虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺與資源建設的探索

王煥友 曾曉華 謝光奇

摘 要 圍繞多元化、全方位的實驗教學體系，著力打造綜合性虛擬仿真軟件實驗平臺、儀器互聯(lián)共享實驗平臺、遠程虛擬實驗室平臺三大平臺。共享實驗平臺依賴網(wǎng)絡通訊、人機交互實現(xiàn)實驗教學體系中虛擬與現(xiàn)實、時間與空間的多元化和全方位性，致力于虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結合的實驗教學方法改革與創(chuàng)新。

關鍵詞 虛擬仿真實驗教學中心 信息化平臺 資源建設

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.12.023

Exploration on Information Platform and Resource Construction

of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

WANG Huanyou， ZENG Xiaohua， XIE Guangqi

（The School of Electronic Information and Electrical Engineering， Xiangnan University， Chenzhou， Hunan 423000）

Abstract Around the diversified and omni-directional experimental teaching system， we focus on building three platforms： comprehensive virtual simulation software experimental platform， instrument interconnection sharing experimental platform and remote virtual laboratory platform. The shared experimental platform relies on network communication and human-computer interaction to realize the diversity and omni-directionality of virtual and reality， time and space in the experimental teaching system. It is devoted to the reform and innovation of experimental teaching method combining virtual simulation experiment with traditional experiment.

Keywords virtual simulation experimental teaching center; information platform; resources construction

近年來，信息技術不斷向前飛速發(fā)展，高校不斷將信息技術融入到實驗教學中，虛擬仿真實驗教學在教學中的地位就顯得尤為重要。[1，2]教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中就突出強調(diào)了虛擬仿真實驗教學的重要性，并于2013年開始國家級虛擬仿真實驗教學中心的申報和布點工作，取得了很好的示范效果。[3]虛擬仿真實踐教學既是對常規(guī)實踐教學的一個重要補充，還能完成常規(guī)實踐教學無法實現(xiàn)的教學功能，[4，5]如一些高危、高成本、高消耗的實驗，常規(guī)實驗教學在這些方面顯得力不從心，而虛擬仿真實驗可以模擬真實的環(huán)境，使學生似乎身臨其境，不對安全構成威脅;也可以降低實驗的消耗和成本，達到事半功倍的效果。[6]

自2013年啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心的申報和布點以來，各高校就如何建、怎樣建虛擬仿真實驗教學中心展開了一系列的研究。湘南學院作為一所地方型本科院校，電子信息與電氣工程學院先后獲得湖南省電工電子實踐教學示范中心和湖南省電子電氣虛擬仿真實踐教學示范中心的立項建設。中心本著虛擬仿真與實體驗證相互結合、優(yōu)勢互補的指導原則，對虛擬仿真實驗進行優(yōu)化，通過自行開發(fā)和對外租、購等辦法，建設了一系列安全、經(jīng)濟、傳統(tǒng)實驗難以實現(xiàn)的實驗項目，這些實驗項目使學生設計、綜合能力得到極大提高，特別是對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)創(chuàng)造了條件。利用現(xiàn)代信息技術，通過遠程登錄，使學生無論課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下，完成虛擬仿真實驗，是對傳統(tǒng)實驗教學方法一種改革與創(chuàng)新。

1 信息化平臺建設

1.1 平臺的設計目標

以網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)庫技術為基礎，構建具有管理方便、穩(wěn)定性好，擴展性強，客戶端只需瀏覽器支持的遠程虛擬實驗平臺。學生在實驗分室的現(xiàn)場可進行軟硬結合、虛實結合的綜合性實驗，創(chuàng)建虛擬真實的實驗操作環(huán)境。學生即可單獨也可協(xié)作完成實驗，適應不同的實驗模式，便于實現(xiàn)師生間的交流。平臺上所有的操作均可在服務器上加以跟蹤，并在數(shù)據(jù)庫形成記錄，確保平臺安全性。網(wǎng)絡實驗的人數(shù)、實驗的時間、地點依實驗項目的不同均有相當?shù)淖杂啥?，使整個實踐教學的中心向?qū)W生遷移。

1.2 平臺功能設計原則

平臺功能的設計以擴展性、兼容性、前瞻性，實驗教學資源的管理高效性為原則。實現(xiàn)實驗軟件與實驗資源的統(tǒng)一管理、靈活應用，實現(xiàn)不同專業(yè)的實驗軟件與實驗資源的共享、互用，學生隨時隨地可在平臺上獲取軟件資源和實驗資源，開展自主學習和自主實驗，實現(xiàn)教學資源在時間與空間上的高效率共享和使用。

虛擬仿真實驗管理與共享平臺主要應用虛擬化接入技術，綜合單點登錄、遠程監(jiān)控等技術與教育深度融合，全面解決高校虛擬仿真實驗教學領域內(nèi)資源的建設、整合、開放與共享問題，提供可持續(xù)發(fā)展的虛擬實驗教學環(huán)境，打破當前狀況下實驗應用的封閉、異構等嚴重阻礙“共享”的障礙枷鎖，并將“有限的物理實驗教學空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學空間”，以虛擬仿真實驗教學資源的開放共享和充分使用為最終目標，促進學校品牌提升，達到省級虛擬實驗教學中心示范作用，最終形成校與校之間，學院與學院之間，校與企業(yè)直接共建、共享、共營的局面，更好的為培養(yǎng)校內(nèi)外實踐創(chuàng)新能力的優(yōu)質(zhì)人才提供服務。

虛擬仿真實驗管理與共享平臺是從虛擬仿真實驗應用，實驗學術資源，線上虛擬實驗室，基礎數(shù)據(jù)，實驗設施五個管理維度切入，分別主要解決問題：實驗應用統(tǒng)一管理、資源共享利用實現(xiàn)虛擬最大化問題;學術資源共建共享與優(yōu)質(zhì)資源建設問題;把有限的物理實驗空間擴展成無限虛擬實驗室的問題;建設決策采納問題。采用B/S架構加虛擬接入插件，利用應用虛擬化技術，支持任何架構的教學軟件。圖1為總體設計框圖，總體框架由VA虛擬化實驗應用管理平臺，實驗學術資源共享子平臺，實驗數(shù)據(jù)管理子平臺組成，以及實驗教務管理系統(tǒng)、虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)查詢分析系統(tǒng)構成。

2 實驗教學資源的建設

中心按照“能力培養(yǎng)，虛實結合、以虛補實、能實不虛”的原則構建虛擬仿真實驗教學體系，體系的宗旨是全方位提升學生的應用能力，核心是將優(yōu)質(zhì)實驗教學資源充分共建共享，充分發(fā)揮實驗教學信息化的優(yōu)勢。優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的建設要求緊貼多學科協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的特點，并與企業(yè)的現(xiàn)實需求相結合， 按照“虛擬仿真實驗+校企合作實踐” 模式構建實踐教學資源，打破傳統(tǒng)實驗室的建設模式和思路。

發(fā)揮高校和企業(yè)各自的優(yōu)勢，企業(yè)具有較強的開發(fā)實力和支持服務能力，高校具有較強的學科優(yōu)勢，整合這兩方面的實驗教學資源，以綜合培養(yǎng)學生設計和創(chuàng)新能力為基礎，設計實驗教學內(nèi)容，開展虛擬仿真實驗教學。在已有教學資源前提下，改善專業(yè)基礎虛擬仿真實驗教學平臺、專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺和創(chuàng)新拓展虛擬仿真實驗教學平臺，并積極建設電子電氣虛擬儀器平臺和電子電氣數(shù)字化校園特色項目。

2.1 進一步完善電工電子類實驗仿真平臺

包括電路實驗仿真系統(tǒng)、電子技術實驗仿真系統(tǒng)、單片機實驗仿真系統(tǒng)、DSP實驗仿真系統(tǒng)、FPGA/EDA實驗仿真系統(tǒng)、嵌入式實驗仿真系統(tǒng)等電工電子類實驗仿真平臺升級和進一步自制，以及大學生創(chuàng)新活動基地的強化建設等。

2.2 進一步完善電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學平臺

現(xiàn)有的虛擬仿真平臺具有對傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程進行數(shù)字化仿真的基本功能，但隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)快速發(fā)展和國內(nèi)外智能電網(wǎng)建設的逐步推進，在傳統(tǒng)電網(wǎng)的電網(wǎng)中融入了越來越多的新設備和新技術，為更好地與現(xiàn)代電力系統(tǒng)的生產(chǎn)實際相結合，需要對現(xiàn)有的仿真平臺進行擴展和升級。建設內(nèi)容包括：新增電壓穩(wěn)定模塊、參數(shù)優(yōu)化與協(xié)調(diào)模塊、馬達啟動模塊、無功優(yōu)化模塊、光伏發(fā)電站模型、風電機組（直驅(qū)、雙饋）模型、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS模型、電能質(zhì)量計算模塊、諧波分析模塊、圖模一體化平臺。

2.3 新建電磁暫態(tài)模擬仿真平臺

可實現(xiàn)機電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真的所有功能;可實現(xiàn)大規(guī)模電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真和局部網(wǎng)絡的電磁暫態(tài)仿真;可研究大系統(tǒng)背景（5000至10000節(jié)點網(wǎng)絡規(guī)模）下的直流輸電系統(tǒng)和FACTS元件暫態(tài)特性，無需對相關電力系統(tǒng)進行等值化簡，與傳統(tǒng)的純電磁暫態(tài)仿真相比，大大簡化了工作量，并提高了分析的準確性;可研究直流輸電系統(tǒng)和FACTS元件與網(wǎng)絡的相互影響，分析準確性大大優(yōu)于傳統(tǒng)的純機電暫態(tài)仿真。

2.4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化遠程仿真教學系統(tǒng)的建設

基于Web技術，繼續(xù)進行網(wǎng)絡化遠程仿真系統(tǒng)的開發(fā)，將現(xiàn)有虛擬仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡化，提供多層次、多種類的虛擬仿真服務，可實現(xiàn)遠程教育和交互式操作（人員異地）、遠程診斷（專家異地）。

3 結語

虛擬仿真實驗教學中心的建設結合了高等教學信息化建設和實驗教學示范中心建設，中心的建設在高校實驗教學改革與創(chuàng)新中具有舉足輕重的作用，使資源使用效益最大化，虛擬仿真教學中心的實現(xiàn)也會隨著新技術的發(fā)展而更新。而在虛擬仿真實驗教學中心建立過程中，需要信息技術與實驗教學的有機結合，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學中心資源共享優(yōu)勢、結合信息化實驗教學管理平臺、使虛擬仿真實驗教學中心的建設日臻完善。

基金項目：湖南省高等教育教學質(zhì)量與教學改革項目（項目批準號湘教通[2014]72號-452）;湖南省高等教育教學質(zhì)量與教學改革項目（項目批準號湘教通[2015]274號）

參考文獻

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[3] 唐景莉.技術革命催生中國高等教育變革[N].中國教育報，2013-07-08.

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