仪器类专业虚拟仿真实验教学中心的建设思路

曹玉珍， 何　峰， 刘　鸣， 曾周末

(天津大学 精密仪器与光电子工程学院， 天津　300072)



仪器类专业虚拟仿真实验教学中心的建设思路

曹玉珍， 何峰， 刘鸣， 曾周末

(天津大学 精密仪器与光电子工程学院， 天津300072)

以天津大学精密仪器与光电子虚拟仿真实验教学中心的建设实践为例，介绍了仪器类专业的知识体系、实验技能的支撑作用以及建设的虚拟仿真实验教学体系。在虚拟仿真实验教学资源建设中,通过校企合作，结合学科的科研优势，构建涵盖基础教学、专业训练和学科前沿的多层次实践教学平台，形成“先虚后实、以虚辅实、虚实结合”的多层次实验教学内容。

实验教学中心; 虚拟仿真； 实验教学体系； 校企合作

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，是学科专业与信息技术深度融合的产物。2013—2015年，教育部已遴选出200个国家级虚拟仿真实验教学中心进行建设[1]。各高校以国家级虚拟仿真实验教学中心申报为契机，积极开展虚拟仿真实验教学中心的建设工作，贯彻“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，推动高等学校实验教学方法的改革与实验资源建设的创新[2-4]。

仪器仪表技术是信息技术的源头技术。仪器科学与技术学科是一门研究信息的获取、测试和控制技术的工程性应用学科，学科研究的重点是信息检测、信息处理、信息传输和信息利用的理论和技术，是对物质世界的信息进行测量与控制的技术基础。随着计算机信息技术的发展，虚拟仿真技术在仪器仪表学科研究与专业教学中发挥着越来越重要的作用[5-7]，例如计算机辅助测试系统、信息处理与状态识别、工业过程控制理论与装备等。

天津大学精密仪器与光电子虚拟仿真实验教学中心依托精密仪器与光电子国家级实验教学示范中心建设，在系统总结仪器类学科特点的基础上，构建了完善的虚拟仿真实验教学体系，以此为指导，开展虚拟仿真实验中心的建设工作，取得了一定的效果。

1　仪器类专业虚拟仿真实验教学体系的形成

“重教学、重实验”是天津大学精密仪器与光电子工程学院历来的办学传统。早在1998年，学院即明确提出了“宽口径、厚基础、重能力”的专业培养目标，确定按光学与光电子技术、精密机械技术、电子技术、计算机及信息处理技术，即“光、机、电、算”构建教学内容体系，构建了“四纵两横”的实验教学体系。“四纵”反映学科基础，即“光、机、电、算”四个方面；“两横”则反映实验教学的两个层次，即基础实验技能、学科新技术及其集成应用技能。在理顺知识脉络的同时，注意各学科之间知识的交叉融合和相互渗透，明确了实验技能之间的相互支撑关系。

2002年，天津大学精密仪器与光电子实验中心正式成立，按实验技术特征及专业教学需求整合学院的实验教学资源[8]、进行专业平台实验室的建设，使实验教学资源得到了最大限度的利用。中心开设了以学生“自主管理、全天候开放”为特色的“综合设计实验室”作为学生参与科技竞赛、自主创新的基地。2009年，实验中心被评为国家级实验教学示范中心。

在实体实验中心建设的同时，进行了虚拟仿真实验中心的建设，陆续开发出虚拟仪器、系统仿真等一系列实验课程，结合学科前沿技术和理论，开发了一批独具专业特色的虚拟仿真实验教学案例，其内容逐渐形成了仪器类专业虚拟仿真实验教学体系。

虚拟中心按照“光、机、电、算、医”5条不同的技术和专业路线，从基础教学虚拟仿真实验、专业综合虚拟仿真训练、学科前沿虚拟仿真认知3个层次，构建了“五纵三横”的虚拟仿真实验教学体系。其目标是培养工程领军人才和科研工作骨干。

2　虚拟仿真实验教学资源建设的必要性

自2011年起，慕课在全世界兴起，它标志着以学生自主学习为主的新型学习模式正逐渐形成。在以计算机及网络为核心的信息时代，教师不再是唯一的知识来源，而只是众多学习资源中的一种。如何有效地组织教学资源、优化教学过程、提高教学效率，已成为实验教育改革中值得探讨的话题。

虚拟仿真实验教学是现代教育技术在信息时代最新的表现形式。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，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。学生在虚拟环境中进行实验活动，完成教学任务、达到教学目标。

仪器类专业虚拟仿真实验教学资源建设的必要性体现在以下3个层次。

(1) 在基础理论教学实验方面，虚拟仿真实验是真实实验的有益补充。通过虚拟仿真实验，学生可以对理论课较抽象的知识有更加具体、直观的认识并加深理解。在虚拟实验环境中，学生可以完成实验的预习、实验参数设计、功能分析等工作，从而节省实际操作的时间、提高效率并减少实验中的错误。从实验室管理的角度来说，学生在实际实验中减少错误也使实验设备和器件的损坏大大减少。虚拟仿真技术与通信技术的结合，可以使学生拥有“掌中实验室”，可以随时随地进行学习和反复地练习，真正实现了以学生为中心、促进自主学习的实验教学理念。

(2) 在专业课程综合训练方面，相当多的专业综合设计课程都需要一段较长的、连续的时间才能完成，但由一个班的学生长期占用一间实验室是不可能的。通过大量专业虚拟仿真工具的使用，可以使学生在进行专业设计训练时不受时间、场地、实验设备的限制，能够完成大部分设计内容。同时，虚拟工具使设计效果所见即所得，可以帮助学生及时发现设计中的漏洞和错误，避免反复修改加工所带来的时间和金钱上的损失，极大地增强学生的工程意识、提高设计的成功率。

(3) 在学科前沿研究方面，经常要使用一些大型仪器设备。大型仪器设备价格昂贵，操作较为困难，对环境条件和基础设施要求苛刻，运行和维护成本高。另外，常规实验室不具备深海深空探测等实验的条件，因而本科生难以得到动手实践的机会。利用沉浸感极强的虚拟仿真实验，可以使学生深入了解大型仪器设备的操作方法和实验效果，可以仿真极端、恶劣条件下的实验，从而为实际使用复杂的仪器设备、了解学科前沿技术打下基础。

3　虚拟仿真实验教学资源建设的具体实施

在虚拟仿真实验教学资源建设中，利用本校的学科优势，通过校企合作的形式构建多层次实践教学平台，形成了“先虚后实、以虚辅实、虚实结合”的多层次实验教学内容。目前已开发实验系统28套，覆盖课程超过30门，除仪器类专业以外，这些实验还可用于机电类、信息、自动化等专业相关课程的实验教学。

3.1建设基础教学虚拟仿真实验平台

充分利用虚拟仿真实验不受时间、地点限制的优势，弥补低年级本科生基础知识薄弱、实验课时较少等不足，先后开发了以“工程光学”、“精密机械原理”、“模拟与数字电子技术”、“单片机原理”等课程的虚拟仿真实验。所开发的虚拟仿真实验中，无论是光学元件、机械零部件还是电子元器件，均以实物图形式呈现而不是符号，增强了实物感。教学实施过程采用先虚后实的方式，为学生提供全方位的光、机、电、算基本技能训练，夯实专业基础。

此外，根据学院设有生物医学工程专业的特点，与天津市天堰医教科技开发有限公司合作开发了三维体感交互式虚拟解剖系统，相关课程采用工科学生易于接受的、基于虚拟仿真实验的医学基础课程教学方法，供全院与医学仪器研究相关的本科生和研究生选修。

3.2建设专业训练虚拟仿真实验平台

以学院教师开发的工程应用案例为蓝本，虚实结合，设计了大量仿真实验，注重培养学生的工程意识。开发了以“光学系统仿真设计”、“精密机械设计”、“测控电路综合设计”、“微弱信号检测与处理”、“虚拟X光机和CT”等为代表的虚拟仿真实训项目，以信号的传感、采集、处理、分析、传输以及输出控制为主线，贯穿系统设计的每一个环节，使学生对构成测控系统、测控仪器的每一个模块的设计都有充分的认识和足够的训练，培养学生对知识的综合应用能力及工程意识。

3.3建设学科前沿技术虚拟仿真实验平台

充分利用学院的学科优势，将最新科研成果转化为教学案例，通过虚拟仿真的形式展现给学生，开拓学生的视野、提升学生的知识结构、培养学生勇攀科学高峰的信心和科研创新能力。在这一层面，学院强大的科研力量所能提供的优势资源包括：微观和大尺寸测量技术，大功率激光和超快激光等尖端技术，生命科学研究中医学环境及临床环境的模拟，深海、航空航天等海空天复杂条件下的综合测量、控制及环境监测等。

4　教学管理与共享平台建设

为实现虚拟仿真实验教学资源的高效利用，虚拟中心的教学管理与共享平台建设以“开放性、扩展性、兼容性、前瞻性”为指导。在虚拟中心的门户网站，除虚拟仿真实验教学平台以外，还设有信息化管理平台和教学互动平台。

虚拟仿真实验教学平台用户的角色包括教师、学生和实验管理员3种类型。对于不同的角色，系统将分配不同的权限、提供不同的用户界面。对于学生用户，可提供实验选择、查询、实验报告提交、实验成绩查询等功能，对虚实结合型实验可进行实验室预约、实验预约、工位预约等操作；对于教师用户，可提供实验资源发布、学生成绩评定、对虚实结合型实验进行实验室和实验课时预约等功能；对实验管理员用户，可提供远程登录服务器以及完成系统的维护、排课、实验数据统计等工作。

信息化管理平台直接与本学院和学校的教学管理系统相连，具有学生信息导入、学期信息导入、实验排课信息录入与发布、学生实验成绩管理、成绩查询以及新课程资源发布、课程库维护等功能。另外，该平台还可收集学生实验数据，例如记录学生登录虚拟实验的次数、实验偏好、实验完成正确率等信息。实体实验中心的门禁管理、网上实验预约等也通过信息化管理平台实现了融合。通过对实验统计数据的挖掘，可以客观评价某一实验的难易程度、受欢迎程度、是否应当撤换、如何改进等。根据学生的出勤情况，可了解该学生的兴趣偏好、实验能力等，进一步做好学生的个性化培养。信息化管理平台的设计，体现了大数据的设计理念。

教学互动平台设有在线实时答疑室和在线留言功能，师生的互动交流可通过多种方式进行，包括文字交流、语音交流、发送离线消息以及传统的电话和面谈等。

5　总结

在虚拟仿真实验教学中心的建设中，重点关注了以下几个方面。

(1) 围绕专业知识体系的构建，打造真实与虚拟相结合的实验教学体系。学院通过多年的实践探索，提出的构建“四纵两横”知识体系，在国内高校仪器类、光电信息类的专业教学中得到了广泛认同。在此基础上发展的“五纵三横”实验教学体系则体现了教学目标落实的具体措施。

(2) 教学、科研一体化，提升实验教学效果。教学与科研并重，将最新的科研成果引入教学，是天津大学精密仪器与光电子工程学院一贯的教学指导思想。在传统的实体实验中心中，一些代表学科前沿的尖端科研成果，由于成本、场地、研究对象难以获取、跨学科等原因，难以有效地转化为教学、实验资源。而借助虚拟仿真技术，在实体实验中难以展现的MEMS微观结构、飞秒超快激光、脉冲太赫兹光源等学科前沿技术均可一一呈现；环境监测、水下航行等难以在实验室中搭建的实验环境可得到模拟；人体生理解剖、窥镜微创手术等匮乏或不可逆的医学资源得以复现。实验教学内容与科研紧密结合，形成了以虚辅实的实验教学模式，提升了实验教学效果。

(3) 校企合作，探索产学研共同开发实验资源的新模式。在虚拟仿真实验教学中心的建设中，充分发挥了学院与多企业合作的优势，开辟了校企合作的新模式。在校企合作中，当企业在生产、研发过程中遇到的难题，便以科技立项的形式转化为科研问题；而科研中所建立的模型、算法等成果又迅速转化为虚拟实验教学素材。虚拟实验与生产实践紧密结合，既提高了学生的实战能力，也为其他相关问题的解决提供了宝贵的经验。

随着“十二五”学科建设投入力度的加大，我院虚拟仿真实验教学中心将进一步突出专业特色，在光电测量技术、微纳测试技术、飞秒激光技术、工程光学、神经康复工程等方面开发有特色的虚拟仿真实验，丰富虚拟仿真实验教学内容，探索“以学为主”的新型实验教学模式，完善网络化的虚拟仿真实验教学平台，探索分布式的校区内资源共享的技术模式和管理模式，使虚拟仿真实验中心的覆盖面更广泛，能够更好地为周边高校提供服务。

References)

[1] 教育部高等教育司.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[EB/OL].(2013-08-13)[2015-11-18].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[2] 李平，李晶杰，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.

[3] 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.

[4] 王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理,2014,31(8):9-11.

[5] 刘燕华.弘扬王大珩院士仪器科学思想,大力开展创新方法工作[J].中国计量，2007(8)：5-6.

[6] 许秀云，张玉梁.依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索，2011,30(5):130-132.

[7] 吴涓，孙岳民，雷威，等.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理，2014，31(10)：5-9.

[8] 毕玉玲，曾周末，赵学虹.搞好实验教学中心建设促进实验教学中心改革深入发展[J].实验室科学，2005，8(3):1-3.

Constructionideaofvirtualsimulationexperimentalteachingcenterforinstrumentengineeringmajors

CaoYuzhen,HeFeng,LiuMing,ZengZhoumo

(SchoolofPrecisionInstrumentandOpto-electronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

TakingtheconstructionofvirtualsimulationteachinglaboratoryforinstrumentengineeringmajorsinTianjinUniversityasanexample,thesupportingrelationshipbetweenknowledgesystemandexperimentalskillsofinstrumentengineeringandthevirtualsimulationexperimentteachingsystemisintroduced.Duringtheconstructionofvirtualsimulationexperimentteachingresources,themulti-levelpracticalteachingplatformisconstructedbycooperationbetweenschoolandenterpriseandthescientificresearchadvantageofoursubjects.Themulti-levelexperimentalteachingcontentisformedthatis“virtualizationfirst,realitysecond,virtualizationbeingauxiliarytoreality,andvirtualizationcombinedwithreality.”

experimentalteachingcenter;virtualsimulation;constructionofexperimentalteachingcenter;cooperationbetweenschoolandenterprise

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.042

2015- 11- 25

曹玉珍(1963—)，女，江苏常熟，博士，副教授，主要研究方向为生物医学信号检测与处理.

E-mail：yzcao@tju.edu.cn

G642

A

1002-4956(2016)5- 0165- 03

实验教学示范中心建设