基于在线虚拟仿真平台的专业实验教学探索*

陈立家 时燕妮

摘  要  在新冠疫情常态化防控背景下，设计并践行一套基于在线虚拟仿真实验平台的实验教学方案。该在线实验教学平台构建了在线虚拟仿真与远程控制实物两种实验模式，仿真粒度可调，且实现了远程数据模拟。实践表明，基于该实验平台的在线实验教学能够突破时空限制，有效扩展实验教学资源，增强学生实验学习效果。

关键词  虚拟仿真；实验教学；实验教学平台；电子信息类专业；远程控制实物；在线虚拟仿真实验

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）17-0132-06

0  引言

虚拟仿真实验教学是新工科背景下提高学生综合素质的有效举措，是信息技术与学科专业的有效结合。建设信息化实验教学资源、提高学生的创新能力和实践水平，也是我国高校实践教学的发展目标。教育部决定于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，其中虚拟仿真实验教学的管理和共享平台是中心建设的重要内容之一。

构建高效的虚拟仿真实验教学平台是对高校实验教学的内容深度和广度进行拓展，推动实验教学整体质量提高的重要举措。在新冠疫情常态化防控形势下，实施开放、共享、高效且摆脱了时空限制的实验教学模式，不仅成为应对随时可能停滞的实物教学的可行替代方案，而且扩展了实验资源，使实验教学更加多样且有效[1-3]。

1  研究现状

目前，虚拟仿真技术已经被广泛应用于许多专业和行业。陈璜[4]利用Unity3D开发软件、VR（虚拟现实）交互技术进行产品原材料、组成结构、工作性能等的设计与优化，逐步将专业设计人员从繁重的手工制图工作中解脱出来，便于学生等主体参与机械设计的虚拟仿真实验以及产品装配。VR技术引入工业领域，能够改变工业生产模式，将工业制造行业推上更高的台阶。虚拟仿真技术能够将生产环境、生产数据、生产流程实现数字可视化，管理者可以在一台设备或者多台设备上对工厂进行监控管理以及进行生产线设计等操作[5]。崔江红等[6]设计的虚拟仿真系统，交互式实现针刺机机械结构拆装及针刺工艺实验，在人机交互下有效开展针刺机工艺参数设定、非织造材料产品实现工艺研究等。在教育领域，虚拟现实或虚拟仿真技术运用于医学教学成为新的趋势与热点[7]。张楠等[8]应用3D、VR、力回馈等最新技术，构建医学虚拟仿真实验教学平台，打造较为完整的虚拟仿真实验教学体系，使学生获得沉浸式学习体验。符锡成等[9]设计与实现虚拟仿真实验应用场景，为计算机组成原理实验添加到移动网络使用提供了一种有效途径。

在疫情暴发初期，实验教学受到极大冲击，许多学校针对实验课程不得不寻求解决办法。例如：对于部分软件操作类的实践课程，如C++，可以在手机客户端、电脑客户端开展，教师可以适当开展实践教学；对于部分简单实物实验，可以开展“线上理论，线下DIY+实验”。然而，大部分仿真平台或软件亦需学生亲临现场，学生居家实验学习效果堪忧。

传统的虚拟仿真技术利用仿真软件进行实验，与真实的实验环境仍存较大差别。很多仿真模型不够精确，与真实设备有较大差距。同时，虚拟仿真环境较为抽象，与真实设备元件相去甚远。众多虚拟仿真软件的最大限制是无法提供远距离的设备访问，因此，很多需要真实设备支持的实验教学无法开展。

鉴于这些问题，笔者将在线虚拟仿真与真实设备操控融合，探索实施基于在线仿真与远程实物控制相结合的实验教学模式，以期突破地理限制，同时提升学生学习兴趣和对实验的感性理解能力。

2  平台总体设计

针对电子信息类专业的课程设置，河南大学实施的实验课程改革选择真实设备与虚拟设备异构仿真、真实互联的虚拟仿真框架，仿真系统与真实设备之间提供数据传输接口，连通虚拟与真实之间的数据流动。通过打破地域限制，允许远程通过虚拟系统与实际系统交互，并利用虚拟现实技术远程观测，达到身临其境的仿真效果。同时，利用虚拟现实技术，360°对产品设备外部状态、内部结构、工作原理等现实环境不易实现的内容进行直观显示。系统硬件设备架构如图1所示。该实验教学平台具备以下功能。

1）允许虚实结合的设备体验。在设备外部真实场景展示虚拟现实视觉世界，同时将外部看不到的设备内部虚拟3D展示，支持手势操控，可进行设备分解、旋转、拖拉、组合等操作。支持实验设备虚拟拆装体验，使得学生对于实验的流程有更加直观、真实的理解。

2）适合3D展示。对语言难以描述的设备、原理、流程等应用虚拟模型动态展示。

3）提供远程模拟功能。对于无法提供海量数据的实验，如深度学习、数据挖掘，系统提供数据集和算力，可以远程仿真模拟。

4）实验分层分模块抽象化。系统提供不同模块级别、不同仿真粒度的仿真测试。如计算机网络，根据实验需求分层测试实验，不同协议层次的实验仿真内容和重点不同。

5）虚拟仿真不易提供的实验环境。某些实验需要价值高昂的设备，或者需要苛刻的实验环境，如5G网络，使用模型模拟方式仿真网络，与真实终端设备进行交互。

针对电子信息类专业的课程实验，该系统将浏览器、本地服务器、云服务器、硬件平台等有机结合，构建虚拟仿真与远程操控相结合的实验体系，完成远程连接控制，基于实体设备进行远程操控，实现“虚实结合、软硬结合”的现代课程实验教学新理念。

在线虚拟仿真实验用仿真形式实现教学项目的共享服务；远程操控实物实验借助摄像头监测真实设备运行状态，实现对设备的远程控制。通过这两种形式，实验教学从根本上突破时间和空间的限制，学生可以真正脱离实验场地，实现“停课不停学”。同时，实验课的个性化教学能力也大幅提升。

如图2所示，实验教学平台系统由三个模块构成：实验管理子系统、在线实验子系统和课程管理子系统。实验管理子系统对实验过程涉及的信息进行管理，包括人员、教学资源、设备管理、班级管理等方面；同时分管理员、教师、学生不同角色，他们具有不同权限和功能。在线实验子系统分为在线虚拟仿真和远程操控实物两个部分，分别针对软件仿真和远程控制实境实验。课程管理子系统主要管理课程与实验项目。这三个子系统对远程在线控制实现全面的控制和管理。

3  实验管理子系统

实验管理子系统设置超级管理员、系统管理员、教师和学生四种角色。对整个实验教学进行管理，根据不同的职责，四种角色相互补充，构建一个结构明晰的组织架构，易于实验管理。角色划分和分工职责如图3所示。

3.1  超级管理员

超级管理员权限最高，可以对系统管理员、教师和学生账号进行增删改查管理，同时能够对课程、实验项目进行增删改查，从而全面管理教学资源。

3.2  系统管理员

由于实验教学资源众多、条目繁杂，由一个或多个系统管理员管理，包括设备管理、班级管理、账号管理、数据统计等。其中，设备管理主要包括实验设备静态信息和动态信息的管理（静态信息包括设备名称、数量、简介、照片、性能指标等；动态信息包括入库、出库、故障、维修、使用时间等）；班级管理包括班级的增删改查、导入导出等功能；账号管理包括教师和学生账号的增删改查、批量导入导出、开启关闭等功能；数据统计包括设备统计、设备使用时间、人均使用时间、实验教师总人数、学生总人数、课程数目、总实验数、实时在线人数、实验时间分布、学生登录时间和次数等数据信息。系统管理员功能如图4所示。

3.3  教师

教师对实验的管理包括实验开设、实验评分、模板管理和统计分析。教师录入实验信息，如实验起止时间、实验内容、模块名称等，学生登录系统可以查看。按照时间节点进行实验，系统记录学生修改、上传、运行、保存、时长等信息，便于深层次评价分析学生学习效果。为每个学生做出实验画像，描述实验技能、状态、潜力、知识等各维度信息。实验结果线上呈现，实验报告在线评分。教师提交实验报告模板，供学生下载使用。不同实验的难易程度和完成时间均有所不同，统计不同班级、不同课程实验数据，分析实验成绩分布，便于教师进一步改进实验，对每一个学生，根据其实验画像，有针对性地管理和教授。教师功能设计如图5所示。

3.4  学生

根据开课性质，可以集中时间实验，也可以化整为零，每个学生实验时间分散到各个时间段。系统根据设备使用情况，提供可选择预约时间。学生根据自己的学习情况进行线上预约，既可以自主选择登录时间，也可以自主选择登录地点；登录系统进行线上虚拟仿真实验，或者远程操控实物实验；可以查看自己的实验报告状态、批阅状态以及实验评分。学生实验功能设计如图6所示。

4  在线实验子系统

在线实验子系统是实验运行的平台，可以用在线虚拟仿真和远程操控实物两种方式开展实验。

在线虚拟仿真实验为纯仿真类实验，架构如图7所示。打开浏览器，不用下载任何插件，即可做实验。实验涉及的各个程序子模块以图标的形式呈现，学生做实验时需要深入理解实验原理，通过连线方式，将各个程序模块连接成系统，运行后软件能够判断连线的正确与否。

实验涉及的各个子程序以目录树的形式展示，学生可以点击查看、分析、学习。然后运行该程序，将过程数据、运行结果以图形化方式展示，培养学生将原理、实验代码和实验结果有机联接，形成知识链条。

系统提供了详细的实验任务书，登录可以下载。根据任务书要求，可以在线编写程序，也可以本地编写程序，上传到服务器，然后与其他子程序模块一起运行，联调自己编写的程序。将需要学生编写的程序设置成可选择方式，学生在调试某一个子程序模块时，其他的子程序模块可以选择系统默认程序或者自己编写的程序，非常方便定位程序问题。

远程操控实物实验为虚实结合和软硬结合实验。在本地编写程序，通过远程访问设备硬件平台，实现无线收发、远程仪表、远程场景等功能，其效果和本地硬件实验完全一样。嵌入远程示波器功能，以虚拟仪器方式实时将连接在实验设备上的示波器数据显示在客户端。在虚拟仿真服务器的支持下，实时传输所见3D数据，具有身临其境的特点。所涉及的模式如图8所示。

这种实验模式下，系统远程控制实验设备（可编程远程控制的部分），如交换机、路由器配置、无线射频模块控制、机械手臂等，实验效果和在线下一样。通过虚拟仿真远程数据获取，获得实验现场数据信息，如示波器数据、指示灯数据、编程窗口输出数据、调试信息等。

5  课程管理子系统

课程管理子系统对具体课程的实验项目进行管理，可以是独立开设的实验项目，也可以是为某门课程设置的关联项目。课程实验子系统如图9所示。

课程管理具体内容包括管理课程的目标、内容、重难点及所关联的实验项目，实验项目覆盖理论知识点，对课程形成有效支撑。课程与实验项目合理组织、相互补充。

6  实验模式设计

基于该在线虚拟仿真实验平台，学生可以随时随地分组并进行实验。具体实验方案如下。

1）多用户并发分组接入。并发用户数量上限由设备数量确定。可分小组进入学习，平台支持小组网络讨论解决问题。

2）教师授课和实验时间灵活掌握。由于时间的灵活性，打破了线下课堂时间和地点的限制，少量的设备就能够为大量学生服务。例如：传统实验整个班级分为三组，每组20人，需20套设备；现在整个班级可以分为10组，每组六人，需六套设备，缩减设备购置费用。可支持远程授课、远程实验、远程作业提交。

3）远程观察与虚实结合。实验平台支持实景观察，多视角、全方位，使人身临其境。平台亦支持3D动态模型、虚拟仿真学习场景等内容。

4）远程桌面控制。实物实验平台可纳入本地终端桌面上，实验方便。

5）同一时间支撑不同课程实验。基于多用户系统登录服务器，多个用户可独立实验，相互之间不干扰，从而提高实验设备利用率，同时降低实验室建设费用。

7  教学效果评价

与传统虚拟仿真实验教学相比，在线虚拟仿真和远程控制实物这种虚实结合的实验模式既能克服时空限制，又更利于实现理论与实践同步。本实验系统教学实施一个学期后发现，学生选课更加灵活，设备利用率进一步提高，一些实际设备不能开展的实验亦能得以实施，实验数量有所提升，课程支撑效果明显。特别在学生延迟复学阶段，实验教学和部分科研实验得以持续开展，并取得令人满意的教学效果。

为验证教学效果，对本学期先行开展在线虚拟实验的学生实施问卷调查，收集问卷98份。问卷采用五点量表，主要内容和统计结果见表1。可以看出，多数学生对该远程虚拟仿真实验教学模式给予积极评价，认为这种线上实验模式选课非常灵活，改变了死板的时间安排，可以根据自己的实际情况预定实验时间。由于不受时间和地域限制，设备利用率得到很大提升。也有不少学生表示他们对线上虚拟仿真实验感兴趣，对实验项目增加了想象空间，提高了学习的积极性。结果表明，这种模式的实验设计能够改善实验教学效果，同时让学生加深学习体验，对培养学生创新性、自主性和实践性具有积极意义。

8  结论

本文基于虚拟仿真实验平台的功能拓展和新技术融合，设计了更为全面的实验教学平台，开展了对实验教学新模式的尝试。该模式能真正克服传统实验教学和虚拟仿真软件的时空限制，优化教学资源，提高教学质量和设备利用率。在学习效果上，该模式能发挥学生学习的主观能动性，激发学习的积极性和创造性。虽然实验平台面向电子信息类专业的学生，但根据其实际功能，应用范围完全可以进一步拓宽至其他专业。同时，本研究对高校实验教学改革和在线科研实验平台改造亦可提供有价值的参考。

参考文献

[1] 张晓瑜，唐黎伟，陈玖圣.基于虚拟仿真的多层次模块化专业教学素材体系研究[J].中国教育信息化，2021（8）：51-55.

[2] 苗群英，杨芷轩，杜洁.VR技术在虚拟仿真教学设计中的应用[J].安徽建筑，2021，28（3）：102-103.

[3] 刘飞.眼视光实操教学利器：VR虚拟仿真进课堂[J].中国眼镜科技杂志，2021（4）：92-94.

[4] 陈璜.基于Unity、3DVR等技术的机械设计虚拟仿真系统构建研究[J].长沙大学学报，2021，35（2）：20-25.

[5] 何勰绯.虚拟仿真（VR）技术在装备制造行业的应用研究[J].数字通信世界，2020（10）：182-183.

[6] 崔江红，吴孔燃，张海城，等.基于VR的针刺机虚拟仿真实验教学系统[J].机械工程师，2021（3）：26-29.

[7] 张翠翠.VR虚拟仿真技术在医学教学中的应用[J].科教文汇，2021（18）：116-117.

[8] 张楠，刘寅.医学虚拟现实实验教学平台的建设和实践[J].实验室科学，2020，23（3）：43-46.

[9] 符锡成，吴海威.基于移动网的计算机组成原理虚拟实验仿真系统设计[J].信息与电脑（理论版），2020，32（18）：108-110.

*项目来源：河南大学教改项目“虚拟仿真技术在工科教学中的应用研究”（基金编号：HDXJJG2014-141）；河南大学教师教学发展专项“学习分析+表现性评价的教师信息化教学能力发展探究”（基金编号：YB-JFZX-13）。

作者：陈立家，河南大学通信工程系主任，副教授，研究方向为实验教学；时燕妮，河南大学，讲师，研究方向为信息化教学（475004）。