新工科背景下虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)體系研究

吳 潔，徐偉男，范世東，江 攀 ，楊志勇，胡一鳴

(1.武漢理工大學(xué) 船海與能源動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

教育部2017年在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，對新工科的內(nèi)涵特征、新工科建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇進(jìn)行了深入探討，會議明確提出要加快建設(shè)和發(fā)展新工科，并達(dá)成了“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[1]。隨著全球范圍內(nèi)科技革命、產(chǎn)業(yè)變革、新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程加快，伴隨著人類社會未來面臨科技問題的復(fù)雜性程度的提升，亟需新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的突破。這些技術(shù)變革就需要不同學(xué)科背景進(jìn)行交叉培養(yǎng)的高素質(zhì)人才來推進(jìn)和引領(lǐng)未來新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新型經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，通過多學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)出具有跨學(xué)科能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的多類型交叉技術(shù)人才[2]。實(shí)踐是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，實(shí)踐教學(xué)體系是新工科專業(yè)建設(shè)的重要組成部分，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)資源和實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)是新工科背景下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系構(gòu)建的主體。

在新工科的背景下，圍繞國家對交通運(yùn)輸類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，著力構(gòu)建交通運(yùn)輸類專業(yè)完善的綜合性高水平的實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新體系，為解決實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)突出問題提供方法路徑。依托虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建，從實(shí)踐資源、虛實(shí)結(jié)合、平臺運(yùn)行、過程控制、系統(tǒng)評價等方面，通過頂層設(shè)計(jì)形成持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng)，構(gòu)建基礎(chǔ)認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)及研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等多層次的系統(tǒng)平臺。

1 高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 實(shí)踐教學(xué)體系與多學(xué)科交叉融合不足

“新工科”理念的工程教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系的建設(shè)還處于起步階段。目前我國大部分工科院校的課程體系設(shè)置仍以知識型導(dǎo)向?yàn)橹?，知識型課程體系對學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的支撐度不足。工科類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式要求提高創(chuàng)新能力的前提必須以合理科學(xué)的課程體系為核心[3]。W高校交通運(yùn)輸類專業(yè)(水上方向)融合了載運(yùn)工具、動力工程、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)與管理、海洋生物科學(xué)、水利工程、海洋環(huán)境與安全、信息科學(xué)與應(yīng)用等學(xué)科方向。從重新設(shè)計(jì)改革課程體系轉(zhuǎn)型為國際化培養(yǎng)模式，從專業(yè)學(xué)科發(fā)展趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科復(fù)合交叉型，實(shí)踐體系也面向高級引領(lǐng)型航運(yùn)人才培養(yǎng)和海事系統(tǒng)科學(xué)研究并重的方向發(fā)展[4]。目前產(chǎn)學(xué)研合作實(shí)踐教學(xué)改革已在各高等院校逐步展開，并初具規(guī)模，但依然存在以下問題：①對本、碩、博的產(chǎn)學(xué)研合作認(rèn)識不夠深刻，產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)體系流于形式；②產(chǎn)學(xué)研實(shí)踐教學(xué)體系比較單一，沒有與大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)過程結(jié)合。因此，要利用多學(xué)科背景的融合，從實(shí)踐培養(yǎng)過程中提高大學(xué)生工程創(chuàng)新實(shí)踐能力，才能把新工科實(shí)踐教育教學(xué)改革做實(shí)。

1.2 實(shí)踐資源建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺支撐不足

高等院校科研成果轉(zhuǎn)化為專業(yè)教學(xué)知識點(diǎn)或資源庫仍不夠充分，沒有設(shè)計(jì)有效促進(jìn)科學(xué)新技術(shù)反哺教學(xué)、教學(xué)促進(jìn)科研創(chuàng)新思維的循環(huán)機(jī)制，專業(yè)教學(xué)的更新頻次與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展形成了不平衡的現(xiàn)狀。高校實(shí)驗(yàn)室條件建設(shè)受經(jīng)費(fèi)、資源限制無法持續(xù)大規(guī)模改進(jìn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)場地和手段革新不足。如何建立動態(tài)更新機(jī)制，建設(shè)開發(fā)型計(jì)算仿真平臺，為基礎(chǔ)認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)及研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)提供軟硬件支撐是工科院校亟需解決的問題。同時實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與理論教學(xué)交叉深度不夠，原因在于高校缺乏閉環(huán)的評價機(jī)制，缺乏雙向促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展的實(shí)驗(yàn)體系支撐的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系下實(shí)驗(yàn)臺套不足、大型綜合性實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)周期長的問題，同時也增加了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程的交互性，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新載體。但現(xiàn)階段高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺多是結(jié)構(gòu)和原理認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)，欠缺實(shí)驗(yàn)真實(shí)感和探究性，學(xué)生總體學(xué)習(xí)效果不佳[5]。通過構(gòu)建基于平臺驅(qū)動的交通運(yùn)輸類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，設(shè)計(jì)研究虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要可解決實(shí)驗(yàn)知識理論深度不足、實(shí)驗(yàn)步驟交互性不足以及平臺數(shù)據(jù)難以共享等問題。在數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制方面將“虛、實(shí)”實(shí)驗(yàn)平臺相連接，在繼承認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)功能基礎(chǔ)上，融入了綜合型實(shí)驗(yàn)與研究型實(shí)驗(yàn)功能。根據(jù)教師、學(xué)生、管理員、體系等多對象目標(biāo)授予不同實(shí)踐教學(xué)組織權(quán)限，根據(jù)不同類型實(shí)驗(yàn)開發(fā)多種底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通訊要求、拓展格式的對象目標(biāo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在專業(yè)實(shí)踐教育基礎(chǔ)上對學(xué)生進(jìn)行全面、系統(tǒng)和拓展的訓(xùn)練，并跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨課程的融合。

2 基于平臺驅(qū)動的交通運(yùn)輸類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式

以新工科專業(yè)實(shí)踐教育教學(xué)體系構(gòu)建為目標(biāo)，圍繞實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目展開多源信息融合、多學(xué)科交叉的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，建立理念引領(lǐng)、頂層設(shè)計(jì)、組織實(shí)施、評價反饋和改進(jìn)完善五個環(huán)節(jié)組成的“五維一體”閉環(huán)式完整運(yùn)行體系。依托國家級重點(diǎn)學(xué)科、國家級特色專業(yè)以及國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，將專業(yè)培養(yǎng)過程分為通識教育、基礎(chǔ)教育與專業(yè)教育三大模塊。針對交通運(yùn)輸類專業(yè)特色進(jìn)行課程群建設(shè)，課程群能夠?qū)I(yè)知識鏈、協(xié)同鏈與創(chuàng)新鏈銜接成完整的交通運(yùn)輸類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程。知識鏈注重知識的獲取，以知識組織-知識共享-知識轉(zhuǎn)化-知識獲取形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)；協(xié)同鏈以基于科教協(xié)同創(chuàng)新促進(jìn)項(xiàng)目孵化，校企協(xié)同育人領(lǐng)航合作共建，行業(yè)協(xié)同創(chuàng)業(yè)提升產(chǎn)學(xué)聯(lián)動的三協(xié)同耦合而成；創(chuàng)新鏈通過提升創(chuàng)新能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、傳授創(chuàng)新方法3個創(chuàng)新通道復(fù)合搭建而成?；谄脚_驅(qū)動的交通運(yùn)輸類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式機(jī)制如圖1所示。

圖1 交通運(yùn)輸類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式機(jī)制

以科教協(xié)同資源互通為前提，搭建高校與科研院所深度合作的戰(zhàn)略平臺和溝通橋梁，共同推進(jìn)優(yōu)勢教學(xué)資源和科研資源共享互通；以校企協(xié)同實(shí)踐基地為基礎(chǔ)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)共建創(chuàng)新與產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)模式，以及輪機(jī)工程等交通運(yùn)輸類專業(yè)卓越工程師教育建設(shè)成效；以行業(yè)協(xié)同打造行業(yè)引領(lǐng)人才為方向，促進(jìn)新理論技術(shù)轉(zhuǎn)化，推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化與行業(yè)需求的緊密結(jié)合。

構(gòu)建具有優(yōu)質(zhì)科研資源、交通行業(yè)需求、產(chǎn)學(xué)交流合作的特色實(shí)踐平臺體系，完善實(shí)踐教學(xué)過程的個性化引導(dǎo)，形成協(xié)同創(chuàng)新平臺通過校內(nèi)外虛實(shí)協(xié)同一體化建設(shè)發(fā)展，對接行業(yè)技術(shù)前沿和企業(yè)需求，形成了“疏浚技術(shù)與裝備行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新平臺”等多個創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺。健全了產(chǎn)教協(xié)同、科教融合的人才培養(yǎng)模式運(yùn)行機(jī)制，形成基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的高校實(shí)踐育人閉環(huán)系統(tǒng)。

3 虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建路徑研究

基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的高校實(shí)踐育人閉環(huán)體系需要構(gòu)建虛實(shí)一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺通過映射規(guī)則與通訊功能進(jìn)行實(shí)時全景呈現(xiàn)，形成實(shí)體數(shù)據(jù)與虛擬環(huán)境交互的一體化實(shí)驗(yàn)體系。

虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的形成及發(fā)展隨著VR(virtual reality，VR)技術(shù)的興起被進(jìn)一步推進(jìn)，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺的概念和技術(shù)框架也初步解決，但系統(tǒng)的沉浸感、交互性與實(shí)驗(yàn)教學(xué)耦合度并不強(qiáng)。虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)平臺在虛擬系統(tǒng)界面優(yōu)化方面快速發(fā)展，通過大幅提升實(shí)驗(yàn)平臺沉浸感體驗(yàn)[6]，形成了一系列以結(jié)構(gòu)認(rèn)知和虛擬操作教學(xué)為目的的系統(tǒng)，如虛擬拆裝系統(tǒng)、虛擬機(jī)艙資源管理系統(tǒng)等。該類系統(tǒng)將虛擬系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，雖提升了理論認(rèn)知教學(xué)效果，但仍停留在認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)教學(xué)層面，無法滿足對人才培養(yǎng)的支撐要求。通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、5G技術(shù)及云平臺的耦合，虛實(shí)結(jié)合技術(shù)得到了進(jìn)一步優(yōu)化，在大批量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面取得重大突破，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程融入系統(tǒng)引導(dǎo)，能夠滿足大量學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)及教學(xué)測評的功能需求[7]。該類系統(tǒng)的功能雖已制定了基礎(chǔ)認(rèn)知與綜合設(shè)計(jì)流程，卻無法為學(xué)生科研創(chuàng)新提供平臺支撐。為樹立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)理念，營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人環(huán)境，拓展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源，搭建高效可持續(xù)建設(shè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型教育實(shí)踐平臺，重構(gòu)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)體系，本實(shí)驗(yàn)體系將課程群優(yōu)化為：理工科基礎(chǔ)類通識教育課程群、交通運(yùn)輸類專業(yè)基礎(chǔ)教育課程群、交通運(yùn)輸類與交叉專業(yè)類專業(yè)教育課程群。虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖2所示，多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系通過校內(nèi)外聯(lián)動為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供沃土。

圖2 虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

3.1 依托培養(yǎng)方案修訂，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置和內(nèi)容

本科教學(xué)中的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括導(dǎo)論認(rèn)識、專業(yè)課實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等課程項(xiàng)目，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、科學(xué)研究等項(xiàng)目無秩序性穿插在本科四年內(nèi)進(jìn)行[8]。沒有規(guī)劃及機(jī)制統(tǒng)籌的培養(yǎng)過程限制了學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新發(fā)展，不利于“雙創(chuàng)”鍛煉的最根本目的。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置將實(shí)踐內(nèi)容豐富化層級化，針對學(xué)生的不同興趣進(jìn)行設(shè)置，以增加實(shí)踐鍛煉的有效性。通過培養(yǎng)方案修訂，增加“創(chuàng)新課程模塊”，打通本專業(yè)創(chuàng)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)與畢業(yè)通道。

3.2 提供項(xiàng)目孵化支撐，促進(jìn)校企協(xié)同和資源優(yōu)化

以項(xiàng)目為催化，科研帶動引領(lǐng)，構(gòu)建協(xié)同與項(xiàng)目驅(qū)動的實(shí)踐教學(xué)模式，通過“平行管理”式創(chuàng)新能力實(shí)踐平臺的建立，完善產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，提升教師科研成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目及校企合作項(xiàng)目的比重。以專業(yè)創(chuàng)新型人才需求為導(dǎo)向，明確基于項(xiàng)目驅(qū)動的創(chuàng)新能力達(dá)成路徑，產(chǎn)教融合共建實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺，促進(jìn)學(xué)科交叉的師資團(tuán)隊(duì)和學(xué)生社團(tuán)建立，構(gòu)建以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、企業(yè)深度參與的產(chǎn)教學(xué)研賽融合的創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)體系，提升學(xué)生綜合創(chuàng)新能力。

3.3 優(yōu)化平臺運(yùn)行管理模式，提升學(xué)生與教師創(chuàng)新意識

依托武漢理工大學(xué)建立的“創(chuàng)客空間”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園”“企業(yè)孵化器”“企業(yè)發(fā)展加速器”4個創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺，給予不同層級項(xiàng)目和團(tuán)隊(duì)差異化的指導(dǎo)與服務(wù)。建立交通運(yùn)輸類專業(yè)“眾創(chuàng)空間”，形成混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以雙創(chuàng)大學(xué)生為主體，促進(jìn)資源交互鏈接，形成教師與學(xué)生教學(xué)相長，創(chuàng)新教育與創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目共同發(fā)展的實(shí)踐新模式。

依托學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，建設(shè)基于平臺驅(qū)動的交通運(yùn)輸類專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐體系，使用信息化技術(shù)對實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺進(jìn)行運(yùn)行管理，如互聯(lián)網(wǎng)+、智能傳感、生物識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)、三維仿真可視化等技術(shù)。通過集成現(xiàn)有系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備管理、儀器設(shè)備開放共享、實(shí)驗(yàn)室預(yù)約、實(shí)驗(yàn)操作遠(yuǎn)程系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)考勤與過程記錄等系統(tǒng)功能集合，建設(shè)集成教學(xué)、運(yùn)行管理、開放共享、安全監(jiān)控等功能于一體的可視化管理系統(tǒng)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)服務(wù)于學(xué)生自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)的功能，為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供智能化、全天候的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐條件保障[9]。

3.4 不斷深化第二課堂育人功能，完善運(yùn)行管理保障體系

要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，就要賦予校園文化創(chuàng)新性的土壤。強(qiáng)化第二課堂育人功能，不斷優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，拓寬學(xué)生自主選擇的空間，成立以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的科技實(shí)驗(yàn)中心和創(chuàng)新基地，通過預(yù)約機(jī)制向交通運(yùn)輸類相關(guān)專業(yè)學(xué)生全天候開放，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力?！氨妱?chuàng)空間”可為大學(xué)生提供創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的鏈條式服務(wù)，通過培養(yǎng)和引進(jìn)創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師幫助聯(lián)系和運(yùn)用優(yōu)質(zhì)校內(nèi)外資源，制定方案并進(jìn)行可行性調(diào)查和分析[10]。

虛實(shí)一體實(shí)驗(yàn)體系面向教師、學(xué)生、平臺、體系、運(yùn)行機(jī)制等多目標(biāo)對象，促進(jìn)交通運(yùn)輸類專業(yè)學(xué)生融會貫通專業(yè)知識、實(shí)踐實(shí)操過程、自主設(shè)計(jì)拓展項(xiàng)目。通過創(chuàng)新理論課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)體系共同支撐虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的底層實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目?；A(chǔ)認(rèn)知型、綜合設(shè)計(jì)型、研究創(chuàng)新型三大類實(shí)踐項(xiàng)目體系，多層級遞階培養(yǎng)訓(xùn)練，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)卓越引領(lǐng)人才。

4 虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺框架

虛實(shí)一體化系統(tǒng)是實(shí)體操作系統(tǒng)與仿真操作系統(tǒng)以數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、底層數(shù)學(xué)模型相同的方式結(jié)合后形成的新體系。而隨著近些年VR/AR技術(shù)、5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，形成新的定義[11]，虛實(shí)一體化系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作需求，多終端在線操作需求等方面有明顯優(yōu)勢，且在技術(shù)流程操作培訓(xùn)、沉浸式游戲體驗(yàn)、安全警示演示等領(lǐng)域獲得市場的高度認(rèn)可[12-13]，在新冠疫情席卷全球的過程中虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要地位得到進(jìn)一步提高，高等院校教學(xué)及技能培訓(xùn)需求也在穩(wěn)步增加[14]。以管輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺為例，構(gòu)建虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架，如圖3所示。

圖3 虛實(shí)一體多目標(biāo)管路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)構(gòu)架圖

4.1 針對實(shí)體目標(biāo)，改造實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺的硬件性能將決定該項(xiàng)目對教學(xué)科研頂層設(shè)計(jì)功能的可支撐度，研究前期通過改造升級實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺，目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)支持認(rèn)知型、綜合型及研究型3類型實(shí)驗(yàn)的功能。以管輸實(shí)驗(yàn)平臺為例，為支持離心泵特性曲線測定實(shí)驗(yàn)，需在離心泵進(jìn)出口處添加壓力變送器，在主管道上安裝渦輪流量計(jì)，采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)通過Rs485的通訊接口傳至控制臺數(shù)據(jù)庫中；為支持離心泵功耗研究實(shí)驗(yàn)，將離心泵升級為變頻泵，同時添加功率、轉(zhuǎn)速參數(shù)的檢測手段，采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)仍通過Rs485的通訊接口傳至控制臺；為支持離心泵汽蝕空化狀態(tài)檢測研究，需在壓力、流量采集的基礎(chǔ)上添加離心泵電機(jī)xyz軸上的3個振動傳感器。因平臺系統(tǒng)高采樣頻率的需求，使用數(shù)字通信將數(shù)據(jù)傳至控制臺，采樣率可達(dá)到1 000 Hz。同時，在數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方面，該平臺系統(tǒng)通過補(bǔ)充北斗衛(wèi)星收發(fā)終端、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動終端設(shè)備等部件，通過硬件層的改善實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。

4.2 針對體系目標(biāo)，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主要補(bǔ)充認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合型實(shí)驗(yàn)?zāi)K與研究型實(shí)驗(yàn)?zāi)K的虛實(shí)一體功能。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺、實(shí)驗(yàn)預(yù)約平臺、實(shí)驗(yàn)權(quán)限管理平臺及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平臺。平臺使用Unity3D開發(fā)網(wǎng)頁端實(shí)驗(yàn)平臺，針對拆裝與結(jié)構(gòu)認(rèn)知的設(shè)備進(jìn)行三維建模，場景1∶1比例復(fù)原實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造。預(yù)約和管理網(wǎng)站使用ThinkPHP框架開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫使用MySQL5.7進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改、多時段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲及發(fā)放以及遠(yuǎn)程控制權(quán)限審核等功能。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺根據(jù)實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺功能需求和實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展需求添加了變頻泵頻率調(diào)節(jié)界面、閥門開度界面及離心泵啟停界面等。

該系統(tǒng)平臺還建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型庫，可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)對學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正誤的自動批改評價功能。針對研究型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化解，系統(tǒng)可以將該算法存入數(shù)學(xué)模型庫作為該類型實(shí)驗(yàn)的算法案例庫，為學(xué)生提供算法參考。

4.3 針對運(yùn)行機(jī)制，完成平臺虛實(shí)對接

平臺關(guān)鍵技術(shù)為數(shù)據(jù)與控制多層面的虛實(shí)對接。通過“虛”場景增強(qiáng)“實(shí)”場景交互體驗(yàn)感，還原“實(shí)”場景添加“虛”場景數(shù)據(jù)存儲通訊突破時空限制等優(yōu)勢。虛實(shí)對接實(shí)現(xiàn)過程以及多目標(biāo)教學(xué)任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。實(shí)體實(shí)驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)通過Rs485和USB接口將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集到本地，并將數(shù)據(jù)映射至云數(shù)據(jù)庫中。本地實(shí)驗(yàn)臺提供自設(shè)定采樣頻率的功能，數(shù)據(jù)庫具有伸縮性用以適配不同的數(shù)據(jù)量。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺獲取云數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并加載在虛擬場景中，為操作者提供實(shí)體數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層虛實(shí)對接?？刂茖訉⒐た嘏_安裝Windows Server 2019系統(tǒng)即可改為小型服務(wù)器，采用傳輸控制協(xié)議TCP配合WebSocket的方法實(shí)現(xiàn)虛實(shí)對接功能。點(diǎn)擊Unity3D網(wǎng)頁端虛擬實(shí)驗(yàn)交互式按鈕，系統(tǒng)會向?qū)嶒?yàn)室工控臺發(fā)射信號，通過解析信號并響應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)本地控制臺對設(shè)備狀態(tài)的改變，從而實(shí)現(xiàn)工控端的虛實(shí)對接功能。

圖4 多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能

4.4 針對系統(tǒng)目標(biāo)，梳理實(shí)驗(yàn)平臺功能

虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集提供了采樣頻率修改端口。認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)完全使用Rs485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，綜合型實(shí)驗(yàn)和研究型實(shí)驗(yàn)對于數(shù)據(jù)樣本量需求不同，可使用USB接口保障較高的數(shù)據(jù)密度，實(shí)驗(yàn)人員還可由管理員授權(quán)更改采樣頻率。認(rèn)知型及綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能還包括增強(qiáng)多用戶并發(fā)數(shù)體驗(yàn)感等功能。指導(dǎo)教師批準(zhǔn)同批次學(xué)生的遠(yuǎn)程控制權(quán)限以控制數(shù)據(jù)獲取來源，即可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求發(fā)布該批次內(nèi)所有學(xué)生的真實(shí)數(shù)據(jù)，同組同學(xué)可獲取到不同時段的真實(shí)延時數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及創(chuàng)新思維培養(yǎng)角度，提升獨(dú)立操作性和拓展性，從而將擁有“獨(dú)享獨(dú)占實(shí)驗(yàn)臺”的體驗(yàn)感這一目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。針對研究型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需提交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，由教師審核并為學(xué)生提供歷史實(shí)驗(yàn)報(bào)告或參考資料，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)研究路線自主完成研究型實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)針對數(shù)據(jù)存儲及發(fā)放，由教師操作系統(tǒng)發(fā)放實(shí)時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)也可以選擇發(fā)放歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)損壞或?qū)嶓w臺架停電導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無效，提升了系統(tǒng)容災(zāi)性。此外歷史數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，可用于研究實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備運(yùn)行劣化趨勢，為研究型項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)以W 高校交通運(yùn)輸類專業(yè)實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)為例，形成范式案例廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實(shí)踐體系。實(shí)驗(yàn)體系充分發(fā)揮虛實(shí)一體實(shí)驗(yàn)平臺優(yōu)勢，以基礎(chǔ)理論到深入探究再到創(chuàng)新拓展的多層遞階培養(yǎng)過程為依托，系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生了解、掌握、運(yùn)用專業(yè)知識并通過平臺驅(qū)動學(xué)生汲取交叉學(xué)科領(lǐng)域知識，輔助學(xué)生自主完成整個科研探究過程。該實(shí)驗(yàn)臺為新型實(shí)驗(yàn)室概念做出鋪墊，可形成范式案例，廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新型人才培的實(shí)踐教學(xué)體系中，為提升高校人才培養(yǎng)質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(2)未來實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)可向數(shù)字孿生智慧學(xué)習(xí)空間拓展。虛實(shí)一體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖然解決了3類實(shí)驗(yàn)與平臺融合問題，能夠緩解大型實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)訓(xùn)效率低下與受訓(xùn)人員數(shù)目較大之間的尖銳矛盾，但仍有可拓展性。數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或仿真過程，通過最佳物理模型、傳感器和數(shù)據(jù)信息映射出實(shí)驗(yàn)臺等物理實(shí)體對象在生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)狀態(tài)和真實(shí)運(yùn)行狀況。通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧學(xué)習(xí)空間[15]，將各類學(xué)習(xí)系統(tǒng)空間集成一體化，為學(xué)習(xí)者的高階思維發(fā)展提供支持。通過構(gòu)建虛實(shí)共生空間、信息傳輸系統(tǒng)、教與學(xué)支持系統(tǒng)等要素，支撐具有真實(shí)體驗(yàn)感、跨時空區(qū)域協(xié)作、虛實(shí)共生數(shù)據(jù)驅(qū)動特征的實(shí)踐過程。

(3)以虛實(shí)一體多目標(biāo)實(shí)驗(yàn)體系研究為契機(jī)，緊跟信息化時代教育教學(xué)的新規(guī)律，開展創(chuàng)新示范型虛擬仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目深度融合，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破時間空間的限制，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源的優(yōu)化。