計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

梁琨+談姝辰+金海燕+段敬紅

摘要：本文分析了計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在高校教學(xué)建設(shè)中的必要性，介紹了西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)情況——該校形成了具有專業(yè)特色、應(yīng)用廣泛的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，而且通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的有效結(jié)合，提高了本科生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；建設(shè)與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）03-0267-02

在國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，教育信息化在教育教學(xué)領(lǐng)域和管理過(guò)程中的應(yīng)用正在逐步深入，該應(yīng)用有力地促進(jìn)了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革。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)容就是建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。2013年，教育部開(kāi)展了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立是信息化技術(shù)與學(xué)科專業(yè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)發(fā)展深度融合的產(chǎn)物，它順應(yīng)了現(xiàn)代教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，對(duì)高等教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深化，產(chǎn)生了積極而重要的影響。

一、計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)必要性

國(guó)內(nèi)高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的理論基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)比較扎實(shí)，但實(shí)踐與創(chuàng)新能力與世界一流大學(xué)的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生之間有較大的差距。探索提升計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，提高本科生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，是高校計(jì)算機(jī)教師近幾年不懈努力的方向。計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立的必要性：①它可以為提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程的興趣和動(dòng)力提供有效途徑。②它是培養(yǎng)學(xué)生自主構(gòu)建計(jì)算機(jī)仿真模型體系的最佳機(jī)會(huì)，有利于夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，促進(jìn)實(shí)踐創(chuàng)新能力的發(fā)展。③它是拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必經(jīng)之路，可以促使高等教育的功能從“人才培養(yǎng)者”向“人才設(shè)計(jì)者”轉(zhuǎn)變。綜上所述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)已全面進(jìn)入信息化時(shí)代，建立計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢(shì)。

二、西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的具體實(shí)施

西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（下面簡(jiǎn)稱中心）是隸屬于校、院兩級(jí)管理的教學(xué)單位，它依托陜西省計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以及網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)，并由學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心為其提供網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。中心主要針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程兩個(gè)一級(jí)學(xué)科專業(yè)，以及其他學(xué)院計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院雄厚的技術(shù)力量，圍繞計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)，開(kāi)展基于虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)仿真、網(wǎng)絡(luò)攻防等技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科學(xué)研究工作。

1.計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的發(fā)展歷程和建設(shè)概況：①1994年至2013年，中心整合、發(fā)展階段；②2013年至2016年，計(jì)算機(jī)虛擬仿真教學(xué)示范中心建成、發(fā)展階段。目前，中心總占地面積3000平方米，擁有16個(gè)實(shí)驗(yàn)室。面向全校開(kāi)展計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已建設(shè)30個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，取得的教學(xué)成果良好。

2.計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)。我院計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)最重要的一部分，就是建設(shè)計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是由平臺(tái)加資源組合而成。該平臺(tái)具有一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站，并建設(shè)了一個(gè)開(kāi)放式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺(tái)，然后再陸續(xù)把計(jì)算機(jī)類虛擬實(shí)驗(yàn)課程的資源放到該平臺(tái)來(lái)進(jìn)行管理。平臺(tái)結(jié)合當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，建設(shè)了功能全面、技術(shù)先進(jìn)、符合計(jì)算機(jī)學(xué)科特色的虛擬認(rèn)知實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，它能夠支持開(kāi)放式的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料的共享及互動(dòng)。該計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)分為三大部分，分別是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)綜合創(chuàng)新平臺(tái)。①計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)下設(shè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)承擔(dān)著全校計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，它面向全校本科生開(kāi)放。在該平臺(tái)上，部署了自主開(kāi)發(fā)的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)，并連續(xù)多年應(yīng)用于本科學(xué)生的期末上機(jī)考試中，取得的效果良好。②計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)。該平臺(tái)由網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、軟件工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成，主要面向計(jì)算機(jī)學(xué)院本科生以及研究生，承擔(dān)著計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，已應(yīng)用于本科實(shí)踐教學(xué)中，受到學(xué)生的好評(píng)。③計(jì)算機(jī)綜合創(chuàng)新平臺(tái)。該創(chuàng)新平臺(tái)由云混合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩部分組成。云混合平臺(tái)是由IBM公司合作建立，選用惠普公司的桉樹(shù)平臺(tái)和谷歌的Spark云計(jì)算平臺(tái)組成混合云基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)。該混合平臺(tái)可以進(jìn)行大規(guī)模信息系統(tǒng)的發(fā)布以及并行大數(shù)據(jù)的處理。在該平臺(tái)云端還部署了IBM公司的Rational系列產(chǎn)品，它覆蓋了云服務(wù)的需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、代碼編寫、自動(dòng)化測(cè)試、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期云服務(wù)開(kāi)發(fā)工具。綜合創(chuàng)新平臺(tái)主要面向計(jì)算機(jī)學(xué)院研究生以及有能力的計(jì)算機(jī)學(xué)院本科生，已應(yīng)用于科研及研究生和本科生的實(shí)踐能力培養(yǎng)中，已開(kāi)展了多項(xiàng)云端創(chuàng)新應(yīng)用。目前，我院研究生與本科生已經(jīng)在云服務(wù)創(chuàng)新平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了電子商務(wù)銷售平臺(tái)、智能交通調(diào)度系統(tǒng)、星云軟件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)等多個(gè)云端創(chuàng)新應(yīng)用。多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是利用國(guó)家部分投資建立的一個(gè)基于高端PC圖形工作站平臺(tái)的高檔VR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，擁有三維數(shù)據(jù)掃描儀、數(shù)據(jù)頭盔、力反饋器、數(shù)據(jù)手套、圖形工作站、服務(wù)器、立體投影、數(shù)碼相機(jī)、三維激光掃描儀、光學(xué)成像設(shè)備、無(wú)人機(jī)以及Kinect等實(shí)驗(yàn)設(shè)備及各種教學(xué)軟件等組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集與建模、三維場(chǎng)景的漫游與呈現(xiàn)、模擬裝配與操作等多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)。除此之外，多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室還具有一套動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境及系統(tǒng)的交互，即可對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)或標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤。它能準(zhǔn)確地跟蹤測(cè)量參與者的動(dòng)作，將這些動(dòng)作實(shí)時(shí)檢測(cè)出來(lái)，以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立具有沉浸感、真實(shí)感和互動(dòng)性的三維立體環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，這可以培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)采集、處理和使用多媒體資源的能力，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為計(jì)算機(jī)圖形圖像類教學(xué)實(shí)驗(yàn)課提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中涉及的課程主要有：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)字圖像處理等。

3.計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的特色與創(chuàng)新。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)專業(yè)教育方面的廣泛應(yīng)用已經(jīng)是一種必然趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立，培養(yǎng)了專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、掌握高科技知識(shí)的應(yīng)用型技術(shù)人才。計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的特色：①整合各類資源，建立統(tǒng)一平臺(tái)；②信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合；③科研轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；④校企合作，共同培養(yǎng)工程實(shí)踐類人才。

計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，它既為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)注入了新的活力，也為推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新增添了新的動(dòng)力。西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，在近幾年的建設(shè)中，努力整合資源，投入較為充足的人力、物力、財(cái)力，努力提高教師隊(duì)伍應(yīng)用計(jì)算機(jī)開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)的能力，建成計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)有效結(jié)合，著力加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在日常教學(xué)中的比例。它在學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐成果、大學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽、國(guó)家級(jí)教學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)、國(guó)際合作交流等各個(gè)方面取得了較為顯著的成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

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Construction and Practice for the Experiment Teaching Centers of Computer Virtual Simulation

LIANG Kun，TAN Shu-chen，JIN Hai-yan，DUAN Jing-hong

（School of Computer Science and Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an，Shaanxi 710048，China）

Abstract：This paper is necessary to construct the experiment teaching centers of computer virtual simulation in the university teaching. This paper introduces the construction of the computer virtual simulation experiment teaching center of Xi'an University of technology. The virtual simulation experiment teaching platform，which has special characteristics and wide application，is formed. Through the effective combination of virtual experiment teaching and traditional teaching，it can improve the practical ability of undergraduates and cultivate students' innovative consciousness.

Key words：virtual simulation；the experiment teaching centers of computer virtual simulation；construction and practice