新工科背景下虚实一体多目标实验体系研究

吴 洁，徐伟男，范世东，江 攀 ，杨志勇，胡一鸣

(1.武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学交通与物流工程学院，湖北 武汉 430063；3.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

教育部2017年在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，对新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择进行了深入探讨，会议明确提出要加快建设和发展新工科，并达成了“新工科”建设复旦共识[1]。随着全球范围内科技革命、产业变革、新经济发展的进程加快，伴随着人类社会未来面临科技问题的复杂性程度的提升，亟需新技术和新产业的突破。这些技术变革就需要不同学科背景进行交叉培养的高素质人才来推进和引领未来新技术、新产业和新型经济社会的发展，通过多学科交叉融合，培养出具有跨学科能力和创新创业能力的多类型交叉技术人才[2]。实践是创新型人才培养的基础，实践教学体系是新工科专业建设的重要组成部分，促进实践教学资源和实践教学平台的建设是新工科背景下创新型人才培养体系构建的主体。

在新工科的背景下，围绕国家对交通运输类专业人才培养目标的要求，着力构建交通运输类专业完善的综合性高水平的实践教学创新体系，为解决实验实训教学突出问题提供方法路径。依托虚实一体多目标实验体系的构建，从实践资源、虚实结合、平台运行、过程控制、系统评价等方面，通过顶层设计形成持续改进的闭环系统，构建基础认知型实验、综合设计型实验及研究创新型实验等多层次的系统平台。

1 高校实验实践教学体系建设现状

1.1 实践教学体系与多学科交叉融合不足

“新工科”理念的工程教育创新创业课程体系的建设还处于起步阶段。目前我国大部分工科院校的课程体系设置仍以知识型导向为主，知识型课程体系对学生创新创业活动的支撑度不足。工科类创新型人才培养模式要求提高创新能力的前提必须以合理科学的课程体系为核心[3]。W高校交通运输类专业(水上方向)融合了载运工具、动力工程、交通运输规划与管理、运输经济与管理、海洋生物科学、水利工程、海洋环境与安全、信息科学与应用等学科方向。从重新设计改革课程体系转型为国际化培养模式，从专业学科发展趋势转变为多学科复合交叉型，实践体系也面向高级引领型航运人才培养和海事系统科学研究并重的方向发展[4]。目前产学研合作实践教学改革已在各高等院校逐步展开，并初具规模，但依然存在以下问题：①对本、硕、博的产学研合作认识不够深刻，产学研实践教学体系流于形式；②产学研实践教学体系比较单一，没有与大学生的创新创业能力培养过程结合。因此，要利用多学科背景的融合，从实践培养过程中提高大学生工程创新实践能力，才能把新工科实践教育教学改革做实。

1.2 实践资源建设与实验教学平台支撑不足

高等院校科研成果转化为专业教学知识点或资源库仍不够充分，没有设计有效促进科学新技术反哺教学、教学促进科研创新思维的循环机制，专业教学的更新频次与科学技术的飞速发展形成了不平衡的现状。高校实验室条件建设受经费、资源限制无法持续大规模改进，导致实验实训教学场地和手段革新不足。如何建立动态更新机制，建设开发型计算仿真平台，为基础认知型实验、综合设计型实验及研究创新型实验提供软硬件支撑是工科院校亟需解决的问题。同时实验实训教学与理论教学交叉深度不够，原因在于高校缺乏闭环的评价机制，缺乏双向促进、协同发展的实验体系支撑的创新型人才培养过程。

虚拟仿真实验平台建设可以解决传统实验体系下实验台套不足、大型综合性实验平台建设周期长的问题，同时也增加了远程实验实训过程的交互性，为实验教学提供了新载体。但现阶段高等教育实验教学中的虚实仿真实验平台多是结构和原理认知型实验，欠缺实验真实感和探究性，学生总体学习效果不佳[5]。通过构建基于平台驱动的交通运输类创新型人才培养模式，设计研究虚实一体多目标实验系统主要可解决实验知识理论深度不足、实验步骤交互性不足以及平台数据难以共享等问题。在数据传输与远程控制方面将“虚、实”实验平台相连接，在继承认知型实验功能基础上，融入了综合型实验与研究型实验功能。根据教师、学生、管理员、体系等多对象目标授予不同实践教学组织权限，根据不同类型实验开发多种底层数据结构、通讯要求、拓展格式的对象目标技术，实现在专业实践教育基础上对学生进行全面、系统和拓展的训练，并跨学科、跨领域、跨课程的融合。

2 基于平台驱动的交通运输类创新型人才培养模式

以新工科专业实践教育教学体系构建为目标，围绕实践教学项目展开多源信息融合、多学科交叉的实验系统研究，建立理念引领、顶层设计、组织实施、评价反馈和改进完善五个环节组成的“五维一体”闭环式完整运行体系。依托国家级重点学科、国家级特色专业以及国家级一流本科专业建设点，将专业培养过程分为通识教育、基础教育与专业教育三大模块。针对交通运输类专业特色进行课程群建设，课程群能够将专业知识链、协同链与创新链衔接成完整的交通运输类创新型人才培养过程。知识链注重知识的获取，以知识组织-知识共享-知识转化-知识获取形成闭环结构；协同链以基于科教协同创新促进项目孵化，校企协同育人领航合作共建，行业协同创业提升产学联动的三协同耦合而成；创新链通过提升创新能力、培养创新思维、传授创新方法3个创新通道复合搭建而成。基于平台驱动的交通运输类创新型人才培养模式机制如图1所示。

图1 交通运输类创新型人才培养模式机制

以科教协同资源互通为前提，搭建高校与科研院所深度合作的战略平台和沟通桥梁，共同推进优势教学资源和科研资源共享互通；以校企协同实践基地为基础，加强产学共建创新与产学研联合培养模式，以及轮机工程等交通运输类专业卓越工程师教育建设成效；以行业协同打造行业引领人才为方向，促进新理论技术转化，推动创新创业孵化与行业需求的紧密结合。

构建具有优质科研资源、交通行业需求、产学交流合作的特色实践平台体系，完善实践教学过程的个性化引导，形成协同创新平台通过校内外虚实协同一体化建设发展，对接行业技术前沿和企业需求，形成了“疏浚技术与装备行业协同创新平台”等多个创新实践教学平台。健全了产教协同、科教融合的人才培养模式运行机制，形成基于创新型人才培养的高校实践育人闭环系统。

3 虚实一体多目标实验体系构建路径研究

基于创新型人才培养的高校实践育人闭环体系需要构建虚实一体的实验教学环境，实体实验平台与虚拟实验平台通过映射规则与通讯功能进行实时全景呈现，形成实体数据与虚拟环境交互的一体化实验体系。

虚实一体化实验教学体系的形成及发展随着VR(virtual reality，VR)技术的兴起被进一步推进，虚实结合实验平台的概念和技术框架也初步解决，但系统的沉浸感、交互性与实验教学耦合度并不强。虚实一体化实验平台在虚拟系统界面优化方面快速发展，通过大幅提升实验平台沉浸感体验[6]，形成了一系列以结构认知和虚拟操作教学为目的的系统，如虚拟拆装系统、虚拟机舱资源管理系统等。该类系统将虚拟系统与实验教学相结合，虽提升了理论认知教学效果，但仍停留在认知型实验教学层面，无法满足对人才培养的支撑要求。通过大数据处理技术、5G技术及云平台的耦合，虚实结合技术得到了进一步优化，在大批量实验数据处理方面取得重大突破，将实验教学全过程融入系统引导，能够满足大量学生实验教学及教学测评的功能需求[7]。该类系统的功能虽已制定了基础认知与综合设计流程，却无法为学生科研创新提供平台支撑。为树立创新创业教育教学理念，营造创新创业育人环境，拓展创新创业实践教学资源，搭建高效可持续建设的创新创业型教育实践平台，重构创新创业培养体系，本实验体系将课程群优化为：理工科基础类通识教育课程群、交通运输类专业基础教育课程群、交通运输类与交叉专业类专业教育课程群。虚实一体多目标实验教学体系如图2所示，多目标实验教学体系通过校内外联动为创新型人才的培养提供沃土。

图2 虚实一体多目标实验教学体系

3.1 依托培养方案修订，优化实践教学环节设置和内容

本科教学中的实践教学环节包括导论认识、专业课实验、课程设计、综合实训、生产实习、毕业实习等课程项目，学生创新创业、科学研究等项目无秩序性穿插在本科四年内进行[8]。没有规划及机制统筹的培养过程限制了学生的独立创新发展，不利于“双创”锻炼的最根本目的。实践教学环节设置将实践内容丰富化层级化，针对学生的不同兴趣进行设置，以增加实践锻炼的有效性。通过培养方案修订，增加“创新课程模块”，打通本专业创业学生培养与毕业通道。

3.2 提供项目孵化支撑，促进校企协同和资源优化

以项目为催化，科研带动引领，构建协同与项目驱动的实践教学模式，通过“平行管理”式创新能力实践平台的建立，完善产学研合作机制，提升教师科研成果转化项目及校企合作项目的比重。以专业创新型人才需求为导向，明确基于项目驱动的创新能力达成路径，产教融合共建实验实训平台，促进学科交叉的师资团队和学生社团建立，构建以学生为主体、教师为主导、企业深度参与的产教学研赛融合的创新实践人才培养体系，提升学生综合创新能力。

3.3 优化平台运行管理模式，提升学生与教师创新意识

依托武汉理工大学建立的“创客空间”“创新创业园”“企业孵化器”“企业发展加速器”4个创新创业实践平台，给予不同层级项目和团队差异化的指导与服务。建立交通运输类专业“众创空间”，形成混合型拓扑结构，以双创大学生为主体，促进资源交互链接，形成教师与学生教学相长，创新教育与创业项目共同发展的实践新模式。

依托学院虚拟仿真实验中心，建设基于平台驱动的交通运输类专业创新实践体系，使用信息化技术对实验实践平台进行运行管理，如互联网+、智能传感、生物识别技术、大数据、三维仿真可视化等技术。通过集成现有系统，将实验仪器设备管理、仪器设备开放共享、实验室预约、实验操作远程系统、实验考勤与过程记录等系统功能集合，建设集成教学、运行管理、开放共享、安全监控等功能于一体的可视化管理系统，重点实现服务于学生自主设计创新创意实验的功能，为创新型人才培养提供智能化、全天候的实验实践条件保障[9]。

3.4 不断深化第二课堂育人功能，完善运行管理保障体系

要培养创新型人才，就要赋予校园文化创新性的土壤。强化第二课堂育人功能，不断优化人才培养方案，拓宽学生自主选择的空间，成立以学生为主体、教师为主导的科技实验中心和创新基地，通过预约机制向交通运输类相关专业学生全天候开放，培养学生实践创新能力。“众创空间”可为大学生提供创业项目的链条式服务，通过培养和引进创业导师帮助联系和运用优质校内外资源，制定方案并进行可行性调查和分析[10]。

虚实一体实验体系面向教师、学生、平台、体系、运行机制等多目标对象，促进交通运输类专业学生融会贯通专业知识、实践实操过程、自主设计拓展项目。通过创新理论课程与创新创业型多目标实验体系共同支撑虚实一体多目标实验教学体系的底层实践教学项目。基础认知型、综合设计型、研究创新型三大类实践项目体系，多层级递阶培养训练，提升创新实践能力，培养卓越引领人才。

4 虚实一体多目标实验系统平台框架

虚实一体化系统是实体操作系统与仿真操作系统以数据互联互通、底层数学模型相同的方式结合后形成的新体系。而随着近些年VR/AR技术、5G通信技术的飞速发展，形成新的定义[11]，虚实一体化系统在实现远程操作需求，多终端在线操作需求等方面有明显优势，且在技术流程操作培训、沉浸式游戏体验、安全警示演示等领域获得市场的高度认可[12-13]，在新冠疫情席卷全球的过程中虚实一体化实验系统的重要地位得到进一步提高，高等院校教学及技能培训需求也在稳步增加[14]。以管输实验系统平台为例，构建虚实一体多目标实验系统框架，如图3所示。

图3 虚实一体多目标管路实验系统平台实现构架图

4.1 针对实体目标，改造实体实验平台

实体实验平台的硬件性能将决定该项目对教学科研顶层设计功能的可支撑度，研究前期通过改造升级实体实验平台，目的是实现系统支持认知型、综合型及研究型3类型实验的功能。以管输实验平台为例，为支持离心泵特性曲线测定实验，需在离心泵进出口处添加压力变送器，在主管道上安装涡轮流量计，采集到的数据参数通过Rs485的通讯接口传至控制台数据库中；为支持离心泵功耗研究实验，将离心泵升级为变频泵，同时添加功率、转速参数的检测手段，采集到的数据参数仍通过Rs485的通讯接口传至控制台；为支持离心泵汽蚀空化状态检测研究，需在压力、流量采集的基础上添加离心泵电机xyz轴上的3个振动传感器。因平台系统高采样频率的需求，使用数字通信将数据传至控制台，采样率可达到1 000 Hz。同时，在数据远程传输方面，该平台系统通过补充北斗卫星收发终端、工业互联网、移动终端设备等部件，通过硬件层的改善实现数据通信功能。

4.2 针对体系目标，搭建虚拟实验平台

虚拟实验平台主要补充认知型实验模块、综合型实验模块与研究型实验模块的虚实一体功能。虚拟实验平台系统包括虚拟仿真实验系统平台、实验预约平台、实验权限管理平台及实验数据平台。平台使用Unity3D开发网页端实验平台，针对拆装与结构认知的设备进行三维建模，场景1∶1比例复原实验室构造。预约和管理网站使用ThinkPHP框架开发，后台数据库使用MySQL5.7进行设计开发。系统可实现实验预约、实验报告批改、多时段实验数据存储及发放以及远程控制权限审核等功能。虚拟实验平台根据实体实验平台功能需求和实验教学拓展需求添加了变频泵频率调节界面、阀门开度界面及离心泵启停界面等。

该系统平台还建立了对应的数学模型库，可实现该系统对学生提交的实验数据正误的自动批改评价功能。针对研究型实验数据的优化解，系统可以将该算法存入数学模型库作为该类型实验的算法案例库，为学生提供算法参考。

4.3 针对运行机制，完成平台虚实对接

平台关键技术为数据与控制多层面的虚实对接。通过“虚”场景增强“实”场景交互体验感，还原“实”场景添加“虚”场景数据存储通讯突破时空限制等优势。虚实对接实现过程以及多目标教学任务功能实现流程如图4所示。实体实验台的数据通过Rs485和USB接口将实验数据采集到本地，并将数据映射至云数据库中。本地实验台提供自设定采样频率的功能，数据库具有伸缩性用以适配不同的数据量。虚拟实验平台获取云数据库中的数据并加载在虚拟场景中，为操作者提供实体数据，从而实现数据层虚实对接。控制层将工控台安装Windows Server 2019系统即可改为小型服务器，采用传输控制协议TCP配合WebSocket的方法实现虚实对接功能。点击Unity3D网页端虚拟实验交互式按钮，系统会向实验室工控台发射信号，通过解析信号并响应信号实现本地控制台对设备状态的改变，从而实现工控端的虚实对接功能。

图4 多目标实验教学系统功能

4.4 针对系统目标，梳理实验平台功能

虚实一体多目标实验系统平台为实验数据采集提供了采样频率修改端口。认知型实验完全使用Rs485接口进行数据采集，综合型实验和研究型实验对于数据样本量需求不同，可使用USB接口保障较高的数据密度，实验人员还可由管理员授权更改采样频率。认知型及综合型实验教学管理功能还包括增强多用户并发数体验感等功能。指导教师批准同批次学生的远程控制权限以控制数据获取来源，即可根据实验要求发布该批次内所有学生的真实数据，同组同学可获取到不同时段的真实延时数据，从实验数据处理以及创新思维培养角度，提升独立操作性和拓展性，从而将拥有“独享独占实验台”的体验感这一目标变为现实。针对研究型实验，学生需提交实验设计方案，由教师审核并为学生提供历史实验报告或参考资料，指导学生设计研究路线自主完成研究型实验。系统针对数据存储及发放，由教师操作系统发放实时实验数据。系统也可以选择发放历史实验数据，有效避免实验数据损坏或实体台架停电导致实验数据无效，提升了系统容灾性。此外历史数据保存在数据库中，可用于研究实验平台设备运行劣化趋势，为研究型项目提供数据模型基础。

5 结论

(1)以W 高校交通运输类专业实验体系建设为例，形成范式案例广泛应用于创新型人才培养的实践体系。实验体系充分发挥虚实一体实验平台优势，以基础理论到深入探究再到创新拓展的多层递阶培养过程为依托，系统引导学生了解、掌握、运用专业知识并通过平台驱动学生汲取交叉学科领域知识，辅助学生自主完成整个科研探究过程。该实验台为新型实验室概念做出铺垫，可形成范式案例，广泛应用于创新型人才培的实践教学体系中，为提升高校人才培养质量打下坚实基础。

(2)未来实验平台系统可向数字孪生智慧学习空间拓展。虚实一体实验系统虽然解决了3类实验与平台融合问题，能够缓解大型实验平台实训效率低下与受训人员数目较大之间的尖锐矛盾，但仍有可拓展性。数字孪生关键技术集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或仿真过程，通过最佳物理模型、传感器和数据信息映射出实验台等物理实体对象在生命周期内的数据状态和真实运行状况。通过构建基于数字孪生技术的智慧学习空间[15]，将各类学习系统空间集成一体化，为学习者的高阶思维发展提供支持。通过构建虚实共生空间、信息传输系统、教与学支持系统等要素，支撑具有真实体验感、跨时空区域协作、虚实共生数据驱动特征的实践过程。

(3)以虚实一体多目标实验体系研究为契机，紧跟信息化时代教育教学的新规律，开展创新示范型虚拟仿实验教学内容建设，推进现代信息技术与实验教学项目深度融合，拓展实验教学内容的广度和深度，使实验教学突破时间空间的限制，促进实验实践教学资源的优化。