虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨

王晓迪

(哈尔滨工程大学 实验室与资产管理处，黑龙江 哈尔滨 150001)

教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函〔2013〕94号文件，下称94号文)，拉开了虚拟仿真(下称虚仿)实验教学中心建设的序幕，虚仿实验教学中心建设问题在高校内引发热议[1]。作为我校实验教学中心建设的主管部门，认真研读教育部的文件，梳理建设思路，并组织了校内研讨，对虚拟仿真实验教学中心建设中的八项关系提高了认识，并提出了处理的意见，其中有些问题目前尚“无解”，需要同行共同探索研讨。

1 虚拟仿真实验教学与教育信息化的关系

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响”[2]。《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》指出：“以教育信息化带动教育现代化，破解制约我国教育发展的难题，促进教育的创新与变革，是加快从教育大国向教育强国迈进的重大战略抉择。”“用十年左右的时间初步建成具有中国特色的教育信息化体系，使我国教育信息化整体上接近国际先进水平，推进教育事业的科学发展。”[3]《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高〔2012〕4号)指出：“加快推进教育信息化进程，加强数字校园、数据中心、现代教学环境等信息化条件建设。”[4]

由此可以看出，教育信息化和虚仿实验教学是“纲”与“目”的关系，教育信息化是虚拟仿真实验教学的源头，虚拟仿真实验教学是教育信息化的重要组成部分之一。明确这一条就引导我们站在教育信息化的高度重视虚仿实验教学中心的建设。

2 虚拟仿真实验教学中心与实验教学示范中心的关系

94号文件指出：“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。”这就明确了虚拟仿真实验教学中心是实验教学示范中心建设的重要组成部分，是实验教学示范中心建设的延续，虚拟仿真实验教学中心为实验教学示范中心的建设注入了新的活力和内容。坚持这样的建设思路，有利于调动省市教育行政部门及高等学校建设实验教学示范中心的积极性，有利于资源整合与共享，有利于运行管理，有利于对已取得的国家级、省级实验教学示范中心称号的单位继续投入和持续建设[5]。

在实际的运行管理中也会遇到管理体制和运行机制的新问题，比如开展专业实验教学的虚拟仿真实验，需要将先进的科研成果引入到虚拟仿真实验教学中，这就需要科研团队的积极参与和大力支持。如何调动科研团队等各方面力量的积极参与，事实上也是责权利再分配的问题，在具体解决方案上，需要学校主导，对编制、岗位、建设规划等政策性方面的工作，要做得更细致、更深入。

3 虚拟仿真实验与真实实验的关系

94号文件指出：“虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。”这就明确了切勿盲目地将真实情况下做得很好的实验都搬到网上去。虚仿实验教学并不是一味追求虚拟，不能以虚仿代替所有的实验项目，在实验教学中仍需形成虚实结合的实验教学体系，在虚仿实验的基础上，尽可能地让学生接触实际，“能实不虚”。

对于某门课程或实验项目，虚仿和实做究竟是三七开还是四六开，要看实际需要和使用效果，不可“一刀切”。我校船海虚仿中心针对虚实关系总结出“五个相结合”，即下厂实习与虚拟船厂相结合、三维模型设计制作与虚拟船厂相结合、流体力学实验和船舶水动力实验与舰船操纵模拟系统相结合、大型结构加载实验平台与结构设计实验仿真系统相结合、船舶博物馆船模与船舶智能查询综合服务系统相结合。其中有实物与虚仿结合，也有半物理模型与虚仿结合，成为实验教学改革的新特色[6]。该中心教师指导学生以大作业的形式设计某一作品，学生将设计方案导入到快速成型机打印成三维零件，再将三维零件组合成作品，使设计课程不再仅仅体现为抽象的图纸，而是以模型作品再现学生的设计方案设计。这就是半物理模型与虚仿结合的范例。

此外，也可以采取“课外仿(或称预习仿)+课内实”或“先仿后实”的方式，可以做个假想，假设某实验项目4学时，都是在计算机上虚仿，实验之后学生会觉得索然无味。若利用虚仿不受时空和地点限制，适合自主学习的特点[7]，将虚仿实验放在课外，鼓励学生自学，到了课堂内再实际动手操作，能够大大提高学习效率，提升学习效果。

4 虚拟仿真实验教学软件与课件的关系

什么是虚仿软件，通过“94号文”虚仿中心的建设任务的说明，虚仿软件是对现实实验不具备或难以完成的教学功能的模拟 。有人认为课件就是虚仿软件，甚至以课件作为虚仿软件去申报虚仿中心，这是一个误区。虽然有些较好的课件能网上运行，可进行互动、菜单操作，确有虚仿软件的某些特征，但这毕竟只是适于某课程，无论从功能、规模、技术含量都无法与虚仿软件相比。那么虚仿软件到底有哪些特征呢，根据94号文件精神，我们认为：第一从技术层面，虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术[8]，可以包含其他一些重要技术，这几个技术是不可或缺的；第二是构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，可以在这个环境中开展实验；第三是虚拟仿真实验一定是为教学设计并实现的，它应满足教学大纲的要求；第四是虚仿软件功能强大、信息量大，交互性强；第五是虚仿能自动生成结果，可定量分析而不是定性浏览。

5 自研原创性虚仿软件与商品化工具软件的关系

虚仿软件可分为自研的原创性虚仿软件与商品化工具软件。当前主流的工具软件多是国外大公司的商品化软件，例如电工电子领域的EDA软件有：电路板设计软件Protel 99、电子系统仿真Proteus[9]；船舶与海洋工程领域有：Tribon船体三维建模软件、Fluent船体建模与流体力学分析计算软件、AutoCAD船体制图绘制软件等。

近年来，许多高校自行开发或校企合作共同开发了具有自主知识产权的软件，例如交通运输类的专业纷纷推出船舶、汽车、飞机操控模拟器、高速铁路综合调度指挥仿真系统、城市交通信号与控制系统[10]等。还有一种情况就是对引进商业软件进行二次开发，以适应本校的教学要求。在教学实践中，应采取自研软件和商业软件相结合的原则，不能为了拥有自主研发的虚拟仿真软件，再次开发市场上已有的成熟软件，也不能为了申报工作大批量的购买商业软件。

6 学校与企业的关系

在94号文件中提及的“探索校企共建共管的新模式和新途径”和“积极利用企业的开发实力和支持服务能力”；虚仿中心申请书将“合作企业的概况和参与程度”作为申报条目，成为必答题；遴选要求列出“校企共建共管的合作模式、途径和成果”、“有企业背景的人员参与教学中心建设”2条评价标准，充分体现了教育部对校企合作的重视，同时也指明了虚仿中心今后开展校企合作的方向。

较为理想的校企合作是将资源的开发，维护、更新、支持、服务等合理地交给企业承担，将企业的效益观念和高校的教学需要结合在一起，这种机制需要作进一步的探索。我校船海虚仿中心开发的“虚拟船厂”软件，就是以国内某造船厂为原型，“船舶查询服务系统”则是收集完整的船型资料300余项，港口与码头工程资料近百项的第一手资料。这些都是校企合作的结晶，显然，没有企业的协助，这些工作是无法完成的。

7 资源共享与有偿服务的关系

由于虚仿软件在网络上运行，为资源共享提供了最好的条件。94号文件中20字的指导思想“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”，就有“共享资源”4字，另有两处提及“共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源”和“实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。”申请书设有2个必答栏目：“目前教学资源共享的范围和效果”和“进一步实现共享的计划与安排”。

在遴选要求中，有对“用户身份管理、认证和计费管理系统”的要求，可见教育部并不是简单鼓励大家做“无偿服务”，而是鼓励建立一种成本核算机制。我们认为优质的虚拟仿真实验教学资源要方便大家选择使用，用户支付相应的费用，补偿成果开发的支出和服务的支出，同时产生合理的利润，这样才能形成良性循环，产生良好的经济效益和社会效益，从而使虚拟仿真实验教学资源建得更好。

具有自主知识产权的软件有偿服务合情合理，也是资源共享的新思路。但是如何收费和结算，收费的标准是什么，谁来制定，这是问题的难点。此外资源共享不仅仅是收费问题，还涉及到诸多问题，如共享网站是建立国家级、还是区域性的，还是以各自的学校网站作为共享平台对外开放；再如有的软件须有模拟器配合方可使用，而使用方不具备这样的条件怎么解决；对于数据量大的虚仿软件，在网上运行尚存在技术障碍，程序运行环境不支持流数据传输，程序内容的授权难以控制，互联网的带宽限制了程序的动态加载运行。这些都将为资源共享的瓶颈，需要专题解决。

8 虚仿资源网上运行与网络安全的关系

国家级虚仿中心遴选要求对网络安全提出的评价标准是：“实现网络的安全运行、管理和维护；具有网络防病毒、信息过滤和入侵检测功能。”由于虚仿教学资源网上运行，必然存在网络安全，这是一对矛盾体。目前虚仿软件都是在自己的网站上运行，网络安全就得靠自己解决，这里涉及到专门的技术问题，每个高校解决的途径也各不相同[11-12]。这些防范措施存在不严密、技术含量低等问题。通常各学校虚仿资源在校园网内运行，网络安全性相对较高，但校外人员又无法访问，影响资源的共享。为了实现资源共享，可以构筑某些共享平台，如教育部能够提供一个平台，所有国家级虚仿中心的资源都放到这个平台上，不但可以提高共享率，也可以解决各高校的网络安全的后顾之忧。

[1] 教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教高司函〔2013〕94号文件,2013.

[2] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作领导小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)[Z].2010.

[3] 教育部.教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[Z].2012.

[4] 教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[Z].2012.

[5] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设 提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11)：5-8.

[6] 冯峰，孙聪，曲先强.船海虚拟仿真实验教学中心的建设与发展[J].实验技术与管理，2014，31(2)：11-14.

[7] 李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学虚拟仿真实验教学中心的建设 [J].实验技术与管理，2014，31(1)：5-8.

[8] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32(12)：5-8.

[9] 陈知红，王锦兰.Proteus仿真软件在电工学中的应用[J].实验技术与管理，2014，31(2)：93-95.

[10] 沈雅婕.VISSIM仿真系统在交通信号控制教学中的使用[J].实验技术与管理，2014，31(2)：89-92.

[11] 荣彦，贺惠萍，林梦华，等.基于Authorware的灰鸽子木马实验仿真软件的设计与实现[J].实验技术与管理，2014，31(1)：94-96.

[12] 田园，惠煌，李明楚.网络安全协议仿真实验教学平台设计与应用[J].实验技术与管理,2013,30(11):166-168.