淺談國內高校虛擬仿真實驗中心建設及仿真實驗教學
——以電氣、自動化專業為例

濱州學院電氣工程學院 孫佃升

本文對國內高校電氣、自動化專業進行國家級虛擬仿真實驗中心建設的情況進行了介紹，并論述了電氣、自動化專業開展虛擬仿真實驗教學的重要性和優勢，最后對虛擬仿真實驗教學過程執行中的若干問題進行了探討。

0 引言

隨著計算機科學的發展和信息時代的來臨，高等教育中的實驗課程的教學模式正發生著深刻的變革。虛擬仿真實驗教學是現代信息技術與教育教學深度融合的產物，是高等教育信息化建設、高校實驗室建設與實驗教學改革的重要內容。國內很多高校都陸續建設了虛擬仿真實驗中心，將部分專業的部分實驗課程采用虛擬仿真的形式進行實驗教學。本文結合電氣、自動化專業虛擬仿真實驗教學的探索和實踐，談一談在虛擬仿真教學、虛擬仿真實驗室建設中的相關啟示。

1 開展虛擬仿真實驗教學和仿真實驗中心建設的重要意義

從目前高等教育的發展趨勢看，虛擬仿真實驗教學是信息技術推動傳統實驗教學形式變革和發展的必然結果，是信息時代的產物。從這個意義上說，虛擬仿真實驗教學的廣泛應用是大勢所趨。正像教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗中心建設工作的通知》（中華人民共和國教育部.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）、《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（中華人民共和國教育部.關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知(教高司函[2017]4號)[Z].2017,7）中所述的“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，是學科專業與信息技術深度融合的產物”；“虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措”。因此，開展虛擬仿真實驗教學既是適應時代發展的需要，也是深化教學改革提升辦學質量的需要。

2 國內電氣、自動化專業國家級虛擬仿真實驗中心建設情況

教育部非常重視虛擬仿真實驗教學研究和虛擬仿真實驗中心建設。自2013年起教育部辦公廳連續三年下達《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，連續三年每年批準建設100個國家級虛擬仿真實驗中心。目前，在已經建設的300的國家級虛擬仿真實驗中心中，電氣、自動化專業的主要有如下幾個：清華大學的自動化系統虛擬仿真實驗中心、天津大學電氣工程與自動化虛擬仿真實驗中心、南京理工大學電氣工程及自動化虛擬仿真實驗中心、湖南科技大學信息與電氣技術虛擬仿真實驗中心、東北電力大學電力工業生產過程虛擬仿真實驗中心、三峽大學電氣工程虛擬仿真實驗教學中心、西南交通大學軌道交通電氣化與自動化虛擬仿真實驗教學中心、國防科技大學機電工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心、東北電力大學電力工業全過程仿真實驗教學中心、重慶大學能源與動力電氣虛擬仿真實驗教學中心、長沙理工大學電力生產與控制虛擬仿真實驗教學中心。

2017年7月，教育部辦公廳下達了《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》。要求于2017-2020年在普通本科院校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，統籌規劃到2020年認定約1000項示范性虛擬仿真實驗教學項目。采取先建設應用、后評價認定、持續監測評估的方式，分年度認定。在提出的《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規劃》[2]中規定了各類虛擬仿真實驗教學項目的數量以及分年度建設規劃。電氣類規劃數量為20個，2019年和2020年各規劃建設10個。自動化類規劃數量為10個，2020年建成。2018年6月教育部公布了首批國家級虛擬仿真實驗教學項目名單，該名單共有105個項目。要求中央部委所屬高校要將國家虛擬仿真實驗教學項目納入“十三五”期間中央高校教育教學改革專項的重要內容，予以重點支持。公布的105個項目中，其中生物學類15項，機械類14項，電子信息類14項，化工與制藥12項，交通運輸類7項，核工程類8項，臨床醫學類25項，藥學類10項。值得注意的是，本次立項的105個項目，絕大多數并非來自于2013年至2015年建成的300個國家級虛擬仿真實驗中心，以山東省為例，有山東科技大學的煤礦工作面采煤機虛擬仿真實驗，煙臺大學的焊接工業機器人虛擬仿真實驗教學項目，濟南大學的氨噻肟酸新工藝仿真-實訓綜合實驗，濱州醫學院的臨床基本技能虛擬仿真教學系統，山東大學的乙型肝炎病毒感染的分子診斷，山東中醫藥大學的基于VR技術的GMP藥廠中藥制劑虛擬仿真實訓課程系列模塊之中藥顆粒劑的制備6個項目入圍。

3 電氣、自動化專業虛擬仿真實驗教學的優勢

電氣、自動化專業開展虛擬仿真實驗教學具獨特的優勢。

首先，虛擬仿真實驗更能保障實驗者的人身安全和實驗設備的安全。電氣、自動化專業的很多實驗課程涉及到強電、高速旋轉等，對實驗者有潛在的風險。此外，電氣、自動化類實驗設備多數為系統級的設備，涉及到強電、弱電，相對復雜，實驗出現設備損壞的幾率較高，尤其是使用多年的實驗設備，普遍存在元器件老化等問題時。同時，實驗中的誤操作也加大了設備損壞的幾率。虛擬仿真實驗很好的解決了這一問題，學生實驗室可不必擔心操作出錯帶來的上述問題。

其次，虛擬仿真實驗使學生能夠更加清楚地了解實驗系統的結構、工作原理，修改實驗參數快捷方便。目前，市場采購的電氣、自動化類實驗設備，為保障做實驗的學生的人身安全，大都將部件包裝在實驗臺內部，呈現在實驗者面前的僅僅是用于接線的面板以及畫在面板上的元件或者部件符號。因而，此類實驗設備的實驗項目較為固定，且不能變更預先選定的實驗參數。虛擬仿真實驗時卻可以在計算機仿真軟件上清楚地看到每一部分的電路連接，并嘗試進行修改。實驗參數可隨意進行修改，不存在實物實驗參數修改受硬件制約或者參數超出設定范圍帶來設備損壞等問題。

再次，虛擬仿真實驗拓寬了實驗項目的范圍，能夠做一些涉及高危環境、不可逆或不可及的操作，以及高消耗、高成本，以及一些系統過于復雜的實驗項目。某些專業課程的實驗難以在有限的實驗室封閉空間內通過實物進行實驗，比如電力生產過程（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.實驗技術與管理[J],2014.8,31(8):1-8），很難通過實際的高壓電力線路和設備進行實驗，既是是采用低壓實物替代來進行演示模擬，也僅能達到實驗特性的近似，與實際特性仍然存在很大的差別。此外，有些實驗是針對系統故障狀態下的反應或者故障狀態下的運行以及研究系統容錯的，這類實驗如果采用實物進行，存在較大風險，即使順利進行，往往也會有高消耗、高成本的問題。而虛擬仿真實驗不存在這些問題。

最后，虛擬仿真實驗教學在發揮產學研合作方面具有更大的優勢。虛擬仿真實驗不像實物實驗一樣受制于設備的硬軟件條件，可以方便靈活的調整仿真實現的功能、開發新的實驗項目，教師可以更方便地將科研成果向教學轉化。這對促進實驗教學改革，提升與生產實際和科研密切相關的綜合性、設計性實驗的比例，提高專業人才培養與實際需求的適切度，提升教師的科研和實踐教學水平都有很大促進作用。

4 虛擬仿真實驗教學過程執行的若干問題

虛擬仿真實驗教學對教學材料和教學過程提出了更高要求，尤其是教學過程的執行情況直接影響仿真實驗教學質量。

首先，虛擬仿真實驗教學對學生使用的實驗指導教材提出了更高的要求。電氣、自動化類專業的虛擬仿真實驗所針對的實驗對象往往是復雜的系統，一本好的實驗指導教材可以指導學生在正式實驗課之前做好相關知識的自學和實驗的預習。此外，還可以發揮網絡化教學模式的優勢，讓學生在課前進行遠程實驗試做。

其次，采用虛擬仿真實驗教學，教師應更加重視教學過程的執行。仿真實驗可實現一人一組單獨進行，帶來了學生之間如何進行問題討論與協作的問題。教師應該引導學生組成小組討論實驗進行中遇到的問題。此外，教學中可合理應用廣播教學軟件進行實驗演示及實驗過程監控。

最后，對某一門實驗課程來說，應做好仿真實驗與實物實驗的結合。仿真實驗不能完全替代實物實驗，二者有機結合發揮各自的優勢能達到滿意的教學效果。

5 總結

以電氣、自動化專業為例論述了虛擬仿真實驗教學的優勢以及開展虛擬仿真實驗教學的必要性，并介紹了目前國內高校國家級虛擬仿真實驗中心的建設情況。最后，對虛擬仿真實驗教學過程執行中的若干問題進行了探討。