生态资源开发与利用虚拟仿真实验教学中心的建设与探索

吴淑燕

（丽水学院工学院，浙江丽水323000）

生态资源开发与利用虚拟仿真实验教学中心的建设与探索

吴淑燕

（丽水学院工学院，浙江丽水323000）

从中心建设的背景与思路入手，阐释生态资源开发与利用虚拟仿真实验教学中心建设的必要性，并探讨虚拟仿真实验教学资源建设的内容、中心的特色与创新，拟为相关类型虚拟仿真实验教学中心的建设提供借鉴。

生态资源开发与利用；虚拟仿真；实验教学中心

虚拟仿真实验教学是利用多媒体技术、网络技术、虚拟现实VR与增强现实AR等相结合构建出模拟现实的仿真实验环境[1]，提供给学生进行虚拟的实验操作，实验过程和方法高度接近真实环境和体验，实验结果准确有效，具有很高效率和安全性，达到甚至超过真实实验的教学效果。特别在涉及高危险性或者极端条件，在现实中不可及或者过程不可逆的场景，以及实物实验消耗高、成本高的实验项目，开展虚拟仿真实验教学拥有明显的优势。虚拟仿真实验教学的发展将颠覆传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段，具有十分深远的意义[2-3]。建设与发展虚拟仿真实验教学中心是高等教育信息化的重要组成部分，也是实验教学示范中心建设的重要内容[4]。丽水学院结合地方产业发展的特点，以计算机省级实验教学示范中心为核心，建立了生态资源开发与利用虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）。中心将相关学科专业的虚拟仿真实验教学资源整合为校级大平台，开设真实实验不具备或难以完成的，以及高成本、高消耗、大型或综合训练的虚拟仿真实验。中心作为原有专业实验室真实实验的有益补充，并按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，构建了虚实结合的实验教学体系，为全面提升人才培养质量起到很好的保障作用。

1 建设背景与思路

1.1 建设背景

丽水被誉为“浙江绿谷”，生态环境质量浙江省第一，有“中国生态第一市”之美誉[5]。丽水市相继被授予“国家级生态示范区”“中国优秀生态旅游城市”“浙江省森林城市”等称号，确立了“秀山丽水、养生福地、长寿之乡”的区域定位，明确生态农业、生态工业、生态服务业“三次产业”协调发展，生态旅游业、养生(养老)业、文化创意产业“三大重点产业”特色发展[6]，以优化养生环境、发展养生经济、弘扬养生文化为重点，因地制宜推进“绿水青山就是金山银山”的生态体系建设。

在此背景下，2013年底丽水学院集聚全校优质实验资源，建立了丽水学院生态资源开发与利用虚拟仿真实验教学中心，中心充分体现各学科专业与生态产业发展的适应度，着力建设有鲜明生态特色的虚拟仿真实验资源，与真实实验相结合，实现真实实验难以完成的教学功能，在信息化教学条件下，促进自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法改革[7]。

中心以计算机省级实验教学示范中心为核心，以龙泉青瓷浙江省2011协同创新中心、浙江省丽水中药产业科技创新服务平台、浙江丽水山区特色生物资源开发与利用协同创新中心等平台为依托[8]，以计算机应用、生态学、区域经济学等重点学科为支撑，辐射计算机科学与技术、数字媒体技术、视觉传达设计、环境设计、土木工程、生态学、电子商务、旅游管理、康复与治疗学等10多个专业，构建了全校性虚拟仿真实验教学管理与共享统一平台，形成了一批面向丽水生态产业的虚拟仿真实验教学特色资源。

1.2 建设思路

中心深入研究丽水生态农业、生态工业、生态服务业“三次产业”本质内涵，服务当地生态旅游业、养生养老业、文化创意产业“三大重点产业”发展需求，引导学校各学科专业人才培养目标、实验教学改革、创新能力培养与生态产业紧密契合，以生态旅游资源、生态文化资源、生态养生资源、生态建筑资源为核心，整合和构建了具有鲜明生态特色的优质虚拟仿真教学资源[9]。组建跨学院、跨学科虚拟仿真实验教学团队，构建了“1中心、1平台、4主题、8模块”的虚拟仿真实验教学体系（如图1所示）。

图1 虚拟仿真实验教学体系

“1中心”是指计算机省级实验教学示范中心，依托示范中心的全校计算机微机资源共享大平台，依托示范中心建设完成的网络仿真实验室、虚拟现实实验室、动作捕捉实验室、增强现实实验室、三维交互实验室、3D音视频实验室的虚拟现实、人机交互、多媒体和网络通讯方面的国际先进仪器设备，开展仪器共享、软件共享及远程控制等虚拟仿真实验。

“1平台”是指全校性的开放式虚拟仿真实验教学管理与共享平台。平台具备一体化的教学过程管理，同时支持“虚拟实验+真实实验”的融合教学模式。学生在平台智能化指导下可进行验证性实验，并可利用平台提供的虚拟化设备和实验器材自主设计实验，系统有提交、自动批改实验报告并对实验成绩进行分析等功能。系统很好地完成了学校已购置实验软件的统一接入和学生在平台下统一进行实验学习的目的，通过各系统之间的紧密对接，达到完整的实验效果[10]。同时整合中心现有的虚拟化云服务公共支撑平台、高性能计算平台和一站式云教学平台，通过授权下载、远程控制、网络提交等方式，将中心应用软件共享虚拟实验、网络共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等资源进行共享，满足校内外、本地区及更广大范围内的实验教学资源共享。

“4主题”“8模块”是指对接丽水生态行业，相关学科专业在生态资源开发与利用方面开展虚拟仿真实验的4个建设主题以及8大模块，包括面向工学院数字媒体技术、商学院旅游管理等专业的生态旅游资源开发与管理主题，关注旅游资源开发仿真和旅游资源管理仿真；面向工学院工业设计、商学院电子商务等专业的生态文化资源设计与营销主题，关注文化产品虚拟设计和文化产品电子商务营销；面向教师教育学院体育教育、医学院康复治疗学等专业的生态养生资源管理与服务主题，关注运动健康监测仿真和养生护理康复仿真；面向工学院土木工程、生态学院园林等专业的生态建筑资源设计与管理主题，关注建筑施工工艺仿真和绿色建筑设计仿真。

2 建设的必要性

2.1 有效解决真实实验不具备或难以完成的问题

中心面向的电子商务、土木工程、康复治疗学等专业，对接生态产业，开设文化产品电子商务、绿色建筑设计仿真及养生运动康复等实验项目，由于有些真实实验不具备实验条件，或受到操作程序及实验复杂度等因素的影响与制约难以完成。而通过相关专业软件和工具开展虚拟仿真实验，可以构建高度仿真的实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，使学生掌握与市场需求相匹配的新技术，培养与岗位群职业能力相适应的实践创新能力。

2.2 有效解决真实实验运行成本高的问题

中心面向的旅游管理、视觉传达设计等专业，对接生态产业，开设生态旅游旅行社、导游、计划调度、酒店等虚拟管理，青瓷、石雕、宝剑造型虚拟设计等实验项目，真实实验需要投入大量时间、物质、环境等运行消耗成本，地方性本科院校办学经费相对紧缺，导致相应实验开出难度较大。而通过建立虚拟仿真实验，极大地减少了设备、能源和物质方面的消耗，同时教师可以根据教学实际和专业技术的发展，随时更新实验内容并添加实验项目；因此可以作为真实实验的必要补充和前期重复性实践。

2.3 有效解决自主探究型实验实施的难题

由于真实实验室受到各种条件限制，学生难以根据自己的兴趣和特长设计相关的实验进行探索，这在一定程度上影响了学生实践创新能力的培养。而有了虚拟仿真实验，学生则可以自由设计一些自主探究型实验，验证创造性思维，大大提升教学效果，培养学生的求知欲望和创新思维的发展。

2.4 有效解决优质资源共享的难题

各高校和企业优质资源由于各种条件的限制，共享程度较低，限制了社会效益和经济效益的发挥。而虚拟仿真实验中心的建立，可以整合各种优质资源，并通过建立共建共管共享新机制，使得学生不仅可以利用本校本专业的资源进行学习，同时还可以利用本校本专业不具备或不可能有的资源进行学习，有效地提高了资源的利用率，发挥了优势资源应有的社会效益和经济效益。

3 建设内容

3.1 生态旅游资源开发与管理主题

生态旅游资源开发与管理类教学包括景区开发、旅游管理等内容，传统的实验教学方式主要以文字、图片、视频资料教学为主，学生仅凭想象进行知识建构，外出参观见习机会少，与真实的旅游管理业务衔接度差。因此，这部分实验利用中心车载LadyBug5全景系统、720度全景视觉系统、3D摄像机等先进设备，采集获取真实景区数据，利用专业软件完成虚拟景区漫游并通过三通道立体环幕虚拟现实系统进行展示。学生在虚拟景区中完成导游业务、旅行社业务、酒店业务、计划调度业务等旅游管理业务的协同实训、自主学习、在线考试等，将最新三维虚拟、3D视频、全景成像等先进系统引入教学，快速帮助学生建立起一个较完整的景区空间概念，增强教和学的沉浸感。

3.2 生态文化资源设计与营销主题

生态文化资源设计与营销教学涵盖了地方特色文化产品、旅游纪念品设计和营销等内容。青瓷、石雕等文化产品开发，要经过效果图设计、成型、烧成、营销等多个步骤，整个过程时间周期较长，在原材料及人力课时上都有较大的消耗，生产操作过程的不可逆、学生工艺技术的不成熟，往往使得产品达不到预期的效果。另一方面，在产品营销过程中受到网络平台权限限制、交易环节多样化等原因，往往难以完成完整的实验过程，限制了学生的自主探索性研究。所以，与此相配套的虚拟仿真实验教学内容，关键在于应用三维虚拟仿真技术去辅助创意设计，使不同设计条件下的产品效果得以实时展现，让学生对各种设计要点间的关系有直观的了解，进而深刻理解设计原理，扎实掌握数字化的设计技能。同时构建移动电子商务和网络电子商务全过程仿真的虚拟营销平台，创造虚拟的实战机会，使学生由原先被动的学习者转换为主导者，掌握相关的实践技能、熟悉操作规则，增强了实际工作能力，提高了创新素养和创业意识。

3.3 生态养生资源管理与服务主题

生态养生资源管理与服务类教学包括人体运动分析、康复辅助、解剖结构等内容，传统教学方式主要凭经验教学，缺乏实验数据支持，或者耗工耗料、实验资源来源紧张，导致实验教学效果欠佳。

因而相关的虚拟仿真实验主要采用了数字化仿真模式，利用运动捕捉、数据手套等专业设备采集并分析人体运动数据，为体育运动和运动康复提供辅助决策。同时引进可视化虚拟人体结构工程专业实验平台，利用三维可视化技术构建了高度仿真的实验对象，节省教学投入的同时，也很好地培养了学生的综合实践能力。

3.4 生态建筑资源设计与管理主题

生态建筑资源设计与管理类教学涉及建筑施工工艺、绿色建筑设计等内容。建筑工程施工是一项复杂工作，其施工方法和组织程序都存在多样性、多变性，以往依靠施工经验教学，无法开展定量分析，很多实验结果都是不可及、不可逆，更无法实现全过程实践。

近年来随着科技的发展，建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）在建筑工程中广泛应用，支持建筑工程的集成管理环境，起到了提高效率、减少风险、缩短工期、降低成本的显著作用。

先进智能的信息化手段逐渐改变了建筑企业的运行方式，同时影响到建筑工程设计与管理人员的培养模式，传统的教学模式已经很难满足现代教育的需求。在此背景下，中心着力设计并开发出相应的虚拟仿真实验，通过数字化技术的应用，使建筑工程与产业实际的距离得以缩短。

4 特色与创新

4.1体制创新——集聚学校优质资源，构建了校级综合性虚拟仿真实验教学中心

学校2010年开始实验资源优化整合，构建了全校性的计算机资源共享大平台，不再单独设置以微机为主的专业实验室。大平台现有微机1 400余套，年平均实验人时数超过50万。2013年，作为计算机资源共享大平台的功能拓展和内涵延伸，系统整合学校虚拟仿真实验教学资源，构建了全校统一开放的综合性虚拟仿真实验教学中心，中心面向全校10多个本科专业开展虚拟仿真实验教学。教育教学体制的改革、教育教学组织形式和管理模式的创新具有独创性和鲜明特色。

4.2生态特色——对接丽水生态产业，构建了学科专业特色实验教学资源

学校以服务浙江山区、助推地方发展为己任，扎实开展欠发达地区薄弱本科院校综合改革实践，各学科专业以服务丽水绿色生态发展为导向，面向生态资源开发与利用方向开展应用技术型人才培养。中心与各学科专业人才培养目标定位相适应，与各学科专业真实实验环境相结合，突出强调生态特色，挖掘生态资源内涵，初步构建了独具特色的虚拟仿真实验教学资源。

4.3高度仿真——利用中心先进设备，构建了高度仿真虚拟实验环境和实验对象

中心近5年投入1 500余万元建设虚拟现实、人机交互和网络仿真平台，拥有三通道立体环幕、VICON动作捕捉镜头、AMTI测力台、Freeform反馈虚拟雕刻、Leap motion手势识别、5DT数据手套、ladybug5全景摄像机、HandySCAN 3D扫描仪、Sony 3D摄像机、360全息成像等先进虚拟现实设备，实验平台得到国内外专家的高度认可，被评价为“出乎意料，令人惊叹，最齐备、最先进的高校虚拟现实环境”。利用本平台购置及自主研发了虚拟漫游、虚拟雕刻、虚拟装配、全息展示、全景扫描、3D虚拟演播、三维重建、动作捕捉、手势识别等一系列3D高仿真虚拟实验，构建了高度仿真虚拟实验环境和实验对象。

4.4充分共享——注重实验教学信息化，构建了实验教学资源管理和共享平台

中心高度重视实验教学信息化，建立了虚拟仿真实验教学管理与共享平台。平台支持“虚拟实验+真实实验”融合的教学模式并提供一体化的信息化教学过程管理，还可以利用系统提供的虚拟实验仪器设备完成自主设计实验。同时利用中心虚拟化云服务公共支撑平台（远程控制实验）、高性能计算平台（远程分析实验）和一站式云教学平台（软件共享实验），通过远程认证控制、授权共享下载、网络远程提交等方式，探索了校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享机制，构建可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

5 结语

综上所述，中心集合全校优质虚拟仿真实验教学资源，构建了一个全校综合性虚拟仿真实验教学中心，紧密契合当地产业发展战略，以应用技术型人才培养模式改革促进实验项目及内容创新，以产学研合作项目促进实验教学与产业紧密接轨，已成为学生实践能力培养和创新创业活动基地，学生实践及创新创业能力明显提高，受到社会和企业的广泛好评。

［1］崔媛，武艳君，孙萌萌，等.依托虚拟仿真实验教学中心培养工程实践能力的探索［J］.实验科学与技术，2015（2）:144

［2］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（12）:6.

［3］周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践［J］.计算机教育，2015（9）:5.

［4］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（13）：6.

［5］吴夏芝.丽水生态观光农业发展现状与对策研究［J］.中国科技纵横，2016（3）：9.

［6］王永康.打造“生态保护与生态经济”双示范区［J］.今日浙江，2015（6）：24.

［7］孙燕，顾蔚.虚实结合的实验教学新体系在现代生物学综合创新人才培养中的应用［J］.教书育人（高教论坛），2015（2）:26.

［8］李晓莉.“2011计划”背景下浙西南地区高校协同创新现状及发展对策［J］.丽水学院学报，2015（4）:107.

［9］赵琳，潘巧明，吴小红，等.地方高校虚拟仿真实验教学平台建设的探索与实践：以丽水学院为例［J］.丽水学院学报，2016（5）:91.

［10］林中华.虚拟仿真实验平台在商务英语教学中的应用［J］.教育观察（上半月），2016（8）:99.

A Experimental Teaching Center for Virtual Simulation in Ecological Resources Development and Utilization

WUShuyan
（FacultyofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang）

In this paper，we introduce the background，and expound the ideas for the construction of an experimental teaching center which aims to conduct virtual simulation in ecological resource development and utilization.Based on the background，we demonstrate the necessity for the establishment.Furthermore，we explore in detail the aspects such as teaching resource development for experiments，the characteristics and innovation of the center.It is expected that the experience derived from our practice can be drawn on for the development of similar centers.

ecological resources development and utilization；virtual simulation；experimental teaching center

10.3969/j.issn.2095-3801.2017.05.019

G642

A

2095-3801（2017）05-0107-05

2017-04-10；

2017-05-31

浙江省第二批“十二五”省级实验教学示范中心重点建设项目（浙教办高教〔2015〕101号）；丽水学院校级重点建制实验室（中心）建设项目“计算机实验中心”（丽学院办〔2017〕11号）

吴淑燕，女，浙江龙泉人，网络工程师，硕士。