北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇1

2014-05-08 08:22:13来源：文汇报韩国“岁月号”事故的发生，让社会的目光聚焦至客轮航行安全问题，同时也令公众对航海技术人才的培养产生好奇——靠谱的航海人员，究竟是怎样炼成的？昨天，上海海事大学首次公开了航海虚拟仿真实验教学中心，这是教育部全国首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心之一。也正是在这个全球规模最大的航海虚拟仿真教学平台，学生们必须在这里“修炼”合格才能毕业。

实验中心几乎就是一艘巨轮

走进模拟仿真实验教学中心最具特色的实验室“木兰航运仿真中心”，一块大型三维180度实景航海屏幕映入眼帘，“舱”外风浪翻滚、船来船往，仿佛置身于大海之上。两名学生正立于屏幕前进行航海模拟操作。“Midship(正舵)！”“船长”一声令下，“轮机长”迅速转动船舵拉直舵向。据上海海事大学商船学院院长肖英杰介绍，实验室里配备有全任务船舶操纵模拟器、船舶交通服务系统模拟器、航海雷达(产品库 求购 供应)模拟器、航海仪器模拟器、海上无线电通讯模拟器、轮机模拟器等等仿真设备，几乎就是一艘巨轮。

“每一位学生毕业前都要在实验室里操作一周，进行综合航行训练。”肖英杰告诉记者，“木兰航运仿真中心”共有8个操作室，每个操作室可容纳4名学生。由船长们现场教授学生驾驶各类大中型商船。模拟器中有全世界主要港口和主要航道航行的数据，并且能模仿各类极端气候，如大雾、雨雪条件下的航海环境。

出海前做好应急培训很重要

在模拟室里，学生们进行的训练包括正常航行、设备操作维护和应急操作。其中，还要应付无法通过实船完成的紧急情况反应培训——船舶碰撞、油污、搁浅、失控，人员落水、生病……

“航海和人生一样，没有彩排。”肖英杰说。在正式出海前做好应急状况下的培训很重要，航海类专业的实验实训是受国际公约规范的必需环节。因此，在他看来，对于涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或综合训练等情况的航海培训而言，虚拟现实、人机交互等技术下的高度仿真的虚拟实验环境和实验对象将是航海教育培训的必然趋势。

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇2

正如威廉·G·鲍恩 (William G.Bowen) 在《数字时代的大学》一书中的宣言, 在如今的互联网2.0时代, 全球高等教育界正面临着一场由“慕课 (M O O C s) ”在线教育模式掀起的“数字海啸”, [1]它将传统的课堂教学模式, 推上了互联网, 让主讲教师成为了互联网的内容制造者, 而传统的教学内容也被重新组织, 以适应基于互联网的碎片化学习模式。2013年美国高教在线学习报告显示, 与学校注册生人数减少的情况相反, 在线注册生以年增幅超过9%的速度, 人数已超越670万, 占在校生总人数的1/3, 两者此消彼长的趋势明显。[2]在这一过程中, 脱颖而出了一批明星教师, 也向全球提供了大量优质免费教学资源。同时, 它也正默默地冲击着现有的普通教师队伍, 进而在未来将直接挑战一批现有普通高校的存在必要性。

“慕课”所代表的在线学习模式并不是传统课堂教学模式的“网络搬家”。以美国麻省理工学院的在线课程资源为例, 首先它从教学内容编排上就打破了传统较长的“章节体系”, 根据在线行为“碎片化”的特点, 以能够在10分钟左右完成的“微课程”模块理念, 来重新组织知识群;其次它从教学内容呈现上, 除了包含传统的教学大纲、教学进度安排、教学课件等要素外, 还提供在线测试、课后作业、在线问题、虚拟实验、电子教材、演示动画、讲座视频等各种补充内容;并且在这些静态要素的基础上, 提供了师生在线互动平台, 激励学习者使用各种学习资源, 参与学习活动, 从而促生更多的“有效学习”。

正是由于上述在线学习模式抓住了当下互联网2.0时代中, 教师与学生“人人有手机, 时时A P P”的时代特征, 已经发展成为全球高等教育的一大变革趋势。我国教育部也正在积极组织国内一批顶尖高校开展“慕课”建设, 这亦催促着同济大学建筑类专业在其各个教学环节中开展在线化的教学改革。

二、在数字时代中前行的同济实验教学

1.承载理性精神的同济实验教学

同济大学建筑系自1952年成立以来, 就以坚持现代建筑的理性精神为教学特色。[3]在理论层面, 冯纪忠教授于20世纪70年代末亲自翻译了德国约迪克所著的《建筑设计方法》一书, 为国内建筑教育界引入了对设计进行理性分析与推演的思想。在课程层面, 王季卿、杨公侠、傅信祁等一批老教授开创了建筑物理和建筑构造课程, 后又拓展出建造技术 (如建筑构造和结构选型) 、环境控制技术 (如建筑声学、光环境设计技术和节能建筑技术) 等一批支撑建筑设计理性思维的课程。[4]在这一过程中, 广大教师还设计出了一批与专业课程相配套的实验教学环节或课程 (图1, 图2) , 以促进学生将抽象的理性知识, 通过动手实验, 内化为可以在设计过程中灵活运用的理性思维能力—实验教学成为传播同济理性精神的重要教学载体。

2.虚拟仿真实验教学1.0

20世纪末数字时代来临之时, 一批国际一流院校开始将虚拟仿真技术引入实验教学的过程中。它可以再现各种真实世界已不存在的对象、难以观察或重复的过程, 相比传统基于实物操作的实验教学而言, 具有明显的优势。同济大学建筑与城市规划学院紧跟国际潮流, 在本科开设了计算机辅助设计课程, 在研究生中开设了计算机图形学程序开发课程;于1998年成立了“国家现代设计技术实验室”, 建成了当时在国内属于标杆性的虚拟仿真实验教学与科研平台 (设备覆盖建筑环境采集、仿真模型再加工、三维立体展示等多个环节) —标志着同济建筑类专业的实验教学进入了“数字时代”1.0阶段。之后该虚拟仿真平台又经过不断建设, 先后作为实验分中心, 支撑了2008年成立的教育部“高密度人居环境生态与节能实验室”以及2012年成立的国家级“建筑规划景观实验教学示范中心”。

由于当时的计算机图形技术、虚拟仿真技术、互动技术还都处在快速发展中, 很多设备刚刚走出实验室。所以, 同济大学虚拟仿真实验教学分中心的建设, 与国内的其他中心相似, 还是以关注先进的数字设备采购与运行管理为特征, [5,6]即尚处在1.0阶段的虚拟仿真实验教学中心建设, 往往围绕极其昂贵的“硬”基建展开。它关注采购了多么先进的数字设备, 具备了多么宽敞的实验空间, 提供了多么完善的运行管理措施, 但就实验教学的主体—师生的使用体验而言, 还存在不少问题:其一, 设备的技术过于尖端, 教师设计实验的技术门槛高, 学生操作报错的机率大, 进一步抑制了设备的教学应用;其二, 设备昂贵、数量有限, 中心空间有限, 实验技师需求大, 难以面对大面积本科教学;其三, 多次采购的尖端设备之间整合使用难度大。

因此, 该阶段的虚拟仿真实验教学主要集中在学生数量较少、课程兼有科研目的的研究生课程, 如孙澄宇与徐磊青教授设计并指导的空间认识与逃生实验等。[7,8]

3.虚拟仿真实验教学2.0

针对上述问题, 国外学者早在20世纪末就提出了“网络虚拟实验 (web-based virtual experiment) ”的概念, 即虚拟仿真实验教学2.0。但它受限于当时的网络环境与技术条件, 直到2010年前后才出现了快速的发展。国外较为著名的2.0平台有麻省理工学院的Web Lab、卡耐基-梅隆大学的虚拟实验室、加拿大的D R D C项目、牛津大学的虚拟化学实验室、伊利诺伊大学芝加哥分校的Vicher系统、俄勒冈大学的虚拟物理实验室。[9]

国内学者在2004年也引入了在线虚拟仿真实验教学的概念, [10]并于2007年前后, 率先在电子、机械、物理、化学等高等教育中进行了尝试。[11,12]它可以轻松实现传统开放实验教学分层次、跨学科的理想建设目标。[13]国内较为著名的2.0平台有浙江大学的虚拟电工电子网络实验室、陕西师范大学虚拟实验测试中心、中国科技大学的“大学物理计算机仿真实验系统”、国防大学战争模拟实验室、清华大学工程力学虚拟实验室等。[9]

相较于关注硬件建设的1.0时代, 2.0时代的虚拟仿真实验教学, 是以基于互联网与个人移动设备的随时随地的在线使用为特点。由于技术的成熟, 以及随之而来的计算成本的大幅降低, 目前的个人移动设备已经可以提供媲美以往专业图形工作站的计算能力, 而每位师生都有的个人移动终端 (如i P h o n e、i P a d、超级笔记本等) , 加上无处不在的无线宽带设施, 使得在线虚拟仿真实验教学可以轻易摆脱1.0时代离线模式所面临的师生使用频度低、物理空间容量、实验技师数量、设备数量等各种限制。而且显然, 这一在线的实验教学资源可以直接成为当下“慕课”的重要内容, 顺应在线学习的时代趋势。

因此, 同济大学于2015年获批的国家级“建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心”, 就以在线虚拟仿真实验教学资源建设为核心目标, 将同济传统的理性精神推入2.0时代。

三、以“内容制作”为中心的建设之路

与1.0时代以尖端设备的有无为中心的建设之路不同, 2.0时代的虚拟仿真实验教学建设继承了互联网应用的发展规律, 即围绕师生的用户体验, 以“内容制作”为中心。它的成功建立在广泛使用的成熟技术之上, 更建立在用户群体的普遍使用习惯之上。

1.以成熟技术的解决方案为基础

随着游戏产业、工业应用、军事应用的持续投入, 虚拟仿真技术自身已经走向成熟与廉价。比如2004年前后, 同济大学斥资几百万元人民币采购6通道Barco立体弧幕展示系统, 当时需要3台图形工作站以及一套专用虚拟场景制作软件, 才可以实现如临港新城项目一般的城市环境漫游;而2013年, 同济大学的一个本科生课外创新活动项目, 自筹资金2.4万元人民币, 通过一块2 000多元人民币的6头显卡、一套普通的三维建模软件, 就轻易实现了类似模型的环幕显示。计算机软、硬件的飞速发展, 与虚拟仿真技术的成熟, 使得这昔日王谢堂前燕, 如今飞入寻常百姓家。

而在互动游戏产业的商业推动下, 轻便的高分辨率头戴显示设备Oculus、基于视频识别的裸手操控算法Nimble、便宜的动态姿势与面部识别设备Kinect等一批虚拟仿真交互产品, 都已经悄悄出现在“淘宝”的货架上, 以普通玩家可以接受的价格、成熟可靠的品质、良好的用户体验、完美的相互整合, 彻底击溃了1.0时代那些昂贵笨重的“专业设备”。

同时, 除了传统的笔记本电脑外, 在三星与苹果的移动平台大战中, 各种个人移动计算设备也得到了空前的普及, 其基于GPU的三维图形计算能力也已经可以媲美当年的专业图形站。比如, Bentley、Autodesk、Mcneel等三维图形软件商, 纷纷发布了基于各种移动设备的三维模型浏览与编辑APP;HTC的Android系统甚至标配了具有增强现实功能的地图工具;苹果的APP中有大量的虚拟现实与增强现实的APP, 可以用于i Pad、i Phone甚至i Watch。

最终, 目前价格亲民的虚拟仿真技术、随处可及的个人强大移动计算设备、不断扩容的互联网带宽, 共同奠定了在线虚拟仿真实验教学建设的技术基石。

2.以在线生活的一代师生为基础

在互联网的2.0时代, “低头族”随处可见, 目前的年轻教师与青年学生也具有这一特征。他们既可以说是抓紧每一分、每一秒地获取信息, 又可以说是不阅读资讯就会感到“焦虑”。总之, 随时随地使用个人移动设备, 长期处于“在线”状态, 占用了他们所有的“碎片时间”。而以“慕课”为代表的各种“在线学习资源”, 就是契合了这代师生的这种行为特征。2.0阶段的虚拟仿真实验教学资源亦是如此。参考目前成功的互联网应用, 不难发现它们共同遵循以下特点。

其一, 内容的信息“颗粒小”。在线教学中体现为教学知识点的“微型化”, 即每个点可以被学习者在10分钟以内完成。

其二, 内容的信息组织重“搜索”轻“层级”。在线教学中体现为, 面对大量的知识点, 应该倚重搜索机制来实现针对个人的动态定制组织。即使要使用层级组织方式, 也要尽可能将深度控制在两层之内, 避免传统章节系统的深度层级结构。

其三, 内容的信息之间具有“超链接”。在线教学中体现为, 每个“微型化”的知识点应该具有指向其他相关知识点的跳转路径, 便于学习者举一反三、上下贯通, 激发后续学习。

其四, 内容系统具有各个纬度的互动机制。在线教学中体现为, 除传统的师生问答互动外, 应该还有学生与系统自动评价机制之间的类似游戏通关积分形式的互动, 以及学生之间的点评与议论互动。

其五, 内容系统的成功以用户社区的成熟为标志。在线教学中体现为, 学生之间、学生与教师之间, 通过系统形成了成熟的在线用户社区 (user community) 。这意味着每个人都能够在使用系统的过程中, 持续地满足自己的需要 (包括学生获取知识提升自我认同感、学生之间帮助他人获得成就感、教师受到学生发自肺腑的感谢等) , 用户对系统具有较高的“黏度”, 而此时系统中传播的内容就更容易被用户接受, 直至影响其价值观。

观察身边那些“淘宝”“微信”, 以及它们忠实用户的行为, 无一例外。这些内容系统的特征奠定了在线虚拟仿真实验教学建设的用户行为基石。

33..““内内容容””的的来来源源与与实实现现方方法法

在成熟技术与潜在使用群体的土壤中, 在线虚拟仿真实验教学资源“内容”建设的核心工作, 必须围绕着内容的唯一创造者—专业教师群体展开。

再次拿互联网2.0时代的成功应用“淘宝”来作比:能够提供虚拟仿真技术服务的软件开发企业, 就好比是“淘宝”网站的开发与维护者, 就该网站的技术而言, 显然能够胜任的公司有很多;而能够提供在线虚拟实验教学内容的设计者, 必须深谙具体某项实验的目的、知识点、操作过程、关键的专业素材, 并具有丰富实验教学经验, 而这些并非实验所服务的专业课程的教师所能胜任。显然, 教师对于课程的专业素养不同, 设计出的实验会产生有完全不同的效果, 他们才是决定在线虚拟实验教学内容质量的关键。这就好比“淘宝”上的万千商户, 他们才是淘宝网内容质量的决定者。同时, 新成立的国家级虚拟仿真实验教学中心, 作为一个组织机构, 它的任务就是组织大量教师完成实验设计, 并交由软件开发企业加以实现。这就好比“淘宝”网站, 它吸引来大量商户, 还要委托网站开发与维护者完成技术实现。经常会发现, 同一个商户的产品会同时在淘宝、易迅、京东、e b a y、微商等各种平台上设有入口。与此相仿, 可以预见, 未来某位教师设计的在线虚拟仿真实验教学资源, 也会在多家在线教育平台上出现。而事实上, 目前的各种“慕课”类平台已经出现了这种情况。所以归结起来, 设计实验的专业教师才是“内容”建设的核心对象。

同济大学的“建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心”, 有幸能够与国内一流的同济师资建立起最为直接的联系。中心结合学科发展的规划与现有课程, 拟定了6个领域3个层次的在线虚拟仿真实验教学建设体系 (图3) 。

针对这一体系, 中心采取“校企合作”的方法进行建设, 充分发挥各方所长—由教师负责实验设计, 由企业进行定制软件开发, 由中心负责体系协调与资源募集。建设工作则按照7个步骤有序开展。

首先是师资培训。针对专业教师可能对虚拟仿真技术发展现状并不完全了解, 组织专业教师分别参加了由曼恒、中视典、W o r l d V i z、伟景行等国内外一线软件开发商提供的技术培训60多人次, 以及多次企业总部的技术考察 (图4) , 使教师切身了解到技术可以达到的各种效果, 作为后续实验设计的依据。

然后是实验设计。由中心正式向广大教师征集实验教学设计申请, 并提供了设计样例。2015年首轮征集共收到19份申请, 涉及建筑、规划、景观各个专业, 申报者平均年龄39岁。申请的实验教学项目覆盖中建史 (古代部分) 、中建史 (近代部分) 、结构体系选型、建筑声学、公共建筑设计、城市设计、城市交通规划、规划选址、景观设计、场地规划等课程。

再次是体系评估。由中心组织院校专家对申报项目的学术价值、设计成熟度进行评估。

接下来是方案深化。由中心根据签订合同时的技术文档要求, 组织设计较为成熟的项目进行深化, 将笼统的实验教学模块细化成若干个实验任务, 每个任务都具有明确的教学目标、进度安排、界面设计、操作过程、教师提供的专业资料清单。

建设工作目前正处在“商务磋商”阶段, 主要依据方案深化成果与各家企业磋商价格与服务事宜, 后续还将进行“技术实施”与“反馈优化”两个步骤, 预计首轮建设将在1年内完成。

44..建建设设难难点点

与虚拟仿真实验教学1.0阶段中以硬件设备与空间为工作对象的建设不同, 2.0阶段的建设以专业教师为工作对象, 会涉及大量的非技术性问题, 遇到的工作难点主要围绕如何提高专业教师积极性发生。

一方面, 正面激发建设积极性。得益于同济大学专业教师的普遍教学热情, 这部分工作难点主要是如何找到合适的方式, 使广大教师了解在线虚拟仿真实验教学方法对已有教学质量的提升效果。除了组织系列讲座与参观外, 亟待第一批成果投入使用, 以起到最为直接的示范作用。在这之前, 专业教师对该项建设的不了解、犹豫、迟疑都必须被理解, 而参加第一批建设的专业教师的积极性都必须得到最大限度的呵护。

另一方面, 反面消除各种顾虑。对专业教师来讲, 参加建设势必增加个人工作量, 还会涉及各种知识产权的问题。所以中心必须采取各种组织与法律措施, 尽可能降低教师的额外工作量, 同时要通过与企业之间的合同, 保护教师的知识产权。

结语

自2015年初同济大学开始启动国家级“建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心”的建设以来, 院系领导与中心班子共同思考数字时代下的中心建设之路。明确了以“内容制作”为中心的在线虚拟仿真实验教学资源建设思路, 并根据自身的条件, 逐步开展了建设工作, 目前进展良好。

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇3

关键词：虚拟仿真实验室；制药工程专业；实践教学

一、研究背景

自2013年教育部颁布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（高教司函[2013]94号）以来，全国各高校掀起了建设虚拟仿真实验室的热潮。虚拟实验室（Virtually laboratory）最早于1989年在美国弗吉尼亚大学由威廉·沃尔夫教授提出。最初的虚拟仿真实验室基于计算机网络的虚拟实验环境，现在的虚拟仿真实验室是借助于图形图像、仿真和虚拟现实操作流程等技术，在计算机上所营造的可辅助或部分代替，甚至全部代替传统实验各个操作环节的相关软硬件环境。虚拟仿真实验室这一新型教育手段的出现原本是作为传统实验的辅助，然而随着现代化通信和网络技术的发展，虚拟实验的内容越来越丰富，虚拟仿真实验室不仅可以模拟实验现象、操作流程，让学生身临其境地操作，还能形象地展示原本无法触及的实验原理、设备构造等，在培养学生学习兴趣的同时，降低了学生掌握相关内容的难度，革新了实验教学的思想和理念。

在药学实践教学领域，虚拟仿真实验室的建设尤为重要。随着制药技术的快速发展，药物制备的方法、剂型越来越多，生产过程对设备控制要求越来越高，而进入药厂进行实际动手操作的机会越来越少，本科生药厂实习往往沦为生产部门走马观花式的“一日游”；另一方面，药厂对毕业生的动手能力要求越来越高。因此，仅靠传统的实验设备和教学方法，已经无法满足人才培养的需要。虚拟仿真实验教学依托专业软件、多媒体技术和数据库技术，能将实际的药厂设备对象“放大”或“缩小”，将难以观察的设备内部结构可视化，将高成本、高危环境的实验、实训项目常规化，通过与现有大型设备、实验仪器的结合，起到相互补充、相互促进的效果。

二、虚拟仿真实验室的优势

虚拟仿真实验室的优势主要体现在以下几个方面。

1.实验过程更安全

以药物合成中试实验为例，合成反应釜一般工作压力超过10Mpa，反应温度大多处于150℃～250℃，釜体外部温度也极高。作为实验教学内容，让学生操作既不安全也不现实，因此需在虚拟仿真环境下，突破实验条件的制约，开展实验教学。

将传统的反应装置改为程序控制的软件系统，在计算机上开展虚拟仿真教学，从投料、温度、压力、搅拌速度等反应的设定，到排气、出料、冷却水的循环使用等参数，都能通过软件模拟进行，并能直观地看到各个条件下的运行状态，通过软件计算出产量、能耗等数据。

2.实验消耗更节约

以生物制药用的发酵罐为例，中试级别耗费原料达到吨级以上，并且每批次生产周期长达数周，实验成本巨大。该类实验通过虚实结合，采用小型仿真设备的操作，结合计算机模拟中试生产，可以大大节约成本，即便学生操作失误，也可以重复进行，不必担心实验消耗的问题。

3.教学内容更直观

如制药工程与设备类课程，需要教会学生了解制药设备的作用，掌握其中零部件的构造。由于形体复杂，有些零部件内部结构之间存在观察盲区。通过创建仿真模型库，对复杂零部件任意位置、任意角度剖切，能帮助学生全面把握复杂零部件内部结构特征，从而更容易掌握生产原理。

4.学习兴趣更浓厚

如药厂与车间设计类课程，传统的教学采用课堂教学和机房CAD制图的形式，学生对于药厂车间布局、物料流通、空气装置等核心因素没有直观的感受。通过仿真模型装配与实体拆装相结合，可以提高学生的学习兴趣，加深其对药学工业设计的整体认知，深化对专业知识的理解。

三、江南大学制药工程专业虚拟仿真实验室的特色

江南大学药学院所建设的制药工程专业虚拟仿真实验室，开设有虚拟仿真实验项目，涉及模型演示药厂布局，结合3D动画演示，解析从原料药合成到制剂产品出厂的每一操作过程。学生通过完成虚拟仿真实验项目，加深了对相关课程的理解。在计算机虚拟实验之后，学生再到药厂实习，大大提高了实习效果，降低了办学成本。

制药工程专业仿真展示中心全面建设完成后，可以成为江苏省公开化制药工程专业仿真展示中心：在实验教学方面，加速药学院大一、大二学生对药物生产过程的理解，使学生在接触药学专业课之前建立药物的概念，提升药学专业课程的教学效果；社会公益方面，定期组织高中生、初中生参观仿真展示药物生产中心，激发学生对药学专业的兴趣、热情，扩大江苏省药学专业人才储备，保持江苏省制药工业的先进性。

制药工程专业教学内容贯穿了药品研发—实验室制备—药理毒理—注册申报—生产—质量检查的全流程，在制药工程专业虚拟仿真实验室建立前，已经成功建设了江南大學制药工程实践教育中心。这些条件决定了虚拟仿真实验教学中心具有以下特色。

1.实验项目虚实结合，相互倚重

针对药物合成中试生产等高危险、高消耗的实验项目，虚拟仿真实验中心重点建设，而且相应项目需要经过实际实验验证，保证了虚拟仿真项目的真实性；对于大型设备或综合型实训项目，则用开发的虚拟实验项目进行补充。

2.理论教学与虚拟实验相辅相承

制药工程各专业中有些课程理论教学难以达到直观明了的教学目的，如药厂与车间设计。通过典型车间、设备、物料管线的模型配制，结合传统的CAD制图，学生将所学理论知识融合到仿真实例中，并与药厂的实际建设情况对比，可验证所学理论，使理论知识学以致用。

3.实验项目贯穿药物生产全流程，为专业教学提供支撑

制药工程专业仿真展示中心设置了药物合成、制剂、药厂与车间设计三个模块，各实验系统以实际的生产线、设备及药厂场景为模拟对象，具有很强的工程性、情景性与互动性，不同理论课及实验课方向可选取所需模块的虚拟实验项目开展教学，充分考虑了专业共享，有助于提升教学质量。

4.培养工程人才，适应企业需要

在制药工程专业仿真展示中心，学生可以直观地学习和感受到药品生产企业的实景情境，通过仿真设备的学习和操作，大大提高实际动手能力，为进药厂实习打好基础。

实验教学是各学科，尤其是理工科教学的一个重要组成部分，对于保证教学质量、培养学生动手能力和创新能力具有重要意义，实验教学甚至决定了理工科教学效果的优劣。江南大学药学院通过建设制药工程专业的虚拟仿真实验室，大大提高了学生实验的主动性和积极性，打破了现有的实验教学模式的限制，更有助于提高学生的发散思维能力和创新能力。随着虚拟仿真实验室数据库和模型库的不断充实，这种教学模式将在教学中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]白雁，张娟，潘瑾，等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，38（12）：169-172.

虚拟仿真实验教学中心遍地开花 篇4

陕西批准为国家级实验教学示范中心的有：西北大学电子信息技术实验教学中心、西安交通大学机械工程专业实验教学中心、西安电子科技大学计算机网络与信息安全实验教学中心、西安工业大学电工电子实验教学中心、西安建筑科技大学冶金技术实验教学中心、陕西师范大学地理学实验教学中心、第四军医大学基础医学实验教学中心、空军工程大学通信工程实验教学中心。

陕西批准为国家级虚拟仿真实验教学中心的有：西安交通大学应急管理决策虚拟仿真实验教学中心、西安电子科技大学集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心、西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真实验教学中心、西安科技大学矿山建设工程虚拟仿真实验教学中心、长安大学工程机械虚拟仿真实验教学中心、西北农林科技大学森林生物学虚拟仿真实验教学中心、陕西师范大学心理学虚拟仿真实验教学中心、第四军医大学口腔医学虚拟仿真实验教学中心、第二炮兵工程大学导弹测试与控制虚拟仿真实验教学中心。

【西安交通大学】机械工程专业实验教学中心、应急管理决策虚拟仿真实验教学中心获批。机械工程专业实验教学中心面向“中国制造2025”战略，依托该校机械工程一级学科，通过统筹校内高端制造装备、三维(3D)打印、制造系统等高水平科研基地和校外国家级工程实践教育中心等优质资源而建设。中心坚持“专业与素质并重、实践与实战创新”的理念，以构建“硬件设施一流、资源融合充分、结构体系完整、学科特色鲜明”的机械工程专业实践教学平台为核心，积极推进实践教学模式改革，形成了专业实验能力、工程实践能力、创新实践能力培养三位一体的实验教学体系，探索得到了一系列行之有效的实践教学新方法，建立了相应的以工程教育认证为导向的实践教学质量标准，为培养引领未来的机械工程专业拔尖创新人才提供有力支撑。应急管理决策虚拟仿真实验教学中心总占地面积约3500平方米，拥有实验室24间，设备固定资产总值1600余万元。面向管理科学与工程类、工商管理等2大类7个专业开展虚拟仿真实验教学，已建设30个真实实验无法展开的虚拟仿真综合实验项目，如“突发事件预测预警实验”“应急联动多部门协作实验”“应急物流运力交易实验”“应急决策仿真实验”等，其中50%以上实验项目为自主研发。通过实验教学，缩短了理论学习和现实应用之间的距离，可以帮助学生更加深入的理解课本知识，同时培养学生的动手能力。突发事件的频发要求管理类学生需要掌握和具备处理突发事件的能力。针对我国社会发展与应急管理的重大现实需求，管理学院成立了学科交叉的科研与教学协同的应急管理决策虚拟仿真实验教学中心。该中心的建设核心目标是提高管理类学生应对突发事件、实时综合管理决策的能力，培养具有国际化视野及社会责任感的创新型管理人才。

【陕西师范大学】心理学虚拟仿真实验教学中心、地理学实验教学示范中心获批。心理学虚拟仿真实验教学中心按照“以实为本，以虚为媒，虚中求实”的建设原则，遵循“内隐加工形象化，发展进程短时化，特殊案例再现化，风险情境安全化，技能训练系统化”的建设理念，形成了“认知与行为基础实验能力培养平台”“现代认知神经科学创新能力培养平台”“航空航天心理学及人因工程仿真实验平台”和“病理心理虚拟实验平台”四个虚拟实验教学仿真平台，实现了传统实验教学与现代教学手段的有机融合，丰富了心理学实验教学内容，提高了教育教学水平，发挥了辐射示范带动作用。地理学实验教学示范中心依托该校地理学一级学科、历史地理学国家重点学科、地理科学国家级特色专业，按照“室内实验与野外实践一体化”的实验教学理念，立足黄土高原和秦巴山地，抓住西部资源环境与经济社会发展热点，创新了自然地理学、人文地理学、遥感与地理信息系统实验教学内容与方法，成为我国西部地区创新型地理学人才培养的核心基地。中心形成了立足地理科学，实现多学科实验教学融合;立足校内平台，实现多元化实验教学拓展;立足黄土高原，多渠道服务西部发展;立足学生发展，多层次创新人才培养的特色。

该校相关负责人表示，此次两个国家级实验教学示范中心的获批，是陕西师大多年来一贯重视实验教学工作结出的硕果，是相关学科集体智慧的结晶。截至目前，陕西师大建成了4个国家级实验教学示范中心(化学实验教学中心、数字传媒技术实验教学中心、跨学科X-物理实验教学中心、地理学实验教学示范中心)，3个国家级虚拟仿真实验教学中心(化学虚拟仿真实验教学中心、生物学虚拟仿真实验教学中心、心理学虚拟仿真实验教学中心)。国家级实验教学中心的建设，推动了学校实验教学和实验教学改革，促进了学校人才培养水平的不断提升，标志着该校实验教学水平迈上了一个新的台阶。

【长安大学】工程机械虚拟仿真实验教学中心获批。工程机械虚拟仿真实验教学中心是长安大学“211工程”及“985优势学科平台”重点建设实验室之一，成立于2012年6月，2016年1月成为国家级虚拟仿真实验教学中心。目前有实验教学人员55人，其中教授12人，副高职29人，中级职称及其他14人，获得博士学位的47人，硕士学位及其他7人，平均年龄43岁。中心用房面积近1200m2，仪器设备1432台，价值1800余万元。近期获得省级教学成果奖6项，省级教改项目5项。获得省级及以上科学技术奖5项，编写教材17部，发明专利46项，现拥有工程机械关键零部件现代虚拟制造平台、工程机械原理展示、工程机械结构设计及其分析计算、工程机械电液控制系统、工程机械拆装与驾驶、工程机械施工控制等共6个虚拟仿真实验平台、开设近百项虚拟仿真实验项目。

【西北大学】电子信息技术实验教学中心获批。至此，该校国家级实验教学示范中心数量达到7个，在全国高校中并列第六，在全国地方高校排名第一。电子信息技术实验教学中心成立以来不断加强内涵建设和改革创新，按照《高等学校基础实验教学示范中心建设标准》要求进行了资源整合，形成了以“加强基础，强化应用，提高素质，注重创新，激励个性，体现特色”的人才培养思路，构建了分模块、分层次、分阶段的“立体化”的实验教学体系，培养了一大批信息学科高素质创新型人才。该校相关负责人表示，此次获批为国家级实验教学示范中心，将进一步推动该校本科实验教学改革，提高人才培养质量。学校也将一如既往高度重视实验教学示范中心建设，在“十三五”期间，依托“教学实验室提升计划”，全面改善教学实验室基本条件，推进实验教学整体改革，进一步提高学生创新精神和实践能力。

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇5

长江大学以全面提高高校学生自主创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，通过与优势学科、特色专业相结合，以现代油气开采过程为主线，通过四结合(理论教学与实验教学相结合、基本训练与能力培养相结合、校内实验与企业实践相结合、科研成果与教学实践相结合)，着力构建满足三个教学层次(基础训练、综合设计和研究创新)要求的包含四大模块(钻井工程、采油工程、油藏工程和油气储运虚拟仿真模块)的虚拟仿真实验教学体系。

(二)模块构成

1.认识实践及基础训练。专业课程的理论知识系统性不强，知识点多且零散，研究对象及涉及原理抽象难以直观展示，学生缺乏理论知识整体构建能力。为解决这个问题，将理论教学中的重、难点知识，常用的钻井、采油、集输设备和工具，施工过程和工艺等，制作成多媒体、视频和仿真动画，辅以习题库和实验前小测试。共研发了118种典型的井下作业工具、油气集输设备及运行机理、油气渗流原理和实验仪器设备的结构等演示型虚拟仿真动画，提高实验教学的直观性、形象性，激发学生对实验课的兴趣，加深对专业基础知识的理解，提高学习效率，让学生有更多时间参与实践创新。2.虚拟仿真操作。四大虚拟仿真模块共研发了16个综合设计和科研创新训练类虚拟仿真实验。井下作业模拟培训系统、长输管道虚拟仿真培训系统、裂缝导流能力虚拟仿真、抽油机原理和泵效测定等虚拟仿真实验项目，通过虚实结合，可产生与现场情况相似的视觉效果，配以逼真的现场声音，给人身临其境的感觉。通过自行设计作业参数，反复操作实物，观察仿真仪表参数变化，掌握作业系统的运行、控制技能，作业流程各环节的操作及常见事故判断与处理的知识与技能，弥补生产实习中“只能有限制的看，绝对不能摸”的不足，提高学生的动手能力。基于虚拟仿真实验平台，学生能深入油藏内部，观察储层参数、流体参数实时动态变化，进行油田开发动态分析、开发方案设计、钻井工程设计、井身结构虚拟设计等综合实践，满足学科竞赛、创业创新大赛等的需要，激发学生的科研兴趣、启发学生的科研思维，培养学生的科研创新能力。石油工程课程设计系统、石油工程毕业设计与生产现场实训相结合，提高学生的操作能力和实践能力。虚拟仿真操作教学环节系统、全面的虚拟仿真实践训练可大大提高学生的动手能力和工程实践技能，成为企业欢迎的人才。3.实践技能考核。石油工程虚拟仿真教学平台的考核体系包括实验前、实验中和实验后三大板块。实验前在功能上提供知识辅助学习、课前预测等。平台提供交互式练习、答疑、模拟测试、课件点播等功能，便于学生掌握实验项目涉及的知识点、实验原理、实验流程及实验操作等，检查学生理论知识和应知应会的掌握情况，提高实验效率。实验中在功能上提供智能指导、过程监控等。平台可监控学生的实验过程，对学生在实验过程中的.不当操作进行智能化和人性化的指导。实验后在功能上提供自动批改、成绩分析和评价等。平台记录学生的实验报告、实验数据和结果，通过数据处理，利用教师预先录入的批改规则进行分析，给出评价结果。石油工程虚拟仿真实验教学中心有满足课堂教学展示和验证性实验操作训练，也有利用科研项目及成果转化的系统软件和仪器设备，开拓学生视野、提升知识结构，培养学生综合设计和创新能力。

三虚拟仿真实验教学成效

(一)丰富实验教学资源

通过发挥学校学科专业优势，利用企业开发实力和支持服务能力，充分整合学院信息化实验教学资源，不断转化科研成果为虚拟仿真实验项目，拓宽实验项目的深度和广度，石油工程虚拟仿真实验教学中心共构建了10门实验课程，65个实验项目，面向全校6个专业并对全校其他专业开放，年平均实验学生人数近1500人，年实验人时数近30000(人时)。实验开出率达100%，综合性、设计性和创新性实验比例达到86.2%，引导学生自主学习、研究探索和设计创新。

(二)整合和共享优质资源

虚拟仿真实验教学中心本着“产、学、研”合作办学理念，与多个油田企业建立校企联合实验室、实习基地，开展虚拟仿真实验项目的开发与应用。为相关石油企业的职工技能培训及应急处理实训提供服务，承担周边兄弟院校实验任务，作为社会公共教育共享资源，普及油气钻、采、输的风险及应急防范和逃生知识，起到了良好的示范和辐射作用。

(三)提升专业建设水平

虚拟仿真实验教学中心依托石油工程专业国家级特色专业建设点、石油工程专业省级品牌专业建设、省级重点学科、省级油气勘探教学示范中心、省部级重点实验室、教育部重点实验室等，通过虚实结合的实验教学资源，支撑了三门省级精品课程，三门校级精品课程。

(四)增强创新实践能力

石油工程虚拟仿真实验教学中心重视培养学生创新实践能力，已成为学生进行科学研究和实践创新的基地。近三年来中心指导学生参加省级、国家级比赛获奖80多项，获批省校级、级、国家级大学生创新创业训练计划项目30多项，获得专利10多项，在国内外学术期刊上发表论文130多篇。学生的工程综合素质和创新能力得到提高。毕业生得到用人单位“综合素质好、基础扎实、动手能力强，具有很强的工程实践能力和创新能力”的好评，相关专业大学生就业率一直保持在96%以上。

四结语

石油工程虚拟仿真实验教学中心以培养学生工程实践综合素质和创新能力为核心，构建了高度仿真的虚拟实验项目，建立了“四结合、四模块、三层次”的教学体系。虚拟仿真实验教学通过优化整合实验资源，工程实践结合、科研成果转化、学科前沿引入，拓展了实验教学内容的深度和广度，推动了实验教学改革与创新，培养了学生的实践创新能力，提高了实验教学质量。

参考文献

[1]徐剑坤,习丹阳,马文顶,等.采矿工程专业虚拟仿真实验教学资源库建设[J].教育现代化，(13):67-68.

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇6

2.1虚拟仿真技术改善了医学实验教学设备

在医学实验教学中,对设备的要求比较高,主要包括一些实验用的动物或者尸体、实验用到的仪器和设备以及相关的实验经费等,都对实验教学的有效进行产生了一定的影响。随着社会的发展,解剖学在目前获得了很大的发展,也是医学教学中最基础和最重要的课程,所以,一定的实验设备在教学中是非常关键的,对教学的`有效性影响也很大。目前,虚拟仿真技术的广泛应用和发展,很好的解决了医学实验教学中的这些问题,不但丰富了实验教学设备,学生可以利用虚拟的“尸体”进行操作和实践,也很好的锻炼了学生的实践动手操作能力。

2.2虚拟仿真技术能够提高学生的兴趣

虚拟仿真技术能够为学生提供相关的实验环境,创造一定的基础性实验条件,同时,还能够实现学生在虚拟的空间环境中和客体进行有效的交流,提高学生对相关内容的认识和理解。虚拟仿真技术在医学试验教学中的应用,能够将声音、图像和相关的多媒体演示功能进行结合,丰富实验教学过程和教学内容,充分的提高了学生的兴趣[3]。同时,将具体的教学内容变得形象和生动,而且有一定的视觉冲击力,方便了学生的理解和掌握,因此,提高了实验教学的效率和质量。比如,在进行细胞膜的教学时,可以利用虚拟仿真技术建立细胞结构,动态化的展示,可以让学生更好的观察和学习。

2.3虚拟仿真技术突破了时间和空间上的限制

虚拟仿真技术的应用,对传统的医学实验教学产生了很大改变,打破了时间和空间上的限制,学生可以通过虚拟仿真技术对动物的内部结构进行有效的观察,以及实现动态化的观察[4]。比如要了解一些药物的成分和产生的身体反应,在传统的教学中,通过一定的讲述过程是无法实现有效教学的,学生也难以理解。因此,虚拟仿真技术的应用,实现了这些过程的快速进行和变化,同时,将这些反应过程和变化情况能够清晰的表现出来,帮助学生进行学习和理解。

2.4虚拟仿真技术避免了在具体实验中的危险情况

医学实验过程存在一定的危险性,会对人体的健康产生一定的危害,比如一些感染性的疾病等。所以,随着虚拟仿真技术在实验教学中的应用,避免了学生和实验对象的直接接触,而是通过虚拟的方式产生实验的客体,所以,不需要考虑实验过程中产生一些危险性的因素,因此,对相关的实验进行有很大的帮助。除此之外,虚拟仿真技术也很好的帮助学生积累了临床经验,有效的锻炼了学生的实际操作能力,有利于学生的综合水平提高和发展。结语随着虚拟仿真技术的发展和应用,改善了医学实验教学,虚拟仿真技术的应用,加深了学生对于医学知识的认识和理解,提高了医学实验教学的质量和效率。另外,虚拟仿真技术打破了时间和空间上的限制,完善了实验教学的设备,并有效的避免了在试验中的不安全因素,对医学实验教学具有重要的意义。

参考文献

[1]陈章宝,肖国君,邓君,罗红丽.虚拟仿真技术在药学实验教学中的应用研究[J]中国管理信息化,2015(10):86-87.

[2]冯军,胡晓松.虚拟仿真技术在医学实验教学中的应用[J].科技创新导报,2015(20):118-119.

[3]曹丁,李文建.虚拟现实技术在医学实验教学中的应用[J].中国医药指南,2013(03):367-368.

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇7

随着中国-东盟自由贸易区的蓬勃发展,对财经类人才尤其是具有东盟知识背景、扎实财经理论知识及较强动手实践能力的专业人才需求日益明显。因此,高校在财经类人才的培养教育中对更应针对学生的理论储备及实践能力进行培养及训练。实验教学不仅能培养学生的观察分析能力、实际动手能力及实验研究能力,而且可以培养学生综合运用所学的理论知识及方法去发现、分析、解决实际问题的能力。其中,虚拟仿真实验教学作为实验教学的新手段,依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,能够充分发挥学生在实验过程中的主动性,为学生独立自主的开展实践创造良好的条件,达到培养学生综合能力的目的。

2 东盟财经特色虚拟仿真实验教学模式

2.1 虚拟仿真实验教学

总所周知,实验教学相较于理论教学而言,是一种学生积极的、发挥主观能动性的进行科学研究及再创造的过程。以其直观性、实践性、创造性等优点作为教育教学的重要组成部分。随着教育教学改革的不断深化,实验教学在培养学生的科学研究能力和综合素质等方面提出了更高的要求。对高校的实验教学中心而言,如何向学生提供“个性化”、“自主式”、“交互式”、“实时的”实验环境成为首要研究方向。近年来,随着计算机、互联网等先进技术的迅速发展和大面积普及推广,虚拟仿真实验应运而生。虚拟仿真实验是将计算机技术、软件技术、网络技术和传统实验设备结合起来,改变实验系统的构建模式,突破实验操作的时空限制,提升实验设备的整体性能 ,是继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法。

2.2 东盟财经特色人才需求

自2010年1月1日“中国—东盟”自由贸易区正式全面启动后,东盟和中国的贸易占到世界贸易的13%,成为一个涵盖11个国家、19亿人口、GDP达6万亿美元的巨大经济体,是目前世界人口最多的自贸区,也是发展中国家间最大的自贸区。因此,培养出一批具有东盟知识背景、扎实财经理论知识、较强动手实践能力的东盟财经特色专业人才迫在眉睫。

财经类高等院校承担着向社会输送高素质财经类人才的任务。由于地理位置得天独厚,广西日渐成为我国面向东盟开放合作的国际枢纽。作为广西唯一一所财经类院校,培养东盟财经特色人才的义务责无旁贷。高校不同于职业技术学院,教学时不能一味突出职业技能,过于注重向学生传授应用性和实际操作性的内容,而应当坚持厚基础、宽口径、文理渗透、专通结合,在促进学生综合素质的基础上针对其未来从业方向寻求个性发展,努力将其培养为既具有比较扎实的理论功底,又具有较强的职业技能,具有创新精神和实践能力,同时具备市场适应能力和国际竞争能力的东盟财经特色人才。

2.3 虚拟仿真实验教学对东盟财经特色人才培养的优势

虚拟仿真实验教学具有情景再现、生动直观、安全可靠、经济省钱、客观真实、精密准确等特点,改变了原有的实验教学模式,提高实验教学水平,整合实验教学资源,对培养科技创新人才有其独特的优势。

首先,在实验教学的“通用人才”教育和“专业人才”教育相互结合又互分层次的现代人才培养目标下,虚拟仿真实验教学以其先进性和精确性来保证实验教学内容的前沿性和科学性。东盟财经虚拟仿真实验教学中心准确抓住了“中国—东盟”经贸发展所带出的财经类人才稀缺这一情况,将东盟背景与财经文化、知识和技术深度融合,利用虚拟仿真实验完成东盟财经类课程的教学。

其次, 虚拟仿真实验平台以硬件作为基础,使用软件来构建平台的整体结构,将目前迅速发展的软件技术和传统实验设备硬件两方面的完美融合,充分利用了计算机优秀的应用特性来帮助提高虚拟仿真实验平台的整体性能。

再次,教师和学生作为平台的主要使用对象,虚拟仿真实验平台以其开放性和灵活性来保证教师和学生在进行实验项目设计构建以及操作过程中的简便适用。

最后,由于时间和空间相对固定所导致的传统实验教学模式产生不足及弊端问题,虚拟实验教学以其优异的网络化特性,有助于实现实验教学模式突破性的发展。以《东盟市场营销》实验教学为例,教师一般无法带领学生真正进入东盟各国实际运作市场营销策略,此时,利用虚拟仿真方式让学生进入东盟国际市场的模拟营销环境开展实验,以低廉的成本达到了类似于在真实环境中获得的教学效果。

3 实验教学资源共享模式

东盟财经虚拟仿真实验教学中心的实验教学资源包括场所设备、教师团队、实验课程、管理制度等等。

3.1 实验教学场所设备的共享

教学场所及实验设备是开展实验教学最基本的物质基础,也是最容易共享的实验教学资源。广西财经学院使用“两地三区”的办学格局(“两地”:广西南宁市和广西防城港市;“三区”:南宁市明秀校区、相思湖校区和防城港市校区),东盟财经虚拟仿真实验教学中心在“两地三区”拥有专属实验楼、百余间公共基础实验室及专业实验室(其中八间是具有东盟特色的财经类专业实验室)、近百套实验教学软件。虽然由于教学场所及实验设备的固定性,会对此类资源的共享产生了一定的制约,只有距离较近的高校之间能实现实验教学场所设备的共享,但明秀校区、相思湖校区均毗邻大学路,周边高校众多,因此对场所设备资源的有效共享打下良好的现实基础。

场所设备资源的共享可以分为场所租借和课程共享两种方式。场所租借即是我方提供教学场所及设备(必要时提供设备维护人员),使得某些由于资源限制达不到单独开设实验教学课程的师生可以租借我方资源完成教学,如某培训机构租借我方实验室进行JAVA编程培训;课程共享则是我方开设某实验教学课程并进行讲授实施,对方承认学生在我方完成实验课程后所取得的成绩,如仿照武汉七校联合开展的跨校跨学科第二学位辅修课程模式或北京学院路地区高校教学共同体开展的跨校选修课程模式,将东盟特色的财经类专业实验课程共享出来让其他高校的学生进行辅修或选修。

3.2 实验教学课程内容的共享

东盟财经虚拟仿真实验教学中心拥有丰富的开放式东盟财经类实验教学网络资源,通过构建统一的网络化智能实验教学和实验室管理信息平台的方式在校园网(内网)和互联网(外网)实现资源共享。实验教学平台提供全方位的虚拟仿真实验教学功能,学生可以通过校园网进行自主选择在线学习、模拟操作网上共享实验课程,实现实验前的预习、实验过程管理、实验成绩统计查询、实验教师答疑等多项内容。实验教学系统中的网络实验教学辅助系统提供网上论坛、网上练习、网上答疑、网上测试及结果评判等功能。此外平台还有配备有相应课程的电子版实验教学大纲和实验项目卡的网络电子版的东盟财经类实验课教程、实验课程视频案例、东盟财经类实验教学课件可供学生下载学习。东盟财经虚拟仿真实验教学中心配备的高清录播系统,可以对教学活动过程通过互联网进行现场直播,或者通过自动/手动拍摄、录制和存储,后期再进行加工制作,不间断的将最新的实验教学视频资源放上实验教学平台。

通过虚拟仿真实验教学平台在网络上的资源共享,为校内外师生提供了远程的实验教学服务,课余时间对外开放的专业实验中更能让学生在空闲时间继续学习,激发学生的科研兴趣和实验学习的主动性。尤其是东盟财经特色实验室及实验课程资源的开放共享,让实体课堂和网络课堂均充满了鲜活的东盟市场气氛,实现了真正意义上实验室的虚拟仿真、开放共享一体化。

3.3 实验教学教师资源的共享

“师者,所以传道授业解惑也。”教师作为授课者,是教学质量好坏与否的关键因素,要求自身有较高的禀赋,且成长周期长,培养成本高,是一种高档稀缺的人力资源。由于连年的高校扩招,本科生、研究生数量剧增,而教师队伍的培养速度跟不上学生数量的发展速度,造成生师比例严重失调。由于通常理论课教师兼任实验课教师,专职实验教师的数目较少,高水平、专业性强的实验教师数目更少,因此在实验教学中,实验教师资源的稀缺更为明显。

由于教师资源的特殊性,不能无限度的进行交流和共享。高校应该在教师做好本职工作的基础下,适当推进教师兼职、校际交流等方式实现师资共享。例如聘请国内和东盟知名高校中理论水平高、实践能力强的教师作为兼职教师;聘请企事业单位、公司实践能力强的专家担任学生实验指导教师,提高实验教学效果;派遣实验教师到高等院校进行继续教育、到东盟各国访问进修、到与东盟财经相关的部门、公司、企业挂职锻炼,提高实验教师队伍的整体素质。

教师资源的共享并不仅仅只是简单的“分享、交换”,更是通过这个交流过程达到自我素质提升的目的。在教师资源的共享中,不仅是被共享的教师在交流教学中完成传授道理,教授学业,解答疑惑的过程,年轻教师更可以把握名师授课的机会,在旁听的过程中提高自身实验教学水平和理论水平。这对打造一个具有东盟财经特色实验教学团队非常有益。

3.4 实验教学管理体系的共享

实验教学的管理体系包括组织保障、制度保障、管理规范等,是实验教学中心运行过程中发现问题、总结经验、思维凝练的结晶。东盟财经虚拟仿真实验教学中心实行立项制项目管理,将特色学科建设与实验室建设相互结合,成立项目负责团队及专家团队,严格依据实验室建设的各项条例,从立项、申报、论证、采购、建设、中期检查、验收等各环节全程双重把关,确保建设资金高效利用。“没有规矩,不成方圆”,管理规范的出台有利于实验室的开放共享、充分利用及系统管理,为中心能够正常运转和健康发展奠定基础和保障。

实验教学管理体系的共享,对其他高校进行同类型建设时提供了经验,在取长补短,健全完善,规避风险,思维创新等方面起到一定的作用。

4 下一步的发展规划

4.1 加强实验教学数字资源建设

在接下来的工作中,应在充分利用好原有实验教学资源的基础上,紧扣“开放、创新、共享”,高起点、高标准、严要求,在实践中不断充实和更新实验内容。深入探索东盟财经实验教学特点,贴近东盟自由贸易活动需求、整合译制越语、泰语等东南亚小语种资源,最终打造出东盟财经特色的专业课程体系及虚拟仿真实验课程体系,建设若干主题鲜明、专业性强的东盟财经特色虚拟仿真专业实验室,最终形成东盟财经实验教学专题数字资源库。

4.2 通过“慕课”方式实现实验教学资源共享

虚拟实验现象仿真研究 篇8

关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02

Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation

YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.

Key words:particle system; virtual reality; immersion

1 引言

随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学中特效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。

2 虚拟教学发展现状

在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：

2.1 虚拟课堂

虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。

2.2 虚拟实验

在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。

2.3 虚拟培训

针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。

3 粒子系统

3.1 粒子系统基本原理

粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。

3.2 粒子系统绘制的基本步骤

Step1 由粒子源產生新的粒子并加入系统中；

Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；

Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；

Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；

Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。

可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。

4 粒子系统与虚拟教学

因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。

4.1 虚拟实验现象仿真

实验教学对于提高学生对知识的理解掌握程度、培养学生分析、解决问题的能力具有重要的作用。由于实验设备昂贵、实验自身危险性等许多因素的存在，使得大量实验在现实中不易操作，虚拟实验在此情况下应运而生。虚拟实验通过利用计算机编程工具模仿真实的实验环境从而营造一个虚拟的实验环境，实验者可操作虚拟实验系统来完成各种预定的实验项目。实验过程中反应现象将在屏幕上显示给实验者，但大多虚拟实验系统局限于简单交互与二维演示，缺乏对实验现象的三维动态仿真，因而虚拟实验的沉浸感方面将大大折扣，实验者也不会对实验内容与结果有较深的理解与记忆。在某种意义上，实验现象动态仿真的逼真程度直接影响到虚拟实验系统的实用性。因此良好的虚拟实验系统离不开逼真的三维效果仿真，而动态仿真的关键又是粒子系统，换句话说一套好的虚拟实验系统离不开粒子系统。以虚拟化学实验为例简单介绍通过粒子系统实现气泡、烟雾、沉淀等，实现实验现象的动态模拟。

图1 气泡仿真过程图

粒子系统模拟气泡运动也是以气泡粒子的产生、运动、消亡的基本过程建模的。首先定义粒子源的位置，即为气泡粒子群产生的初始位置，并分配粒子的静态属性；然后受力分析，因气泡受压力、浮力的双重作用，需根据初始位置、與水平方向倾角、初始速度等进行粒子运动轨迹的数学模型的建立；定义气泡运动至液体表面时为其消亡时刻，删除超出生命周期的粒子，根据活粒子的动态属性对其进行相应变换，实时渲染显示活气泡粒子群。

粒子系统进行化学反应沉淀现象的模拟类似与气泡的仿真过程，只是粒子群运动模型及粒子“消亡”的判断不同。认为粒子运动至容器底部时为粒子的“消亡”时刻，即“消亡”的粒子为处于静止状态的粒子。要求对全部粒子进行实时绘制，完成沉淀现象的动态仿真。

4.2 虚拟培训中特效仿真

对于从事高危行业的人员来说，安全教育与避灾训练显得尤为重要。根据虚拟现实技术的特点，可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的虚拟系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及安全避险训练。逼真地对事故发生现场的过程与发展趋势进行动态展示是虚拟培训沉浸感的一个重要指标，真实的再现、高效的交互使受训者以当事人的身份主动接受培训，在近乎逼真的环境中，受训者在感官被高度调动的情况下更能锻炼他们在真实灾害现场中的反应与应措，而不是以旁观者的身份观看培训。

如何对灾害场景进行逼真模拟呢？粒子系统在特效仿真中发挥着重要的作用。例如在排爆训练、矿井灾害（瓦斯爆炸、火灾、水灾等）逃生训练等，特效仿真的优劣直接影响受训者对事故的反应，缺乏逼真度的模拟使得受训者易将虚拟环境中模拟的事故与现实环境中真实事故一分为二，在模拟训练中毫无紧迫感，以致达不到受训目的，更甚至于将起到与训练目的背道而驰的效果。因而粒子系统在培训系统特殊效果仿真中的引入，增强了虚拟培训沉浸感。

以矿井火灾事故中的逃生训练为例简要介绍粒子系统在特效仿真中所发挥的神奇作用。虚拟矿井火灾模拟需要对火灾的发生、发展过程做实时分析与动态模拟，需要选择合适的粒子系统模型，建立逼真场景，使受训者能真实感受到火烤烟熏，真正将自己置身于“现场”，进行逃生训练。因为虚拟仪器较为昂贵，因而我们需要在桌面虚拟现实中实现“火烤烟熏”，只能靠视觉上的高度满足来调动其它感官的想象而进入半虚拟的环境进行交互。我们利用粒子系统在模拟不规则物体上的强大优势，动态逼真实现火焰及烟尘的模拟。在建模过程中需充分考虑风向、气流、巷道坡度等对火焰与烟尘粒子团中各粒子运动轨迹的影响，通过引入气流速度与巷道坡度矢量修正因子而得到较精确的模型，达到更高效的场景模拟。

图2 烟尘仿真过程图

烟尘运动碰撞检测、二次运动轨迹的定义是动态烟尘仿真的关键。本文将火灾发生区域中巷道壁作为碰撞检测的外围边界，当烟尘粒子运动到此边界时，根据气流速度与矢量修正因子重建运动模型。此步骤的加入增强了烟尘效果仿真的逼真性，更有助于增强虚拟环境的沉浸感。

5 结论

本文以粒子系统在虚拟实验与虚拟培训中特效仿真中的应用为例，讨论了粒子系统在虚拟教学中的重要地位。用粒子系统进行效果仿真具有以下优点：图像生成真实感、实时性较强；粒子结构设置简单，易于修改，绘制方法灵活；粒子系统造型方法具有普适性，可根据不同需要进行不同设计，以获得不同的模拟效果。粒子系统的灵活性、普适性及随机性它为实时仿真中不规则模糊物体的绘制提供了较为理想的思路，有较高的应用性与研究价值。

参考文献：

[1] 刘金鹏. 虚拟现实系统中的物理建模和行为属性问题研究[D]. 武汉理工大学, 2004.

[2] 许敏，张永生，郑战辉. 粒子系统在战场环境仿真中对飞机尾焰的模拟. 测量学院学报，2004.

[3] 周洁琼. 基于粒子系统的实时火焰模拟技术研究与实现[D]. 湖南大学, 2005.

[4] 徐大敏，于兆勤，郭钟宁. 虚拟现实技术及其应用与展望. 机床与液压，2006,(7).

[5] 胡欢, 徐士进, 赵连泽, 尹坤, 董少春, 郑意春. 虚拟现实语言X3D在晶体结构建模中的应用[J]. 计算机与应用化学, 2006,(4).

北京理工大学助力虚拟仿真实验资源建设 篇9

“化工过程与污染控制”虚拟仿真实验教学中心

建设规划方案

一、实验教学中心建设的基本情况

1.1 现有基础

衢州学院“化工过程与污染控制”虚拟仿真实验教学中心，依托衢州学院化学与材料工程学院应用化学浙江省重点学科、浙江衢州氟硅新材料技术创新服务平台、浙江氟硅技术研究院、应用化工技术省级特色专业、化学工程与工艺校级特色专业等学科专业平台和衢州市氟硅新材料重点实验室、衢州市生态保护与污染控制重点实验室等基础、创新不同层次的实验室，实现了虚实结合、多层次、多形式的实验教学平台。

近年来，中心立足学院自身教学与科研优势，积极创新实验教学，在充分考虑化学工程与工艺、材料加工和环境工程等专业试验的高危性、复杂性和有毒有害性等基础上，中心按照“科学规划、资源共享、重点突出、效果为先、持续发展、低消耗、零排放、易管理”的建设思路，根据“虚实结合、相互补充、以虚验实、高度仿真”的原则，积极探索了虚拟仿真试验教学平台的建设，历经多年的努力，形成了独具特色的“化工生产与污染治理”虚拟仿真实验教学体系。目前，已经建成学生技能训练场所、教师教学和科研平台、人才培养基地，实现了“教学、研究、交流”的功能，基本解决了实物装置占地面积大、维护费用高、三废产品出路等问题，也有效地解决了学生实习动手难的问题，既满足专业工程实训要求，又能实现校企交流，服务企业，同时也为卓越工程师的培养创造了条件。

化工过程与污染控制虚拟仿真实验中心现有专任教师总数28人，其中教授5人，教授级高工1人，副教授7人，高级工程师2人，高级实验师2人，副高以上职称教师比例达60.7%；具有硕士及以上学位的教师25人，具有博士学位教师14人，在读博士1人，有9位教师具有化工企业3年以上工作经历，2位教师具有3年海外博士后或访学经历。其中浙江省“千人计划”1人、浙江省级“151新世纪人才”3人，浙江省高校重点学科负责人1人，浙江省级专业带头人2人，衢州市首届高校名师1人，衢州市拔尖人才1人，衢州市115第一、二层次人才8人。中心现有实验室总面积4525平方米，是我院开展教育教学、科学研究、社会服务、文化传承的重要平台之一。近三年来中心又利用学校拨款、共建项目及自筹资金共计600余万元，购置了大量实验装置，主要用于更新陈旧仪器设备、补充仪器设备台套数，现有仪器设备1268件，固定资产总值1865万元，仪器设备的完好率达到99%以上，各实验室仪器种类齐全、配置合理，能够充分满足化工相关专业学生实验要求。

通过外购、校企合作联合开发及科研成果转化等方法拥有了化工DCS实训基地、生产二甲基硅油的中试级综合实训基地的高仿真工厂、合成氨仿真、“三废”处理单元技术与工艺的多套实物仿真模拟以及化工原理典型操作单元等共计12个可用于本科教学与培养的虚拟仿真教学软件。服务于化工工程与工艺、材料科学与工程、环境工程、高分子材料与工程、应用化工技术等5个专业，每年参与实验的学生人时数达到92480。

1.2 建设规划 1.2.1 中心建设的思路

主动适应社会发展趋势及技术特点对人才培养的新要求，按照“科学规划、资源共享、重点突出、效果为先、持续发展”的建设思路，充分发挥学科平台优势，以重点学科建设为支撑，积极利用企业的开发和支持服务能力，以共享优质实验教学资源为策略，以建设信息化实验教学资源为重点，搭建系统、完善的化工生产与污染治理虚拟仿真教学平台，虚实结合，分批建设，培养具有理论、实践和创新完美融合的应用型人才。虚实结合：化工单元装置、“三废”处理装置“，校内建设以“实”为主，以“虚”为辅；全流程生产装置建设，装置为“实”，操作为“虚”。

1.2.2 中心建设的总体目标

在原有化工原理实验、化工DCS实训基础上，融合化学工程、材料科学与工程和环境工程相关实验和设备，开发下列虚拟实验室，包括：化工原理及化工单元操作仿真实验室、化工管路装拆仿真实验室、虚拟工厂、大型仪器工作原理展示与使用仿真实验室、城市污水处理仿真实验室、电厂废气脱硫脱硝处理仿真实验室、典型工业废水处理仿真工厂。建成化学、材料与环境工程技术人才工程实践能力教育平台；在此基础上，建立一套完善、先进的开放性运行管理体制与网络运行管理平台，实现更广泛的3D虚拟仿真工厂网络在线贡献，服务于省内相关高校专业实习及企业员工培训。力争3-5年建设成为特色鲜明、功能齐全、运行高效的服务化学工程、材料工程与环境工程等各专业的省内一流虚拟仿真实验教学中心。

1.2.3 功能定位

虚拟仿真实验教学中心功能定位：

（1）面向创新性应用型人才培养的现代化实践教学基地（2）教师教学改革与探索基地（3）虚拟仿真实验教学示范基地（4）向社会提供实践训练服务基地

二、支持“十二五”实验教学示范中心重点建设的具体规划

2.1 政策措施

学校非常重视实验教学，一直把实验教学作为教学改革的重点工作来抓，学校积极推进实验教学工作，政策到位、投入大、效果好，表现在：

(1)为全面贯彻落实教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》文件精神，在实践教学方面制定一系列政策措施，以便进一步提高教学质量并实现向教学应用型学校跨越发展。

(2)加强了实验教学的组织领导，实行主任负责制，由中心主任全面负责中心的各项工作，按照统一管理、资源共享、高效利用的原则，对资源优化组合，提高设备利用率。

(3)注重教学政策激励，学校制订“高级专业技术职务破格申报规定”、“教师国内进修和攻读学位管理办法”、“教师出国培训进修管理暂行办法”、“中青年学术骨干培养计划实施办法”、“学术带头人+创新团队培养计划实施办法”等措施激励教师能力提升、实验教学改革、实验教材建设、实验教学成果培育，引导形成一支由学术带头人和高水平教授领衔，结构合理，核心骨干相对稳定，热爱教育，理念先进，教学科研能力强，勇于创新的新型实验教学队伍。

(4)实现实验教学共享平台服务，通过信息平台将中心资源通过网络公开供社会企业或个人学习，同时接受教学反馈意见。此外，中心还承担对社会企业或个人的实验培训及测试服务，实现高校优质实验教学资源社会共享、服务社会，达到协同育人的目的。

2.2 管理制度

2.2.1．组织保障

化工过程与污染控制虚拟仿真教学中心是学校的公共实验教学平台之一，学校教务处、设备管理处、科研处以及人事处等相关部门对教学安排、实验教学仪器设备、实验设施、实验教学用房、虚拟仿真教学资源的研发及中心在编人员等方面实行集中管理和调配，确保中心运行效率。衢州学院化学与材料工程学院负责中心的运行与管理，现代教育技术中心负责信息网络的技术支持与维护。

图1 中心运行结构图

2.2.2 制度保障、管理规范

中心实行统一的管理模式。包括统一规划各专业的实训内容，统一购置、使用和管理教学仪器，统一核算实训教学的经费收支，统一管理实训用房，合理使用实验室。

中心实行主任负责制，设主任1人，副主任3人，中心主任作为第一负责人主持中心的全面工作，副主任分工负责，对实验中心的各项工作进行安排、协调和督促检查。成立包含校内外知名专家、相关学科的教师、合作企业的代表以及正副主任在内的虚拟仿真实验中心发展指导委员会。

图2 中心组织结构图 具体职能与管理模式：

（1）学校对中心的日常运行经费以专项经费的形式划拨到中心，专款专用。（2）中心实验室实行开放式管理，制定有相应的开放管理制度，所有实训资源统筹调配。

（3）实验室管理责任到人，职责明确。只要承担了某实验室的管理任务，就承担起该实验室的日常管理、实训准备、仪器设备维护、低值易耗品管理和卫生清洁等工作。

学校对实训教学建立了健全的质量监控保证体系，教学督导组经常随机深入实训教学现场了解情况，征求教师和学生的意见，对实训设备、经费投入、实训环境、教学内容、方法与手段、实训教学改革、建设与管理等进行评价和信息反馈。中心制定了一系列的实训教学考评办法，对每一个岗位都确定了岗位职责和考核目标，所有受聘人员都要签订岗位聘任合同，接受年度考核。

除了严格执行中心的各项规章制度外，中心还专门成立了实训教学工作小组评价和监控实训教学工作，通过对不同层次实训课程考核，实现对学生学习效果的评价。通过在线预习检查，现场教师抽查，考察学生的预习和对实训的了解程度；通过实训过程中的巡视指导、结果检查，考察学生分析和解决问题的能力；通过批改实训报告，考察学生对实训过程、实训方法的掌握程度；通过期末实训考试，考察学生在实训要求理解、实训方案设计等多方面的表现，评判学生的实践能力。

另外，中心还建立健全的质量监控保证体系，教师测评制度和学生评教系统。建立完善的教师测评制度。比如：主任听课制、期中检查、期末总结、学生测评、督学听课、意见反馈等。年终由考核小组对中心全体教师和实验室技术人员进行年度考核；设立学生评教系统，每学期末，学生无记名填写教学情况调查表，由相关人员统计后，记入老师教学档案，并将学生意见反馈给中心主任、课程责任人或者老师本人，以利改进。

2.3 经费投入

中心日常建设与运行经费由学校负责拨付，学校将积极努力从各种途径筹集建设资金，继续通过“中央财政支持地方高校发展专项资金”、实验室建设经费、专业建设经费、教学经费为中心正常运转、软件开发及更新、实验实习教学提供经费，并积极争取相关企业经费支持。此外，推动自主开发软件的商业化运行，为中心筹集更多的经费。具体如下：

(1)省教育厅、省财政投入支持实验教学示范中心建设经费：300万元。

(2)实验室建设经费：60万元。

(3)专业建设经费：20万元