國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展

王衛國， 胡今鴻， 劉 宏

(1． 海軍工程大學 訓練部， 湖北 武漢 430033；2． 哈爾濱工程大學 實驗室與資產管理處， 黑龍江 哈爾濱 150001；3. 空軍工程大學 理學院， 陜西 西安 710051)

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·國外實驗室·

國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展

王衛國1， 胡今鴻2， 劉 宏3

(1． 海軍工程大學 訓練部， 湖北 武漢 430033；2． 哈爾濱工程大學 實驗室與資產管理處， 黑龍江 哈爾濱 150001；3. 空軍工程大學 理學院， 陜西 西安 710051)

介紹了支撐虛擬仿真實驗教學的主要信息技術，歸納總結了國外高校虛擬仿真實驗教學的類別、形式、特點以及實踐案例，分析了國外高校以信息技術推動實驗教學改革的發展趨勢，指出了一些值得關注的新動向。

虛擬仿真； 實驗教學； 信息技術； 實踐案例； 發展動向

0 引 言

以信息技術應用為本質特征的虛擬仿真實驗教學，適應了信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了先進手段、開放平臺和優質資源，在提高人才培養質量的同時，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力。當前，虛擬仿真實驗教學中心建設受到高校的高度重視，其發展也面臨著一些新問題和新挑戰。為此，結合虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制課題研究，通過對網絡搜集、資料收集和文獻檢索獲取的大量資料和信息的研究分析，歸納總結了支撐虛擬仿真實驗教學的主要信息技術、國外高校虛擬仿真實驗教學的現狀和特點以及以信息技術推動實驗教學改革的動向與趨勢，或許能夠從中得到一些啟發和借鑒。

1 支撐虛擬仿真實驗教學的主要信息技術

1.1 對虛擬仿真實驗教學產生重要影響的信息技術

美國新媒體聯盟(NMC，New Media Consortium)主導的“地平線研究項目”始于2002 年，主要目的是預測和描述對教育教學產生重要影響的新興、主流和最有前景的教育信息化技術及其發展趨勢，其按年度、分系列發布的《國際教育信息化地平線報告》被視為教育信息化建設與發展的風向標，備受世界各國教育界的關注。該報告按照技術演進成為普及應用的主流技術所需要的時間，分近期、中期、遠期3個階段提出了5年內對教學、學習和創造性探究產生重要推動作用的6項主流應用的信息技術(見表1)。同時，對消費者技術、數字化策略、互聯網技術、學習技術、社交媒體技術、可視化技術、使能技術這7大類新興信息技術的發展給與了持續關注[1-5]。綜合美國新媒體聯盟近年來對新興、主流信息技術的預測、描述和發展實際，將對虛擬仿真實驗教學產生重要影響且已經或行將應用的主流信息技術歸類如下(見表2)。

表1 近年來美國新媒體聯盟預測和描述的新興和主流信息技術

表2 對虛擬仿真實驗教學產生重要影響的信息技術

1.2 虛擬仿真實驗教學主流應用的信息技術

基于虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等技術的重要特征，匯總國外高校相關領域教學應用的文獻、資料和網絡信息，目前在虛擬仿真實驗教學中得到較多應用的信息技術，主要有以下10種。

(1) 多媒體技術。利用計算機對文本、圖形、圖像、動畫、聲音、視頻等多種媒體信息進行綜合處理，構建生動逼真的二維和三維場景。同時，通過建立邏輯關系和人機交互作用，使計算機具有交互展示不同媒體形態的能力，并通過圖形交互界面、窗口交互操作實現人與計算機之間的信息輸入與輸出。基于交互式多媒體技術的虛擬仿真實驗教學，具有形象、生動、直觀、高效的特點，常用于進行理論教學、原理演示以及輔助操作訓練。

(2) 人機交互技術。通指借助計算機輸入與輸出設備，以有效方式實現人與計算機對話的技術。就虛擬仿真實驗教學而言，較為典型的應用如：基于多媒體技術的觸摸式顯示屏實現的“桌面”計算機、3D立體空間顯示器、3D/4D打印機等。此外，還有智能手機中的地理空間跟蹤技術；應用于可穿戴計算機、沉浸式游戲中的動作識別技術；應用于虛擬現實、遙控機器人以及遠程維修、醫療中的觸覺交互技術和基于腦電波的人機界面技術等。

(3) 可視化技術。應用計算機圖形學和圖像處理技術將大量數據以圖形或圖像的形式在屏幕上顯示(解釋)出來，進而使人們產生深刻和意想不到的洞察力，即可視化技術。可視化的主要過程是建模和渲染，前者將數據映射成物體的幾何圖元，后者則將幾何圖元描繪成圖形或圖像。可視化技術的應用大至核反應堆運行過程模擬、地震斷裂帶數據分析，小至股市行情預測、分子結構演示，無處不在。將可視化技術應用于虛擬仿真實驗教學，必將促進實驗教學方式、實驗方法發生根本性變革。

(4) 仿真技術。仿真技術以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用數學模型對實際的或設想的對象進行動態試驗、性能分析和綜合評估。基于仿真技術實現的“虛擬裝備”，采用全軟件仿真方法建立實際裝備的高精度數學模型，應用虛擬現實等技術構建逼真的運行環境，其主要特點：一是采用了虛擬的外殼和虛擬的環境，易于在多個計算機終端上進行教學；二是通過修改或更換仿真軟件，即可針對不同裝備和環境條件開展教學；三是與移動通信、網絡等技術結合，可便捷地實現遠程交互訓練和網上異地教學。

(5) 虛擬現實技術。綜合應用計算機三維圖形、圖像處理與顯示、傳感、人機交互等技術，為使用者提供一個觀察并與虛擬世界交互的多維人機界面，使之能夠直接參與、深入探索仿真對象在所處環境中的作用和變化，并產生沉浸感。應用虛擬現實技術構建的“虛擬現場”和“虛擬環境”，能夠使學生身臨其境地去“親身”經歷真實環境、操作過程和運行狀態的變化，達到前所未有的教學效果。

(6) 虛擬仿真技術。虛擬仿真技術是在多媒體、虛擬現實、人機交互、網絡、通信等技術不斷發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實等技術相結合而產生的更高層次的仿真技術，具有4個基本特性：一是沉浸性。使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，進而產生身臨其境的感受；二是交互性。不僅環境能夠作用于人，人也能夠以近乎自然的行為(如自身語言、肢體動作等)對環境進行控制，虛擬仿真系統還能夠對人的操作給與實時反應；三是虛幻性。即環境是虛擬仿真系統構建的；四是逼真性。虛擬環境給人的感覺與所模擬的客觀世界非常相像，當人以自然行為作用于虛擬環境時，所產生的反應也符合客觀世界的有關規律。

(7) 增強現實技術。作為在虛擬現實技術基礎上發展起來的一門新技術，也被稱之為混合現實(或現實增強，或擴展現實、擴張實境)。增強現實技術綜合應用多媒體、人機交互、三維建模與顯示、多傳感器信息集成、實時跟蹤與注冊、場景融合等技術，將計算機生成的虛擬物體、環境和系統信息實時疊加到真實場景中，采取透過式頭盔顯示系統和注冊系統(對用戶觀察點和計算機生成的虛擬物體的定位)相結合的形式，增強用戶對現實世界的感知和理解，進而獲得超越現實的感官體驗，具有真實世界與虛擬世界信息集成、實時交互性強、可在三維尺度空間中增添定位虛擬物體的特點[6,13]。

(8) 虛擬世界。虛擬世界是一個不同于現實世界且由人們應用計算機、互聯網、虛擬現實等技術創造的人工世界，其涵義可從狹義和廣義兩個層面來表述。簡言之，狹義的虛擬世界是一種“模擬的世界”，廣義的虛擬世界是一種動態的網絡社會生活空間。就教學應用而言，虛擬世界為教師和學生創建了一個“同一空間”，使學生產生集體上課的感覺，交流方式也與現實交往相差無幾，可有效縮短師生之間的時空距離[7]。

(9) 3D打印技術。3D 打印最初在航空航天、再生醫學、裝備制造與維修等領域得到應用并取得了快速發展，隨之衍生出了3D生物打印、金屬打印、納米顆粒、疊加打印等新技術，展現出十分廣闊的應用前景。3D打印技術為學生開辟了嶄新的學習空間，學習者通過設計、制作、展示等多種角色進入該學習空間，親歷學習過程的趣味性和生動性。此外，3D打印機可以將抽象的空間構思轉變為真實、立體的彩色模型，一些難以理解的空間概念和結構因被引入現實世界中而變得更加具體和直觀。通過直接參與和親身體驗，學生的思維能力、設計能力以及實踐能力得到了全面的提高。

(10) 遙現技術。隨著平板電腦、智能手機、無線網絡以及可視化等技術的快速發展，人們越來越多的進行遠程工作。然而，這種遠程工作方式還不能與真實的實驗室、辦公室以及會議現場氛圍相融合，缺乏直面交流和協同工作的自然感覺，易產生一種分隔兩地的疏離感。遙現技術綜合應用多媒體、虛擬現實、機器人、智能控制以及可視化等技術，通過創建真實的自然交互、實時顯現的現場環境，使遠在異地的參與者產生身臨其境的感覺，從而為遠程協同實驗和科研提供了有力支持[8]。

2 國外高校開展虛擬仿真實驗教學基本情況

2.1 國外高校虛擬仿真實驗教學的主要類別與形式

按照虛擬仿真實驗應用的主要技術、實驗方式、技術平臺、配套資源以及共享特征，對國外高校虛擬仿真實驗教學的主要類別和形式進行了簡要匯總(見表3)。

2.2 國外高校開展虛擬仿真實驗教學的實踐案例

英國開放大學開放科學實驗室建設的目標定位：① 成為研究和探索實驗教學改革的在線中心；② 提供對現場(異地)實驗數據進行真實、嚴格且科學的分析手段；③ 構建具有3D沉浸式環境，可支持遠程控制、虛擬儀器、交互式多媒體實驗以及在線分析與研究活動的實驗和研發平臺。目前，該實驗室已能夠在線實現所有的實驗室功能，學生即可下載虛擬儀器軟件進行在線實驗，也可以借助遙控儀器進行遠程控制實驗。此外，該實驗室還開設有一批應用網絡、虛擬現實等技術，可實現虛擬儀器共享使用的實驗項目。例如，應用于地球科學實驗研究的虛擬顯微鏡，可提供當前存放在世界各地博物館、大學、科研機構中的地球表面巖石材料和數百種英國本土巖石樣本，既避免了昂貴的顯微鏡、薄切片制備設施與設備的購置費，還可以作為開放共享的虛擬儀器使用。

作為“印度-美國高等教育領域校際創新”合作項目中的一項重要內容，美國20所頂尖大學利用印度甘露大學的遠程教育網絡，為印度幾百所高校的學生開設了計算機科學、信息與通信、生物技術、材料科學等網絡課程，并與印度高校開展網上合作研究和技術交流協作。在此基礎上，印度甘露大學相繼啟動了虛擬學習環境、網上聯合研究中心和在線實驗室(ONLINE LABS)等一批建設項目。

表3 國外高校虛擬仿真實驗教學的主要類別與基本形式

美國耶魯大學發揮移動實驗具有的即時性、參與性、情境性、泛在性、愉悅性優勢，采用平板電腦完成分子生物學、細胞生物學、發育生物學等課程實驗，教師通過iPad上的移動應用程序與學生分享從中心實驗室數字顯微鏡中獲取的數據和圖像等資源。通過將可遠程控制的數字顯微鏡與平板電腦連接，學生既可以對實驗數據進行記錄、分析和注解，也可以將獲取的實驗圖像存檔備用。澳大利亞雷德蘭茲大學利用平板電腦易攜帶、高分辨率顯示和觸摸屏的特點，以此替代笨重的實驗儀器、視頻設備和其他的昂貴工具開展野外實踐教學，拍攝和注解地形圖片資料，收集和分享巖石數據，快速獲取參考資料并對收集的數據進行記錄和分析。美國亞利桑那州立大學自2013年起，推行應用智能手機、平板電腦、教育類游戲軟件等技術的移動和在線學習，開展基于問題求解的實踐教學活動。

英國開放大學從2006年開始，應用基于互聯網的三維虛擬世界“第二人生”(Second Life)開展教學，通過構建一個與課堂平行且身臨其境的三維虛擬環境，使師生既能夠實時進行交互、完成學習任務和參與集體活動，也可以使教師通過虛擬世界與異地學生進行“面對面”的交流和輔導。美國明尼蘇達護理學院通過與行業協會和企業合作，聯合開發基于網絡的互動游戲，其目的是讓護理專業的學生能夠參與形同真實生活中的情景演練，進而提高實踐技能。西班牙馬德里IE商學院運用名為“唐寧街10號”的教育類游戲軟件開展教學，意在使學生學習和了解全球經濟政策的復雜性，站在更高層次進行思考，培養解決相關領域緊迫問題的實際能力。在運用這個游戲軟件的教學過程中，學生可以承擔英國首相的角色，并與保羅·克魯格曼、撒切爾夫人和米爾頓·弗里德曼等重要人物一起工作，擬定影響國民經濟福祉的有關協議。此外，學生還可以6人一組參與辯論，以確定最可行的政策，然后通過一輪全體投票后將其付諸實踐。

美國科羅拉多大學開設的PhET交互式虛擬仿真實驗，通過構建一個結構化的虛擬實驗室，為學生開展探究性學習提供實驗條件，并幫助學生研究、分析和探索物理世界中各種感興趣的問題。學生通過運行基于物理現象分析的交互式虛擬仿真軟件，在高度仿真的虛擬環境中，以個性化學習、自主式實驗的方式，啟迪創新思維，驗證所提出的實驗方案和技術構想。美國加州大學圣迭戈分校開發的StarCAVE虛擬現實系統，能夠展示公元前十世紀約旦堡壘的三維虛擬現實模型，學生利用手持式控制器，可步行穿越堡壘，旋轉物體或在上空進行鳥瞰觀測，每次需要一個月的時間來測試、記錄和分析虛擬空間的立體數據，并利用這些數據建立整個堡壘的仿真模型，以破解這一巨型堡壘的建筑和作用之謎。美國紐約大學利用自研的長達36米的高清晰度交互式多媒體顯示墻，應用可視化技術開展教學，將復雜的股市數據形象化，顯現出蜜蜂蜂擁而至采集花粉的動畫場面。

加拿大維多利亞大學建設了3D實驗室和人類學創客實驗室，配備了最新的3D掃描儀和打印機、動作傳感器以及激光切割機等高科技設備，其目的是培育和激勵學生的創新能力和探索精神。這些實驗室不僅提供有專門場所和各類工具，還允許學生操作和研究諸如化石、文物之類的易碎品(如經3D掃描、打印的古埃及花瓶)，并鼓勵創客們積極開展協作。新西蘭惠靈頓維多利亞大學建筑和設計學院建設了一個包括金屬制品和木工機械區域、一系列三維數字化制造和建模設備的3D模型車間，其目的是為學生提供專門的原型設計和制作空間，學習使用如3D打印機等高科技設備的方法，制定解決問題的實際方案，并提供創造性指導和咨詢。美國凱斯西儲大學新發明中心創建的Think[box]，為學生提供了一個充分發揮想象力、創新潛能并進行創造的空間。在這里，學生們可以使用3D打印機、激光切割機及各種工具進行原型設計和產品制作，實現他們有創意的新產品。

3 國外高校以信息技術推動實驗教學改革的新動向

3.1 加快新興信息技術在教育教學領域中的應用

以信息技術為主導的新一波教育技術的快速發展，有力促進了教育領域面貌極大改觀。目前，移動學習已成為教育必不可少的一個組成部分，學習分析、開放教育資源也在高校逐步得到應用，使之學生真正成為能動性頗高的學習主體，充分顯現出信息技術在推進教育現代化建設中的重要作用。表1、表2所列舉對虛擬仿真實驗教學產生重要影響的新興信息技術，諸如立體顯示、3D打印、增強現實、信息可視化、可穿戴技術等，推出伊始即在教育領域獲得了應用[1-3,9]。

3.2 整合教育資源于在線學習、混合式學習和協作學習之中

近年來的教育改革實踐表明，采用面對面教學、在線學習和混合式學習模式能夠有效克服傳統教學難以為學生提供更多合作學習機會的不足，既有利于發揮學習者的信息技能，使學生充分交流各自對探究主題和實驗項目的意見，也使教學內容更為豐富、生動、靈活且易于獲取。為鼓勵學生開展合作學習，提高解決實際問題的能力，目前國外許多高校正積極構建有利于同伴合作的在線學習環境、平臺和工具。例如，美國印第安納大學和普渡大學印第安納波利斯聯合分校的普通化學課、普渡大學和佛羅里達國際大學的生物學導論課都采取了同伴領導的團隊學習模式和工作坊協作方式，并將電子教材、交互式多媒體課件、虛擬仿真軟件、網絡實驗室以及視頻資料等整合于在線學習環境之中[1-2]。

3.3 基于信息網絡技術的教育教學由理論課程單一教學形態向理論與實踐教學相輔相成轉變

為克服在線教育和網絡課程缺乏實驗環節、學生實踐能力偏弱的不足，美國斯坦福大學、麻省理工學院、哥倫比亞大學、佐治亞理工學院等知名高校以及英國開放大學，相繼在一些網絡開放課程中增加了以虛擬實驗室為依托的實踐教學內容，并采用三種形式的實驗手段，即：基于手持式設備(平板電腦、智能手機、可穿戴計算機)的移動式交互實驗；基于虛擬世界、教育游戲軟件的個性化自主實驗；基于遙現技術的遠程交互協同實驗。目前，一些增添了實踐教學環節的網絡開放課程，已被納入“慕課”(MOOCs)三大主流機構之一的Coursera在線學習平臺[10]。

3.4 促使學生從以往的課程內容單一消費者向創造者和設計者轉變

近年來高等教育領域的一個新動向，就是創作、創新和創造逐漸成為主動學習、實踐教學的代名詞。就此而言，國外高校進行了一些值得關注的教育變革：一是以往沒有實驗室或缺乏實踐教學環節的大學院系，已將實踐教學作為課程和學位計劃的一個有機組成部分，并制定政策、完善條件以吸引更多的學生結合教學內容進行創新、創造和設計；二是積極構建有利于學生合作學習、自主實驗、協同探究的創新環境和物理空間，跨學科的創客空間(創客實驗室)和配備有傳統的手工制作工具、先進的數字化設備(如激光切割機、微控制器、3D打印機等)的開放實驗室數量迅速增加。英國普利茅斯藝術學院與歐洲一些主要的微觀裝配實驗室合作，開展以工作坊和實習形式的專業實驗教學，學生可使用這些實驗室內的3D打印機和掃描儀、數控銑床和機床、激光切割機等設備自由實驗并實現創意；三是將創客空間整合到實驗教學過程，并對本地創客開放教育資源。美國印第安納大學的“做中學”(Make-to-Learn)項目，旨在將制造者、教育工作者和研究者融為一體，共同探討DIY(Do It Yourself)如何促進學習并形成不同的學習風格。美國范德比爾特大學設立的“學生作為制造者”項目，要求學生結合尚未得到圓滿解決的問題，以自我導向為主、專家建議為輔、多學科專業學生組合的方式來開展創新探索，如要求生物專業的學生自行設計實驗，工程專業的學生創建有關項目的播客，英語系的學生利用課程博客中的多媒體來表述他們的觀點[1-2,17]。

3.5 重視和加強開放教育資源的建設、使用和維護

作為學習基礎設施中的一項重要元素，開放教育資源(OER)以多種形式存在且任何人都能夠免費從網絡上獲取，通常包括播客視頻、電子教材、數字圖書館、交互式多媒體課件、虛擬仿真軟件、網絡實驗室、教育類游戲以及課程等適合進行學習、教學和研究的資源。目前，開放教育資源的價值已得到全世界的認可，國外政府機構和高校對其建設、使用和維護給與了高度重視。一是修訂或重新制定有關評價和選擇教學資料的政策，將數字化資源建設納入其中；二是確保所建立的教育資源既要最新，也要滿足教學使用需求，更要符合已認可的內容通用性標準；三是加大投入、優先建設、統籌集力教育資源的設計、評價、鑒定和進一步開發工作；四是積極探索有利于教育資源建設、使用和維護的商業模式[1-3,12-13]。

3.6 建設具有完備數字化學習條件和虛擬實驗環境的未來教學實驗室

未來教室和實驗室是一個新興的研究領域，其特點是融合創新教育理念、先進科學技術、心理學、傳播學、人體工學以及空間構建理論，注重高度的交互性、開放性、啟發性和自然、靈活、安全、高效的人性化設計，進而為以學生為主體開展小組討論、探究實驗和研究性學習提供有力支撐。目前，一些發達國家對未來教室和實驗室的研究與應用較為成熟，產生了一批理念前瞻、技術先進、特點突出的建設成果，如：新加坡南洋理工大學的COTF、東京大學的KALS、德國伊爾默瑙工業大學的虛擬現實實驗室、美國明尼蘇達大學的主動學習樓，以及美國匹茲堡大學的可擴展協作學習空間(創新課堂)[3,15-16]。美國哈佛大學的一些教授還將創客空間引入教學過程，將教室轉變為學生可以進行探究和創造的開放式、啟發式環境，創客空間/實驗室已經取代了傳統的階梯教室[3]。

美國麻省理工學院為改革傳統的物理教學模式，增強學生對抽象概念的理解，自2000年起開始實施MIT TEAL(Technology Enabled Active Learning)計劃，其目的是以信息技術營造一個以學生為主體，激發主動學習興趣，彼此合作、高度互動、動手實作、虛擬實驗、過程可視的新穎教學環境，體現“教室就是實驗室”的理念。該教室空間布局為13張直徑約2公尺、可坐9名學生的圓桌，教師講臺位于教室中央，教室內配置有無線網絡、交互式多媒體設備、多屏投影/攝影系統、3D虛擬仿真實驗軟件、動態仿真實驗平臺、桌面實驗裝置、實驗器材以及個人實時反饋系統等。TEAL計劃要求采用三維動態顯示和二維模擬動畫進行教學，通過小組合作、實驗分析輔之計算機仿真呈現的方式，使學生形象、直觀地理解諸如電場、磁場等抽象概念并消化產生學習上困難的知識[16-18]。

4 結 語

信息技術的快速發展為虛擬實驗室、虛擬仿真實驗系統、協同實驗平臺、沉浸式實驗軟件以及開放教育資源的建設與應用提供了有力的支撐，促使實驗教學理念、模式、方法及手段發生了深刻的變革。考察和分析國外高校虛擬仿真實驗教學的建設理念、發展道路和實踐經驗，可以為我們推進實驗教學信息化建設提供有益的他山之石。

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[4] Horizon Report 2011年地平線報告[DB/OL]．百度文庫，http://wenku.baidu.com/.

[5] Horizon Report 2012年地平線報告[DB/OL]．百度文庫，http://wenku.baidu.com/.

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[18] 2013 MOOCs白皮書第二期．中國教育網絡，http://www.edu.cn/html/rd/MOOC2/.

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Current Situation and Development of Virtual Simulation Experimental Teaching of Overseas Universities

WANGWei-guo1，HUJin-hong2，LIUHong3

(1. Training Department Naval Engineering University， Wuhan 430033， China；2． Department of Laboratory and Asset Management，Harbin Engineering University， Harbin 150001， China；3． Faculty of science Air Force Engineering University， Xian 710051， China)

This paper introduced main information technology to support virtual simulation experimental teaching and made a generalization about the types and feature and practice cases of virtual simulation experimental teaching of overseas universities，analyzed, development trends of promoting experimental teaching reform based on information technology and point out noteworthy new trends．

virtual simulation； experimental teaching； information technology； practice case； development trend

2014-0-0

教育部項目“高等學校儀器設備和優質資源共享系統機制研究課題”(教高司函〔2014〕18號)

王衛國(1954-)，男，河北保定人，教授，全國高校實驗室工作研究會副理事長，主要研究方向為系統工程、模擬與仿真、實驗室建設與管理。

Tel.：027-65460247 13607138536； E-mail：hg43794wwg@163.com

TP 391；G 482

A

1006-7167(2015)05-0214-06