遠程虛擬仿真實驗教學中心建設

王開宇, 程春雨, 金明錄

(大連理工大學 電子信息與電氣工程學部, 遼寧 大連 116023)

虛擬仿真實驗教學中心建設

遠程虛擬仿真實驗教學中心建設

王開宇, 程春雨, 金明錄

(大連理工大學 電子信息與電氣工程學部, 遼寧 大連 116023)

在國家信息化發展戰略的背景下,在跨國際的遠程優質實驗教學資源共享的基礎上,探討高危、高成本實驗項目的虛擬化建設,以及實驗教學大綱和教學模式的改革。依托國家級實驗教學示范中心優秀實驗教學團隊,組建了一支遠程虛擬仿真實驗教學研發團隊和管理團隊,使得遠程虛擬仿真實驗教學的建設得到保障,為后續遠程虛擬仿真實驗教學體系的完善提供了有利的建設經驗和支撐。

遠程實驗教學； 虛擬仿真； 教育信息化； 資源共享

黨中央和國務院高度重視教育信息化工作,2012年3月13日,教育部印發的《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》(教技[2012]5號)從頂層設計入手,站在宏觀的戰略高度提出了建設有中國特色的教育信息化體系,創建優質教育資源共享的信息化學習環境,并提出建設學習型社會的信息化支撐服務體系的中長期發展目標、任務和措施[1]。信息技術的飛速發展對教育信息化具有革命性的影響。教育信息化是教育現代化的核心,是信息時代教育改革的必然結果[2]。在國家信息化發展戰略指導下,信息技術在教育領域的廣泛應用推動了教育信息化的發展,使高校在教育理念、教學模式、教學方法和學習途徑等方面發生了根本性的變革[3],有效地提高了高校實驗教學水平。

1 建設意義

高校虛擬仿真實驗教學中心的建設是教育信息化建設的重要組成部分[4],是高校廣泛開展網絡實驗教學的基礎和前提,是高校向社會開放優質網絡共享實驗教學資源的有力保障。在信息技術日趨完善的今天,信息化建設已經滲透到各個領域；遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設順應了教育信息化建設的要求,滿足了人們渴望享有高校優質虛擬仿真實驗教學資源的需要,必將對教學質量的提高和實驗教學改革的深化產生積極而深遠的影響。

遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設應該綜合應用虛擬現實技術、多媒體技術、人機交互技術、數據庫管理以及網絡通信技術等[5]；通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象,使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展直觀、高效、安全、可靠的虛擬仿真實驗,從而達到真實實驗無法完成或難以實現的教學效果。相對于真實實驗,對于那些涉及高危或極端環境,不可及或不可逆的實驗操作,以及高成本或高消耗的大型或綜合性實驗項目,虛擬仿真實驗具有明顯優勢[6]。

2 建設原則與目標

遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則,以實現真實實驗不具備或難以完成的教學效果[7]。同時,遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設還應以建立和完善優質實驗教學資源網絡共享機制為核心,以信息化實驗教學資源建設為重點,提升高校實驗教學質量,實現全面提升學習者的實踐能力和創新能力。

在遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設過程中,應注重真實實驗與虛擬實驗之間的關系對比研究,精心設計真實實驗難以實現的實驗項目,充分做到虛擬實驗與真實實驗之間可以形成的良好互補,構建科學、合理、層次化、信息化的虛擬仿真實驗教學體系。

遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設是一項具有長期性、延續性、可持續發展的系統工程,中心在邊建設、邊使用、邊改進、邊提升的發展過程中設定了以下目標:

(1) 完善已有虛擬實驗和遠程實驗教學資源,實現面向校內外開放,為每個正式注冊的學生提供長期網絡虛擬仿真實驗自主學習空間；

(2) 加強與周邊院校和邊遠地區高校間的合作,建立校際間的遠程虛擬仿真實驗教學平臺,充分發揮各自的特長,拓展優質實驗教學資源；

(3) 組織區域性或全國性網絡虛擬仿真實驗技能競賽,充分挖掘虛擬仿真實驗的優勢；

(4) 組織開展國際交流,開發英文版虛擬仿真實驗軟件,擴大國際影響；

(5) 積極開展網絡技術交流,建立論壇,帶動其他高校共同發展；

(6) 定期舉辦電工電子遠程虛擬仿真實驗在教學中的應用交流會,促進教學改革的深入發展,充分挖掘虛擬仿真實驗在人才培養中的作用。

3 建設過程

為了能夠給學生提供靈活、方便的實驗教學資源,早在2004年,大連理工大學的實驗教學中心(以下簡稱“中心”)就已經開始著手電子類課程的網絡教學建設工作和部分虛擬仿真實驗項目的開發,完成了數字電路與系統的視頻開放實驗課程設計的建設和數字電路與系統部分虛擬仿真實驗項目的設計,滿足了學生對數字電路實驗預習的需求。

2005年,中心作為首批參與國際開放性教育資源本土化工作的單位,與美國麻省理工學院(MIT)建立了聯系,就虛擬仿真實驗項目的設計以及遠程虛擬實驗室建設等問題展開了深入的交流與探討,并達成了進一步合作的意向。在此基礎上,中心自主建立了iLab遠程實驗室,完成了與MIT遠程實驗系統的接入。借助于網絡技術,在校園內,學生可以遠程操作MIT遠程實驗設備,實現了跨國際的遠程優質實驗教學資源的共享。

2013年8月,教育部下發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》,中心迅速做出響應,立即啟動了遠程虛擬仿真實驗教學中心的建設工作,現已初見成效。

在2年多的建設過程中,中心始終遵循“虛實結合、能實不虛、資源共享、持續發展”的指導思想,并啟動了遠程虛擬仿真實驗教學管理系統與已有實驗教學管理系統的對接工作,充分做到邊建設、邊使用、邊完善的良好對接。

擬建成的虛擬仿真實驗項目有:樓宇供配電系統設計實驗、重癥監護虛擬仿真監控系統設計實驗、空調系統設計實驗、樓宇供水系統設計實驗、火災報警系統設計實驗、智能馬桶蓋控制系統設計實驗、晶體管極限參數測試實驗、大功率無限電能傳輸實驗、自動控制飲料罐裝生產流水線控制設計實驗、機械手控制系統設計實驗、典型機床電氣控制實驗、智能家居控制系統設計實驗等特殊環境或常規條件下難以完成的、貼近實際應用的實驗項目。

已經設計完成的高度仿真的虛擬實驗教學環境如圖1所示。

圖1 實驗室3D虛擬場景圖

虛實結合的三相電路虛擬實驗對象如圖2所示。

圖2 三相電路虛擬實驗對象

虛擬仿真實驗教學資源是為本科實驗教學服務而設計的,根據學校本科培養方案要求,所設計的虛擬仿真實驗教學項目必須滿足學校教學大綱的要求[8]。在新一輪虛擬仿真實驗項目建設啟動之初,中心統籌整理了已有實驗教學資源[9],根據教學大綱要求,將虛擬實驗項目與真實實驗有機地結合在一起,構建出遠程虛擬仿真實驗與遠程真實實驗相結合教學平臺框架,實現了立體互補的遠程虛擬仿真實驗與遠程真實實驗相結合的實驗教學模式,保證了遠程虛擬仿真實驗教學體系的完整性,為共享高校優質實驗教學資源做好充分的鋪墊。

虛擬仿真實驗項目的建設重點應放在設計一些涉及高危條件或極端環境、不可及或不可逆的實驗操作,以及高成本、高消耗、大型課題或綜合訓練等真實實驗難以完成的實驗項目,給學習者開辟出更多、更可靠、更方便靈活的實驗訓練空間。

虛擬仿真實驗教學中心建設的最重要的技術特征是運用信息化技術,即運用虛擬現實技術、多媒體和視頻通信技術、人機交互和控制技術、數據庫和網絡通信技術等[10],實現遠程訪問和可視功能,以保證遠程虛擬仿真實驗教學不受時空和地域的限制,學生可以在同一時刻進入同一個實驗室，互不干擾地進行相同的實驗項目,從而保證學習者在選擇的網絡連接的計算機終端上,完成自己選定的直觀生動、安全可靠、情境可重復再現的虛擬仿真實驗項目。充分做到了教學資源開放、教學內容開放、教學形式開放、上課時間和上課地點開放、授課對象開放,為共享高校優質實驗教學資源奠定了基礎。

虛擬仿真實驗教學管理系統和共享平臺的建設為共享高校優質實驗教學資源提供了有力保障[11]。中心自主開發的虛實結合的遠程實驗教學管理系統已完成了與已有實驗教學管理系統的良好對接。該實驗教學管理系統不僅能夠完成日常實驗教學管理,同時還可以完成虛擬仿真實驗教學平臺的共享管理。平臺通過開放優質虛擬仿真實驗教學資源,使學習者有機會可以享有高校優質實驗教學資源的同時,也使高校教師的教學理念和教學能力得到提升,有效地提高了實驗教學水平。

借助于信息化的管理手段,可以保證虛擬仿真實驗教學資源社會共享、優質實驗教學資源跨校際共享和跨國際互訪。跨國際的虛實結合的遠程虛擬仿真實驗教學系統的建成,正是這種國際化的虛實結合的遠程虛擬仿真實驗教學模式的具體應用與體現。不僅提升了學生的實踐能力、帶動了學生理論課程的學習,形成了良好的理論聯系實際、學以致用、用以致深的學習氛圍,而且也推動了學校雙語教學的開展,擴大了學生的國際視野,提升了學生英語應用能力。優質實驗教學資源跨國際間的互訪也加強了學校與國際高校之間的合作與溝通。

中心非常注重一線教師、實驗技術人員、專業研發團隊和企業工程師相結合的團隊建設。秉承團隊統一調度、協同管理、共同開發虛擬仿真實驗教學項目和管理系統的理念,構建全方位、多層次的校企合作實踐教學體系,提高了實驗教學質量。

中心以一線教師為主導,將實驗教學資源的開發、維護、更新與教學活動的管理與評價剝離出來；專業開發人員和一線教師各負其責,以保證為在校學生和社會學習人員提供更優質的服務。在校企合作的運行模式下,中心占據主導地位,企業根據學校的教學需求提供產品和服務。依托于國家級實驗教學示范中心、省級電工學優秀教學團隊和強大的學科隊伍,虛擬仿真實驗教學管理團隊的建設得到了保障,現已組建了一支強有力的遠程虛擬仿真實驗教學資源研發團隊和管理團隊,為后續遠程虛擬仿真實驗教學體系的建設提供了有利的保障。

4 應用效果

虛擬仿真實驗教學中心建設工作以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨,以保證共享優質實驗教學資源為核心,以建設信息化實驗教學資源為重點,極大地推動了實驗教學信息化建設和實驗教學資源的開放共享,推動了高校實驗教學的改革與創新[12]。大連理工大學的虛擬仿真實驗教學中心建設的應用效果如下:

(1) 面向學校多學科專業。中心所研制的虛實結合的遠程虛擬仿真實驗教學系統是我校機械類、物理學類、化工與制藥類、環境科學與工程類、電氣信息類等52個學科專業的公共平臺,是這些專業學生共享的實驗教學資源。學生通過平臺上各類實驗項目學習過程,在掌握相關知識的同時,能夠領略國際一流高校的教學理念,擴展了他們的國際視野。

(2) 面向國內同行。電工電子實驗中心是國家級實驗教學示范中心,每年接待國內10余所高校同行的來校交流。通過交流,中心的虛實結合的遠程虛擬仿真實驗教學模式得到了認可。同時,中心的建設經驗多次在相關的國際、國內教育年會上做了主題發言,建設成果得到高度評價。

(3) 面向繼續教育學院、城市學院。中心所研制的虛實結合的遠程虛擬仿真實驗教學系統已經向我校繼續教育學院、城市學院相關專業開放,每年有大約700名學生利用虛實結合的遠程實驗教學平臺完成實驗。

(4) 國際合作。中心開發的虛實結合的遠程虛擬仿真實驗教學平臺不僅面向國內高校開放,而且在MIT也可以訪問到該實驗平臺上開展的實驗活動。

在互聯網日益盛行的大環境下,遠程虛擬仿真實驗教學中心的使用必將給高校的教育模式、教學方法和學習方式帶來深刻變革。

References)

[1] 教育部.教育信息化十年發展規劃( 2011-2020年): 教技[2012]5號[Z].2012.

[2] 教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[N].人民日報,2010-03-01(5).

[3] 田婧,羅通,羅華鋒,等.新建本科院校虛擬仿真實驗室的建設及教學[J].實驗科學與技術,2015,13(6):119-222.

[4] 沈建華,李飛,程崇虎,等.通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗室研究與探索,2015,34(1):161-164.

[5] 吳涓,孫岳民,雷威,等. 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[J].實驗技術與管理,2014,31(10):5-9.

[6] 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.

[7] 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[Z].2013.

[8] 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.

[9] 周洪,劉超,何珊,等. 電力生產過程虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(8): 1-4, 8.

[10] 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.

[11] 王森.實驗教學示范中心資源共享機制的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(1): 134-136.

[12] 徐進. 2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014,33(8): 1-5.

Construction on long-distance virtual simulation experimental teaching center

Wang Kaiyu, Cheng Chunyu, Jin Minglu

(Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Under the background of the national informationization development strategy, and based on the sharing of the international long-distance and high quality experimental teaching resources, the exploration is conducted on the virtualization construction for the experimental projects with high risk and high cost, and the reform of experimental teaching syllabus and teaching mode. Relying on the excellent experimental teaching staff at the National Experimental Teaching Demonstration Center, the research and development team, and the management team for the long-distance virtual simulation experimental teaching are built up so as to guarantee the construction of the long-distance virtual simulation experimental teaching and provide the favorable construction experience and support for perfecting the future long-distance virtual simulation experimental teaching system.

long-distance experimental teaching; virtual simulation; education informationization; resource sharing

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.061

2016-05-13

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DUT16QY32)

王開宇(1973—),男,遼寧大連,在職博士生,副教授,主要研究方向為虛擬實驗室研發、嵌入式設計.

E-mail：wkaiyu@dlut.edu.cn

G451

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: 1002-4956(2016)12-0242-04