東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展

吳 涓，孫岳民，雷 威，徐春宏，秦藝洢，宋愛國

(1. 東南大學 教務處，江蘇 南京 210096； 東南大學 設備處，江蘇 南京 210096； 3. 東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

1 虛擬仿真實驗教學概述

實驗教學是大學生專業知識獲取和技能培養不可缺少的環節。而在學生理論知識學習和實踐能力培養過程中，往往有一些實驗與實踐環節是在真實環境下難以復現、觀察或者成本較高實施難度較大的[1]。為使學生對專業理論與知識有親身的體驗和直觀感受，有必要借助虛擬仿真技術，利用數字化、多媒體、網絡化軟硬件技術，精確模擬真實物理環境和作業任務，讓學生在虛擬仿真實驗平臺下，完成真實環境難以實現的認知和實踐過程，從而提高學生對知識的深入理解和綜合運用程度[2]。

在國外，虛擬仿真實驗教學最早起源于工科類院?；A課程教學，如麻省理工學院的微電子在線實驗室、美國北卡羅來納大學外科手術仿真實驗室、美國休斯頓大學的虛擬物理實驗室、喬治梅森大學的動態流體虛擬仿真實驗系統等[3-5]。虛擬仿真實驗教學由于其生動直觀性、經濟性、精確性以及安全性，在不同專業教學以及能力訓練環節中得以廣泛應用[6]。

東南大學作為以工科見長的綜合性研究型大學，長期以來重視學生專業理論基礎的實踐能力培養，建成在全國具有影響力和示范效應的國家級實驗教學示范中心7個。機電類專業在全校70多個本科專業中占有重要地位。東南大學依托國家級實驗教學示范中心“機電綜合工程訓練中心”以及10多個機電類專業的學科科研優勢，構建了面向全校機電類專業的立體化、多層次的虛擬實驗平臺，建成了國家級機電綜合虛擬實驗教學中心(下稱中心)，啟動了一批貫穿基礎理論教學、專業技術仿真實驗教學以及工程項目設計仿真類的教學實驗課程40多門和綜合實踐項目200多項。中心的實驗實踐平臺涵蓋機械、電子、信息，自動化等專業領域，形成了分層次、模塊化的虛擬仿真與訓練課程體系，實現了學校資源的優化配置與開放共享，有利于科研成果向教學資源的轉化，為高水平本科生培養和創新能力塑造打下了堅實基礎。為此，學校以統籌規劃、突出重點、強調資源共享、提高實效為原則，進行了總體布局和規劃。

2 目標與總體規劃

2.1 改善傳統教學模式，實現理論與實驗教學的有效銜接與互補

在很多專業課程的理論教學中，存在一些普遍性問題，如：理論知識高度概括抽象，難以理解或者所涉及的原理在現實世界難以直觀展示；有一類專業課程的理論部分體系縝密、知識點多、關系脈絡復雜，缺乏對知識體系整體的構建能力，學生學習容易陷入“林深不知處”的境地；還有另一類課程理論教學要構建物理演示系統成本高、操作困難，缺乏讓學生動手實踐的條件[7]。為解決傳統理論教學與學生工程化培養之間的矛盾，拓展實驗教學的深度和廣度、提高實驗教學實效，實現理論與實踐教學的密切結合，同時也盡可能減少實驗成本和潛在的危險，在課堂基礎理論教學上，利用專業的仿真軟件，采用多媒體技術以及網絡通訊平臺，構建具有高度真實感、直觀性和精確性虛擬仿真實驗教學平臺, 是專業實驗教學的有益補充和創新[8]。

2.2 掌握專業仿真手段和數字化設計方法，滿足專業技能培養要求

機電專業技術領域內，專業設計與仿真技術的應用已經成為該專業能力培養不可缺少的環節。專業仿真軟件精度高、人機交互界面友好，仿真直觀性好。需要讓學生掌握專業設計仿真軟件及虛擬仿真技術，從而完成對專業能力培養要求。為此，在機電類專業教學中很重要的一環是讓學生掌握專業設計仿真軟件的使用方法，利用仿真設計軟件優化設計，在虛擬仿真環境中完成專業設計、參數整定、功能分析等任務。

2.3 提升綜合設計與應用能力，實現工程化和創新能力的發展

機電專業的一些高年級課程設計和綜合工程實驗項目，往往存在實驗周期長、成本高、過程復雜、危險性大、環境要求苛刻等問題。這些難以在真實環境下開展的項目，需要借助虛實結合的工程仿真平臺，讓學生完成復雜系統訓練，提高專業技能和實踐能力。

中心主要面向機電類工程專業，構建基礎課程的理論可視化與模擬、專業課程設計與仿真、綜合設計與創新開發類項目3個層次虛擬仿真實驗平臺(見圖1)，給學生提供理論認知與動手實踐的實驗環境，全面提高實驗效果，開闊學生的思維和視野，培養創新能力。在中心設立和建設中體現了“兩縱”“兩橫”的建設框架(見圖2)。

圖1 東南大學虛擬仿真實驗教學中心架構

3 實施思路與特點

3.1 “一橫”，體現全校統一布局、機電類專業橫向聯合

橫向聯合的內容突出多學科交叉、優勢虛擬仿真教學資源全校共享、互相支撐互補的特點。第一層次的基礎理論課程的虛擬仿真教學包含物理、計算機原理、信號與系統、電工電子、自動控制等課程，為全校機電類14個專業一二年級學生共享，通過可視化直觀的虛擬仿真實驗，加深學生對基礎理論知識的理解；第二層次的虛擬仿真課程與實驗分為EDA模塊、機械CAD/CAM模塊，測量與控制3個模塊，涵蓋電子信息、機械設計、系統設計類的20多門專業教學，各專業可根據本專業人才培養的要求，進行模塊化選擇組合，課程實驗發揮輔助設計與分析驗證等功能，彌補專業實物實驗不足；第三層次的虛實結合、多人協作的綜合虛擬仿真項目結合綜合課程設計、畢業設計和課外研學競賽的需要，實現機電專業知識的綜合應用、工程創新的人才培養要求。

圖2 東南大學虛擬仿真實驗教學體系

3.2 “二橫”，構建貫穿大學四年，虛擬仿真教學與實踐持續不間斷

實驗體系連貫性強，可以擴寬學生的專業視野。這些教學和實踐項目讓“課堂成為實驗室”、“課外成為工廠車間”，對工科專業類學生加深學科知識理解，親自操作完成復雜性高、專業性強、危險性大的專業設計與工程設計技能提供了直觀、數字化、沉浸感的訓練平臺[9]。

以測控技術與儀器專業為例，其含虛擬仿真類的實踐教學實踐活動見圖3。

圖3 四年持續不間斷虛擬仿真教學與實踐活動示意圖

作為機電一體化專業，在一年級所涉及的基礎課程“物理實驗”、“計算機組成原理”，二年級涉及的“機械制造與CAD”、“信號與系統”、“電工電子專業”平臺課程，三年級需掌握的“自動控制原理”、“電機學”、“虛擬儀器技術”，四年級要選修的“機器人創新課程”、“虛擬現實技術”、“機電一體化”、畢業設計等項目，均能夠從虛擬仿真平臺上找到相應的模塊。此外，學生的課外研學項目以及競賽也可以依托中心所擁有的虛擬儀器測控平臺進行[10]。依托虛擬仿真教學，形成從理論到實踐到創新設計，跨專業綜合工程訓練的學習模式。

3.3 “一縱”，培養目標層遞進式推進

從公共基礎課程到專業課程到綜合實踐與創新課程，培養目標層遞進式推進實現，見圖4。在基礎理論課程授課中，利用虛擬現實技術和仿真手段實現原理和技術的直觀呈現，提高專業授課直觀性和新穎性；在專業課程及實踐中，虛擬仿真教學充分利用各類先進的仿真和開發平臺，體現虛擬仿真的高精度、高效率的特點；在綜合設計和創新平臺方面，利用虛擬仿真平臺，開發綜合性強、創新性強、復雜度高的實驗項目和創新比賽，為學生研究能力和創新能力培養提供了良好平臺。實現學生應用、工程實踐到研究創新能力的漸進培養過程。

圖4 虛擬仿真教學進階式目標實現示意圖

3.4 “二縱”，科研成果向教學內容轉化

依托專業技術企業，重點實驗室以及本科教學實驗室，實現科研成果向教學內容轉化，構建高新技術實驗教學平臺，見圖5。

圖5 中心技術平臺支撐關系示意圖

中心依靠江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室、“火電機組振動國家工程研究中心”、“江蘇省遠程測控技術重點實驗室”、“復雜工程系統測量與控制教育部重點實驗室”教師團隊的科研項目轉化形成的向大型火電廠仿真培訓系統、智能電網運行分析仿真系統、基于虛擬儀器的遠程測控系統、“多工業機器人的協作控制仿真”等虛實結合的綜合工程訓練設計項目，將設計、虛擬和仿真融于一體，讓學生能夠基于虛擬實驗平臺完成設計、驗證、操作、測量、控制等綜合實驗實踐環節，實現了教學與科研的有機結合，為高端人才的培養提供了重要支撐[11-12]。近5年來，中心成為學生課外研學、科技創新的重要基地。結合虛擬仿真技術指導學生參加國際機器人Robocup、全國大學生挑戰杯、全國電子設計大賽等國家級比賽中獲獎100多項。中心既是機電實驗教學和綜合工程訓練的基地，也是實現虛擬仿真技術在教學和對外技術服務方面應用和成果轉化平臺。中心開發的具有獨立知識產權的綜合虛擬仿真系統服務于高校學生培養和企業專業人才培訓，高校中包括浙江大學、南京工業大學、南京師范大學、鄭州大學等高校，企業中有江蘇省徐塘發電有限公司、山西安平發電有限公司、福建福州發電有限公司等20多個企業，發揮了良好的示范輻射作用。

4 進展與小結

中心的教學資源和平臺進一步建設已經在分步實施中。2014年學校購置了包括Matlab、Ansys、Mutisium等在內的大型專業仿真與設計軟件，并依托學校云平臺，實現了專業軟件的共享與管理；與此同時，學校進一步規范和加強中心的課程資源建設，根據專業課程理論與實踐教學的要求，2014年立項支持50個虛擬仿真實驗項目的建設，并配套啟動信息化、網絡化管理軟硬件平臺的建設。2015年將進一步實現虛擬仿真教學與實驗資源的整合、優化和虛擬仿真教學實踐活動的開展。計劃通過3年的建設，將東南大學機電虛擬仿真實驗教學中心建設成為高水平、有輻射度和示范性的綜合虛擬仿真實驗教學中心，為高層次人才培養充分發揮作用。

[1] 王金崗. 工學結合模式下虛擬仿真教學系統設計[J]. 職教論壇，2013(17)：26-29.

[2] 惲如偉. 虛擬現實的教學應用及簡易虛擬學習環境設計[D]. 南京：南京師范大學，2005.

[3] 王金崗. 工學結合模式下虛擬仿真教學系統設計[J]. 職教論壇，2013(17)：26-29.

[4] 韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等. 仿真虛擬實驗教學的研究與實踐[J]. 實驗技術與管理，2006，23(5):63-65.

[5] 許秀云，張玉梁. 依托現代信息技術提高實驗教學質量[J]. 實驗室研究與探索，2011，30(5):130-132.

[6] 王桂忠. 基于LabVIEW的虛擬仿真實驗平臺的設計[D].青島：中國海洋大學，2009.

[7] 程思寧,耿強,姜文波,等.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(7):94-97.

[8] 杜一寧.虛擬試驗的研究現狀以及在教學中的意義[J].浙江海洋學院學報:自然科學版,2010(4):390-393.

[9] 李平,李晶杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[10] 趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學信息科學,2009,39(1):2-46.

[11] 許秀云,張玉梁.依托現代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索,2011,30(5):130-132.

[12] 單美賢,李藝.虛擬實驗原理與教學應用[M].北京:教育科學出版社,2005.