機電類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

◆李繼芳 謝火木 孫道恒 卓 勇 許英杰

機電類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

◆李繼芳 謝火木 孫道恒 卓 勇 許英杰

廈門大學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，為共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，進一步完善本科實驗實訓(xùn)教學(xué)體系，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，本著“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的建設(shè)思路，以虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)為核心，以虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為支撐，著力加強教師隊伍建設(shè)，在機電類虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)上探索出一條可行之路。

機電類專業(yè)；虛擬仿真；實驗教學(xué)中心

1 引言

在機電類學(xué)生實驗實訓(xùn)以及綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)中，有一些是真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)內(nèi)容，如機械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察；有一些是真實實踐訓(xùn)練學(xué)生參與程度低、成本高的內(nèi)容，如機床拆裝、復(fù)雜模具裝配等；還有一些實踐訓(xùn)練高危、消耗大、不可逆。同時，實踐教學(xué)存在實驗教學(xué)空間有限、設(shè)備臺套數(shù)不足、學(xué)生課上實驗實訓(xùn)時間受限、教學(xué)資源緊張等問題。隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合高等教育信息化建設(shè)開展機電類專業(yè)實踐教學(xué)改革，成為克服實踐教學(xué)環(huán)節(jié)技術(shù)困難的一條重要途徑［1］。

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容。2013年，教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。

廈門大學(xué)機電工程訓(xùn)練中心是省級實驗教學(xué)示范中心，面向全校16個專業(yè)對約2000名本科生開設(shè)機械技術(shù)實踐訓(xùn)練和電氣技能實踐訓(xùn)練的課程，年實驗人時數(shù)超過10萬。另外，省級測控技術(shù)及儀器實驗教學(xué)示范中心承擔學(xué)院機電類各專業(yè)約300名本科生的專業(yè)實驗課程教學(xué)。

隨著學(xué)校機電類多學(xué)科的發(fā)展，對虛擬仿真實驗教學(xué)的要求不斷擴大，為了全面培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和提高實踐能力，共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，進一步完善本科實驗教學(xué)體系，以及滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，學(xué)校在機電工程訓(xùn)練中心和測控技術(shù)及儀器實驗教學(xué)中心兩個省級示范中心的基礎(chǔ)上，整合機電類相關(guān)學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實驗教 學(xué)資源和人力資源，按照國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)要求，組建“廈門大學(xué)機電類虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。中心以建設(shè)和共享信息化優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為重點，開發(fā)大量虛擬實驗項目和教學(xué)資源，搭建網(wǎng)絡(luò)信息化管理平臺，逐漸形成校內(nèi)全部開放、校外預(yù)約開放的虛擬仿真實驗教學(xué)模式，取得較大效益和成果。2013年12月，廈門大學(xué)機電類虛擬仿真實驗教學(xué)中心入選首批100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

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

2 以機電類虛擬仿真實驗資源建設(shè)為核心

虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)理念 機電類專業(yè)具有實踐性強，對學(xué)生工程能力培養(yǎng)要求高的專業(yè)特點。廈門大學(xué)機電類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心規(guī)劃建設(shè)上以達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的為基本要求，以提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能為建設(shè)重點，明確虛擬實驗的定位，確立了“虛實結(jié)合，注重基礎(chǔ)，融入前沿，開放共享”的建設(shè)理念。以“虛”來加強理論知識與實踐動手操作的聯(lián)系，以“實”來提高學(xué)生解決工程實際問題的能力，注重學(xué)生基礎(chǔ)性實踐技能的培養(yǎng)。建設(shè)資源滿足反復(fù)練習(xí)、強化記憶的功能。充分利用本學(xué)科教師前沿的研究成果轉(zhuǎn)化成虛擬仿真教學(xué)資源，讓學(xué)生接觸到本學(xué)科前沿技術(shù)，豐富實踐教學(xué)內(nèi)容。充分利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開放共享，學(xué)生可以24小時隨時訪問虛擬仿真實驗室，滿足更多學(xué)生在平臺下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)需求。

虛擬仿真實驗室是傳統(tǒng)實驗室的延伸和有效補充，它可以彌補傳統(tǒng)實驗室的不足，可以豐富實踐教學(xué)的內(nèi)涵，帶動實踐教學(xué)模式的創(chuàng)新。虛擬仿真還可以輔助理論教學(xué)，使之成為理論學(xué)習(xí)的重要輔助手段。理論教學(xué)中抽象的、難以理解的內(nèi)容可以通過虛擬仿真的形式展現(xiàn)出來，易于學(xué)生的學(xué)習(xí)與掌握。虛擬仿真實驗深刻影響教師教學(xué)授課方式，帶動專業(yè)建設(shè)與改革；可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，增強教學(xué)效果［2］。

中心基于多年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究積累，在建設(shè)上充分利用機電類學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，發(fā)揮教師的自主研發(fā)能力，并積極利用合作企業(yè)的開發(fā)能力和支持服務(wù)能力建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源。多種形式的資源建設(shè)途徑為虛擬實驗教學(xué)提供了可持續(xù)發(fā)展的思路，校園網(wǎng)寬帶技術(shù)的支撐為可持續(xù)發(fā)展提供了物質(zhì)保證，優(yōu)秀的教學(xué)團隊及合作企業(yè)為教學(xué)資源的建設(shè)提供了技術(shù)保證，校企合作模式可保證新教學(xué)資源的開發(fā)和資源的維護更新，并進一步豐富教學(xué)內(nèi)容。

虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)體系的構(gòu)建 中心在深入研究機電類包含的機械設(shè)計及其自動化、測控技術(shù)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(yè)本科生培養(yǎng)計劃的基礎(chǔ)上，圍繞“卓越工程師計劃”，瞄準“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高質(zhì)量工程應(yīng)用型人才和選拔科學(xué)研究型人才”目標，在充分分析現(xiàn)有真實實驗資源的基礎(chǔ)上，本著“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，構(gòu)建了機電類虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)體系。

在機電類虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，采取階梯遞進式教學(xué)方式，在建設(shè)中把虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容分為三個實踐層次：一是以強化專業(yè)基礎(chǔ)實訓(xùn)技能為主導(dǎo)的實踐層次；二是以強化專業(yè)課程實驗技能為主導(dǎo)的實踐層次；三是以強化學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為主導(dǎo)的實踐層次。通過建設(shè)和整合，各種形式的虛擬仿真實驗教學(xué)資源構(gòu)成了既層次分明、各有側(cè)重，又相互滲透、互相促進的實踐教學(xué)體系。

圖1所示是中心虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)架構(gòu)圖。其中，專業(yè)基礎(chǔ)實訓(xùn)類實驗資源有15項，專業(yè)課程實驗類實驗資源有14項，綜合創(chuàng)新實踐類實驗資源有12項。

第一層次：以強化專業(yè)基礎(chǔ)實訓(xùn)技能為主導(dǎo)的實踐層。該層次的虛擬仿真實驗課程設(shè)置以機電類相關(guān)的基礎(chǔ)課程為主，包括電工學(xué)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機技術(shù)與應(yīng)用、機床數(shù)控技術(shù)訓(xùn)練、數(shù)控切削技術(shù)訓(xùn)練、數(shù)控銑削技術(shù)訓(xùn)練等必修課程的實訓(xùn)。

這一類資源為軟件共享資源，不帶有實物對象，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，包括電氣技術(shù)實踐訓(xùn)練、數(shù)控技術(shù)實踐訓(xùn)練、電子技術(shù)實踐訓(xùn)練以及模具設(shè)計與制造4個實訓(xùn)門類共15門課程。這部分資源與機電工程訓(xùn)練中心從資源配置上充分體現(xiàn)了虛擬結(jié)合、相互補充的原則，其中一部分課程可補充目前實踐訓(xùn)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(shù)控機床機械安裝等課程；一部分課程可作為真實實訓(xùn)教學(xué)的訓(xùn)前準備課程，這部分課程可減少真實實訓(xùn)的高消耗，如數(shù)控切削技術(shù)訓(xùn)練、數(shù)控銑削技術(shù)訓(xùn)練課程。

該層次的建設(shè)目的是讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)機電類專業(yè)的基礎(chǔ)實驗知識，掌握基礎(chǔ)實訓(xùn)技能，深化理論知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、團結(jié)協(xié)作的精神，加強分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，從而達到培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 虛擬仿真實驗教學(xué)資源整合架構(gòu)

第二層次：以強化專業(yè)課程實驗技能為主導(dǎo)的實踐層。該層次的實驗課程設(shè)置以機電類相關(guān)的專業(yè)課程為主，構(gòu)建幾個實驗平臺。

1）基于虛擬儀器技術(shù)建設(shè)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(tǒng)及傳感器原理兩門課程資源，共建設(shè)了15個實驗項目，輔助理論教學(xué)，豐富實驗內(nèi)容。

2）工業(yè)機器人一體化實訓(xùn)平臺，選取國內(nèi)外主流品牌的典型工業(yè)機器人，以真實的工程應(yīng)用項目為背景，基于真實的工作過程，構(gòu)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(xué)與實訓(xùn)系統(tǒng)，可完成包括示教編程、離線編程、維護保養(yǎng)、裝調(diào)維修、綜合應(yīng)用在內(nèi)的全方位教學(xué)與實訓(xùn)任務(wù)。

工業(yè)自動化技術(shù)課程作為電氣、自動化、測控專業(yè)一門典型的應(yīng)用型課程，正面臨從傳統(tǒng)的PLC編程教學(xué)，向項目引導(dǎo)、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(shè)大量工業(yè)虛擬仿真被控對象，同時積極引進國內(nèi)外成熟的生產(chǎn)流水線的教學(xué)對象，充分重視虛擬實驗環(huán)境的真實感、可操作性，解決了工業(yè)自動化技術(shù)實驗教學(xué)中的瓶頸問題，促使教學(xué)方式方法改革，提供全開放學(xué)習(xí)環(huán)境，有效節(jié)約教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

另外，對機電類專業(yè)的一些核心專業(yè)課程，充分利用教師的教研成果，轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗項目，豐富了實踐教學(xué)內(nèi)容。

該層次的建設(shè)目的是讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)實驗知識，掌握專業(yè)實驗技能，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力與團隊合作精神。學(xué)生還可以綜合運用多門課程知識實現(xiàn)完整應(yīng)用，逐步建立系統(tǒng)的概念。

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

該層次的建設(shè)目的是讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)實訓(xùn)技能和專業(yè)實驗技能后，充分利用綜合類實驗資源，對學(xué)生進行創(chuàng)新能力和科研方法訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情和參與創(chuàng)新活動的積極性。

3 以虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為支撐

虛擬仿真實驗教學(xué)資源能夠為學(xué)生提供生動、逼真的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，在廣泛的學(xué)科領(lǐng)域提供更多的虛擬和仿真體驗，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程和成果。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)支撐教學(xué)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(jié)合開放。平臺還應(yīng)具有良好的交互特性，如實驗數(shù)據(jù)的采集、實驗過程的指導(dǎo)、實驗報告的在線收集與成績評判等。

廈門大學(xué)機電類虛擬仿真實驗教學(xué)中心目前已有成熟的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺，一方面擁有獨立的門戶網(wǎng)站，能實現(xiàn)中心概況、實時新聞、中心動態(tài)、全部課程介紹等信息的發(fā)布；另一方面建設(shè)有遠程虛擬仿真實驗平臺，能實現(xiàn)實驗實訓(xùn)課程開放、學(xué)生選課、遠程答疑、作業(yè)提交批改等教學(xué)管理功能。中心特別配套有專門高性能服務(wù)器，以滿足信息化平臺對性能及穩(wěn)定性的要求。校園門戶網(wǎng)站對校內(nèi)外公布虛擬仿真實驗教學(xué)信息，提供虛擬仿真實驗教學(xué)平臺鏈接等相關(guān)服務(wù)。

教學(xué)資源集成在遠程虛擬仿真實驗平臺上，通過互聯(lián)網(wǎng)可開展網(wǎng)上學(xué)習(xí)、考試、評價和互動交流等活動。平臺提供不同的權(quán)限。

1）學(xué)生通過賬號、密碼由學(xué)生端登錄系統(tǒng)，完成學(xué)習(xí)、閱讀公告、自我測試、上傳作業(yè)、實驗實訓(xùn)項目練習(xí)、在線提問、討論等內(nèi)容。

2）教師可通過賬號密碼登錄教師端，完成發(fā)布公告、授課、報告評判等授課行為。針對不同的學(xué)習(xí)群體，可以設(shè)置不同實驗實訓(xùn)項目，組織學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，并可以實時查看學(xué)員的學(xué)習(xí)次數(shù)及學(xué)習(xí)效果；針對總體情況，靈活調(diào)整個性化學(xué)習(xí)方案。平臺集學(xué)習(xí)、實驗實訓(xùn)、考試、評價、管理功能于一體，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源開展虛擬實驗實訓(xùn)，實現(xiàn)了教學(xué)的在線網(wǎng)絡(luò)化。

3）教務(wù)管理人員通過平臺實現(xiàn)人員管理、教務(wù)管理等功能。

4）教學(xué)平臺的運行與維護由負責后臺管理的技術(shù)員完成，包括賬號管理、權(quán)限設(shè)置以及實驗?zāi)０骞芾怼?/p>

虛擬仿真應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生通過自身與信息環(huán)境的相互作用，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)。學(xué)生可通過互聯(lián)網(wǎng)24小時操作，徹底打破傳統(tǒng)實驗室時間與空間的限制，在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本。

4 加強教師隊伍建設(shè)

中心在建設(shè)過程中著力建設(shè)成了一支教學(xué)、科研、技術(shù)人員相結(jié)合，核心骨干人員相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理的虛擬仿真實驗教學(xué)團隊，形成一支教育理念先進、學(xué)術(shù)水平高、教學(xué)科研能力強、實踐經(jīng)驗豐富、勇于創(chuàng)新的虛擬仿真實驗教學(xué)和管理隊伍。中心設(shè)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(xué)中心發(fā)展委員會。本中心學(xué)科專業(yè)教師與信息技術(shù)研發(fā)人員配置合理，有專業(yè)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(shù)人員38名，高級工程師6人，工程師32人，其中實驗指導(dǎo)及資源維護25人，網(wǎng)絡(luò)資源管理團隊5人，負責網(wǎng)站建設(shè)、信息發(fā)布、課程教務(wù)管理；研發(fā)團隊8人，與合作企業(yè)配合，能根據(jù)課程需要完成網(wǎng)絡(luò)課程資源的開發(fā)、維護及更新。

中心借助廈門大學(xué)現(xiàn)有青年教師人才培養(yǎng)計劃的政策優(yōu)勢、平臺優(yōu)勢，通過吸取寶貴經(jīng)驗，積極拓寬人才培養(yǎng)渠道，進一步加強虛擬仿真和實驗教學(xué)方面青年教師人才的培養(yǎng)力度。

5 結(jié)語

廈門大學(xué)機電類虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)推廣，達到了以下效果。

1）實現(xiàn)了教學(xué)資源的大范圍共享，可供本校全校學(xué)生共享和部分校際共享。

2）豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，利用更形象、直觀的教學(xué)手段進一步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生主動參與到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，增強了教學(xué)效果。

3）豐富了實踐教學(xué)手段，通過三維虛擬現(xiàn)實的動畫演示、手工操作，增強了教學(xué)過程的真實性，引導(dǎo)學(xué)生能夠親自參與各種實踐環(huán)節(jié)，提高了動手操作能力。

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

5）突破了時間與空間的限制。隨著學(xué)校的快速發(fā)展，廈門大學(xué)校園面積近9000畝，擁有思明、翔安、漳州三個校區(qū)，在校學(xué)生4萬余人，虛擬實驗教學(xué)中心的建設(shè)為跨校區(qū)、跨學(xué)科選課提供了可能，學(xué)生可全天24小時接入中心遠程教學(xué)平臺進行相關(guān)學(xué)習(xí)活動。■

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

［2］李炎峰，杜修力.土木類專業(yè)建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的探索與實踐［J］.中國大學(xué)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(xué)國家級機電類虛擬仿真實驗教學(xué)中心副主任，高級工程師、工學(xué)博士，研究方向為虛擬仿真實驗教學(xué)、

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