淺談國內(nèi)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)及仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以電氣、自動(dòng)化專業(yè)為例

濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院 孫佃升

本文對國內(nèi)高校電氣、自動(dòng)化專業(yè)進(jìn)行國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的情況進(jìn)行了介紹，并論述了電氣、自動(dòng)化專業(yè)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和優(yōu)勢，最后對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程執(zhí)行中的若干問題進(jìn)行了探討。

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和信息時(shí)代的來臨，高等教育中的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式正發(fā)生著深刻的變革。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，是高等教育信息化建設(shè)、高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。國內(nèi)很多高校都陸續(xù)建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，將部分專業(yè)的部分實(shí)驗(yàn)課程采用虛擬仿真的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文結(jié)合電氣、自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和實(shí)踐，談一談在虛擬仿真教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的相關(guān)啟示。

1 開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的重要意義

從目前高等教育的發(fā)展趨勢看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)推動(dòng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式變革和發(fā)展的必然結(jié)果，是信息時(shí)代的產(chǎn)物。從這個(gè)意義上說，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣泛應(yīng)用是大勢所趨。正像教育部《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)工作的通知》（中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函[2013]94號)[Z].2013,8）、《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》（中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知(教高司函[2017]4號)[Z].2017,7）中所述的“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，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”；“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措”。因此，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，也是深化教學(xué)改革提升辦學(xué)質(zhì)量的需要。

2 國內(nèi)電氣、自動(dòng)化專業(yè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)情況

教育部非常重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)。自2013年起教育部辦公廳連續(xù)三年下達(dá)《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，連續(xù)三年每年批準(zhǔn)建設(shè)100個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心。目前，在已經(jīng)建設(shè)的300的國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心中，電氣、自動(dòng)化專業(yè)的主要有如下幾個(gè)：清華大學(xué)的自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、天津大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、南京理工大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、湖南科技大學(xué)信息與電氣技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、東北電力大學(xué)電力工業(yè)生產(chǎn)過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、三峽大學(xué)電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、西南交通大學(xué)軌道交通電氣化與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、東北電力大學(xué)電力工業(yè)全過程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、重慶大學(xué)能源與動(dòng)力電氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、長沙理工大學(xué)電力生產(chǎn)與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

2017年7月，教育部辦公廳下達(dá)了《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》。要求于2017-2020年在普通本科院校開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認(rèn)定約1000項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。采取先建設(shè)應(yīng)用、后評價(jià)認(rèn)定、持續(xù)監(jiān)測評估的方式，分年度認(rèn)定。在提出的《2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃》[2]中規(guī)定了各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的數(shù)量以及分年度建設(shè)規(guī)劃。電氣類規(guī)劃數(shù)量為20個(gè)，2019年和2020年各規(guī)劃建設(shè)10個(gè)。自動(dòng)化類規(guī)劃數(shù)量為10個(gè)，2020年建成。2018年6月教育部公布了首批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目名單，該名單共有105個(gè)項(xiàng)目。要求中央部委所屬高校要將國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入“十三五”期間中央高校教育教學(xué)改革專項(xiàng)的重要內(nèi)容，予以重點(diǎn)支持。公布的105個(gè)項(xiàng)目中，其中生物學(xué)類15項(xiàng)，機(jī)械類14項(xiàng)，電子信息類14項(xiàng)，化工與制藥12項(xiàng)，交通運(yùn)輸類7項(xiàng)，核工程類8項(xiàng)，臨床醫(yī)學(xué)類25項(xiàng)，藥學(xué)類10項(xiàng)。值得注意的是，本次立項(xiàng)的105個(gè)項(xiàng)目，絕大多數(shù)并非來自于2013年至2015年建成的300個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，以山東省為例，有山東科技大學(xué)的煤礦工作面采煤機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，煙臺大學(xué)的焊接工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，濟(jì)南大學(xué)的氨噻肟酸新工藝仿真-實(shí)訓(xùn)綜合實(shí)驗(yàn)，濱州醫(yī)學(xué)院的臨床基本技能虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，山東大學(xué)的乙型肝炎病毒感染的分子診斷，山東中醫(yī)藥大學(xué)的基于VR技術(shù)的GMP藥廠中藥制劑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程系列模塊之中藥顆粒劑的制備6個(gè)項(xiàng)目入圍。

3 電氣、自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

電氣、自動(dòng)化專業(yè)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具獨(dú)特的優(yōu)勢。

首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更能保障實(shí)驗(yàn)者的人身安全和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全。電氣、自動(dòng)化專業(yè)的很多實(shí)驗(yàn)課程涉及到強(qiáng)電、高速旋轉(zhuǎn)等，對實(shí)驗(yàn)者有潛在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，電氣、自動(dòng)化類實(shí)驗(yàn)設(shè)備多數(shù)為系統(tǒng)級的設(shè)備，涉及到強(qiáng)電、弱電，相對復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)設(shè)備損壞的幾率較高，尤其是使用多年的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，普遍存在元器件老化等問題時(shí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中的誤操作也加大了設(shè)備損壞的幾率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)很好的解決了這一問題，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室可不必?fù)?dān)心操作出錯(cuò)帶來的上述問題。

其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠更加清楚地了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)快捷方便。目前，市場采購的電氣、自動(dòng)化類實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為保障做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的人身安全，大都將部件包裝在實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)部，呈現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)者面前的僅僅是用于接線的面板以及畫在面板上的元件或者部件符號。因而，此類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較為固定，且不能變更預(yù)先選定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)卻可以在計(jì)算機(jī)仿真軟件上清楚地看到每一部分的電路連接，并嘗試進(jìn)行修改。實(shí)驗(yàn)參數(shù)可隨意進(jìn)行修改，不存在實(shí)物實(shí)驗(yàn)參數(shù)修改受硬件制約或者參數(shù)超出設(shè)定范圍帶來設(shè)備損壞等問題。

再次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)拓寬了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的范圍，能夠做一些涉及高危環(huán)境、不可逆或不可及的操作，以及高消耗、高成本，以及一些系統(tǒng)過于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。某些專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)難以在有限的實(shí)驗(yàn)室封閉空間內(nèi)通過實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比如電力生產(chǎn)過程（周洪,劉超,何珊,等.電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理[J],2014.8,31(8):1-8），很難通過實(shí)際的高壓電力線路和設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既是是采用低壓實(shí)物替代來進(jìn)行演示模擬，也僅能達(dá)到實(shí)驗(yàn)特性的近似，與實(shí)際特性仍然存在很大的差別。此外，有些實(shí)驗(yàn)是針對系統(tǒng)故障狀態(tài)下的反應(yīng)或者故障狀態(tài)下的運(yùn)行以及研究系統(tǒng)容錯(cuò)的，這類實(shí)驗(yàn)如果采用實(shí)物進(jìn)行，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，即使順利進(jìn)行，往往也會(huì)有高消耗、高成本的問題。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不存在這些問題。

最后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研合作方面具有更大的優(yōu)勢。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不像實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣受制于設(shè)備的硬軟件條件，可以方便靈活的調(diào)整仿真實(shí)現(xiàn)的功能、開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師可以更方便地將科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化。這對促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升與生產(chǎn)實(shí)際和科研密切相關(guān)的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，提高專業(yè)人才培養(yǎng)與實(shí)際需求的適切度，提升教師的科研和實(shí)踐教學(xué)水平都有很大促進(jìn)作用。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程執(zhí)行的若干問題

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對教學(xué)材料和教學(xué)過程提出了更高要求，尤其是教學(xué)過程的執(zhí)行情況直接影響仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材提出了更高的要求。電氣、自動(dòng)化類專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所針對的實(shí)驗(yàn)對象往往是復(fù)雜的系統(tǒng)，一本好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材可以指導(dǎo)學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)課之前做好相關(guān)知識的自學(xué)和實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)。此外，還可以發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式的優(yōu)勢，讓學(xué)生在課前進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)試做。

其次，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師應(yīng)更加重視教學(xué)過程的執(zhí)行。仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)一人一組單獨(dú)進(jìn)行，帶來了學(xué)生之間如何進(jìn)行問題討論與協(xié)作的問題。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生組成小組討論實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中遇到的問題。此外，教學(xué)中可合理應(yīng)用廣播教學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示及實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控。

最后，對某一門實(shí)驗(yàn)課程來說，應(yīng)做好仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。仿真實(shí)驗(yàn)不能完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，二者有機(jī)結(jié)合發(fā)揮各自的優(yōu)勢能達(dá)到滿意的教學(xué)效果。

5 總結(jié)

以電氣、自動(dòng)化專業(yè)為例論述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢以及開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性，并介紹了目前國內(nèi)高校國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)情況。最后，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程執(zhí)行中的若干問題進(jìn)行了探討。