基于在線虛擬仿真平臺的專業實驗教學探索*

陳立家 時燕妮

摘? 要? 在新冠疫情常態化防控背景下，設計并踐行一套基于在線虛擬仿真實驗平臺的實驗教學方案。該在線實驗教學平臺構建了在線虛擬仿真與遠程控制實物兩種實驗模式，仿真粒度可調，且實現了遠程數據模擬。實踐表明，基于該實驗平臺的在線實驗教學能夠突破時空限制，有效擴展實驗教學資源，增強學生實驗學習效果。

關鍵詞? 虛擬仿真；實驗教學；實驗教學平臺；電子信息類專業；遠程控制實物；在線虛擬仿真實驗

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）17-0132-06

0? 引言

虛擬仿真實驗教學是新工科背景下提高學生綜合素質的有效舉措，是信息技術與學科專業的有效結合。建設信息化實驗教學資源、提高學生的創新能力和實踐水平，也是我國高校實踐教學的發展目標。教育部決定于2013年啟動開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，其中虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺是中心建設的重要內容之一。

構建高效的虛擬仿真實驗教學平臺是對高校實驗教學的內容深度和廣度進行拓展，推動實驗教學整體質量提高的重要舉措。在新冠疫情常態化防控形勢下，實施開放、共享、高效且擺脫了時空限制的實驗教學模式，不僅成為應對隨時可能停滯的實物教學的可行替代方案，而且擴展了實驗資源，使實驗教學更加多樣且有效[1-3]。

1? 研究現狀

目前，虛擬仿真技術已經被廣泛應用于許多專業和行業。陳璜[4]利用Unity3D開發軟件、VR（虛擬現實）交互技術進行產品原材料、組成結構、工作性能等的設計與優化，逐步將專業設計人員從繁重的手工制圖工作中解脫出來，便于學生等主體參與機械設計的虛擬仿真實驗以及產品裝配。VR技術引入工業領域，能夠改變工業生產模式，將工業制造行業推上更高的臺階。虛擬仿真技術能夠將生產環境、生產數據、生產流程實現數字可視化，管理者可以在一臺設備或者多臺設備上對工廠進行監控管理以及進行生產線設計等操作[5]。崔江紅等[6]設計的虛擬仿真系統，交互式實現針刺機機械結構拆裝及針刺工藝實驗，在人機交互下有效開展針刺機工藝參數設定、非織造材料產品實現工藝研究等。在教育領域，虛擬現實或虛擬仿真技術運用于醫學教學成為新的趨勢與熱點[7]。張楠等[8]應用3D、VR、力回饋等最新技術，構建醫學虛擬仿真實驗教學平臺，打造較為完整的虛擬仿真實驗教學體系，使學生獲得沉浸式學習體驗。符錫成等[9]設計與實現虛擬仿真實驗應用場景，為計算機組成原理實驗添加到移動網絡使用提供了一種有效途徑。

在疫情暴發初期，實驗教學受到極大沖擊，許多學校針對實驗課程不得不尋求解決辦法。例如：對于部分軟件操作類的實踐課程，如C++，可以在手機客戶端、電腦客戶端開展，教師可以適當開展實踐教學；對于部分簡單實物實驗，可以開展“線上理論，線下DIY+實驗”。然而，大部分仿真平臺或軟件亦需學生親臨現場，學生居家實驗學習效果堪憂。

傳統的虛擬仿真技術利用仿真軟件進行實驗，與真實的實驗環境仍存較大差別。很多仿真模型不夠精確，與真實設備有較大差距。同時，虛擬仿真環境較為抽象，與真實設備元件相去甚遠。眾多虛擬仿真軟件的最大限制是無法提供遠距離的設備訪問，因此，很多需要真實設備支持的實驗教學無法開展。

鑒于這些問題，筆者將在線虛擬仿真與真實設備操控融合，探索實施基于在線仿真與遠程實物控制相結合的實驗教學模式，以期突破地理限制，同時提升學生學習興趣和對實驗的感性理解能力。

2? 平臺總體設計

針對電子信息類專業的課程設置，河南大學實施的實驗課程改革選擇真實設備與虛擬設備異構仿真、真實互聯的虛擬仿真框架，仿真系統與真實設備之間提供數據傳輸接口，連通虛擬與真實之間的數據流動。通過打破地域限制，允許遠程通過虛擬系統與實際系統交互，并利用虛擬現實技術遠程觀測，達到身臨其境的仿真效果。同時，利用虛擬現實技術，360°對產品設備外部狀態、內部結構、工作原理等現實環境不易實現的內容進行直觀顯示。系統硬件設備架構如圖1所示。該實驗教學平臺具備以下功能。

1）允許虛實結合的設備體驗。在設備外部真實場景展示虛擬現實視覺世界，同時將外部看不到的設備內部虛擬3D展示，支持手勢操控，可進行設備分解、旋轉、拖拉、組合等操作。支持實驗設備虛擬拆裝體驗，使得學生對于實驗的流程有更加直觀、真實的理解。

2）適合3D展示。對語言難以描述的設備、原理、流程等應用虛擬模型動態展示。

3）提供遠程模擬功能。對于無法提供海量數據的實驗，如深度學習、數據挖掘，系統提供數據集和算力，可以遠程仿真模擬。

4）實驗分層分模塊抽象化。系統提供不同模塊級別、不同仿真粒度的仿真測試。如計算機網絡，根據實驗需求分層測試實驗，不同協議層次的實驗仿真內容和重點不同。

5）虛擬仿真不易提供的實驗環境。某些實驗需要價值高昂的設備，或者需要苛刻的實驗環境，如5G網絡，使用模型模擬方式仿真網絡，與真實終端設備進行交互。

針對電子信息類專業的課程實驗，該系統將瀏覽器、本地服務器、云服務器、硬件平臺等有機結合，構建虛擬仿真與遠程操控相結合的實驗體系，完成遠程連接控制，基于實體設備進行遠程操控，實現“虛實結合、軟硬結合”的現代課程實驗教學新理念。

在線虛擬仿真實驗用仿真形式實現教學項目的共享服務；遠程操控實物實驗借助攝像頭監測真實設備運行狀態，實現對設備的遠程控制。通過這兩種形式，實驗教學從根本上突破時間和空間的限制，學生可以真正脫離實驗場地，實現“停課不停學”。同時，實驗課的個性化教學能力也大幅提升。

如圖2所示，實驗教學平臺系統由三個模塊構成：實驗管理子系統、在線實驗子系統和課程管理子系統。實驗管理子系統對實驗過程涉及的信息進行管理，包括人員、教學資源、設備管理、班級管理等方面；同時分管理員、教師、學生不同角色，他們具有不同權限和功能。在線實驗子系統分為在線虛擬仿真和遠程操控實物兩個部分，分別針對軟件仿真和遠程控制實境實驗。課程管理子系統主要管理課程與實驗項目。這三個子系統對遠程在線控制實現全面的控制和管理。

3? 實驗管理子系統

實驗管理子系統設置超級管理員、系統管理員、教師和學生四種角色。對整個實驗教學進行管理，根據不同的職責，四種角色相互補充，構建一個結構明晰的組織架構，易于實驗管理。角色劃分和分工職責如圖3所示。

3.1? 超級管理員

超級管理員權限最高，可以對系統管理員、教師和學生賬號進行增刪改查管理，同時能夠對課程、實驗項目進行增刪改查，從而全面管理教學資源。

3.2? 系統管理員

由于實驗教學資源眾多、條目繁雜，由一個或多個系統管理員管理，包括設備管理、班級管理、賬號管理、數據統計等。其中，設備管理主要包括實驗設備靜態信息和動態信息的管理（靜態信息包括設備名稱、數量、簡介、照片、性能指標等；動態信息包括入庫、出庫、故障、維修、使用時間等）；班級管理包括班級的增刪改查、導入導出等功能；賬號管理包括教師和學生賬號的增刪改查、批量導入導出、開啟關閉等功能；數據統計包括設備統計、設備使用時間、人均使用時間、實驗教師總人數、學生總人數、課程數目、總實驗數、實時在線人數、實驗時間分布、學生登錄時間和次數等數據信息。系統管理員功能如圖4所示。

3.3? 教師

教師對實驗的管理包括實驗開設、實驗評分、模板管理和統計分析。教師錄入實驗信息，如實驗起止時間、實驗內容、模塊名稱等，學生登錄系統可以查看。按照時間節點進行實驗，系統記錄學生修改、上傳、運行、保存、時長等信息，便于深層次評價分析學生學習效果。為每個學生做出實驗畫像，描述實驗技能、狀態、潛力、知識等各維度信息。實驗結果線上呈現，實驗報告在線評分。教師提交實驗報告模板，供學生下載使用。不同實驗的難易程度和完成時間均有所不同，統計不同班級、不同課程實驗數據，分析實驗成績分布，便于教師進一步改進實驗，對每一個學生，根據其實驗畫像，有針對性地管理和教授。教師功能設計如圖5所示。

3.4? 學生

根據開課性質，可以集中時間實驗，也可以化整為零，每個學生實驗時間分散到各個時間段。系統根據設備使用情況，提供可選擇預約時間。學生根據自己的學習情況進行線上預約，既可以自主選擇登錄時間，也可以自主選擇登錄地點；登錄系統進行線上虛擬仿真實驗，或者遠程操控實物實驗；可以查看自己的實驗報告狀態、批閱狀態以及實驗評分。學生實驗功能設計如圖6所示。

4? 在線實驗子系統

在線實驗子系統是實驗運行的平臺，可以用在線虛擬仿真和遠程操控實物兩種方式開展實驗。

在線虛擬仿真實驗為純仿真類實驗，架構如圖7所示。打開瀏覽器，不用下載任何插件，即可做實驗。實驗涉及的各個程序子模塊以圖標的形式呈現，學生做實驗時需要深入理解實驗原理，通過連線方式，將各個程序模塊連接成系統，運行后軟件能夠判斷連線的正確與否。

實驗涉及的各個子程序以目錄樹的形式展示，學生可以點擊查看、分析、學習。然后運行該程序，將過程數據、運行結果以圖形化方式展示，培養學生將原理、實驗代碼和實驗結果有機聯接，形成知識鏈條。

系統提供了詳細的實驗任務書，登錄可以下載。根據任務書要求，可以在線編寫程序，也可以本地編寫程序，上傳到服務器，然后與其他子程序模塊一起運行，聯調自己編寫的程序。將需要學生編寫的程序設置成可選擇方式，學生在調試某一個子程序模塊時，其他的子程序模塊可以選擇系統默認程序或者自己編寫的程序，非常方便定位程序問題。

遠程操控實物實驗為虛實結合和軟硬結合實驗。在本地編寫程序，通過遠程訪問設備硬件平臺，實現無線收發、遠程儀表、遠程場景等功能，其效果和本地硬件實驗完全一樣。嵌入遠程示波器功能，以虛擬儀器方式實時將連接在實驗設備上的示波器數據顯示在客戶端。在虛擬仿真服務器的支持下，實時傳輸所見3D數據，具有身臨其境的特點。所涉及的模式如圖8所示。

這種實驗模式下，系統遠程控制實驗設備（可編程遠程控制的部分），如交換機、路由器配置、無線射頻模塊控制、機械手臂等，實驗效果和在線下一樣。通過虛擬仿真遠程數據獲取，獲得實驗現場數據信息，如示波器數據、指示燈數據、編程窗口輸出數據、調試信息等。

5? 課程管理子系統

課程管理子系統對具體課程的實驗項目進行管理，可以是獨立開設的實驗項目，也可以是為某門課程設置的關聯項目。課程實驗子系統如圖9所示。

課程管理具體內容包括管理課程的目標、內容、重難點及所關聯的實驗項目，實驗項目覆蓋理論知識點，對課程形成有效支撐。課程與實驗項目合理組織、相互補充。

6? 實驗模式設計

基于該在線虛擬仿真實驗平臺，學生可以隨時隨地分組并進行實驗。具體實驗方案如下。

1）多用戶并發分組接入。并發用戶數量上限由設備數量確定。可分小組進入學習，平臺支持小組網絡討論解決問題。

2）教師授課和實驗時間靈活掌握。由于時間的靈活性，打破了線下課堂時間和地點的限制，少量的設備就能夠為大量學生服務。例如：傳統實驗整個班級分為三組，每組20人，需20套設備；現在整個班級可以分為10組，每組六人，需六套設備，縮減設備購置費用。可支持遠程授課、遠程實驗、遠程作業提交。

3）遠程觀察與虛實結合。實驗平臺支持實景觀察，多視角、全方位，使人身臨其境。平臺亦支持3D動態模型、虛擬仿真學習場景等內容。

4）遠程桌面控制。實物實驗平臺可納入本地終端桌面上，實驗方便。

5）同一時間支撐不同課程實驗。基于多用戶系統登錄服務器，多個用戶可獨立實驗，相互之間不干擾，從而提高實驗設備利用率，同時降低實驗室建設費用。

7? 教學效果評價

與傳統虛擬仿真實驗教學相比，在線虛擬仿真和遠程控制實物這種虛實結合的實驗模式既能克服時空限制，又更利于實現理論與實踐同步。本實驗系統教學實施一個學期后發現，學生選課更加靈活，設備利用率進一步提高，一些實際設備不能開展的實驗亦能得以實施，實驗數量有所提升，課程支撐效果明顯。特別在學生延遲復學階段，實驗教學和部分科研實驗得以持續開展，并取得令人滿意的教學效果。

為驗證教學效果，對本學期先行開展在線虛擬實驗的學生實施問卷調查，收集問卷98份。問卷采用五點量表，主要內容和統計結果見表1。可以看出，多數學生對該遠程虛擬仿真實驗教學模式給予積極評價，認為這種線上實驗模式選課非常靈活，改變了死板的時間安排，可以根據自己的實際情況預定實驗時間。由于不受時間和地域限制，設備利用率得到很大提升。也有不少學生表示他們對線上虛擬仿真實驗感興趣，對實驗項目增加了想象空間，提高了學習的積極性。結果表明，這種模式的實驗設計能夠改善實驗教學效果，同時讓學生加深學習體驗，對培養學生創新性、自主性和實踐性具有積極意義。

8? 結論

本文基于虛擬仿真實驗平臺的功能拓展和新技術融合，設計了更為全面的實驗教學平臺，開展了對實驗教學新模式的嘗試。該模式能真正克服傳統實驗教學和虛擬仿真軟件的時空限制，優化教學資源，提高教學質量和設備利用率。在學習效果上，該模式能發揮學生學習的主觀能動性，激發學習的積極性和創造性。雖然實驗平臺面向電子信息類專業的學生，但根據其實際功能，應用范圍完全可以進一步拓寬至其他專業。同時，本研究對高校實驗教學改革和在線科研實驗平臺改造亦可提供有價值的參考。

參考文獻

[1] 張曉瑜，唐黎偉，陳玖圣.基于虛擬仿真的多層次模塊化專業教學素材體系研究[J].中國教育信息化，2021（8）：51-55.

[2] 苗群英，楊芷軒，杜潔.VR技術在虛擬仿真教學設計中的應用[J].安徽建筑，2021，28（3）：102-103.

[3] 劉飛.眼視光實操教學利器：VR虛擬仿真進課堂[J].中國眼鏡科技雜志，2021（4）：92-94.

[4] 陳璜.基于Unity、3DVR等技術的機械設計虛擬仿真系統構建研究[J].長沙大學學報，2021，35（2）：20-25.

[5] 何勰緋.虛擬仿真（VR）技術在裝備制造行業的應用研究[J].數字通信世界，2020（10）：182-183.

[6] 崔江紅，吳孔燃，張海城，等.基于VR的針刺機虛擬仿真實驗教學系統[J].機械工程師，2021（3）：26-29.

[7] 張翠翠.VR虛擬仿真技術在醫學教學中的應用[J].科教文匯，2021（18）：116-117.

[8] 張楠，劉寅.醫學虛擬現實實驗教學平臺的建設和實踐[J].實驗室科學，2020，23（3）：43-46.

[9] 符錫成，吳海威.基于移動網的計算機組成原理虛擬實驗仿真系統設計[J].信息與電腦（理論版），2020，32（18）：108-110.

*項目來源：河南大學教改項目“虛擬仿真技術在工科教學中的應用研究”（基金編號：HDXJJG2014-141）；河南大學教師教學發展專項“學習分析+表現性評價的教師信息化教學能力發展探究”（基金編號：YB-JFZX-13）。

作者：陳立家，河南大學通信工程系主任，副教授，研究方向為實驗教學；時燕妮，河南大學，講師，研究方向為信息化教學（475004）。