網絡在線虛擬仿真類實驗資源開放共享機制探索
——以軌道交通信號控制類虛擬仿真實驗為例

朱曉東，曾慶山，王東署，劉曉蘭，陳書立

(鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州，450001)

隨著教育教學改革的深入，教育部自2013年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，在建成一批優質的實驗教學中心的基礎上形成了可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務和共享機制。[1]

到目前為止，我國已經建立了一批相關學科的虛擬仿真實驗教學中心，開展了一系列的虛擬仿真實驗項目。為進一步促進虛擬仿真實驗教學中心的開放共享，國家建立了虛擬仿真實驗教學項目共享平臺(實驗空間，www.ilab-x.com)。在軌道交通信號控制領域，一些高校建立了國家級的虛擬仿真實驗教學中心。如北京交通大學、西南交通大學、蘭州交通大學等，這些高校均已建立了國家級虛擬仿真實驗教學中心。這些中心在突破實體實驗設備教學的限制上具有一些獨特的優勢。[2-3]

一、國內軌道交通信號領域虛擬仿真實驗平臺的建設現狀

從國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上看，已有多個高校開展了軌道交通信號與控制類的虛擬仿真實驗。這些軌道交通信號與控制類虛擬仿真實驗包含了信號控制、列車運行控制、調度指揮等方面的實驗教學內容。

表1 軌道交通信號領域虛擬仿真實驗項目情況

續表

表1列出了在國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上的軌道交通信號類虛擬實驗項目，共計十個。其中，國家級認定項目有五個，在測試使用期間，僅有兩個項目能夠從外部遠程使用。本文以當前能夠遠程使用的項目(北京交通大學與蘭州交通大學的虛擬仿真實驗項目)來介紹軌道交通信號類虛擬仿真實驗項目的主要內容與特點。

北京交通大學的軌道交通列車運行控制虛擬仿真實驗項目分為列車運行控制部分的自動監控、運營控制、運行控制三大模塊以及模擬駕駛、自動防護五大類實驗。模擬駕駛與自動防護因為涉及半實物仿真，所以沒有開放網上虛擬實驗。實驗項目的思維導圖如圖1所示。

圖1 北京交通大學軌道交通列車運行控制虛擬仿真實驗項目導圖

蘭州交通大學的國家級軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗項目分為基礎設備虛擬仿真實驗、設計創新實驗、遠程控制虛擬仿真實驗及實驗教學管理平臺共四大模塊。實驗項目的思維導圖如圖2所示。

圖2 蘭州交通大學軌道交通列車運行控制虛擬仿真實驗項目導圖

兩所高校的實驗項目均提供了較為豐富的學習資源，涵蓋軌道交通信號領域中的信號設備、檢修儀器、計算機聯鎖、CBTC、區間閉塞、列控設備等內容，包含原理學習、檢修操作、故障處理等方面的知識。從設計類實驗來看，北京交通大學提供了CBTC的設計類實驗，蘭州交通大學則提供了計算機聯鎖的設計類實驗。蘭州交通大學還提供了實驗教學管理平臺，能夠記錄學習者的學習內容與學習時長等學習數據。

二、軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗的實踐反饋

為促進軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗項目的開放共享，鄭州大學與北京交通大學國家級軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗教學中心開展了項目合作，探索虛擬仿真實驗項目的開放共享機制。2020年上半年，鄭州大學軌道交通信號與控制專業兩個年級共計129位學生使用了北京交通大學的虛擬仿真實驗系統，解決了學生無法返校進行實驗的問題。從學生的使用反饋來看，虛擬仿真實驗教學中心的作用是巨大的。學生表示，通過瀏覽三維虛擬設備理解了很多在書本和實體設備上無法弄明白的知識，通過對虛擬仿真實驗教學中心提供的大量高質量課件的學習，擴展了專業知識面，了解了更多、更深層面的專業知識。

學生在使用過程中也發現了一些問題，提出了很多有益的建議。如視頻播放不能調整進度、實驗項目開放度不足、設備學習中的整體性介紹還較少等問題。對教師而言，虛擬仿真實驗教學項目也為教師教學提供了一個新的教學實驗平臺。但從教學管理方面來看，虛擬仿真實驗項目未能開放實驗管理權限或沒有學生注冊實驗的步驟，導致無法將學生實驗過程用于教學考核。

三、虛擬仿真實驗平臺共享機制存在的主要問題

國家級虛擬仿真實驗項目的建設極大地提高了實驗教學的信息化水平，為實驗教學提供了可靠和有效的平臺。對于開展虛擬仿真實驗教學項目建設的目的，教育部在《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》中指出：“推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量全面提高。”[4]在這里，虛擬仿真實驗項目的建設除了“專業布局合理、教學效果優良”外，還有重要的一點是“開放共享有效”，而這也是虛擬仿真實驗教學項目示范性、泛在化的重要體現。僅從虛擬仿真實驗項目跨區域使用者的角度來看，“開放共享有效”至少應在以下幾個方面得到體現：

第一，可用性。虛擬仿真實驗項目對校外用戶開放，從校外能夠遠程訪問虛擬仿真實驗項目的門戶網站并進行實驗，能夠容納一定數量的并發用戶。

第二，兼容性。虛擬仿真實驗項目兼容性強，能夠很方便地配置好實驗環境。

第三，易用性。對于相對復雜的實驗，虛擬仿真實驗項目有便捷的學習幫助引導系統，指導使用者學習使用。

第四，實驗管理。虛擬仿真實驗項目能夠記錄使用者的學習數據，以便于實驗教學管理。

第五，評價反饋。虛擬仿真實驗項目具有互動反饋的功能，能方便學生在遇到問題時進行反映，也方便學生對實驗項目提出建議。

從這五個衡量開放共享的標準來看，現有的虛擬仿真實驗項目或多或少還存在一些問題。在可用性上，實驗空間中軌道信號控制領域的十個項目僅有兩個項目能夠開放使用，說明目前這些實驗項目還沒有對外開放共享。在兼容性方面，多數學生反映盡管安裝了實驗環境所要求的插件，但在實驗過程中仍然會出現各種問題，導致學生使用的不便。在易用性方面，對于較為復雜的實驗內容，如計算機聯鎖、CBTC系統，學生無法得到有效的幫助指導。雖然CBTC實驗提供了實驗幫助視頻，但僅僅對整個項目進行介紹演示是不夠的。在實驗管理方面，目前的實驗項目都沒有對外校開放學生實驗的記錄、管理功能，多數是以統一的注冊方式或游客方式進行實驗。

四、虛擬仿真實驗平臺開放共享的探索

要使虛擬仿真實驗項目實現“開放共享有效”，需要項目建設者的努力，也需要有合理的開放共享機制來保證建設者與使用者的良好互動，促進虛擬仿真實驗項目的開放共享。[5-6]開放共享機制的建立需要從政策、激勵、開放共建、交流協作等幾個方面來進行探索。

(一)政策方面

要實現虛擬仿真實驗教學資源對社會的開放共享，需要政策層面予以充分的支持。首先，從國家層面制定統一的技術標準與接口規范，技術規范的統一能夠提高教學資源的擴展性、兼容性和開放性，減少二次開發的成本。[7]其次，要給開放共享以必要的政策支持。各個項目建設高校需要從人員、經費等方面給予保證，有專職的人員負責項目的運行，以鼓勵和支持虛擬仿真實驗項目進行開放共享。最后，應建立獎罰機制，通過定期評估虛擬仿真實驗教學資源的開放共享情況，進一步促進虛擬仿真實驗項目的開放。

(二)激勵機制

虛擬仿真實驗項目的建設與開放是一個長期的過程，需要持續的經費和人員投入。要想實現虛擬仿真實驗項目的可持續發展，就必須形成有效的自我發展模式，而不是單純依靠國家經費的投入。現階段的虛擬仿真實驗項目雖然都是免費開放共享的，但是要想促進虛擬仿真實驗項目的廣泛應用，還必須有新的激勵機制。借鑒胡今鴻等[8]提出的思路，可以采用積分模式、收費模式等方式。

積分模式：通過使用者積累的積分來獲取更優質的虛擬仿真實驗資源。虛擬仿真實驗資源可分為免費使用與收費使用兩部分，用戶可憑借積分獲取收費部分的項目資源使用權。積分的獲取有以下途徑：第一，通過免費資源的使用及考核評價獲取；第二，通過提出合理化建議獲取；第三，通過提供有效的共享資源獲取；第四，通過參與開發虛擬仿真實驗項目獲取。

積分模式鼓勵大家通過對虛擬仿真實驗項目的應用來提出合理化建議，促進項目的迭代發展。同時，積分模式也對新的實驗資源持開放態度，通過項目共享開發、吸納新的資源來擴充和完善虛擬仿真實驗項目。

收費模式：對批量使用虛擬仿真實驗項目的高校和社會單位，可采用適當的收費模式。與此相匹配的，虛擬仿真實驗項目平臺應提供實驗教學管理功能，以方便使用單位對自己學員參加實驗的情況進行考核評價。

(三)資源的開放共建

虛擬仿真實驗項目的開放共享不應僅僅針對使用者，也應對建設者持開放態度。虛擬仿真實驗項目的建設可以對其他單位、個人開放，鼓勵參與者提供更優質、更豐富的虛擬仿真實驗資源，也可采用項目合作的方式與其他單位合作共建，以不斷提高虛擬仿真實驗教學資源的質量。

(四)用戶評價

虛擬仿真實驗項目要想得到持續發展，就必須重視用戶的使用體驗與批評建議。一方面，要對每個實驗模塊給出用戶評價的入口，另一方面，管理人員要及時回應用戶關注的問題。只有通過不間斷的互動，才能不斷改進和完善實驗項目。

(五)交流協作

北京交通大學、西南交通大學等高校是我國軌道交通領域的重點院校，其國家級虛擬仿真實驗教學中心更應充分發揮示范輻射作用，帶動其他高校相關專業的發展。這就需要國家級虛擬仿真實驗教學中心與其他高校深入開展校際的交流合作，通過項目共建、項目共管、交流培訓等方式進一步促進虛擬仿真實驗項目的開放共享。在這方面，北京交通大學開展的“虛擬教研室”活動已經邁出了重要一步。[9]

虛擬仿真實驗教學項目的開放共享是國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的重要任務之一，也是高校優化虛擬仿真實驗教學資源結構，提升資源使用效益的必然要求。隨著虛擬仿真實驗項目的不斷建設，這些實驗項目的開放共享也應是今后建設的重點。高校應通過不斷地探索、實踐，完善虛擬仿真實驗項目的開放共享功能，使其真正發揮“示范輻射”作用，不斷提高實驗教學的信息化水平。