虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)中八項(xiàng)關(guān)系的理解與探討

王曉迪

(哈爾濱工程大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與資產(chǎn)管理處，黑龍江 哈爾濱 150001)

教育部《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高司函〔2013〕94號(hào)文件，下稱94號(hào)文)，拉開了虛擬仿真(下稱虛仿)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的序幕，虛仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)問(wèn)題在高校內(nèi)引發(fā)熱議[1]。作為我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的主管部門，認(rèn)真研讀教育部的文件，梳理建設(shè)思路，并組織了校內(nèi)研討，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)中的八項(xiàng)關(guān)系提高了認(rèn)識(shí)，并提出了處理的意見，其中有些問(wèn)題目前尚“無(wú)解”，需要同行共同探索研討。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教育信息化的關(guān)系

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》指出：“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響”[2]。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》指出：“以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，破解制約我國(guó)教育發(fā)展的難題，促進(jìn)教育的創(chuàng)新與變革，是加快從教育大國(guó)向教育強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的重大戰(zhàn)略抉擇。”“用十年左右的時(shí)間初步建成具有中國(guó)特色的教育信息化體系，使我國(guó)教育信息化整體上接近國(guó)際先進(jìn)水平，推進(jìn)教育事業(yè)的科學(xué)發(fā)展?！盵3]《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高〔2012〕4號(hào))指出：“加快推進(jìn)教育信息化進(jìn)程，加強(qiáng)數(shù)字校園、數(shù)據(jù)中心、現(xiàn)代教學(xué)環(huán)境等信息化條件建設(shè)?！盵4]

由此可以看出，教育信息化和虛仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“綱”與“目”的關(guān)系，教育信息化是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的源頭，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化的重要組成部分之一。明確這一條就引導(dǎo)我們站在教育信息化的高度重視虛仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的關(guān)系

94號(hào)文件指出：“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容?！边@就明確了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要組成部分，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的延續(xù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)注入了新的活力和內(nèi)容。堅(jiān)持這樣的建設(shè)思路，有利于調(diào)動(dòng)省市教育行政部門及高等學(xué)校建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的積極性，有利于資源整合與共享，有利于運(yùn)行管理，有利于對(duì)已取得的國(guó)家級(jí)、省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心稱號(hào)的單位繼續(xù)投入和持續(xù)建設(shè)[5]。

在實(shí)際的運(yùn)行管理中也會(huì)遇到管理體制和運(yùn)行機(jī)制的新問(wèn)題，比如開展專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，需要將先進(jìn)的科研成果引入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這就需要科研團(tuán)隊(duì)的積極參與和大力支持。如何調(diào)動(dòng)科研團(tuán)隊(duì)等各方面力量的積極參與，事實(shí)上也是責(zé)權(quán)利再分配的問(wèn)題，在具體解決方案上，需要學(xué)校主導(dǎo)，對(duì)編制、崗位、建設(shè)規(guī)劃等政策性方面的工作，要做得更細(xì)致、更深入。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

94號(hào)文件指出：“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。”這就明確了切勿盲目地將真實(shí)情況下做得很好的實(shí)驗(yàn)都搬到網(wǎng)上去。虛仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不是一味追求虛擬，不能以虛仿代替所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍需形成虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在虛仿實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡可能地讓學(xué)生接觸實(shí)際，“能實(shí)不虛”。

對(duì)于某門課程或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目，虛仿和實(shí)做究竟是三七開還是四六開，要看實(shí)際需要和使用效果，不可“一刀切”。我校船海虛仿中心針對(duì)虛實(shí)關(guān)系總結(jié)出“五個(gè)相結(jié)合”，即下廠實(shí)習(xí)與虛擬船廠相結(jié)合、三維模型設(shè)計(jì)制作與虛擬船廠相結(jié)合、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和船舶水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)與艦船操縱模擬系統(tǒng)相結(jié)合、大型結(jié)構(gòu)加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)相結(jié)合、船舶博物館船模與船舶智能查詢綜合服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合。其中有實(shí)物與虛仿結(jié)合，也有半物理模型與虛仿結(jié)合，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新特色[6]。該中心教師指導(dǎo)學(xué)生以大作業(yè)的形式設(shè)計(jì)某一作品，學(xué)生將設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入到快速成型機(jī)打印成三維零件，再將三維零件組合成作品，使設(shè)計(jì)課程不再僅僅體現(xiàn)為抽象的圖紙，而是以模型作品再現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)。這就是半物理模型與虛仿結(jié)合的范例。

此外，也可以采取“課外仿(或稱預(yù)習(xí)仿)+課內(nèi)實(shí)”或“先仿后實(shí)”的方式，可以做個(gè)假想，假設(shè)某實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目4學(xué)時(shí)，都是在計(jì)算機(jī)上虛仿，實(shí)驗(yàn)之后學(xué)生會(huì)覺(jué)得索然無(wú)味。若利用虛仿不受時(shí)空和地點(diǎn)限制，適合自主學(xué)習(xí)的特點(diǎn)[7]，將虛仿實(shí)驗(yàn)放在課外，鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)，到了課堂內(nèi)再實(shí)際動(dòng)手操作，能夠大大提高學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)效果。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件與課件的關(guān)系

什么是虛仿軟件，通過(guò)“94號(hào)文”虛仿中心的建設(shè)任務(wù)的說(shuō)明，虛仿軟件是對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能的模擬 。有人認(rèn)為課件就是虛仿軟件，甚至以課件作為虛仿軟件去申報(bào)虛仿中心，這是一個(gè)誤區(qū)。雖然有些較好的課件能網(wǎng)上運(yùn)行，可進(jìn)行互動(dòng)、菜單操作，確有虛仿軟件的某些特征，但這畢竟只是適于某課程，無(wú)論從功能、規(guī)模、技術(shù)含量都無(wú)法與虛仿軟件相比。那么虛仿軟件到底有哪些特征呢，根據(jù)94號(hào)文件精神，我們認(rèn)為：第一從技術(shù)層面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)[8]，可以包含其他一些重要技術(shù)，這幾個(gè)技術(shù)是不可或缺的；第二是構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以在這個(gè)環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)；第三是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一定是為教學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的，它應(yīng)滿足教學(xué)大綱的要求；第四是虛仿軟件功能強(qiáng)大、信息量大，交互性強(qiáng)；第五是虛仿能自動(dòng)生成結(jié)果，可定量分析而不是定性瀏覽。

5 自研原創(chuàng)性虛仿軟件與商品化工具軟件的關(guān)系

虛仿軟件可分為自研的原創(chuàng)性虛仿軟件與商品化工具軟件。當(dāng)前主流的工具軟件多是國(guó)外大公司的商品化軟件，例如電工電子領(lǐng)域的EDA軟件有：電路板設(shè)計(jì)軟件Protel 99、電子系統(tǒng)仿真Proteus[9]；船舶與海洋工程領(lǐng)域有：Tribon船體三維建模軟件、Fluent船體建模與流體力學(xué)分析計(jì)算軟件、AutoCAD船體制圖繪制軟件等。

近年來(lái)，許多高校自行開發(fā)或校企合作共同開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件，例如交通運(yùn)輸類的專業(yè)紛紛推出船舶、汽車、飛機(jī)操控模擬器、高速鐵路綜合調(diào)度指揮仿真系統(tǒng)、城市交通信號(hào)與控制系統(tǒng)[10]等。還有一種情況就是對(duì)引進(jìn)商業(yè)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，以適應(yīng)本校的教學(xué)要求。在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)采取自研軟件和商業(yè)軟件相結(jié)合的原則，不能為了擁有自主研發(fā)的虛擬仿真軟件，再次開發(fā)市場(chǎng)上已有的成熟軟件，也不能為了申報(bào)工作大批量的購(gòu)買商業(yè)軟件。

6 學(xué)校與企業(yè)的關(guān)系

在94號(hào)文件中提及的“探索校企共建共管的新模式和新途徑”和“積極利用企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力”；虛仿中心申請(qǐng)書將“合作企業(yè)的概況和參與程度”作為申報(bào)條目，成為必答題；遴選要求列出“校企共建共管的合作模式、途徑和成果”、“有企業(yè)背景的人員參與教學(xué)中心建設(shè)”2條評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，充分體現(xiàn)了教育部對(duì)校企合作的重視，同時(shí)也指明了虛仿中心今后開展校企合作的方向。

較為理想的校企合作是將資源的開發(fā)，維護(hù)、更新、支持、服務(wù)等合理地交給企業(yè)承擔(dān)，將企業(yè)的效益觀念和高校的教學(xué)需要結(jié)合在一起，這種機(jī)制需要作進(jìn)一步的探索。我校船海虛仿中心開發(fā)的“虛擬船廠”軟件，就是以國(guó)內(nèi)某造船廠為原型，“船舶查詢服務(wù)系統(tǒng)”則是收集完整的船型資料300余項(xiàng)，港口與碼頭工程資料近百項(xiàng)的第一手資料。這些都是校企合作的結(jié)晶，顯然，沒(méi)有企業(yè)的協(xié)助，這些工作是無(wú)法完成的。

7 資源共享與有償服務(wù)的關(guān)系

由于虛仿軟件在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，為資源共享提供了最好的條件。94號(hào)文件中20字的指導(dǎo)思想“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”，就有“共享資源”4字，另有兩處提及“共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源”和“實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。”申請(qǐng)書設(shè)有2個(gè)必答欄目：“目前教學(xué)資源共享的范圍和效果”和“進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)共享的計(jì)劃與安排”。

在遴選要求中，有對(duì)“用戶身份管理、認(rèn)證和計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)”的要求，可見教育部并不是簡(jiǎn)單鼓勵(lì)大家做“無(wú)償服務(wù)”，而是鼓勵(lì)建立一種成本核算機(jī)制。我們認(rèn)為優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源要方便大家選擇使用，用戶支付相應(yīng)的費(fèi)用，補(bǔ)償成果開發(fā)的支出和服務(wù)的支出，同時(shí)產(chǎn)生合理的利潤(rùn)，這樣才能形成良性循環(huán)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，從而使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建得更好。

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件有償服務(wù)合情合理，也是資源共享的新思路。但是如何收費(fèi)和結(jié)算，收費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)是什么，誰(shuí)來(lái)制定，這是問(wèn)題的難點(diǎn)。此外資源共享不僅僅是收費(fèi)問(wèn)題，還涉及到諸多問(wèn)題，如共享網(wǎng)站是建立國(guó)家級(jí)、還是區(qū)域性的，還是以各自的學(xué)校網(wǎng)站作為共享平臺(tái)對(duì)外開放；再如有的軟件須有模擬器配合方可使用，而使用方不具備這樣的條件怎么解決；對(duì)于數(shù)據(jù)量大的虛仿軟件，在網(wǎng)上運(yùn)行尚存在技術(shù)障礙，程序運(yùn)行環(huán)境不支持流數(shù)據(jù)傳輸，程序內(nèi)容的授權(quán)難以控制，互聯(lián)網(wǎng)的帶寬限制了程序的動(dòng)態(tài)加載運(yùn)行。這些都將為資源共享的瓶頸，需要專題解決。

8 虛仿資源網(wǎng)上運(yùn)行與網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)系

國(guó)家級(jí)虛仿中心遴選要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：“實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行、管理和維護(hù)；具有網(wǎng)絡(luò)防病毒、信息過(guò)濾和入侵檢測(cè)功能?！庇捎谔摲陆虒W(xué)資源網(wǎng)上運(yùn)行，必然存在網(wǎng)絡(luò)安全，這是一對(duì)矛盾體。目前虛仿軟件都是在自己的網(wǎng)站上運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)安全就得靠自己解決，這里涉及到專門的技術(shù)問(wèn)題，每個(gè)高校解決的途徑也各不相同[11-12]。這些防范措施存在不嚴(yán)密、技術(shù)含量低等問(wèn)題。通常各學(xué)校虛仿資源在校園網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)安全性相對(duì)較高，但校外人員又無(wú)法訪問(wèn)，影響資源的共享。為了實(shí)現(xiàn)資源共享，可以構(gòu)筑某些共享平臺(tái)，如教育部能夠提供一個(gè)平臺(tái)，所有國(guó)家級(jí)虛仿中心的資源都放到這個(gè)平臺(tái)上，不但可以提高共享率，也可以解決各高校的網(wǎng)絡(luò)安全的后顧之憂。

[1] 教育部.關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].教高司函〔2013〕94號(hào)文件,2013.

[2] 國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[Z].2010.

[3] 教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)[Z].2012.

[4] 教育部.教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[Z].2012.

[5] 李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè) 提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(11)：5-8.

[6] 馮峰，孫聰，曲先強(qiáng).船海虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(2)：11-14.

[7] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè) [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(1)：5-8.

[8] 王衛(wèi)國(guó).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(12)：5-8.

[9] 陳知紅，王錦蘭.Proteus仿真軟件在電工學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(2)：93-95.

[10] 沈雅婕.VISSIM仿真系統(tǒng)在交通信號(hào)控制教學(xué)中的使用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(2)：89-92.

[11] 榮彥，賀惠萍，林夢(mèng)華，等.基于Authorware的灰鴿子木馬實(shí)驗(yàn)仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(1)：94-96.

[12] 田園，惠煌，李明楚.網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(11):166-168.