虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設與思考

杜玉寶　孫淑強　亓文濤

杭州電子科技大學　浙江杭州　310018

虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設與思考

杜玉寶孫淑強亓文濤

杭州電子科技大學浙江杭州310018

基于首批高校虛擬仿真實驗教學中心的建設情況，對實驗教學信息化平臺的建設和發展提出了新的構思，并介紹了高校虛擬仿真資源建設的經驗。

虛擬仿真實驗教學中心；實驗教學信息化平臺；虛擬仿真虛擬仿真資源技術

隨著云計算、大數據、移動辦公、虛擬現實、體感設備以及3D打印等信息技術的逐步應用；平板電腦、智能手機、智能家居，以Google眼鏡和Apple Watch為代表的智能穿戴設備等新技術的廣泛應用；微軟發布的新虛擬現實技術Holograms和索尼Project Morpheus所推進的游戲和游戲化仿真實現、開放碎片化知識點的寓教于樂的教學資源等新概念的涌現，這些新媒體、新技術的出現豐富了海量信息的獲得途徑，也改變了人們對傳統教學理念和方式的理解，更加強調學生要掌握自我導向學習的能力［1，2］。

根據教育部《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，2013年啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，將虛擬仿真技術引入到本科實驗教學當中［3］。規劃指出高教高職要大力推進虛擬仿真實訓的基地建設，建設優質網絡課程和實驗系統、虛擬實驗室等優質數字教育資源。國家級虛擬仿真實驗教學中心成了高校教育信息化建設的重要組成部分。新舊教育手段的變更，也對高校實驗室信息化平臺的建設提出了新的要求［4］。

1　國外虛擬仿真實驗教學平臺建設進展

通過信息化平臺的搭建與互聯可以使學生有更多機會參加高水平的實驗，也滿足了信息技術發展對虛擬仿真實驗教學創新的要求，讓更多的學生隨時隨地的更好享用優質實驗教學資源，實踐能力和創新精神得到提升；也可以使教師的教學理念得到更新，教學能力得到提升，教學水平進一步提高［5］。因此實驗室信息化平臺如何科學合理的搭建就顯得尤為重要。美國的諸多著名大學，在虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺建設和管理方面具有完備的專業管理標準和信息化管理體系在這方面值得我們參考。

（1）VLAB是美國俄勒岡大學物理系主辦的物理實驗網站，網站包含天體物理、能量與環境、力學、熱學等方面的幾十種虛擬實驗。

（2）麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室于1998年開發并投入使用。它提供了用于進行微電子學和電路設計課程的實驗教學，它允許學生在自己的計算機上設計并修改電路模型，然后通過一個用Java激活的Web瀏覽器使用在遠程實驗室里的昂貴的測試設備來獲取測試數據，驗證自己的設計，實現了通過手機遠程控制實驗的功能。

（3）美國伊利諾伊大學VRiChEL實驗室研制的Vicher系統將虛擬仿真技術應用于化學工程教育領域，并設計多個虛擬仿真實驗。美國密歇根大學化學工程系創建的VRCEL實驗室，主要用來探索和開發虛擬現實技術在化學工程領域的應用。美國霍華德·休斯醫學研究會（HHMI）建立的虛擬實驗室是完全交互式的生物醫學的實驗室模擬［6，7］。

通過參考以上國外虛擬仿真實驗教學平臺，可以發現信息化平臺的建設都是將實驗教學與資源相結合，才能實現實驗資源網絡化、實驗活動遠程化、實驗管理信息化，通過合理搭建虛擬仿真實驗平臺，通過建立內容豐富的虛擬仿真教學資源庫，才能更好地提高實驗教學效果。

2　虛擬仿真實驗信息化管理平臺建設

以首批成功申報國家級虛擬仿真實驗教學中心、首批建設的浙江省數字校園示范校建設單位和教育部教育信息化試點單位的杭州電子科技大學為例。該校國家級電子信息技術虛擬仿真實驗中心以虛擬工廠、虛擬實驗室等輔助教學為內容的虛擬實踐教學管理系統、虛擬實驗與實踐教學指導系統和網絡實驗仿真系統等，構建虛擬實驗學習環境。通過虛擬實驗構建、優質實驗資源庫建設、實驗模式創新、平臺開放共享服務促進學生創新能力的提升（如圖1所示）。

圖1　創新能力培養與資源共享在虛擬實驗教學中的地位

2.1平臺總體功能與用戶角色

虛擬實驗室平臺提供統一身份認證，為各實驗室提供接口，為各類虛擬實驗提供虛擬空間。平臺根據用戶設置不同的角色賦予相應權限。

（1）學生可以在線選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語等。

（2）教師可以通過平臺創建、修改、發布和管理典型實驗，給學生布置實驗，批改實驗報告，對學生的實驗結果進行評價，統計并發布學生的實驗成績和批語等。通過平臺可以實現各類實驗資源與實驗過程的管理，通過跟蹤實驗過程記錄、回放、考核評價，及時了解師生的實驗情況。

2.2平臺虛擬現實交互的實現方式

平臺采用虛擬場景和虛擬漫游等虛擬現實技術，重構實驗硬件實現對象的感知、定位與控制功能；虛擬實驗通過超鏈接與虛擬場景聯系，生成交互式虛擬實驗室數據文件，結合數據庫輸出網絡瀏覽格式。學生可以使用虛擬實驗臺，配置、連接、調節和使用儀器設備。教師利用虛擬器材庫設計實驗和案例。虛擬實驗室為學生提供映像，在云終端上使用，不需要在終端上安裝特定服務、解決方案堆棧或數據庫。依托校虛擬現實研究所的技術力量，進行三維可視化虛擬場景開發，讓用戶身臨其境地瀏覽使用實驗室，體現了教育部高等教育司在《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中所要求的虛實結合、相互補充、能實不虛的中心建設原則。

2.3建設開放式平臺實現虛擬社區健康發展

2.3.1開發實驗社區開源項目

(5) UL-94垂直燃燒測試：測試儀器為CFZ-2型水平垂直燃燒測試儀，江寧分析儀器廠，按照ASTM D3801—1996標準測試，標準樣品為127 mm×12.7 mm×3.2 mm。

部分開放項目源代碼，為師生提供學習與研究空間、素材；學生可以申請立項，組建團隊，參與開源項目開發，教師可以招聘同學參與開源項目開發。

2.3.2開發工程化實驗社區群實驗項目

在虛擬服務器中建立由大量單項實驗構成的實驗資源數據庫，按課程知識點設置，建設實驗開源社區。

2.3.3建立互助共享式虛擬社區

為實驗項目開發、設計創新、科研競賽提供實驗資源、競賽專題、積分排名、精英論壇等交互式網絡實驗教學環境，如圖2所示。網上發布合作項目，動態組建項目合作開發網上聯盟。

圖2　群實驗工作框架圖3合作項目發布

3　虛擬仿真實驗教學中心資源建設

虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現國家級虛擬仿真實驗教學中心的本質特征即：信息化技術特征、高度仿真的實驗環境和對象以及滿足本科教學要求［8］。中心資源建設的完善程度，直接關系著虛擬仿真實驗教學中心本質特征能否順利實現，下面以杭州電子科技大學為例，介紹虛擬仿真實驗教學中心資源建設體系。

3.1電子信息技術虛擬仿真實驗資源

圖3　電子信息技術虛擬仿真實驗中心實驗資源

3.2云計算與應用軟件共享實驗資源

網絡技術與云技術的結合成為當今計算機相關課程實驗平臺的發展方向，是虛擬仿真實驗的技術基礎，特別是虛擬機端的遠程硬件與軟件的實驗技術的開發與應用，可大大提高實驗教學的效果與服務能力。基于“云”的計算機虛擬仿真實驗教學平臺可以很好地解決上述問題，該平臺由組成原理虛擬仿真實驗室、程序開發虛擬仿真實驗室、計算機控制虛擬仿真實驗室組成。自主研發一系列創新的虛擬仿真軟硬件平臺，解決計算機硬件實驗設備自制、程序語言網絡化教學等問題。多類別的平臺資源依托于物聯網技術的智慧校園將各個資源進行網絡整合消滅信息孤島。

4　虛擬仿真實驗教學中心資源建設有關建議

虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺建設和管理需要完備的專業管理標準和信息化管理體系。

（1）建有專用的網絡虛擬實驗室網站，完備的虛擬實驗教學管理系統。

（2）通過借助虛擬信息化手段避免危化和生化實驗等可能對人體造成影響，提升高校實驗室安全管理工作效率。

（3）通過虛擬仿真實驗教學的手段促進教與學的雙向轉變，提高教師信息技術應用能力。

（4）提高虛擬仿真實驗教學資源利用率，完善管理體制和運行機制。

5　結束語

高校教育者雖然要重視虛擬仿真試驗，對概念、模式、方法和管理有新的理解，但是，目前虛擬仿真實驗教學和虛擬仿真實驗室管理仍無確定的結論和確定的模式，虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺的建設和管理仍然任重而道遠。

［1］ 陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢［J］.中國現代教育裝備，2010（17）：107-109.

［2］ 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.

［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.

［4］ 漆建軍.以信息化手段建設和管理實驗室［J］.實驗室技術與管理，2008（5）：65-68.

［5］王森.實驗教學示范中心資源共享機制的研究與實踐［J］.實驗技術與管理，2013，30（1）：134-136.

［6］ 王召鵬.開放式實踐教學基地信息化建設的探索［J］.幸福生活指南：高等職業教育，2012（4）：74-76.

［7］ 程敬麗，毛黎娟.美國大學化學實驗室的管理與啟示［J］.實驗技術與管理，2012（7）：176-178.

［8］ 李平，毛昌杰，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.

The Consruction and Consideration of the Informational Platform of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

Du Yubao， Sun Shuqiang， Qi Wentao
Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， 310018， China

Bases on the construction of the frst virtual simulation experimental teaching Centers，proposed the consideration for the development of construction of the informational experimental teaching platform，introduced the experience of virtual simulation resource construction in university

virtual simulation experimental teaching center； informational experimental teaching platform； virtual simulation resources

2016-03-14

杜玉寶，碩士，講師。

本文系浙江省高校實驗室工作研究立項項目“虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺建設與管理—以杭州電子科技大學為例”（編號：YB201414）。