儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設思路

曹玉珍， 何　峰， 劉　鳴， 曾周末

(天津大學 精密儀器與光電子工程學院， 天津　300072)

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儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設思路

曹玉珍， 何峰， 劉鳴， 曾周末

(天津大學 精密儀器與光電子工程學院， 天津300072)

以天津大學精密儀器與光電子虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐為例，介紹了儀器類專業的知識體系、實驗技能的支撐作用以及建設的虛擬仿真實驗教學體系。在虛擬仿真實驗教學資源建設中,通過校企合作，結合學科的科研優勢，構建涵蓋基礎教學、專業訓練和學科前沿的多層次實踐教學平臺，形成“先虛后實、以虛輔實、虛實結合”的多層次實驗教學內容。

實驗教學中心; 虛擬仿真； 實驗教學體系； 校企合作

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。2013—2015年，教育部已遴選出200個國家級虛擬仿真實驗教學中心進行建設[1]。各高校以國家級虛擬仿真實驗教學中心申報為契機，積極開展虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，貫徹“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，推動高等學校實驗教學方法的改革與實驗資源建設的創新[2-4]。

儀器儀表技術是信息技術的源頭技術。儀器科學與技術學科是一門研究信息的獲取、測試和控制技術的工程性應用學科，學科研究的重點是信息檢測、信息處理、信息傳輸和信息利用的理論和技術，是對物質世界的信息進行測量與控制的技術基礎。隨著計算機信息技術的發展，虛擬仿真技術在儀器儀表學科研究與專業教學中發揮著越來越重要的作用[5-7]，例如計算機輔助測試系統、信息處理與狀態識別、工業過程控制理論與裝備等。

天津大學精密儀器與光電子虛擬仿真實驗教學中心依托精密儀器與光電子國家級實驗教學示范中心建設，在系統總結儀器類學科特點的基礎上，構建了完善的虛擬仿真實驗教學體系，以此為指導，開展虛擬仿真實驗中心的建設工作，取得了一定的效果。

1　儀器類專業虛擬仿真實驗教學體系的形成

“重教學、重實驗”是天津大學精密儀器與光電子工程學院歷來的辦學傳統。早在1998年，學院即明確提出了“寬口徑、厚基礎、重能力”的專業培養目標，確定按光學與光電子技術、精密機械技術、電子技術、計算機及信息處理技術，即“光、機、電、算”構建教學內容體系，構建了“四縱兩橫”的實驗教學體系。“四縱”反映學科基礎，即“光、機、電、算”四個方面；“兩橫”則反映實驗教學的兩個層次，即基礎實驗技能、學科新技術及其集成應用技能。在理順知識脈絡的同時，注意各學科之間知識的交叉融合和相互滲透，明確了實驗技能之間的相互支撐關系。

2002年，天津大學精密儀器與光電子實驗中心正式成立，按實驗技術特征及專業教學需求整合學院的實驗教學資源[8]、進行專業平臺實驗室的建設，使實驗教學資源得到了最大限度的利用。中心開設了以學生“自主管理、全天候開放”為特色的“綜合設計實驗室”作為學生參與科技競賽、自主創新的基地。2009年，實驗中心被評為國家級實驗教學示范中心。

在實體實驗中心建設的同時，進行了虛擬仿真實驗中心的建設，陸續開發出虛擬儀器、系統仿真等一系列實驗課程，結合學科前沿技術和理論，開發了一批獨具專業特色的虛擬仿真實驗教學案例，其內容逐漸形成了儀器類專業虛擬仿真實驗教學體系。

虛擬中心按照“光、機、電、算、醫”5條不同的技術和專業路線，從基礎教學虛擬仿真實驗、專業綜合虛擬仿真訓練、學科前沿虛擬仿真認知3個層次，構建了“五縱三橫”的虛擬仿真實驗教學體系。其目標是培養工程領軍人才和科研工作骨干。

2　虛擬仿真實驗教學資源建設的必要性

自2011年起，慕課在全世界興起，它標志著以學生自主學習為主的新型學習模式正逐漸形成。在以計算機及網絡為核心的信息時代，教師不再是唯一的知識來源，而只是眾多學習資源中的一種。如何有效地組織教學資源、優化教學過程、提高教學效率，已成為實驗教育改革中值得探討的話題。

虛擬仿真實驗教學是現代教育技術在信息時代最新的表現形式。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象。學生在虛擬環境中進行實驗活動，完成教學任務、達到教學目標。

儀器類專業虛擬仿真實驗教學資源建設的必要性體現在以下3個層次。

(1) 在基礎理論教學實驗方面，虛擬仿真實驗是真實實驗的有益補充。通過虛擬仿真實驗，學生可以對理論課較抽象的知識有更加具體、直觀的認識并加深理解。在虛擬實驗環境中，學生可以完成實驗的預習、實驗參數設計、功能分析等工作，從而節省實際操作的時間、提高效率并減少實驗中的錯誤。從實驗室管理的角度來說，學生在實際實驗中減少錯誤也使實驗設備和器件的損壞大大減少。虛擬仿真技術與通信技術的結合，可以使學生擁有“掌中實驗室”，可以隨時隨地進行學習和反復地練習，真正實現了以學生為中心、促進自主學習的實驗教學理念。

(2) 在專業課程綜合訓練方面，相當多的專業綜合設計課程都需要一段較長的、連續的時間才能完成，但由一個班的學生長期占用一間實驗室是不可能的。通過大量專業虛擬仿真工具的使用，可以使學生在進行專業設計訓練時不受時間、場地、實驗設備的限制，能夠完成大部分設計內容。同時，虛擬工具使設計效果所見即所得，可以幫助學生及時發現設計中的漏洞和錯誤，避免反復修改加工所帶來的時間和金錢上的損失，極大地增強學生的工程意識、提高設計的成功率。

(3) 在學科前沿研究方面，經常要使用一些大型儀器設備。大型儀器設備價格昂貴，操作較為困難，對環境條件和基礎設施要求苛刻，運行和維護成本高。另外，常規實驗室不具備深海深空探測等實驗的條件，因而本科生難以得到動手實踐的機會。利用沉浸感極強的虛擬仿真實驗，可以使學生深入了解大型儀器設備的操作方法和實驗效果，可以仿真極端、惡劣條件下的實驗，從而為實際使用復雜的儀器設備、了解學科前沿技術打下基礎。

3　虛擬仿真實驗教學資源建設的具體實施

在虛擬仿真實驗教學資源建設中，利用本校的學科優勢，通過校企合作的形式構建多層次實踐教學平臺，形成了“先虛后實、以虛輔實、虛實結合”的多層次實驗教學內容。目前已開發實驗系統28套，覆蓋課程超過30門，除儀器類專業以外，這些實驗還可用于機電類、信息、自動化等專業相關課程的實驗教學。

3.1建設基礎教學虛擬仿真實驗平臺

充分利用虛擬仿真實驗不受時間、地點限制的優勢，彌補低年級本科生基礎知識薄弱、實驗課時較少等不足，先后開發了以“工程光學”、“精密機械原理”、“模擬與數字電子技術”、“單片機原理”等課程的虛擬仿真實驗。所開發的虛擬仿真實驗中，無論是光學元件、機械零部件還是電子元器件，均以實物圖形式呈現而不是符號，增強了實物感。教學實施過程采用先虛后實的方式，為學生提供全方位的光、機、電、算基本技能訓練，夯實專業基礎。

此外，根據學院設有生物醫學工程專業的特點，與天津市天堰醫教科技開發有限公司合作開發了三維體感交互式虛擬解剖系統，相關課程采用工科學生易于接受的、基于虛擬仿真實驗的醫學基礎課程教學方法，供全院與醫學儀器研究相關的本科生和研究生選修。

3.2建設專業訓練虛擬仿真實驗平臺

以學院教師開發的工程應用案例為藍本，虛實結合，設計了大量仿真實驗，注重培養學生的工程意識。開發了以“光學系統仿真設計”、“精密機械設計”、“測控電路綜合設計”、“微弱信號檢測與處理”、“虛擬X光機和CT”等為代表的虛擬仿真實訓項目，以信號的傳感、采集、處理、分析、傳輸以及輸出控制為主線，貫穿系統設計的每一個環節，使學生對構成測控系統、測控儀器的每一個模塊的設計都有充分的認識和足夠的訓練，培養學生對知識的綜合應用能力及工程意識。

3.3建設學科前沿技術虛擬仿真實驗平臺

充分利用學院的學科優勢，將最新科研成果轉化為教學案例，通過虛擬仿真的形式展現給學生，開拓學生的視野、提升學生的知識結構、培養學生勇攀科學高峰的信心和科研創新能力。在這一層面，學院強大的科研力量所能提供的優勢資源包括：微觀和大尺寸測量技術，大功率激光和超快激光等尖端技術，生命科學研究中醫學環境及臨床環境的模擬，深海、航空航天等海空天復雜條件下的綜合測量、控制及環境監測等。

4　教學管理與共享平臺建設

為實現虛擬仿真實驗教學資源的高效利用，虛擬中心的教學管理與共享平臺建設以“開放性、擴展性、兼容性、前瞻性”為指導。在虛擬中心的門戶網站，除虛擬仿真實驗教學平臺以外，還設有信息化管理平臺和教學互動平臺。

虛擬仿真實驗教學平臺用戶的角色包括教師、學生和實驗管理員3種類型。對于不同的角色，系統將分配不同的權限、提供不同的用戶界面。對于學生用戶，可提供實驗選擇、查詢、實驗報告提交、實驗成績查詢等功能，對虛實結合型實驗可進行實驗室預約、實驗預約、工位預約等操作；對于教師用戶，可提供實驗資源發布、學生成績評定、對虛實結合型實驗進行實驗室和實驗課時預約等功能；對實驗管理員用戶，可提供遠程登錄服務器以及完成系統的維護、排課、實驗數據統計等工作。

信息化管理平臺直接與本學院和學校的教學管理系統相連，具有學生信息導入、學期信息導入、實驗排課信息錄入與發布、學生實驗成績管理、成績查詢以及新課程資源發布、課程庫維護等功能。另外，該平臺還可收集學生實驗數據，例如記錄學生登錄虛擬實驗的次數、實驗偏好、實驗完成正確率等信息。實體實驗中心的門禁管理、網上實驗預約等也通過信息化管理平臺實現了融合。通過對實驗統計數據的挖掘，可以客觀評價某一實驗的難易程度、受歡迎程度、是否應當撤換、如何改進等。根據學生的出勤情況，可了解該學生的興趣偏好、實驗能力等，進一步做好學生的個性化培養。信息化管理平臺的設計，體現了大數據的設計理念。

教學互動平臺設有在線實時答疑室和在線留言功能，師生的互動交流可通過多種方式進行，包括文字交流、語音交流、發送離線消息以及傳統的電話和面談等。

5　總結

在虛擬仿真實驗教學中心的建設中，重點關注了以下幾個方面。

(1) 圍繞專業知識體系的構建，打造真實與虛擬相結合的實驗教學體系。學院通過多年的實踐探索，提出的構建“四縱兩橫”知識體系，在國內高校儀器類、光電信息類的專業教學中得到了廣泛認同。在此基礎上發展的“五縱三橫”實驗教學體系則體現了教學目標落實的具體措施。

(2) 教學、科研一體化，提升實驗教學效果。教學與科研并重，將最新的科研成果引入教學，是天津大學精密儀器與光電子工程學院一貫的教學指導思想。在傳統的實體實驗中心中，一些代表學科前沿的尖端科研成果，由于成本、場地、研究對象難以獲取、跨學科等原因，難以有效地轉化為教學、實驗資源。而借助虛擬仿真技術，在實體實驗中難以展現的MEMS微觀結構、飛秒超快激光、脈沖太赫茲光源等學科前沿技術均可一一呈現；環境監測、水下航行等難以在實驗室中搭建的實驗環境可得到模擬；人體生理解剖、窺鏡微創手術等匱乏或不可逆的醫學資源得以復現。實驗教學內容與科研緊密結合，形成了以虛輔實的實驗教學模式，提升了實驗教學效果。

(3) 校企合作，探索產學研共同開發實驗資源的新模式。在虛擬仿真實驗教學中心的建設中，充分發揮了學院與多企業合作的優勢，開辟了校企合作的新模式。在校企合作中，當企業在生產、研發過程中遇到的難題，便以科技立項的形式轉化為科研問題；而科研中所建立的模型、算法等成果又迅速轉化為虛擬實驗教學素材。虛擬實驗與生產實踐緊密結合，既提高了學生的實戰能力，也為其他相關問題的解決提供了寶貴的經驗。

隨著“十二五”學科建設投入力度的加大，我院虛擬仿真實驗教學中心將進一步突出專業特色，在光電測量技術、微納測試技術、飛秒激光技術、工程光學、神經康復工程等方面開發有特色的虛擬仿真實驗，豐富虛擬仿真實驗教學內容，探索“以學為主”的新型實驗教學模式，完善網絡化的虛擬仿真實驗教學平臺，探索分布式的校區內資源共享的技術模式和管理模式，使虛擬仿真實驗中心的覆蓋面更廣泛，能夠更好地為周邊高校提供服務。

References)

[1] 教育部高等教育司.教育部關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-11-18].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[2] 李平，李晶杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013,32(11):5-8.

[3] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

[4] 王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理,2014,31(8):9-11.

[5] 劉燕華.弘揚王大珩院士儀器科學思想,大力開展創新方法工作[J].中國計量，2007(8)：5-6.

[6] 許秀云，張玉梁.依托現代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索，2011,30(5):130-132.

[7] 吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展[J].實驗技術與管理，2014，31(10)：5-9.

[8] 畢玉玲，曾周末，趙學虹.搞好實驗教學中心建設促進實驗教學中心改革深入發展[J].實驗室科學，2005，8(3):1-3.

Constructionideaofvirtualsimulationexperimentalteachingcenterforinstrumentengineeringmajors

CaoYuzhen,HeFeng,LiuMing,ZengZhoumo

(SchoolofPrecisionInstrumentandOpto-electronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

TakingtheconstructionofvirtualsimulationteachinglaboratoryforinstrumentengineeringmajorsinTianjinUniversityasanexample,thesupportingrelationshipbetweenknowledgesystemandexperimentalskillsofinstrumentengineeringandthevirtualsimulationexperimentteachingsystemisintroduced.Duringtheconstructionofvirtualsimulationexperimentteachingresources,themulti-levelpracticalteachingplatformisconstructedbycooperationbetweenschoolandenterpriseandthescientificresearchadvantageofoursubjects.Themulti-levelexperimentalteachingcontentisformedthatis“virtualizationfirst,realitysecond,virtualizationbeingauxiliarytoreality,andvirtualizationcombinedwithreality.”

experimentalteachingcenter;virtualsimulation;constructionofexperimentalteachingcenter;cooperationbetweenschoolandenterprise

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.042

2015- 11- 25

曹玉珍(1963—)，女，江蘇常熟，博士，副教授，主要研究方向為生物醫學信號檢測與處理.

E-mail：yzcao@tju.edu.cn

G642

A

1002-4956(2016)5- 0165- 03

實驗教學示范中心建設