能上相当于……”。因此具体地说，虚拟就是用数字方式去构成这一事物，或者用数字方式去表达这种关系，从而形成一个与现实不同但又具有现实特点的数字空间。
计算机科学家用“虚拟内存”来代表计算机以这种方式设置的RAM(随机存取存贮器)。虚拟内存技术不添加硬件即可扩展计算机的数据存储，例如，在个人计算机上，虚拟内存可以是RAM的一部分，仿佛它就是硬盘存储空间。这种虚拟磁盘可以像硬盘那样来用，但却不用受实际的机械磁盘的物理限制。随着计算机和信息技术等的发展，虚拟的意义有了扩展。正如美国学者迈克尔?海姆(Michael Heim)所指认:“‘虚拟’一词的涵义后来变成了任何一种计算机现象，从计算机网络上的虚拟邮件到虚拟工作组，到虚拟图书馆甚至虚拟大学，可谓应有尽有。在每种情况下，这个形容词所指的是一种不是正式的、真正的实在。当我们把网络空间称为虚拟空间时，我们的意思是说这不是一种十分真实的空间，而是某种与真实的硬件空间相对比而存在的东西，但其动作则好像是真实空间似的。”从数字化虚拟技术的实践应用来看，虚拟技术在电子计算机领域已经获得了非常广泛的应用。“虚拟内存”(Virtual Memory)、”虚拟存储器”(Virtual Storage)，“虚拟主机”(Virtual Host/Virtual Server)、“虚拟光驱”、“虚拟终端”(VPC)、“虚拟专用网”(VPN)成为经常被使用的电子计算机术语。
这些计算机专用术语基本上可以解释为:以电子计算机硬件技术为技术基础，以软件技术为技术解决方案，在计算机或网络上建构出来的具有真实硬件功能的虚拟的技术存在方式。这些技术存在方式是建构虚拟世界的技术基础。我们可以发现，虚拟技术既包括硬件技术也包括软件技术，是硬件技术与软件技术高度契合的数字化关系表达方式。今天软件工程师们一般是在一种不是正式的、不是真实的但又是实际的意义上来使用这个术语，也就是说相对于自然的、物理的存在来说，虚拟实在让主体在感觉层面上产生具有效果上的等同性。同时软件工程师们也没有把虚拟实在所构成的空间环境简单地称为可能世界，因为在现实世界中许多不可能发生的现象在计算机系统中能够发生，虚拟蕴含着比可能更宽泛的哲学内容。
从认识论的角度来理解，“虚”是一种主观存在，特指大脑对“实”的感知、认知和加工以及在此基础上形成的意象和意境。意识是大脑的本能，意识运动的机制形成人类大脑的思维。人类通过思维形成对“实”的意象和意境。从本质上来看，“虚”是存在于大脑之中的东西。“虚”的主体或精髓——意识或思维——不能以外在的形式精确再现。但却可以通过语言、动作、表情、文学艺术等形式对其进行描述，我们可以广义地称其为“虚拟”。 正如尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte)在《数字化生存》中所说:“虚拟现实能使人造事物像真实事物一样逼真，甚至比真实事物还要逼真。”
参考文献
[1]刘友红:人在电脑网络社会里的”拟生存”[J].哲学动态，2000.1:15
