网络在线虚拟仿真类实验资源开放共享机制探索——以轨道交通信号控制类虚拟仿真实验为例

朱晓东，曾庆山，王东署，刘晓兰，陈书立

(郑州大学电气工程学院，河南郑州，450001)

随着教育教学改革的深入，教育部自2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，在建成一批优质的实验教学中心的基础上形成了可持续发展的虚拟仿真实验教学服务和共享机制。[1]

到目前为止，我国已经建立了一批相关学科的虚拟仿真实验教学中心，开展了一系列的虚拟仿真实验项目。为进一步促进虚拟仿真实验教学中心的开放共享，国家建立了虚拟仿真实验教学项目共享平台(实验空间，www.ilab-x.com)。在轨道交通信号控制领域，一些高校建立了国家级的虚拟仿真实验教学中心。如北京交通大学、西南交通大学、兰州交通大学等，这些高校均已建立了国家级虚拟仿真实验教学中心。这些中心在突破实体实验设备教学的限制上具有一些独特的优势。[2-3]

一、国内轨道交通信号领域虚拟仿真实验平台的建设现状

从国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上看，已有多个高校开展了轨道交通信号与控制类的虚拟仿真实验。这些轨道交通信号与控制类虚拟仿真实验包含了信号控制、列车运行控制、调度指挥等方面的实验教学内容。

表1 轨道交通信号领域虚拟仿真实验项目情况

续表

表1列出了在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上的轨道交通信号类虚拟实验项目，共计十个。其中，国家级认定项目有五个，在测试使用期间，仅有两个项目能够从外部远程使用。本文以当前能够远程使用的项目(北京交通大学与兰州交通大学的虚拟仿真实验项目)来介绍轨道交通信号类虚拟仿真实验项目的主要内容与特点。

北京交通大学的轨道交通列车运行控制虚拟仿真实验项目分为列车运行控制部分的自动监控、运营控制、运行控制三大模块以及模拟驾驶、自动防护五大类实验。模拟驾驶与自动防护因为涉及半实物仿真，所以没有开放网上虚拟实验。实验项目的思维导图如图1所示。

图1 北京交通大学轨道交通列车运行控制虚拟仿真实验项目导图

兰州交通大学的国家级轨道交通信息与控制虚拟仿真实验项目分为基础设备虚拟仿真实验、设计创新实验、远程控制虚拟仿真实验及实验教学管理平台共四大模块。实验项目的思维导图如图2所示。

图2 兰州交通大学轨道交通列车运行控制虚拟仿真实验项目导图

两所高校的实验项目均提供了较为丰富的学习资源，涵盖轨道交通信号领域中的信号设备、检修仪器、计算机联锁、CBTC、区间闭塞、列控设备等内容，包含原理学习、检修操作、故障处理等方面的知识。从设计类实验来看，北京交通大学提供了CBTC的设计类实验，兰州交通大学则提供了计算机联锁的设计类实验。兰州交通大学还提供了实验教学管理平台，能够记录学习者的学习内容与学习时长等学习数据。

二、轨道交通通信与控制虚拟仿真实验的实践反馈

为促进轨道交通通信与控制虚拟仿真实验项目的开放共享，郑州大学与北京交通大学国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心开展了项目合作，探索虚拟仿真实验项目的开放共享机制。2020年上半年，郑州大学轨道交通信号与控制专业两个年级共计129位学生使用了北京交通大学的虚拟仿真实验系统，解决了学生无法返校进行实验的问题。从学生的使用反馈来看，虚拟仿真实验教学中心的作用是巨大的。学生表示，通过浏览三维虚拟设备理解了很多在书本和实体设备上无法弄明白的知识，通过对虚拟仿真实验教学中心提供的大量高质量课件的学习，扩展了专业知识面，了解了更多、更深层面的专业知识。

学生在使用过程中也发现了一些问题，提出了很多有益的建议。如视频播放不能调整进度、实验项目开放度不足、设备学习中的整体性介绍还较少等问题。对教师而言，虚拟仿真实验教学项目也为教师教学提供了一个新的教学实验平台。但从教学管理方面来看，虚拟仿真实验项目未能开放实验管理权限或没有学生注册实验的步骤，导致无法将学生实验过程用于教学考核。

三、虚拟仿真实验平台共享机制存在的主要问题

国家级虚拟仿真实验项目的建设极大地提高了实验教学的信息化水平，为实验教学提供了可靠和有效的平台。对于开展虚拟仿真实验教学项目建设的目的，教育部在《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中指出：“推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高。”[4]在这里，虚拟仿真实验项目的建设除了“专业布局合理、教学效果优良”外，还有重要的一点是“开放共享有效”，而这也是虚拟仿真实验教学项目示范性、泛在化的重要体现。仅从虚拟仿真实验项目跨区域使用者的角度来看，“开放共享有效”至少应在以下几个方面得到体现：

第一，可用性。虚拟仿真实验项目对校外用户开放，从校外能够远程访问虚拟仿真实验项目的门户网站并进行实验，能够容纳一定数量的并发用户。

第二，兼容性。虚拟仿真实验项目兼容性强，能够很方便地配置好实验环境。

第三，易用性。对于相对复杂的实验，虚拟仿真实验项目有便捷的学习帮助引导系统，指导使用者学习使用。

第四，实验管理。虚拟仿真实验项目能够记录使用者的学习数据，以便于实验教学管理。

第五，评价反馈。虚拟仿真实验项目具有互动反馈的功能，能方便学生在遇到问题时进行反映，也方便学生对实验项目提出建议。

从这五个衡量开放共享的标准来看，现有的虚拟仿真实验项目或多或少还存在一些问题。在可用性上，实验空间中轨道信号控制领域的十个项目仅有两个项目能够开放使用，说明目前这些实验项目还没有对外开放共享。在兼容性方面，多数学生反映尽管安装了实验环境所要求的插件，但在实验过程中仍然会出现各种问题，导致学生使用的不便。在易用性方面，对于较为复杂的实验内容，如计算机联锁、CBTC系统，学生无法得到有效的帮助指导。虽然CBTC实验提供了实验帮助视频，但仅仅对整个项目进行介绍演示是不够的。在实验管理方面，目前的实验项目都没有对外校开放学生实验的记录、管理功能，多数是以统一的注册方式或游客方式进行实验。

四、虚拟仿真实验平台开放共享的探索

要使虚拟仿真实验项目实现“开放共享有效”，需要项目建设者的努力，也需要有合理的开放共享机制来保证建设者与使用者的良好互动，促进虚拟仿真实验项目的开放共享。[5-6]开放共享机制的建立需要从政策、激励、开放共建、交流协作等几个方面来进行探索。

(一)政策方面

要实现虚拟仿真实验教学资源对社会的开放共享，需要政策层面予以充分的支持。首先，从国家层面制定统一的技术标准与接口规范，技术规范的统一能够提高教学资源的扩展性、兼容性和开放性，减少二次开发的成本。[7]其次，要给开放共享以必要的政策支持。各个项目建设高校需要从人员、经费等方面给予保证，有专职的人员负责项目的运行，以鼓励和支持虚拟仿真实验项目进行开放共享。最后，应建立奖罚机制，通过定期评估虚拟仿真实验教学资源的开放共享情况，进一步促进虚拟仿真实验项目的开放。

(二)激励机制

虚拟仿真实验项目的建设与开放是一个长期的过程，需要持续的经费和人员投入。要想实现虚拟仿真实验项目的可持续发展，就必须形成有效的自我发展模式，而不是单纯依靠国家经费的投入。现阶段的虚拟仿真实验项目虽然都是免费开放共享的，但是要想促进虚拟仿真实验项目的广泛应用，还必须有新的激励机制。借鉴胡今鸿等[8]提出的思路，可以采用积分模式、收费模式等方式。

积分模式：通过使用者积累的积分来获取更优质的虚拟仿真实验资源。虚拟仿真实验资源可分为免费使用与收费使用两部分，用户可凭借积分获取收费部分的项目资源使用权。积分的获取有以下途径：第一，通过免费资源的使用及考核评价获取；第二，通过提出合理化建议获取；第三，通过提供有效的共享资源获取；第四，通过参与开发虚拟仿真实验项目获取。

积分模式鼓励大家通过对虚拟仿真实验项目的应用来提出合理化建议，促进项目的迭代发展。同时，积分模式也对新的实验资源持开放态度，通过项目共享开发、吸纳新的资源来扩充和完善虚拟仿真实验项目。

收费模式：对批量使用虚拟仿真实验项目的高校和社会单位，可采用适当的收费模式。与此相匹配的，虚拟仿真实验项目平台应提供实验教学管理功能，以方便使用单位对自己学员参加实验的情况进行考核评价。

(三)资源的开放共建

虚拟仿真实验项目的开放共享不应仅仅针对使用者，也应对建设者持开放态度。虚拟仿真实验项目的建设可以对其他单位、个人开放，鼓励参与者提供更优质、更丰富的虚拟仿真实验资源，也可采用项目合作的方式与其他单位合作共建，以不断提高虚拟仿真实验教学资源的质量。

(四)用户评价

虚拟仿真实验项目要想得到持续发展，就必须重视用户的使用体验与批评建议。一方面，要对每个实验模块给出用户评价的入口，另一方面，管理人员要及时回应用户关注的问题。只有通过不间断的互动，才能不断改进和完善实验项目。

(五)交流协作

北京交通大学、西南交通大学等高校是我国轨道交通领域的重点院校，其国家级虚拟仿真实验教学中心更应充分发挥示范辐射作用，带动其他高校相关专业的发展。这就需要国家级虚拟仿真实验教学中心与其他高校深入开展校际的交流合作，通过项目共建、项目共管、交流培训等方式进一步促进虚拟仿真实验项目的开放共享。在这方面，北京交通大学开展的“虚拟教研室”活动已经迈出了重要一步。[9]

虚拟仿真实验教学项目的开放共享是国家级虚拟仿真实验教学中心建设的重要任务之一，也是高校优化虚拟仿真实验教学资源结构，提升资源使用效益的必然要求。随着虚拟仿真实验项目的不断建设，这些实验项目的开放共享也应是今后建设的重点。高校应通过不断地探索、实践，完善虚拟仿真实验项目的开放共享功能，使其真正发挥“示范辐射”作用，不断提高实验教学的信息化水平。