虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化平臺(tái)與資源建設(shè)的探索

王煥友 曾曉華 謝光奇

摘 要 圍繞多元化、全方位的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，著力打造綜合性虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、儀器互聯(lián)共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)三大平臺(tái)。共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依賴網(wǎng)絡(luò)通訊、人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中虛擬與現(xiàn)實(shí)、時(shí)間與空間的多元化和全方位性，致力于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 信息化平臺(tái) 資源建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.12.023

Exploration on Information Platform and Resource Construction

of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

WANG Huanyou， ZENG Xiaohua， XIE Guangqi

（The School of Electronic Information and Electrical Engineering， Xiangnan University， Chenzhou， Hunan 423000）

Abstract Around the diversified and omni-directional experimental teaching system， we focus on building three platforms： comprehensive virtual simulation software experimental platform， instrument interconnection sharing experimental platform and remote virtual laboratory platform. The shared experimental platform relies on network communication and human-computer interaction to realize the diversity and omni-directionality of virtual and reality， time and space in the experimental teaching system. It is devoted to the reform and innovation of experimental teaching method combining virtual simulation experiment with traditional experiment.

Keywords virtual simulation experimental teaching center; information platform; resources construction

近年來，信息技術(shù)不斷向前飛速發(fā)展，高校不斷將信息技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)中的地位就顯得尤為重要。[1，2]教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中就突出強(qiáng)調(diào)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，并于2013年開始國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的申報(bào)和布點(diǎn)工作，取得了很好的示范效果。[3]虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)既是對(duì)常規(guī)實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充，還能完成常規(guī)實(shí)踐教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能，[4，5]如一些高危、高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)，常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在這些方面顯得力不從心，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以模擬真實(shí)的環(huán)境，使學(xué)生似乎身臨其境，不對(duì)安全構(gòu)成威脅;也可以降低實(shí)驗(yàn)的消耗和成本，達(dá)到事半功倍的效果。[6]

自2013年啟動(dòng)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的申報(bào)和布點(diǎn)以來，各高校就如何建、怎樣建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心展開了一系列的研究。湘南學(xué)院作為一所地方型本科院校，電子信息與電氣工程學(xué)院先后獲得湖南省電工電子實(shí)踐教學(xué)示范中心和湖南省電子電氣虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)示范中心的立項(xiàng)建設(shè)。中心本著虛擬仿真與實(shí)體驗(yàn)證相互結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的指導(dǎo)原則，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，通過自行開發(fā)和對(duì)外租、購等辦法，建設(shè)了一系列安全、經(jīng)濟(jì)、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使學(xué)生設(shè)計(jì)、綜合能力得到極大提高，特別是對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)創(chuàng)造了條件。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過遠(yuǎn)程登錄，使學(xué)生無論課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下，完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法一種改革與創(chuàng)新。

1 信息化平臺(tái)建設(shè)

1.1 平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建具有管理方便、穩(wěn)定性好，擴(kuò)展性強(qiáng)，客戶端只需瀏覽器支持的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)分室的現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行軟硬結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)建虛擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。學(xué)生即可單獨(dú)也可協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)，適應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑阌趯?shí)現(xiàn)師生間的交流。平臺(tái)上所有的操作均可在服務(wù)器上加以跟蹤，并在數(shù)據(jù)庫形成記錄，確保平臺(tái)安全性。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的人數(shù)、實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、地點(diǎn)依實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不同均有相當(dāng)?shù)淖杂啥龋拐麄€(gè)實(shí)踐教學(xué)的中心向?qū)W生遷移。

1.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)原則

平臺(tái)功能的設(shè)計(jì)以擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的管理高效性為原則。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)軟件與實(shí)驗(yàn)資源的統(tǒng)一管理、靈活應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)的實(shí)驗(yàn)軟件與實(shí)驗(yàn)資源的共享、互用，學(xué)生隨時(shí)隨地可在平臺(tái)上獲取軟件資源和實(shí)驗(yàn)資源，開展自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源在時(shí)間與空間上的高效率共享和使用。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理與共享平臺(tái)主要應(yīng)用虛擬化接入技術(shù)，綜合單點(diǎn)登錄、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)與教育深度融合，全面解決高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)資源的建設(shè)、整合、開放與共享問題，提供可持續(xù)發(fā)展的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，打破當(dāng)前狀況下實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的封閉、異構(gòu)等嚴(yán)重阻礙“共享”的障礙枷鎖，并將“有限的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”拓展成為“無限的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享和充分使用為最終目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)校品牌提升，達(dá)到省級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心示范作用，最終形成校與校之間，學(xué)院與學(xué)院之間，校與企業(yè)直接共建、共享、共營的局面，更好的為培養(yǎng)校內(nèi)外實(shí)踐創(chuàng)新能力的優(yōu)質(zhì)人才提供服務(wù)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理與共享平臺(tái)是從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)資源，線上虛擬實(shí)驗(yàn)室，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)施五個(gè)管理維度切入，分別主要解決問題：實(shí)驗(yàn)應(yīng)用統(tǒng)一管理、資源共享利用實(shí)現(xiàn)虛擬最大化問題;學(xué)術(shù)資源共建共享與優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)問題;把有限的物理實(shí)驗(yàn)空間擴(kuò)展成無限虛擬實(shí)驗(yàn)室的問題;建設(shè)決策采納問題。采用B/S架構(gòu)加虛擬接入插件，利用應(yīng)用虛擬化技術(shù)，支持任何架構(gòu)的教學(xué)軟件。圖1為總體設(shè)計(jì)框圖，總體框架由VA虛擬化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用管理平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)資源共享子平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理子平臺(tái)組成，以及實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理系統(tǒng)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢分析系統(tǒng)構(gòu)成。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)

中心按照“能力培養(yǎng)，虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、能實(shí)不虛”的原則構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，體系的宗旨是全方位提升學(xué)生的應(yīng)用能力，核心是將優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源充分共建共享，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的優(yōu)勢(shì)。優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)要求緊貼多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的特點(diǎn)，并與企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求相結(jié)合， 按照“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+校企合作實(shí)踐” 模式構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)資源，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)模式和思路。

發(fā)揮高校和企業(yè)各自的優(yōu)勢(shì)，企業(yè)具有較強(qiáng)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，高校具有較強(qiáng)的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，整合這兩方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以綜合培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在已有教學(xué)資源前提下，改善專業(yè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和創(chuàng)新拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并積極建設(shè)電子電氣虛擬儀器平臺(tái)和電子電氣數(shù)字化校園特色項(xiàng)目。

2.1 進(jìn)一步完善電工電子類實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

包括電路實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、DSP實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、FPGA/EDA實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)、嵌入式實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)等電工電子類實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)升級(jí)和進(jìn)一步自制，以及大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)基地的強(qiáng)化建設(shè)等。

2.2 進(jìn)一步完善電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

現(xiàn)有的虛擬仿真平臺(tái)具有對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程進(jìn)行數(shù)字化仿真的基本功能，但隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)快速發(fā)展和國內(nèi)外智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，在傳統(tǒng)電網(wǎng)的電網(wǎng)中融入了越來越多的新設(shè)備和新技術(shù)，為更好地與現(xiàn)代電力系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，需要對(duì)現(xiàn)有的仿真平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。建設(shè)內(nèi)容包括：新增電壓穩(wěn)定模塊、參數(shù)優(yōu)化與協(xié)調(diào)模塊、馬達(dá)啟動(dòng)模塊、無功優(yōu)化模塊、光伏發(fā)電站模型、風(fēng)電機(jī)組（直驅(qū)、雙饋）模型、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS模型、電能質(zhì)量計(jì)算模塊、諧波分析模塊、圖模一體化平臺(tái)。

2.3 新建電磁暫態(tài)模擬仿真平臺(tái)

可實(shí)現(xiàn)機(jī)電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真的所有功能;可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真和局部網(wǎng)絡(luò)的電磁暫態(tài)仿真;可研究大系統(tǒng)背景（5000至10000節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模）下的直流輸電系統(tǒng)和FACTS元件暫態(tài)特性，無需對(duì)相關(guān)電力系統(tǒng)進(jìn)行等值化簡(jiǎn)，與傳統(tǒng)的純電磁暫態(tài)仿真相比，大大簡(jiǎn)化了工作量，并提高了分析的準(zhǔn)確性;可研究直流輸電系統(tǒng)和FACTS元件與網(wǎng)絡(luò)的相互影響，分析準(zhǔn)確性大大優(yōu)于傳統(tǒng)的純機(jī)電暫態(tài)仿真。

2.4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程仿真教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

基于Web技術(shù)，繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程仿真系統(tǒng)的開發(fā)，將現(xiàn)有虛擬仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，提供多層次、多種類的虛擬仿真服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育和交互式操作（人員異地）、遠(yuǎn)程診斷（專家異地）。

3 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)結(jié)合了高等教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)，中心的建設(shè)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新中具有舉足輕重的作用，使資源使用效益最大化，虛擬仿真教學(xué)中心的實(shí)現(xiàn)也會(huì)隨著新技術(shù)的發(fā)展而更新。而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立過程中，需要信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心資源共享優(yōu)勢(shì)、結(jié)合信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)、使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)日臻完善。

基金項(xiàng)目：湖南省高等教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)湘教通[2014]72號(hào)-452）;湖南省高等教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)湘教通[2015]274號(hào)）

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