生態資源開發與利用虛擬仿真實驗教學中心的建設與探索

吳淑燕

（麗水學院工學院，浙江麗水323000）

生態資源開發與利用虛擬仿真實驗教學中心的建設與探索

吳淑燕

（麗水學院工學院，浙江麗水323000）

從中心建設的背景與思路入手，闡釋生態資源開發與利用虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性，并探討虛擬仿真實驗教學資源建設的內容、中心的特色與創新，擬為相關類型虛擬仿真實驗教學中心的建設提供借鑒。

生態資源開發與利用；虛擬仿真；實驗教學中心

虛擬仿真實驗教學是利用多媒體技術、網絡技術、虛擬現實VR與增強現實AR等相結合構建出模擬現實的仿真實驗環境[1]，提供給學生進行虛擬的實驗操作，實驗過程和方法高度接近真實環境和體驗，實驗結果準確有效，具有很高效率和安全性，達到甚至超過真實實驗的教學效果。特別在涉及高危險性或者極端條件，在現實中不可及或者過程不可逆的場景，以及實物實驗消耗高、成本高的實驗項目，開展虛擬仿真實驗教學擁有明顯的優勢。虛擬仿真實驗教學的發展將顛覆傳統的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段，具有十分深遠的意義[2-3]。建設與發展虛擬仿真實驗教學中心是高等教育信息化的重要組成部分，也是實驗教學示范中心建設的重要內容[4]。麗水學院結合地方產業發展的特點，以計算機省級實驗教學示范中心為核心，建立了生態資源開發與利用虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）。中心將相關學科專業的虛擬仿真實驗教學資源整合為校級大平臺，開設真實實驗不具備或難以完成的，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓練的虛擬仿真實驗。中心作為原有專業實驗室真實實驗的有益補充，并按照“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，構建了虛實結合的實驗教學體系，為全面提升人才培養質量起到很好的保障作用。

1 建設背景與思路

1.1 建設背景

麗水被譽為“浙江綠谷”，生態環境質量浙江省第一，有“中國生態第一市”之美譽[5]。麗水市相繼被授予“國家級生態示范區”“中國優秀生態旅游城市”“浙江省森林城市”等稱號，確立了“秀山麗水、養生福地、長壽之鄉”的區域定位，明確生態農業、生態工業、生態服務業“三次產業”協調發展，生態旅游業、養生(養老)業、文化創意產業“三大重點產業”特色發展[6]，以優化養生環境、發展養生經濟、弘揚養生文化為重點，因地制宜推進“綠水青山就是金山銀山”的生態體系建設。

在此背景下，2013年底麗水學院集聚全校優質實驗資源，建立了麗水學院生態資源開發與利用虛擬仿真實驗教學中心，中心充分體現各學科專業與生態產業發展的適應度，著力建設有鮮明生態特色的虛擬仿真實驗資源，與真實實驗相結合，實現真實實驗難以完成的教學功能，在信息化教學條件下，促進自主學習、探究學習、協作學習等實驗教學方法改革[7]。

中心以計算機省級實驗教學示范中心為核心，以龍泉青瓷浙江省2011協同創新中心、浙江省麗水中藥產業科技創新服務平臺、浙江麗水山區特色生物資源開發與利用協同創新中心等平臺為依托[8]，以計算機應用、生態學、區域經濟學等重點學科為支撐，輻射計算機科學與技術、數字媒體技術、視覺傳達設計、環境設計、土木工程、生態學、電子商務、旅游管理、康復與治療學等10多個專業，構建了全校性虛擬仿真實驗教學管理與共享統一平臺，形成了一批面向麗水生態產業的虛擬仿真實驗教學特色資源。

1.2 建設思路

中心深入研究麗水生態農業、生態工業、生態服務業“三次產業”本質內涵，服務當地生態旅游業、養生養老業、文化創意產業“三大重點產業”發展需求，引導學校各學科專業人才培養目標、實驗教學改革、創新能力培養與生態產業緊密契合，以生態旅游資源、生態文化資源、生態養生資源、生態建筑資源為核心，整合和構建了具有鮮明生態特色的優質虛擬仿真教學資源[9]。組建跨學院、跨學科虛擬仿真實驗教學團隊，構建了“1中心、1平臺、4主題、8模塊”的虛擬仿真實驗教學體系（如圖1所示）。

圖1 虛擬仿真實驗教學體系

“1中心”是指計算機省級實驗教學示范中心，依托示范中心的全校計算機微機資源共享大平臺，依托示范中心建設完成的網絡仿真實驗室、虛擬現實實驗室、動作捕捉實驗室、增強現實實驗室、三維交互實驗室、3D音視頻實驗室的虛擬現實、人機交互、多媒體和網絡通訊方面的國際先進儀器設備，開展儀器共享、軟件共享及遠程控制等虛擬仿真實驗。

“1平臺”是指全校性的開放式虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺。平臺具備一體化的教學過程管理，同時支持“虛擬實驗+真實實驗”的融合教學模式。學生在平臺智能化指導下可進行驗證性實驗，并可利用平臺提供的虛擬化設備和實驗器材自主設計實驗，系統有提交、自動批改實驗報告并對實驗成績進行分析等功能。系統很好地完成了學校已購置實驗軟件的統一接入和學生在平臺下統一進行實驗學習的目的，通過各系統之間的緊密對接，達到完整的實驗效果[10]。同時整合中心現有的虛擬化云服務公共支撐平臺、高性能計算平臺和一站式云教學平臺，通過授權下載、遠程控制、網絡提交等方式，將中心應用軟件共享虛擬實驗、網絡共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等資源進行共享，滿足校內外、本地區及更廣大范圍內的實驗教學資源共享。

“4主題”“8模塊”是指對接麗水生態行業，相關學科專業在生態資源開發與利用方面開展虛擬仿真實驗的4個建設主題以及8大模塊，包括面向工學院數字媒體技術、商學院旅游管理等專業的生態旅游資源開發與管理主題，關注旅游資源開發仿真和旅游資源管理仿真；面向工學院工業設計、商學院電子商務等專業的生態文化資源設計與營銷主題，關注文化產品虛擬設計和文化產品電子商務營銷；面向教師教育學院體育教育、醫學院康復治療學等專業的生態養生資源管理與服務主題，關注運動健康監測仿真和養生護理康復仿真；面向工學院土木工程、生態學院園林等專業的生態建筑資源設計與管理主題，關注建筑施工工藝仿真和綠色建筑設計仿真。

2 建設的必要性

2.1 有效解決真實實驗不具備或難以完成的問題

中心面向的電子商務、土木工程、康復治療學等專業，對接生態產業，開設文化產品電子商務、綠色建筑設計仿真及養生運動康復等實驗項目，由于有些真實實驗不具備實驗條件，或受到操作程序及實驗復雜度等因素的影響與制約難以完成。而通過相關專業軟件和工具開展虛擬仿真實驗，可以構建高度仿真的實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，使學生掌握與市場需求相匹配的新技術，培養與崗位群職業能力相適應的實踐創新能力。

2.2 有效解決真實實驗運行成本高的問題

中心面向的旅游管理、視覺傳達設計等專業，對接生態產業，開設生態旅游旅行社、導游、計劃調度、酒店等虛擬管理，青瓷、石雕、寶劍造型虛擬設計等實驗項目，真實實驗需要投入大量時間、物質、環境等運行消耗成本，地方性本科院校辦學經費相對緊缺，導致相應實驗開出難度較大。而通過建立虛擬仿真實驗，極大地減少了設備、能源和物質方面的消耗，同時教師可以根據教學實際和專業技術的發展，隨時更新實驗內容并添加實驗項目；因此可以作為真實實驗的必要補充和前期重復性實踐。

2.3 有效解決自主探究型實驗實施的難題

由于真實實驗室受到各種條件限制，學生難以根據自己的興趣和特長設計相關的實驗進行探索，這在一定程度上影響了學生實踐創新能力的培養。而有了虛擬仿真實驗，學生則可以自由設計一些自主探究型實驗，驗證創造性思維，大大提升教學效果，培養學生的求知欲望和創新思維的發展。

2.4 有效解決優質資源共享的難題

各高校和企業優質資源由于各種條件的限制，共享程度較低，限制了社會效益和經濟效益的發揮。而虛擬仿真實驗中心的建立，可以整合各種優質資源，并通過建立共建共管共享新機制，使得學生不僅可以利用本校本專業的資源進行學習，同時還可以利用本校本專業不具備或不可能有的資源進行學習，有效地提高了資源的利用率，發揮了優勢資源應有的社會效益和經濟效益。

3 建設內容

3.1 生態旅游資源開發與管理主題

生態旅游資源開發與管理類教學包括景區開發、旅游管理等內容，傳統的實驗教學方式主要以文字、圖片、視頻資料教學為主，學生僅憑想象進行知識建構，外出參觀見習機會少，與真實的旅游管理業務銜接度差。因此，這部分實驗利用中心車載LadyBug5全景系統、720度全景視覺系統、3D攝像機等先進設備，采集獲取真實景區數據，利用專業軟件完成虛擬景區漫游并通過三通道立體環幕虛擬現實系統進行展示。學生在虛擬景區中完成導游業務、旅行社業務、酒店業務、計劃調度業務等旅游管理業務的協同實訓、自主學習、在線考試等，將最新三維虛擬、3D視頻、全景成像等先進系統引入教學，快速幫助學生建立起一個較完整的景區空間概念，增強教和學的沉浸感。

3.2 生態文化資源設計與營銷主題

生態文化資源設計與營銷教學涵蓋了地方特色文化產品、旅游紀念品設計和營銷等內容。青瓷、石雕等文化產品開發，要經過效果圖設計、成型、燒成、營銷等多個步驟，整個過程時間周期較長，在原材料及人力課時上都有較大的消耗，生產操作過程的不可逆、學生工藝技術的不成熟，往往使得產品達不到預期的效果。另一方面，在產品營銷過程中受到網絡平臺權限限制、交易環節多樣化等原因，往往難以完成完整的實驗過程，限制了學生的自主探索性研究。所以，與此相配套的虛擬仿真實驗教學內容，關鍵在于應用三維虛擬仿真技術去輔助創意設計，使不同設計條件下的產品效果得以實時展現，讓學生對各種設計要點間的關系有直觀的了解，進而深刻理解設計原理，扎實掌握數字化的設計技能。同時構建移動電子商務和網絡電子商務全過程仿真的虛擬營銷平臺，創造虛擬的實戰機會，使學生由原先被動的學習者轉換為主導者，掌握相關的實踐技能、熟悉操作規則，增強了實際工作能力，提高了創新素養和創業意識。

3.3 生態養生資源管理與服務主題

生態養生資源管理與服務類教學包括人體運動分析、康復輔助、解剖結構等內容，傳統教學方式主要憑經驗教學，缺乏實驗數據支持，或者耗工耗料、實驗資源來源緊張，導致實驗教學效果欠佳。

因而相關的虛擬仿真實驗主要采用了數字化仿真模式，利用運動捕捉、數據手套等專業設備采集并分析人體運動數據，為體育運動和運動康復提供輔助決策。同時引進可視化虛擬人體結構工程專業實驗平臺，利用三維可視化技術構建了高度仿真的實驗對象，節省教學投入的同時，也很好地培養了學生的綜合實踐能力。

3.4 生態建筑資源設計與管理主題

生態建筑資源設計與管理類教學涉及建筑施工工藝、綠色建筑設計等內容。建筑工程施工是一項復雜工作，其施工方法和組織程序都存在多樣性、多變性，以往依靠施工經驗教學，無法開展定量分析，很多實驗結果都是不可及、不可逆，更無法實現全過程實踐。

近年來隨著科技的發展，建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）在建筑工程中廣泛應用，支持建筑工程的集成管理環境，起到了提高效率、減少風險、縮短工期、降低成本的顯著作用。

先進智能的信息化手段逐漸改變了建筑企業的運行方式，同時影響到建筑工程設計與管理人員的培養模式，傳統的教學模式已經很難滿足現代教育的需求。在此背景下，中心著力設計并開發出相應的虛擬仿真實驗，通過數字化技術的應用，使建筑工程與產業實際的距離得以縮短。

4 特色與創新

4.1體制創新——集聚學校優質資源，構建了校級綜合性虛擬仿真實驗教學中心

學校2010年開始實驗資源優化整合，構建了全校性的計算機資源共享大平臺，不再單獨設置以微機為主的專業實驗室。大平臺現有微機1 400余套，年平均實驗人時數超過50萬。2013年，作為計算機資源共享大平臺的功能拓展和內涵延伸，系統整合學校虛擬仿真實驗教學資源，構建了全校統一開放的綜合性虛擬仿真實驗教學中心，中心面向全校10多個本科專業開展虛擬仿真實驗教學。教育教學體制的改革、教育教學組織形式和管理模式的創新具有獨創性和鮮明特色。

4.2生態特色——對接麗水生態產業，構建了學科專業特色實驗教學資源

學校以服務浙江山區、助推地方發展為己任，扎實開展欠發達地區薄弱本科院校綜合改革實踐，各學科專業以服務麗水綠色生態發展為導向，面向生態資源開發與利用方向開展應用技術型人才培養。中心與各學科專業人才培養目標定位相適應，與各學科專業真實實驗環境相結合，突出強調生態特色，挖掘生態資源內涵，初步構建了獨具特色的虛擬仿真實驗教學資源。

4.3高度仿真——利用中心先進設備，構建了高度仿真虛擬實驗環境和實驗對象

中心近5年投入1 500余萬元建設虛擬現實、人機交互和網絡仿真平臺，擁有三通道立體環幕、VICON動作捕捉鏡頭、AMTI測力臺、Freeform反饋虛擬雕刻、Leap motion手勢識別、5DT數據手套、ladybug5全景攝像機、HandySCAN 3D掃描儀、Sony 3D攝像機、360全息成像等先進虛擬現實設備，實驗平臺得到國內外專家的高度認可，被評價為“出乎意料，令人驚嘆，最齊備、最先進的高校虛擬現實環境”。利用本平臺購置及自主研發了虛擬漫游、虛擬雕刻、虛擬裝配、全息展示、全景掃描、3D虛擬演播、三維重建、動作捕捉、手勢識別等一系列3D高仿真虛擬實驗，構建了高度仿真虛擬實驗環境和實驗對象。

4.4充分共享——注重實驗教學信息化，構建了實驗教學資源管理和共享平臺

中心高度重視實驗教學信息化，建立了虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺。平臺支持“虛擬實驗+真實實驗”融合的教學模式并提供一體化的信息化教學過程管理，還可以利用系統提供的虛擬實驗儀器設備完成自主設計實驗。同時利用中心虛擬化云服務公共支撐平臺（遠程控制實驗）、高性能計算平臺（遠程分析實驗）和一站式云教學平臺（軟件共享實驗），通過遠程認證控制、授權共享下載、網絡遠程提交等方式，探索了校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享機制，構建可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。

5 結語

綜上所述，中心集合全校優質虛擬仿真實驗教學資源，構建了一個全校綜合性虛擬仿真實驗教學中心，緊密契合當地產業發展戰略，以應用技術型人才培養模式改革促進實驗項目及內容創新，以產學研合作項目促進實驗教學與產業緊密接軌，已成為學生實踐能力培養和創新創業活動基地，學生實踐及創新創業能力明顯提高，受到社會和企業的廣泛好評。

［1］崔媛，武艷君，孫萌萌，等.依托虛擬仿真實驗教學中心培養工程實踐能力的探索［J］.實驗科學與技術，2015（2）:144

［2］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（12）:6.

［3］周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐［J］.計算機教育，2015（9）:5.

［4］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（13）：6.

［5］吳夏芝.麗水生態觀光農業發展現狀與對策研究［J］.中國科技縱橫，2016（3）：9.

［6］王永康.打造“生態保護與生態經濟”雙示范區［J］.今日浙江，2015（6）：24.

［7］孫燕，顧蔚.虛實結合的實驗教學新體系在現代生物學綜合創新人才培養中的應用［J］.教書育人（高教論壇），2015（2）:26.

［8］李曉莉.“2011計劃”背景下浙西南地區高校協同創新現狀及發展對策［J］.麗水學院學報，2015（4）:107.

［9］趙琳，潘巧明，吳小紅，等.地方高校虛擬仿真實驗教學平臺建設的探索與實踐：以麗水學院為例［J］.麗水學院學報，2016（5）:91.

［10］林中華.虛擬仿真實驗平臺在商務英語教學中的應用［J］.教育觀察（上半月），2016（8）:99.

A Experimental Teaching Center for Virtual Simulation in Ecological Resources Development and Utilization

WUShuyan
（FacultyofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang）

In this paper，we introduce the background，and expound the ideas for the construction of an experimental teaching center which aims to conduct virtual simulation in ecological resource development and utilization.Based on the background，we demonstrate the necessity for the establishment.Furthermore，we explore in detail the aspects such as teaching resource development for experiments，the characteristics and innovation of the center.It is expected that the experience derived from our practice can be drawn on for the development of similar centers.

ecological resources development and utilization；virtual simulation；experimental teaching center

10.3969/j.issn.2095-3801.2017.05.019

G642

A

2095-3801（2017）05-0107-05

2017-04-10；

2017-05-31

浙江省第二批“十二五”省級實驗教學示范中心重點建設項目（浙教辦高教〔2015〕101號）；麗水學院校級重點建制實驗室（中心）建設項目“計算機實驗中心”（麗學院辦〔2017〕11號）

吳淑燕，女，浙江龍泉人，網絡工程師，碩士。