面向新工科的跨專業建設工程教育虛擬仿真實驗教學中心

段新昱 陳衛軍 姜 品 楊 坤

安陽師范學院軟件學院 河南安陽 455000

1 虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

虛擬仿真綜合集成了多媒體、電子、網絡、人機交互、人工智能等諸多高新技術，可對各類復雜、不可及或不可逆的現實工程項目進行抽象和簡化，進而形成系統模型；再通過軟件設計建立仿真模型，從而實現數值仿真、可視化仿真或增強現實仿真，支持真實感場景動態模擬和沉浸。通過人機交互，還可實現虛擬場景的遠程控制，甚至自動創建和實現系統決策。目前國內外已有許多成熟的虛擬仿真系統開發平臺，如VegaPrime，OpenGL，Revit等系統[1]。

虛擬仿真實驗教學一直是高校本科人才培養工作中不可或缺的重要組成，關系著所培養人才的工程實踐能力和工程創新能力。自1989年虛擬仿真實驗概念首次提出，國內外許多高校都陸續開始建設虛擬環境下的仿真實驗平臺。

傳統實驗教學模式下，受限于各種條件，學生只能在限定的時間和地點利用限定的實驗設備完成特定的實驗操作。因此，傳統實驗只能完成具有“代表性”和“普適性”的“規定動作”，會極大制約學生工程實踐能力及工程創新能力的培養。此外，傳統實驗室的建設投入不可小覷，不論是實驗儀器設備的購置與維護，還是實驗場地的建設與管理，都需要花費大量的人力、物力和財力。傳統實驗教學模式下，“投入產出比”往往受到質疑。為此改革傳統實驗教學模式、探索適應新時期發展的實驗教學新模式是擺在高校實驗教學改革面前的重要課題，虛擬實驗教學正是破解此難題的一條重要途徑[2,3]。

2 建設跨專業的虛擬仿真實驗教學中心

安陽師范學院2000年升為本科院校，2007年通過教育部本科教學合格評估，2018年通過教育部本科教學審核評估，目前正是學校響應國家和河南省號召，面向應用性大學轉型發展的關鍵時期。2014年學校開始對應用型人才培養方案進行重新修訂，增加了大量與虛擬實驗實踐有關的教學內容。2015年，軟件學院被遴選為學校首批“創業教育二級學院”，積極探索應用型軟件工程技術人才的培養新模式，所有這些都為我校工程教育虛擬仿真實驗教學中心的創建和發展提供了新的機遇和強大動力。

2.1 以信息技術綜合實驗教學示范中心為基礎

安陽師范學院省級信息技術綜合實驗教學示范中心，是學校現有6個省級實驗教學平臺中較早建設的示范中心之一。2007年，為進一步深化本科教學質量工程建設，學校以實驗示范中心建設為抓手，以“統籌規劃、合理布局、技術先進、資源共享”為原則，成立了跨學科、綜合性、開放共享的信息技術綜合實驗教學中心。

信息技術綜合實驗教學中心主要負責全校信息技術基礎課程，以及部分理、工、經、管類院系計算機專業課程的理論與實驗教學，同時承擔先進信息技術的研發與應用工作。中心以信息技術基礎實驗平臺、專業信息技能實驗平臺、綜合創新實驗平臺為架構，業已形成三層次、多模塊的信息技術實驗教學體系，進一步促進了信息技術與各學科、專業技能的深度融合與發展。

近年來，在學校領導高度重視下，信息技術綜合實驗教學中心體制與機制漸趨完善，學校每年投入大量經費進行實驗室改擴建，中心建設步入快速發展軌道，實驗教師隊伍不斷壯大，實驗教學水平逐年提高，實驗軟硬件環境明顯改善，現已成為學生實驗學習、實踐訓練、競賽培訓、畢業設計的重要基地。

2.2 新建工程教育虛擬仿真實驗教學中心

安陽師范學院工程教育虛擬仿真實驗教學中心是在2011年河南省教育廳批準建設的省級信息技術綜合實驗教學示范中心基礎上，2013年為適應學校部分工程類專業集群轉型需要，主要依托軟件學院、資源環境與旅游學院、物理與電氣工程學院和建筑工程學院組建而成的。

2013年，為順應學校發展和人才培養模式改革的需要，學校以信息技術綜合實驗教學示范中心為基礎，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，成立了工程教育虛擬仿真實驗教學中心。

中心主要面向軟件工程、資源環境工程、電子信息工程、土木工程4個工程類本科專業，整合相關學科專業的虛擬仿真實驗、實踐資源形成了“虛擬技術底層支撐、專業拓展協同開發、學科交叉優勢互補、凝聚人才創新發展”的建設理念，中心以“技術引領、資源共享、應用驅動、創新提高”為宗旨，積極構建中心建設，發展與學生實踐培養互促同進的良性循環發展模式。

2.3 虛擬仿真實驗教學中心概況

中心下設4個虛擬仿真實驗室，分別是軟件工程虛擬仿真實驗室、環境工程虛擬仿真實驗室、土木工程虛擬仿真實驗室和電子工程虛擬仿真實驗室。4個實驗室分別側重從不同方向對不同專業的學生開展虛擬實驗教學，并致力于在底層架構基于多學科專業知識和技能的虛擬仿真技術平臺。

中心擁有一支教學科研能力強、勇于創新、敢于實踐，同時又專長于虛擬實驗教學的實驗教師隊伍。中心現有成員37人，教師隊伍平均年齡42歲，其中專職人員25人，兼職人員12人，教授8人，副教授14人，高級實驗師3人，講師12人，博士學位人員4人，碩士學位人員33人，河南省教育廳學術技術帶頭人2人、河南省中青年骨干教師4人。中心融合了計算機專業(虛擬現實方向)、資源環境旅游專業(GIS方向)、電子工程專業和土木工程專業(BIM方向)等方面的教師。教師隊伍年齡、學歷、職稱、方向結構合理，人員分工明確。

中心自成立以來，在地理信息系統(GIS)、遙感(RS)、全球定位系統(GPS)、移動通信(MC)和虛擬現實(VR)等技術的支持下，為工程類相關專業領域的教學提供虛擬實驗技術和解決方案，通過采用Kinect體感技術、Unity 3D以及Unity 3D +Kinect等多維可視化、可介入交互等現代信息技術手段，對抽象、不可真實重現、危險程度高的現象與過程進行模擬分析、動態監控和預測預報，引導學生深入探索復雜工程環境的演化過程與變化規律，深刻掌握信息采集、集成、分析、建模全過程，通過虛擬教學及對學習難點問題的重點理解，激發學生創新思維，提升學生創新能力。

圖1、圖2為虛擬仿真技術體驗中心和三維實驗場景實現畫面。

圖1 Kinect體感交互應用展示

圖2 Unity3D虛擬實驗室場景

中心一貫重視傳統實驗教學的改革和創新實驗教學體系的建設，注重強化專業、課程培養目標，淡化學科界限；突出以學生為主體，教師為主導的教學模式；重視培養學生能力，著力強化CDIO工程理念。在實驗教學過程中，中心逐步形成了獨立設課與統一管理相結合的運行模式，各實驗室虛擬資源由中心統一管理和調配。中心現已發展成為安陽師范學院培養高素質工程類專業人才重要的實踐教學、創新教學基地。

中心與深圳國泰安信息技術有限公司、上海曼恒數字有限公司、北京潤尼爾網絡科技有限公司、北京超圖軟件股份有限公司、西安千策電子信息科技公司等國內知名科技企業開展合作共建，為虛擬實驗中心的建設提供了有力支撐。

3 虛擬仿真實驗教學中心特色與創新

(1)中心面向安陽師范學院工程類本科專業實踐教學，強調跨專業融合，以“技術引領、資源共享、應用驅動、創新提高”為宗旨，積極構建軟件工程、資源環境工程、電子信息工程、土木工程4個核心專業集群的虛擬仿真實驗教學體系，業已形成“以專業拓展為目標，以虛擬技術為依托，以院院合作、校企合作為兩翼”的良好發展態勢。

(2)著力強化CDIO工程教育理念。實踐教學中，以工程項目設計、生產過程為主線，主動構建與行業背景相結合的虛擬仿真實驗教學體系；以虛促實、虛實耦合的實驗環境可以提高實驗效率，提升環境感受，拓展學生能力。

(3)依托基于云平臺技術的智慧校園解決方案，采用虛擬場景和虛擬漫游等虛擬技術[4]，進行三維可視化場景開發，讓學生身臨其境地瀏覽、進入實驗室場景，完成各種實驗、實踐、創業項目，進一步培養學生的工程能力。

(4)發揮地域特色，開發符合自身特色的虛擬仿真實驗、實訓項目。先后建設了甲骨文體驗中心、紅色之旅—紅旗渠、虛擬林濾山國家滑翔基地、世界文化遺產虛擬殷墟三維仿真系統(如圖3、圖4所示)等具有明顯地域特色的仿真、實驗項目。

(5)管理體制、機制改革創新。逐步形成了獨立設課與統一管理相結合的教學運行模式，各虛擬實驗室人力、設備、技術、資源由中心統一管理和調配，各學科教師科研成果交叉共享、優勢互補，并暢通向實驗教學項目轉移。

(6)積極構建中心建設發展與學生實踐培養互促同進的良性循環發展模式。中心以培養學生的實踐與創新能力為主要目標，并以實驗資源建設為載體，讓有能力的學生參與到虛擬實驗資源的整理、重構、開發過程中，進一步夯實學生實踐能力，同時拓展中心實踐資源，二者互促同進[5]。

圖3 數字殷墟三維虛擬仿真(一)

圖4 數字殷墟三維虛擬仿真(二)

4 虛擬仿真實驗教學中心建設成效

中心在近幾年的探索實踐中，努力整合資源，不斷投入較為充足的人力、物力，并通過校內挖潛交流、企業外掛培訓、國內外高水平大學訪學等方式，協力提高實驗教師隊伍應用信息技術開展虛擬仿真教學的能力，統一思想著力加強虛擬仿真實驗教學在日常教學中的比例。相關成果包括制作了大量的實驗教學輔導視頻，供學生在實驗學習的不同階段使用；自主開發了多個虛擬仿真實驗教學項目[6]，既鍛煉了參與項目建設學生的能力，也拓寬了今后開展虛擬仿真實驗教學的內容。圖5為虛擬仿真實驗室軟件界面。

圖5 虛擬實驗室

通過建設，中心已將部分單純演示性、驗證性的實驗教學內容以學生自主開展網上虛擬實驗為主；基本技能訓練和基礎實驗項目以虛擬實驗輔助實體實驗模式開展；壓縮實體實驗中有關實驗原理、實驗步驟、設備使用、注意事項的講授時間，將更多的時間、空間留給學生動手實踐；節約的學時可用以開設綜合性、設計性和研究性實驗，主觀上增加學生提升實踐能力和創新能力的時間和空間。

5 結語

虛擬仿真教學可以有效促進學生親身體驗各專業中高、危、難工程的全過程建設管理及技術工藝，實現工程類專業人才培養與行業企業需求的“零距離”對接，提高人才培養的社會適應性。與此同時，通過全過程的綜合仿真訓練，加強不同專業、各年級學生間的專業思維、實踐交流與合作意識，達到鍛煉學生實踐能力、自學能力、研究能力、創造能力、表達能力與組織管理能力的目的。中心正以此次申報建設為契機，著力挖掘技術潛能，大力培養人才隊伍，合力凝聚學科優勢，統籌規劃、建設一批特色鮮明的虛擬仿真實驗項目。