虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討

王曉迪

(哈爾濱工程大學 實驗室與資產管理處，黑龍江 哈爾濱 150001)

教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函〔2013〕94號文件，下稱94號文)，拉開了虛擬仿真(下稱虛仿)實驗教學中心建設的序幕，虛仿實驗教學中心建設問題在高校內引發熱議[1]。作為我校實驗教學中心建設的主管部門，認真研讀教育部的文件，梳理建設思路，并組織了校內研討，對虛擬仿真實驗教學中心建設中的八項關系提高了認識，并提出了處理的意見，其中有些問題目前尚“無解”，需要同行共同探索研討。

1 虛擬仿真實驗教學與教育信息化的關系

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響”[2]。《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》指出：“以教育信息化帶動教育現代化，破解制約我國教育發展的難題，促進教育的創新與變革，是加快從教育大國向教育強國邁進的重大戰略抉擇。”“用十年左右的時間初步建成具有中國特色的教育信息化體系，使我國教育信息化整體上接近國際先進水平，推進教育事業的科學發展。”[3]《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》(教高〔2012〕4號)指出：“加快推進教育信息化進程，加強數字校園、數據中心、現代教學環境等信息化條件建設。”[4]

由此可以看出，教育信息化和虛仿實驗教學是“綱”與“目”的關系，教育信息化是虛擬仿真實驗教學的源頭，虛擬仿真實驗教學是教育信息化的重要組成部分之一。明確這一條就引導我們站在教育信息化的高度重視虛仿實驗教學中心的建設。

2 虛擬仿真實驗教學中心與實驗教學示范中心的關系

94號文件指出：“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。”這就明確了虛擬仿真實驗教學中心是實驗教學示范中心建設的重要組成部分，是實驗教學示范中心建設的延續，虛擬仿真實驗教學中心為實驗教學示范中心的建設注入了新的活力和內容。堅持這樣的建設思路，有利于調動省市教育行政部門及高等學校建設實驗教學示范中心的積極性，有利于資源整合與共享，有利于運行管理，有利于對已取得的國家級、省級實驗教學示范中心稱號的單位繼續投入和持續建設[5]。

在實際的運行管理中也會遇到管理體制和運行機制的新問題，比如開展專業實驗教學的虛擬仿真實驗，需要將先進的科研成果引入到虛擬仿真實驗教學中，這就需要科研團隊的積極參與和大力支持。如何調動科研團隊等各方面力量的積極參與，事實上也是責權利再分配的問題，在具體解決方案上，需要學校主導，對編制、崗位、建設規劃等政策性方面的工作，要做得更細致、更深入。

3 虛擬仿真實驗與真實實驗的關系

94號文件指出：“虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則。”這就明確了切勿盲目地將真實情況下做得很好的實驗都搬到網上去。虛仿實驗教學并不是一味追求虛擬，不能以虛仿代替所有的實驗項目，在實驗教學中仍需形成虛實結合的實驗教學體系，在虛仿實驗的基礎上，盡可能地讓學生接觸實際，“能實不虛”。

對于某門課程或實驗項目，虛仿和實做究竟是三七開還是四六開，要看實際需要和使用效果，不可“一刀切”。我校船海虛仿中心針對虛實關系總結出“五個相結合”，即下廠實習與虛擬船廠相結合、三維模型設計制作與虛擬船廠相結合、流體力學實驗和船舶水動力實驗與艦船操縱模擬系統相結合、大型結構加載實驗平臺與結構設計實驗仿真系統相結合、船舶博物館船模與船舶智能查詢綜合服務系統相結合。其中有實物與虛仿結合，也有半物理模型與虛仿結合，成為實驗教學改革的新特色[6]。該中心教師指導學生以大作業的形式設計某一作品，學生將設計方案導入到快速成型機打印成三維零件，再將三維零件組合成作品，使設計課程不再僅僅體現為抽象的圖紙，而是以模型作品再現學生的設計方案設計。這就是半物理模型與虛仿結合的范例。

此外，也可以采取“課外仿(或稱預習仿)+課內實”或“先仿后實”的方式，可以做個假想，假設某實驗項目4學時，都是在計算機上虛仿，實驗之后學生會覺得索然無味。若利用虛仿不受時空和地點限制，適合自主學習的特點[7]，將虛仿實驗放在課外，鼓勵學生自學，到了課堂內再實際動手操作，能夠大大提高學習效率，提升學習效果。

4 虛擬仿真實驗教學軟件與課件的關系

什么是虛仿軟件，通過“94號文”虛仿中心的建設任務的說明，虛仿軟件是對現實實驗不具備或難以完成的教學功能的模擬 。有人認為課件就是虛仿軟件，甚至以課件作為虛仿軟件去申報虛仿中心，這是一個誤區。雖然有些較好的課件能網上運行，可進行互動、菜單操作，確有虛仿軟件的某些特征，但這畢竟只是適于某課程，無論從功能、規模、技術含量都無法與虛仿軟件相比。那么虛仿軟件到底有哪些特征呢，根據94號文件精神，我們認為：第一從技術層面，虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術[8]，可以包含其他一些重要技術，這幾個技術是不可或缺的；第二是構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，可以在這個環境中開展實驗；第三是虛擬仿真實驗一定是為教學設計并實現的，它應滿足教學大綱的要求；第四是虛仿軟件功能強大、信息量大，交互性強；第五是虛仿能自動生成結果，可定量分析而不是定性瀏覽。

5 自研原創性虛仿軟件與商品化工具軟件的關系

虛仿軟件可分為自研的原創性虛仿軟件與商品化工具軟件。當前主流的工具軟件多是國外大公司的商品化軟件，例如電工電子領域的EDA軟件有：電路板設計軟件Protel 99、電子系統仿真Proteus[9]；船舶與海洋工程領域有：Tribon船體三維建模軟件、Fluent船體建模與流體力學分析計算軟件、AutoCAD船體制圖繪制軟件等。

近年來，許多高校自行開發或校企合作共同開發了具有自主知識產權的軟件，例如交通運輸類的專業紛紛推出船舶、汽車、飛機操控模擬器、高速鐵路綜合調度指揮仿真系統、城市交通信號與控制系統[10]等。還有一種情況就是對引進商業軟件進行二次開發，以適應本校的教學要求。在教學實踐中，應采取自研軟件和商業軟件相結合的原則，不能為了擁有自主研發的虛擬仿真軟件，再次開發市場上已有的成熟軟件，也不能為了申報工作大批量的購買商業軟件。

6 學校與企業的關系

在94號文件中提及的“探索校企共建共管的新模式和新途徑”和“積極利用企業的開發實力和支持服務能力”；虛仿中心申請書將“合作企業的概況和參與程度”作為申報條目，成為必答題；遴選要求列出“校企共建共管的合作模式、途徑和成果”、“有企業背景的人員參與教學中心建設”2條評價標準，充分體現了教育部對校企合作的重視，同時也指明了虛仿中心今后開展校企合作的方向。

較為理想的校企合作是將資源的開發，維護、更新、支持、服務等合理地交給企業承擔，將企業的效益觀念和高校的教學需要結合在一起，這種機制需要作進一步的探索。我校船海虛仿中心開發的“虛擬船廠”軟件，就是以國內某造船廠為原型，“船舶查詢服務系統”則是收集完整的船型資料300余項，港口與碼頭工程資料近百項的第一手資料。這些都是校企合作的結晶，顯然，沒有企業的協助，這些工作是無法完成的。

7 資源共享與有償服務的關系

由于虛仿軟件在網絡上運行，為資源共享提供了最好的條件。94號文件中20字的指導思想“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”，就有“共享資源”4字，另有兩處提及“共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源”和“實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享，滿足多地區、多學校和多學科專業的虛擬仿真實驗教學的需求。”申請書設有2個必答欄目：“目前教學資源共享的范圍和效果”和“進一步實現共享的計劃與安排”。

在遴選要求中，有對“用戶身份管理、認證和計費管理系統”的要求，可見教育部并不是簡單鼓勵大家做“無償服務”，而是鼓勵建立一種成本核算機制。我們認為優質的虛擬仿真實驗教學資源要方便大家選擇使用，用戶支付相應的費用，補償成果開發的支出和服務的支出，同時產生合理的利潤，這樣才能形成良性循環，產生良好的經濟效益和社會效益，從而使虛擬仿真實驗教學資源建得更好。

具有自主知識產權的軟件有償服務合情合理，也是資源共享的新思路。但是如何收費和結算，收費的標準是什么，誰來制定，這是問題的難點。此外資源共享不僅僅是收費問題，還涉及到諸多問題，如共享網站是建立國家級、還是區域性的，還是以各自的學校網站作為共享平臺對外開放；再如有的軟件須有模擬器配合方可使用，而使用方不具備這樣的條件怎么解決；對于數據量大的虛仿軟件，在網上運行尚存在技術障礙，程序運行環境不支持流數據傳輸，程序內容的授權難以控制，互聯網的帶寬限制了程序的動態加載運行。這些都將為資源共享的瓶頸，需要專題解決。

8 虛仿資源網上運行與網絡安全的關系

國家級虛仿中心遴選要求對網絡安全提出的評價標準是：“實現網絡的安全運行、管理和維護；具有網絡防病毒、信息過濾和入侵檢測功能。”由于虛仿教學資源網上運行，必然存在網絡安全，這是一對矛盾體。目前虛仿軟件都是在自己的網站上運行，網絡安全就得靠自己解決，這里涉及到專門的技術問題，每個高校解決的途徑也各不相同[11-12]。這些防范措施存在不嚴密、技術含量低等問題。通常各學校虛仿資源在校園網內運行，網絡安全性相對較高，但校外人員又無法訪問，影響資源的共享。為了實現資源共享，可以構筑某些共享平臺，如教育部能夠提供一個平臺，所有國家級虛仿中心的資源都放到這個平臺上，不但可以提高共享率，也可以解決各高校的網絡安全的后顧之憂。

[1] 教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].教高司函〔2013〕94號文件,2013.

[2] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作領導小組辦公室.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)[Z].2010.

[3] 教育部.教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)[Z].2012.

[4] 教育部.教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[Z].2012.

[5] 李平，毛昌杰，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.

[6] 馮峰，孫聰，曲先強.船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展[J].實驗技術與管理，2014，31(2)：11-14.

[7] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學虛擬仿真實驗教學中心的建設 [J].實驗技術與管理，2014，31(1)：5-8.

[8] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32(12)：5-8.

[9] 陳知紅，王錦蘭.Proteus仿真軟件在電工學中的應用[J].實驗技術與管理，2014，31(2)：93-95.

[10] 沈雅婕.VISSIM仿真系統在交通信號控制教學中的使用[J].實驗技術與管理，2014，31(2)：89-92.

[11] 榮彥，賀惠萍，林夢華，等.基于Authorware的灰鴿子木馬實驗仿真軟件的設計與實現[J].實驗技術與管理，2014，31(1)：94-96.

[12] 田園，惠煌，李明楚.網絡安全協議仿真實驗教學平臺設計與應用[J].實驗技術與管理,2013,30(11):166-168.