远程虚拟仿真实验教学中心建设

王开宇, 程春雨, 金明录

(大连理工大学 电子信息与电气工程学部, 辽宁 大连 116023)

虚拟仿真实验教学中心建设

远程虚拟仿真实验教学中心建设

王开宇, 程春雨, 金明录

(大连理工大学 电子信息与电气工程学部, 辽宁 大连 116023)

在国家信息化发展战略的背景下,在跨国际的远程优质实验教学资源共享的基础上,探讨高危、高成本实验项目的虚拟化建设,以及实验教学大纲和教学模式的改革。依托国家级实验教学示范中心优秀实验教学团队,组建了一支远程虚拟仿真实验教学研发团队和管理团队,使得远程虚拟仿真实验教学的建设得到保障,为后续远程虚拟仿真实验教学体系的完善提供了有利的建设经验和支撑。

远程实验教学； 虚拟仿真； 教育信息化； 资源共享

党中央和国务院高度重视教育信息化工作,2012年3月13日,教育部印发的《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》(教技[2012]5号)从顶层设计入手,站在宏观的战略高度提出了建设有中国特色的教育信息化体系,创建优质教育资源共享的信息化学习环境,并提出建设学习型社会的信息化支撑服务体系的中长期发展目标、任务和措施[1]。信息技术的飞速发展对教育信息化具有革命性的影响。教育信息化是教育现代化的核心,是信息时代教育改革的必然结果[2]。在国家信息化发展战略指导下,信息技术在教育领域的广泛应用推动了教育信息化的发展,使高校在教育理念、教学模式、教学方法和学习途径等方面发生了根本性的变革[3],有效地提高了高校实验教学水平。

1 建设意义

高校虚拟仿真实验教学中心的建设是教育信息化建设的重要组成部分[4],是高校广泛开展网络实验教学的基础和前提,是高校向社会开放优质网络共享实验教学资源的有力保障。在信息技术日趋完善的今天,信息化建设已经渗透到各个领域；远程虚拟仿真实验教学中心的建设顺应了教育信息化建设的要求,满足了人们渴望享有高校优质虚拟仿真实验教学资源的需要,必将对教学质量的提高和实验教学改革的深化产生积极而深远的影响。

远程虚拟仿真实验教学中心的建设应该综合应用虚拟现实技术、多媒体技术、人机交互技术、数据库管理以及网络通信技术等[5]；通过构建逼真的实验操作环境和实验对象,使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展直观、高效、安全、可靠的虚拟仿真实验,从而达到真实实验无法完成或难以实现的教学效果。相对于真实实验,对于那些涉及高危或极端环境,不可及或不可逆的实验操作,以及高成本或高消耗的大型或综合性实验项目,虚拟仿真实验具有明显优势[6]。

2 建设原则与目标

远程虚拟仿真实验教学中心的建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则,以实现真实实验不具备或难以完成的教学效果[7]。同时,远程虚拟仿真实验教学中心的建设还应以建立和完善优质实验教学资源网络共享机制为核心,以信息化实验教学资源建设为重点,提升高校实验教学质量,实现全面提升学习者的实践能力和创新能力。

在远程虚拟仿真实验教学中心的建设过程中,应注重真实实验与虚拟实验之间的关系对比研究,精心设计真实实验难以实现的实验项目,充分做到虚拟实验与真实实验之间可以形成的良好互补,构建科学、合理、层次化、信息化的虚拟仿真实验教学体系。

远程虚拟仿真实验教学中心的建设是一项具有长期性、延续性、可持续发展的系统工程,中心在边建设、边使用、边改进、边提升的发展过程中设定了以下目标:

(1) 完善已有虚拟实验和远程实验教学资源,实现面向校内外开放,为每个正式注册的学生提供长期网络虚拟仿真实验自主学习空间；

(2) 加强与周边院校和边远地区高校间的合作,建立校际间的远程虚拟仿真实验教学平台,充分发挥各自的特长,拓展优质实验教学资源；

(3) 组织区域性或全国性网络虚拟仿真实验技能竞赛,充分挖掘虚拟仿真实验的优势；

(4) 组织开展国际交流,开发英文版虚拟仿真实验软件,扩大国际影响；

(5) 积极开展网络技术交流,建立论坛,带动其他高校共同发展；

(6) 定期举办电工电子远程虚拟仿真实验在教学中的应用交流会,促进教学改革的深入发展,充分挖掘虚拟仿真实验在人才培养中的作用。

3 建设过程

为了能够给学生提供灵活、方便的实验教学资源,早在2004年,大连理工大学的实验教学中心(以下简称“中心”)就已经开始着手电子类课程的网络教学建设工作和部分虚拟仿真实验项目的开发,完成了数字电路与系统的视频开放实验课程设计的建设和数字电路与系统部分虚拟仿真实验项目的设计,满足了学生对数字电路实验预习的需求。

2005年,中心作为首批参与国际开放性教育资源本土化工作的单位,与美国麻省理工学院(MIT)建立了联系,就虚拟仿真实验项目的设计以及远程虚拟实验室建设等问题展开了深入的交流与探讨,并达成了进一步合作的意向。在此基础上,中心自主建立了iLab远程实验室,完成了与MIT远程实验系统的接入。借助于网络技术,在校园内,学生可以远程操作MIT远程实验设备,实现了跨国际的远程优质实验教学资源的共享。

2013年8月,教育部下发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》,中心迅速做出响应,立即启动了远程虚拟仿真实验教学中心的建设工作,现已初见成效。

在2年多的建设过程中,中心始终遵循“虚实结合、能实不虚、资源共享、持续发展”的指导思想,并启动了远程虚拟仿真实验教学管理系统与已有实验教学管理系统的对接工作,充分做到边建设、边使用、边完善的良好对接。

拟建成的虚拟仿真实验项目有:楼宇供配电系统设计实验、重症监护虚拟仿真监控系统设计实验、空调系统设计实验、楼宇供水系统设计实验、火灾报警系统设计实验、智能马桶盖控制系统设计实验、晶体管极限参数测试实验、大功率无限电能传输实验、自动控制饮料罐装生产流水线控制设计实验、机械手控制系统设计实验、典型机床电气控制实验、智能家居控制系统设计实验等特殊环境或常规条件下难以完成的、贴近实际应用的实验项目。

已经设计完成的高度仿真的虚拟实验教学环境如图1所示。

图1 实验室3D虚拟场景图

虚实结合的三相电路虚拟实验对象如图2所示。

图2 三相电路虚拟实验对象

虚拟仿真实验教学资源是为本科实验教学服务而设计的,根据学校本科培养方案要求,所设计的虚拟仿真实验教学项目必须满足学校教学大纲的要求[8]。在新一轮虚拟仿真实验项目建设启动之初,中心统筹整理了已有实验教学资源[9],根据教学大纲要求,将虚拟实验项目与真实实验有机地结合在一起,构建出远程虚拟仿真实验与远程真实实验相结合教学平台框架,实现了立体互补的远程虚拟仿真实验与远程真实实验相结合的实验教学模式,保证了远程虚拟仿真实验教学体系的完整性,为共享高校优质实验教学资源做好充分的铺垫。

虚拟仿真实验项目的建设重点应放在设计一些涉及高危条件或极端环境、不可及或不可逆的实验操作,以及高成本、高消耗、大型课题或综合训练等真实实验难以完成的实验项目,给学习者开辟出更多、更可靠、更方便灵活的实验训练空间。

虚拟仿真实验教学中心建设的最重要的技术特征是运用信息化技术,即运用虚拟现实技术、多媒体和视频通信技术、人机交互和控制技术、数据库和网络通信技术等[10],实现远程访问和可视功能,以保证远程虚拟仿真实验教学不受时空和地域的限制,学生可以在同一时刻进入同一个实验室，互不干扰地进行相同的实验项目,从而保证学习者在选择的网络连接的计算机终端上,完成自己选定的直观生动、安全可靠、情境可重复再现的虚拟仿真实验项目。充分做到了教学资源开放、教学内容开放、教学形式开放、上课时间和上课地点开放、授课对象开放,为共享高校优质实验教学资源奠定了基础。

虚拟仿真实验教学管理系统和共享平台的建设为共享高校优质实验教学资源提供了有力保障[11]。中心自主开发的虚实结合的远程实验教学管理系统已完成了与已有实验教学管理系统的良好对接。该实验教学管理系统不仅能够完成日常实验教学管理,同时还可以完成虚拟仿真实验教学平台的共享管理。平台通过开放优质虚拟仿真实验教学资源,使学习者有机会可以享有高校优质实验教学资源的同时,也使高校教师的教学理念和教学能力得到提升,有效地提高了实验教学水平。

借助于信息化的管理手段,可以保证虚拟仿真实验教学资源社会共享、优质实验教学资源跨校际共享和跨国际互访。跨国际的虚实结合的远程虚拟仿真实验教学系统的建成,正是这种国际化的虚实结合的远程虚拟仿真实验教学模式的具体应用与体现。不仅提升了学生的实践能力、带动了学生理论课程的学习,形成了良好的理论联系实际、学以致用、用以致深的学习氛围,而且也推动了学校双语教学的开展,扩大了学生的国际视野,提升了学生英语应用能力。优质实验教学资源跨国际间的互访也加强了学校与国际高校之间的合作与沟通。

中心非常注重一线教师、实验技术人员、专业研发团队和企业工程师相结合的团队建设。秉承团队统一调度、协同管理、共同开发虚拟仿真实验教学项目和管理系统的理念,构建全方位、多层次的校企合作实践教学体系,提高了实验教学质量。

中心以一线教师为主导,将实验教学资源的开发、维护、更新与教学活动的管理与评价剥离出来；专业开发人员和一线教师各负其责,以保证为在校学生和社会学习人员提供更优质的服务。在校企合作的运行模式下,中心占据主导地位,企业根据学校的教学需求提供产品和服务。依托于国家级实验教学示范中心、省级电工学优秀教学团队和强大的学科队伍,虚拟仿真实验教学管理团队的建设得到了保障,现已组建了一支强有力的远程虚拟仿真实验教学资源研发团队和管理团队,为后续远程虚拟仿真实验教学体系的建设提供了有利的保障。

4 应用效果

虚拟仿真实验教学中心建设工作以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨,以保证共享优质实验教学资源为核心,以建设信息化实验教学资源为重点,极大地推动了实验教学信息化建设和实验教学资源的开放共享,推动了高校实验教学的改革与创新[12]。大连理工大学的虚拟仿真实验教学中心建设的应用效果如下:

(1) 面向学校多学科专业。中心所研制的虚实结合的远程虚拟仿真实验教学系统是我校机械类、物理学类、化工与制药类、环境科学与工程类、电气信息类等52个学科专业的公共平台,是这些专业学生共享的实验教学资源。学生通过平台上各类实验项目学习过程,在掌握相关知识的同时,能够领略国际一流高校的教学理念,扩展了他们的国际视野。

(2) 面向国内同行。电工电子实验中心是国家级实验教学示范中心,每年接待国内10余所高校同行的来校交流。通过交流,中心的虚实结合的远程虚拟仿真实验教学模式得到了认可。同时,中心的建设经验多次在相关的国际、国内教育年会上做了主题发言,建设成果得到高度评价。

(3) 面向继续教育学院、城市学院。中心所研制的虚实结合的远程虚拟仿真实验教学系统已经向我校继续教育学院、城市学院相关专业开放,每年有大约700名学生利用虚实结合的远程实验教学平台完成实验。

(4) 国际合作。中心开发的虚实结合的远程虚拟仿真实验教学平台不仅面向国内高校开放,而且在MIT也可以访问到该实验平台上开展的实验活动。

在互联网日益盛行的大环境下,远程虚拟仿真实验教学中心的使用必将给高校的教育模式、教学方法和学习方式带来深刻变革。

References)

[1] 教育部.教育信息化十年发展规划( 2011-2020年): 教技[2012]5号[Z].2012.

[2] 教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[N].人民日报,2010-03-01(5).

[3] 田婧,罗通,罗华锋,等.新建本科院校虚拟仿真实验室的建设及教学[J].实验科学与技术,2015,13(6):119-222.

[4] 沈建华,李飞,程崇虎,等.通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索,2015,34(1):161-164.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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[Z].2013.

[8] 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.

[9] 周洪,刘超,何珊,等. 电力生产过程虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理,2014,31(8): 1-4, 8.

[10] 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.

[11] 王森.实验教学示范中心资源共享机制的研究与实践[J].实验技术与管理,2013,30(1): 134-136.

[12] 徐进. 2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014,33(8): 1-5.

Construction on long-distance virtual simulation experimental teaching center

Wang Kaiyu, Cheng Chunyu, Jin Minglu

(Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Under the background of the national informationization development strategy, and based on the sharing of the international long-distance and high quality experimental teaching resources, the exploration is conducted on the virtualization construction for the experimental projects with high risk and high cost, and the reform of experimental teaching syllabus and teaching mode. Relying on the excellent experimental teaching staff at the National Experimental Teaching Demonstration Center, the research and development team, and the management team for the long-distance virtual simulation experimental teaching are built up so as to guarantee the construction of the long-distance virtual simulation experimental teaching and provide the favorable construction experience and support for perfecting the future long-distance virtual simulation experimental teaching system.

long-distance experimental teaching; virtual simulation; education informationization; resource sharing

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.061

2016-05-13

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT16QY32)

王开宇(1973—),男,辽宁大连,在职博士生,副教授,主要研究方向为虚拟实验室研发、嵌入式设计.

E-mail：wkaiyu@dlut.edu.cn

G451

:

: 1002-4956(2016)12-0242-04