計算機虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

梁琨+談姝辰+金海燕+段敬紅

摘要：本文分析了計算機虛擬仿真實驗教學中心在高校教學建設中的必要性，介紹了西安理工大學計算機虛擬仿真實驗教學中心的建設情況——該校形成了具有專業特色、應用廣泛的虛擬仿真實驗教學平臺，而且通過虛擬實驗教學與傳統教學的有效結合，提高了本科生的實踐動手能力，培養了學生的創新意識。

關鍵詞：虛擬仿真；計算機虛擬仿真實驗教學中心；建設與實踐

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0267-02

在國家信息化發展戰略的指導下，教育信息化在教育教學領域和管理過程中的應用正在逐步深入，該應用有力地促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革。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就是建立虛擬仿真實驗教學中心。2013年，教育部開展了國家虛擬仿真實驗教學中心的建設工作。虛擬仿真實驗教學中心的建立是信息化技術與學科專業、實驗教學改革以及實驗教學示范中心建設發展深度融合的產物，它順應了現代教育信息化的發展趨勢和現實需要，對高等教育質量的提升和實驗教學改革的深化，產生了積極而重要的影響。

一、計算機虛擬仿真實驗教學中心建設必要性

國內高校的計算機專業本科生的理論基礎知識相對比較扎實，但實踐與創新能力與世界一流大學的計算機專業本科生之間有較大的差距。探索提升計算機實驗教學的效果，提高本科生的實踐動手能力，培養學生的創新意識，是高校計算機教師近幾年不懈努力的方向。計算機虛擬仿真實驗教學中心的建立的必要性：①它可以為提高學生對計算機實踐課程的興趣和動力提供有效途徑。②它是培養學生自主構建計算機仿真模型體系的最佳機會，有利于夯實學生的專業基礎，促進實踐創新能力的發展。③它是拓寬實驗教學的必經之路，可以促使高等教育的功能從“人才培養者”向“人才設計者”轉變。綜上所述，實驗教學現已全面進入信息化時代，建立計算機虛擬仿真實驗教學中心是實驗教學改革發展的必然趨勢。

二、西安理工大學計算機虛擬仿真實驗教學中心建設的具體實施

西安理工大學計算機虛擬仿真實驗教學中心（下面簡稱中心）是隸屬于校、院兩級管理的教學單位，它依托陜西省計算機實驗教學中心以及網絡計算與安全技術重點實驗室平臺建設，并由學校網絡中心為其提供網絡技術支持。中心主要針對計算機科學與技術、軟件工程兩個一級學科專業，以及其他學院計算機相關專業對于虛擬仿真實驗教學的需求，利用計算機科學與工程學院雄厚的技術力量，圍繞計算機實驗教學的特點，開發虛擬仿真實驗的硬件設備及軟件系統，開展基于虛擬現實、數據仿真、網絡攻防等技術的實驗教學及科學研究工作。

1.計算機虛擬仿真實驗教學中心的發展歷程和建設概況：①1994年至2013年，中心整合、發展階段；②2013年至2016年，計算機虛擬仿真教學示范中心建成、發展階段。目前，中心總占地面積3000平方米，擁有16個實驗室。面向全校開展計算機虛擬仿真實驗教學，已建設30個虛擬仿真實驗項目，實現了實驗教學資源的共享，取得的教學成果良好。

2.計算機虛擬仿真實驗教學建設。我院計算機虛擬仿真實驗教學建設最重要的一部分，就是建設計算機虛擬仿真實驗教學平臺。計算機虛擬仿真實驗教學平臺是由平臺加資源組合而成。該平臺具有一個虛擬的實驗中心門戶網站，并建設了一個開放式的虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺，然后再陸續把計算機類虛擬實驗課程的資源放到該平臺來進行管理。平臺結合當前虛擬仿真技術的發展趨勢，通過對關鍵技術的研究，建設了功能全面、技術先進、符合計算機學科特色的虛擬認知實驗教學平臺，它能夠支持開放式的虛擬實驗教學和實驗教學資料的共享及互動。該計算機虛擬仿真實驗教學平臺分為三大部分，分別是計算機基礎教學平臺、計算機專業應用平臺以及計算機綜合創新平臺。①計算機基礎教學平臺。該平臺下設基礎實驗平臺，該平臺承擔著全校計算機類基礎實驗課程，它面向全校本科生開放。在該平臺上，部署了自主開發的《大學計算機基礎》網絡考試系統，并連續多年應用于本科學生的期末上機考試中，取得的效果良好。②計算機專業應用平臺。該平臺由網絡安全實驗平臺、軟件工程實驗平臺、物聯網實驗平臺以及硬件實驗平臺組成，主要面向計算機學院本科生以及研究生，承擔著計算機專業的專業實驗課程，已應用于本科實踐教學中，受到學生的好評。③計算機綜合創新平臺。該創新平臺由云混合實驗平臺和多媒體與虛擬現實實驗平臺兩部分組成。云混合平臺是由IBM公司合作建立，選用惠普公司的桉樹平臺和谷歌的Spark云計算平臺組成混合云基礎運行平臺。該混合平臺可以進行大規模信息系統的發布以及并行大數據的處理。在該平臺云端還部署了IBM公司的Rational系列產品，它覆蓋了云服務的需求分析、概要設計、詳細設計、代碼編寫、自動化測試、運營維護的全生命周期云服務開發工具。綜合創新平臺主要面向計算機學院研究生以及有能力的計算機學院本科生，已應用于科研及研究生和本科生的實踐能力培養中，已開展了多項云端創新應用。目前，我院研究生與本科生已經在云服務創新平臺上開發了電子商務銷售平臺、智能交通調度系統、星云軟件自動化測試系統等多個云端創新應用。多媒體與虛擬現實實驗平臺是利用國家部分投資建立的一個基于高端PC圖形工作站平臺的高檔VR實驗平臺，擁有三維數據掃描儀、數據頭盔、力反饋器、數據手套、圖形工作站、服務器、立體投影、數碼相機、三維激光掃描儀、光學成像設備、無人機以及Kinect等實驗設備及各種教學軟件等組成。該實驗平臺可以進行三維數據的采集與建模、三維場景的漫游與呈現、模擬裝配與操作等多媒體虛擬實驗。除此之外，多媒體與虛擬現實實驗室還具有一套動作捕捉實驗系統。該系統可以實現人與虛擬環境及系統的交互，即可對目標上特定光點或標記點進行監視和跟蹤。它能準確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時檢測出來，以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。通過虛擬現實技術建立具有沉浸感、真實感和互動性的三維立體環境，讓學生在虛擬仿真環境中開展實驗，這可以培養學生利用計算機采集、處理和使用多媒體資源的能力，極大地提高了學生的學習興趣，達到了良好的教學效果。該實驗平臺為計算機圖形圖像類教學實驗課提供了實驗平臺，其中涉及的課程主要有：計算機圖形學、人機交互技術、數字圖像處理等。

3.計算機虛擬仿真實驗教學中心的特色與創新。計算機虛擬現實技術在現代計算機專業教育方面的廣泛應用已經是一種必然趨勢。計算機虛擬仿真實驗教學中心的建立，培養了專業基礎扎實、知識結構合理、掌握高科技知識的應用型技術人才。計算機虛擬仿真實驗教學中心的特色：①整合各類資源，建立統一平臺；②信息技術與計算機實驗教學相融合；③科研轉化為虛擬仿真實驗；④校企合作，共同培養工程實踐類人才。

計算機虛擬仿真實驗教學中心建設是實驗教學示范中心建設的重要內容，它既為實驗室建設注入了新的活力，也為推進實驗教學改革與創新增添了新的動力。西安理工大學計算機科學與工程學院實驗中心，在近幾年的建設中，努力整合資源，投入較為充足的人力、物力、財力，努力提高教師隊伍應用計算機開展虛擬仿真教學的能力，建成計算機虛擬仿真實驗教學平臺，并將虛擬實驗教學與傳統教學有效結合，著力加強虛擬仿真實驗教學在日常教學中的比例。它在學生創新實踐成果、大學生設計競賽、國家級教學獎勵、國際合作交流等各個方面取得了較為顯著的成績。

參考文獻：

[1]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：1-6.

[2]崔媛，武艷君，孫萌萌，等.依托虛擬仿真實驗教學中心，培養工程實踐能力[J].實驗科學與技術，2015，13（2）：142-144.

[3]孫曜，暨仲明.多模式開放型實驗教學體系[J].實驗室研究與探索，2010，29（1）：141-143.

[4]萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011，（3）：386-389.

Construction and Practice for the Experiment Teaching Centers of Computer Virtual Simulation

LIANG Kun，TAN Shu-chen，JIN Hai-yan，DUAN Jing-hong

（School of Computer Science and Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an，Shaanxi 710048，China）

Abstract：This paper is necessary to construct the experiment teaching centers of computer virtual simulation in the university teaching. This paper introduces the construction of the computer virtual simulation experiment teaching center of Xi'an University of technology. The virtual simulation experiment teaching platform，which has special characteristics and wide application，is formed. Through the effective combination of virtual experiment teaching and traditional teaching，it can improve the practical ability of undergraduates and cultivate students' innovative consciousness.

Key words：virtual simulation；the experiment teaching centers of computer virtual simulation；construction and practice