機電類專業虛擬仿真實驗教學中心建設

◆李繼芳 謝火木 孫道恒 卓 勇 許英杰

機電類專業虛擬仿真實驗教學中心建設

◆李繼芳 謝火木 孫道恒 卓 勇 許英杰

廈門大學以培養學生綜合設計和創新能力為出發點，為共享優質教學資源，進一步完善本科實驗實訓教學體系，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，本著“虛實結合、相互補充、能實不虛”的建設思路，以虛擬仿真實驗教學資源建設為核心，以虛擬仿真實驗教學平臺為支撐，著力加強教師隊伍建設，在機電類虛擬仿真實驗教學中心的建設上探索出一條可行之路。

機電類專業；虛擬仿真；實驗教學中心

1 引言

在機電類學生實驗實訓以及綜合創新能力培養中，有一些是真實實驗不具備或難以完成的教學內容，如機械設備內部結構不易觀察；有一些是真實實踐訓練學生參與程度低、成本高的內容，如機床拆裝、復雜模具裝配等；還有一些實踐訓練高危、消耗大、不可逆。同時，實踐教學存在實驗教學空間有限、設備臺套數不足、學生課上實驗實訓時間受限、教學資源緊張等問題。隨著計算機技術和信息技術的發展，結合高等教育信息化建設開展機電類專業實踐教學改革，成為克服實踐教學環節技術困難的一條重要途徑［1］。

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。2013年，教育部根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。

廈門大學機電工程訓練中心是省級實驗教學示范中心，面向全校16個專業對約2000名本科生開設機械技術實踐訓練和電氣技能實踐訓練的課程，年實驗人時數超過10萬。另外，省級測控技術及儀器實驗教學示范中心承擔學院機電類各專業約300名本科生的專業實驗課程教學。

隨著學校機電類多學科的發展，對虛擬仿真實驗教學的要求不斷擴大，為了全面培養學生創新精神和提高實踐能力，共享優質實驗教學資源，進一步完善本科實驗教學體系，以及滿足可持續發展的需要，學校在機電工程訓練中心和測控技術及儀器實驗教學中心兩個省級示范中心的基礎上，整合機電類相關學科專業的虛擬仿真實驗教 學資源和人力資源，按照國家級實驗教學示范中心的建設要求，組建“廈門大學機電類虛擬仿真實驗教學中心”。中心以建設和共享信息化優質實驗教學資源為重點，開發大量虛擬實驗項目和教學資源，搭建網絡信息化管理平臺，逐漸形成校內全部開放、校外預約開放的虛擬仿真實驗教學模式，取得較大效益和成果。2013年12月，廈門大學機電類虛擬仿真實驗教學中心入選首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。

機電類虛擬仿真實驗中心的建設工作主要體現在以機電類虛擬仿真資源的建設為核心、以虛擬仿真實驗教學平臺的建設為支撐以及加強教師隊伍建設三個方面。

2 以機電類虛擬仿真實驗資源建設為核心

虛擬仿真實驗教學中心建設理念 機電類專業具有實踐性強，對學生工程能力培養要求高的專業特點。廈門大學機電類專業虛擬仿真實驗教學中心規劃建設上以達到教學大綱所要求的教學目的為基本要求，以提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，以實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能為建設重點，明確虛擬實驗的定位，確立了“虛實結合，注重基礎，融入前沿，開放共享”的建設理念。以“虛”來加強理論知識與實踐動手操作的聯系，以“實”來提高學生解決工程實際問題的能力，注重學生基礎性實踐技能的培養。建設資源滿足反復練習、強化記憶的功能。充分利用本學科教師前沿的研究成果轉化成虛擬仿真教學資源，讓學生接觸到本學科前沿技術，豐富實踐教學內容。充分利用網絡通信技術開放共享，學生可以24小時隨時訪問虛擬仿真實驗室，滿足更多學生在平臺下自主學習、探究學習、協作學習的學習需求。

虛擬仿真實驗室是傳統實驗室的延伸和有效補充，它可以彌補傳統實驗室的不足，可以豐富實踐教學的內涵，帶動實踐教學模式的創新。虛擬仿真還可以輔助理論教學，使之成為理論學習的重要輔助手段。理論教學中抽象的、難以理解的內容可以通過虛擬仿真的形式展現出來，易于學生的學習與掌握。虛擬仿真實驗深刻影響教師教學授課方式，帶動專業建設與改革；可以激發學生學習興趣，提高學習質量，增強教學效果［2］。

中心基于多年來虛擬現實技術的研究積累，在建設上充分利用機電類學科專業優勢，發揮教師的自主研發能力，并積極利用合作企業的開發能力和支持服務能力建設虛擬仿真實驗教學資源。多種形式的資源建設途徑為虛擬實驗教學提供了可持續發展的思路，校園網寬帶技術的支撐為可持續發展提供了物質保證，優秀的教學團隊及合作企業為教學資源的建設提供了技術保證，校企合作模式可保證新教學資源的開發和資源的維護更新，并進一步豐富教學內容。

虛擬仿真實驗實訓教學體系的構建 中心在深入研究機電類包含的機械設計及其自動化、測控技術及儀器、電氣工程及其自動化以及飛行器動力工程等機電類專業本科生培養計劃的基礎上，圍繞“卓越工程師計劃”，瞄準“培養具有創新精神和實踐能力的高質量工程應用型人才和選拔科學研究型人才”目標，在充分分析現有真實實驗資源的基礎上，本著“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，構建了機電類虛擬仿真實驗實訓教學體系。

在機電類虛擬仿真實驗實訓教學環節中，采取階梯遞進式教學方式，在建設中把虛擬仿真實驗實訓教學內容分為三個實踐層次：一是以強化專業基礎實訓技能為主導的實踐層次；二是以強化專業課程實驗技能為主導的實踐層次；三是以強化學生綜合設計和創新能力為主導的實踐層次。通過建設和整合，各種形式的虛擬仿真實驗教學資源構成了既層次分明、各有側重，又相互滲透、互相促進的實踐教學體系。

圖1所示是中心虛擬仿真實驗教學資源建設架構圖。其中，專業基礎實訓類實驗資源有15項，專業課程實驗類實驗資源有14項，綜合創新實踐類實驗資源有12項。

第一層次：以強化專業基礎實訓技能為主導的實踐層。該層次的虛擬仿真實驗課程設置以機電類相關的基礎課程為主，包括電工學、模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術與應用、機床數控技術訓練、數控切削技術訓練、數控銑削技術訓練等必修課程的實訓。

這一類資源為軟件共享資源，不帶有實物對象，構建了高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，包括電氣技術實踐訓練、數控技術實踐訓練、電子技術實踐訓練以及模具設計與制造4個實訓門類共15門課程。這部分資源與機電工程訓練中心從資源配置上充分體現了虛擬結合、相互補充的原則，其中一部分課程可補充目前實踐訓練所缺乏的參與程度低、成本高的部分，如模具拆卸與組裝、數控機床機械安裝等課程；一部分課程可作為真實實訓教學的訓前準備課程，這部分課程可減少真實實訓的高消耗，如數控切削技術訓練、數控銑削技術訓練課程。

該層次的建設目的是讓學生系統學習機電類專業的基礎實驗知識，掌握基礎實訓技能，深化理論知識的學習，培養學生獨立思考、團結協作的精神，加強分析問題和解決問題能力的培養，從而達到培養學生專業學習的興趣。

圖1 虛擬仿真實驗教學資源整合架構

第二層次：以強化專業課程實驗技能為主導的實踐層。該層次的實驗課程設置以機電類相關的專業課程為主，構建幾個實驗平臺。

1）基于虛擬儀器技術建設的可遠程訪問虛擬仿真實驗平臺，屬于儀器共享資源，含有信號與系統及傳感器原理兩門課程資源，共建設了15個實驗項目，輔助理論教學，豐富實驗內容。

2）工業機器人一體化實訓平臺，選取國內外主流品牌的典型工業機器人，以真實的工程應用項目為背景，基于真實的工作過程，構建集課程資源包、虛擬仿真軟件、實物機器人為一體的“理、虛、實”一體化的教學與實訓系統，可完成包括示教編程、離線編程、維護保養、裝調維修、綜合應用在內的全方位教學與實訓任務。

工業自動化技術課程作為電氣、自動化、測控專業一門典型的應用型課程，正面臨從傳統的PLC編程教學，向項目引導、實踐型、工程化、開放性方向靠攏，實驗室總是存在空間有限、資源有限的問題。中心自主建設大量工業虛擬仿真被控對象，同時積極引進國內外成熟的生產流水線的教學對象，充分重視虛擬實驗環境的真實感、可操作性，解決了工業自動化技術實驗教學中的瓶頸問題，促使教學方式方法改革，提供全開放學習環境，有效節約教學資源，激發學生學習興趣。

另外，對機電類專業的一些核心專業課程，充分利用教師的教研成果，轉化為虛擬仿真實驗項目，豐富了實踐教學內容。

該層次的建設目的是讓學生系統學習相關專業實驗知識，掌握專業實驗技能，引導學生自主發現問題、解決問題，培養學生的創新能力、動手能力與團隊合作精神。學生還可以綜合運用多門課程知識實現完整應用，逐步建立系統的概念。

第三層次：以強化學生綜合創新設計能力為主導的實踐層。該層次的資源設置主要圍繞完成綜合性實驗，以實驗項目驅動的方式，由學生自主設計完成虛擬仿真創新型實驗。另外，參加各種層次學生創新設計實踐大賽完成科研方法訓練。在這一層次的教學中，中心設立獨立創新實驗室，為創新活動提供指導，提供儀器設備和場所。采用開放的實驗室管理方式，實驗室全天對學生開放，有專任指導教師給予指導和服務。

該層次的建設目的是讓學生在掌握基礎實訓技能和專業實驗技能后，充分利用綜合類實驗資源，對學生進行創新能力和科研方法訓練，培養學生創新設計和系統設計能力，激發學生創新熱情和參與創新活動的積極性。

3 以虛擬仿真實驗教學平臺為支撐

虛擬仿真實驗教學資源能夠為學生提供生動、逼真的實驗學習環境，在廣泛的學科領域提供更多的虛擬和仿真體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程和成果。虛擬仿真實驗教學平臺應支撐教學資源的開放，包括支持虛擬資源的在線開放、虛擬與真實的結合開放。平臺還應具有良好的交互特性，如實驗數據的采集、實驗過程的指導、實驗報告的在線收集與成績評判等。

廈門大學機電類虛擬仿真實驗教學中心目前已有成熟的信息化網絡平臺，一方面擁有獨立的門戶網站，能實現中心概況、實時新聞、中心動態、全部課程介紹等信息的發布；另一方面建設有遠程虛擬仿真實驗平臺，能實現實驗實訓課程開放、學生選課、遠程答疑、作業提交批改等教學管理功能。中心特別配套有專門高性能服務器，以滿足信息化平臺對性能及穩定性的要求。校園門戶網站對校內外公布虛擬仿真實驗教學信息，提供虛擬仿真實驗教學平臺鏈接等相關服務。

教學資源集成在遠程虛擬仿真實驗平臺上，通過互聯網可開展網上學習、考試、評價和互動交流等活動。平臺提供不同的權限。

1）學生通過賬號、密碼由學生端登錄系統，完成學習、閱讀公告、自我測試、上傳作業、實驗實訓項目練習、在線提問、討論等內容。

2）教師可通過賬號密碼登錄教師端，完成發布公告、授課、報告評判等授課行為。針對不同的學習群體，可以設置不同實驗實訓項目，組織學習與培訓，并可以實時查看學員的學習次數及學習效果；針對總體情況，靈活調整個性化學習方案。平臺集學習、實驗實訓、考試、評價、管理功能于一體，充分利用網絡資源開展虛擬實驗實訓，實現了教學的在線網絡化。

3）教務管理人員通過平臺實現人員管理、教務管理等功能。

4）教學平臺的運行與維護由負責后臺管理的技術員完成，包括賬號管理、權限設置以及實驗模板管理。

虛擬仿真應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式轉變為學生通過自身與信息環境的相互作用，實現自主學習、探究學習、協作學習。學生可通過互聯網24小時操作，徹底打破傳統實驗室時間與空間的限制，在保證教學效果的前提下，極大地節省了成本。

4 加強教師隊伍建設

中心在建設過程中著力建設成了一支教學、科研、技術人員相結合，核心骨干人員相對穩定，結構合理的虛擬仿真實驗教學團隊，形成一支教育理念先進、學術水平高、教學科研能力強、實踐經驗豐富、勇于創新的虛擬仿真實驗教學和管理隊伍。中心設置主任1人、副主任2人，并成立了機電類虛擬仿真實驗教學中心發展委員會。本中心學科專業教師與信息技術研發人員配置合理，有專業教師36名（專任教師兼職為主），其中教授7人、副教授12人、助理教授17人，負責課程制定和教授；工程技術人員38名，高級工程師6人，工程師32人，其中實驗指導及資源維護25人，網絡資源管理團隊5人，負責網站建設、信息發布、課程教務管理；研發團隊8人，與合作企業配合，能根據課程需要完成網絡課程資源的開發、維護及更新。

中心借助廈門大學現有青年教師人才培養計劃的政策優勢、平臺優勢，通過吸取寶貴經驗，積極拓寬人才培養渠道，進一步加強虛擬仿真和實驗教學方面青年教師人才的培養力度。

5 結語

廈門大學機電類虛擬仿真實驗教學中心通過虛擬仿真教學資源的建設推廣，達到了以下效果。

1）實現了教學資源的大范圍共享，可供本校全校學生共享和部分校際共享。

2）豐富了課堂教學內容，利用更形象、直觀的教學手段進一步激發了學生的學習熱情，引導學生主動參與到實驗教學環節，增強了教學效果。

3）豐富了實踐教學手段，通過三維虛擬現實的動畫演示、手工操作，增強了教學過程的真實性，引導學生能夠親自參與各種實踐環節，提高了動手操作能力。

4）實現了高危、高成本、高消耗實踐教學環節的現場化。目前開設有核電站運行模擬、精密機床拆卸安裝、工業流水線控制等課程，通過虛擬仿真平臺使學生有了更好的實踐體驗機會，增強了教學效果，提升了學生的操作能力。

5）突破了時間與空間的限制。隨著學校的快速發展，廈門大學校園面積近9000畝，擁有思明、翔安、漳州三個校區，在校學生4萬余人，虛擬實驗教學中心的建設為跨校區、跨學科選課提供了可能，學生可全天24小時接入中心遠程教學平臺進行相關學習活動。■

［1］張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究［J］.實驗技術與管理，2013（12）∶101-104.

［2］李炎峰，杜修力.土木類專業建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐［J］.中國大學教育，2014（9）∶82-85.

Construction of Mechanical and Electrical Virtual Simulation Experiment Teaching Center

LI Jifang， XIE Huomu， SUN Daoheng， ZHUO Yong， XU Yingjie

To train students' comprehensive design and innovation ability， we share quality teaching resources and improve the experimental training and teaching system for undergraduates in Xiamen University. Relying on technology as virtual reality，multimedia， HCI， databases， and network communication， we practically construct the mechanical and electrical virtual simulation experiment teaching center. Based on combination of virtual and real （preferring real once it is available）， we focus on construction of virtual simulation teaching resources， virtual simulation platform and the teaching team.

mechanical and electrical engineering； virtual simulation； experimental teaching center

G642.423

B

1671-489X（2016）10-0021-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.021

作者：李繼芳，廈門大學國家級機電類虛擬仿真實驗教學中心副主任，高級工程師、工學博士，研究方向為虛擬仿真實驗教學、

光電集成、虛擬儀器測試技術；謝火木、孫道恒、卓勇、許英杰，廈門大學航空航天學院（361005）。