虚拟仿真实验室建设

虚拟仿真实验室建设（精选8篇）

虚拟仿真实验室建设 篇1

论文摘要：主要结合CDIO工程教育模式下地方高校对实践教学的要求和地方高校实验室的功能定位，探讨地方高校嵌入式系统实验教学改革的必要性，提出了改善实验室的硬件环境，引入PROTEUS软件，加强实验技术队伍建设和深化管理体制改革等完善嵌入式系统仿真实验室建设的构想。

论文关键词：CDIO；嵌入式；仿真；实验室建设

CDIO工程教育模式的核心内容中关于设计实验和实践场所有专门的标准，实验室作为教学、科研的重要场所，对培养应用型专业人才的地方高校尤为重要，这决定了开设了电气信息类专业的地方高校必须建设嵌入式系统仿真实验室。本文主要从改善实验室的硬件环境，引入PROTEUS软件，加强实验技术队伍建设等方面提出了完善嵌入式系统仿真实验室建设的构想。

一、CDIO工程教育模式地方高校实验室的功能定位

CDIO工程教育模式是直接按照工业界的要求建立的一整套工程教育实施体系，得到了国际高等工程教育界的认同，它从“培养什么人”和“怎样培养人”这两个根本问题出发探索工程教育问题。它具有全面系统性、实践可操作性、国际先进性和普遍适应性，CDIO工程教育模式是培养大学生实践能力和创新精神的有效途径，它有利于促进我国高等工程教育改革，实现我国高等工程教育国际化。CDIO的核心内容包括一个愿景、一个教学大纲和12条标准，其中12条标准分别考察专业培养理念、课程计划的制定、设计实验和实践场所、教与学的方法、教师提高以及考核和评估等最根本的、体现CDIO工程教育特色的要求。

实验室是教师教学、科研和学生实践的重要基地和场所。实验室的功能定位直接关系到实践教学的效果和人才培养的质量。CDIO工程教育模式采用相互联系、相互依存的理论和实践课程体系培养学生从理论学习和全程实践体系中获得设计、制作和主动学习的经验，对以培养应用型人才为目标的地方高校来说，CDIO教育模式特别适合电气信息类专业人才培养的需要。笔者认为依据以上模式，地方本科院校实验室的功能如下：以培养应用型、创新型工程人才为目标，坚持以基本能力和素质训练为基础，以综合素质提高为核心，进一步拓展专业技能训练，突出学生的创新能力培养，注重工程实践能力的培养，在实践技能训练中培养学生严谨求实、勇于创新的工作作风，形成以学生为主体，理论学习与实践创新相互促进的教学理念，促使学生的知识、能力和素质的综合提高。

二、嵌入式系统仿真实验室建设的必要性分析

实验室作为开展科学研究、实践教学和科技竞赛等活动的实验研究基地，即使资金特别紧张的地方高校为了提高人才培养质量，也会优先满足电气信息类工科专业的实验室建设需要，如湖北科技学院（简称“我院”）就建立了电工电子实验室、单片机实验室和金工实习车间，一般都采用相应的实验台、实验箱、各种仪器仪表来满足教学的需要；但是由于资金和场地的限制，在同一个实验室包括所有的设备是不现实的。一般实验室的设备功能较单一、适应性较差，造成部分实验室利用率低下，仪器设备不能共用共享，人力资源、物力资源都不能被充分利用。因教育经费投入不足，很多地方高校教学仪器设备的更新率低于退废率和毁损率，造成仪器设备陈旧、老化严重，无法满足当今社会实际对校内实验教学的需要；另外，随着招生规模日益扩大，仪器设备的台套数趋于不足，实验教学也受到不同程度的制约。

嵌入式技术是多学科交叉的产物，具有较强的实践性和概括性，不易理解，需要用大量实验来加深学生的认识和理解，建设好相关实验室直接关系到学生能否真正掌握所学知识，教学能否达到人才培养目标。随着嵌入式系统的应用领域不断扩展，新的应用环境对嵌入式技术提出了更高、更严格的要求，嵌入式系统不仅需要具有低功耗、高安全性等基本特征，还将向高效性、高实时性的组件化方向发展。目前，嵌入式软件已成为软件体系的重要组成部分，嵌入式技术的研究已经成为我国信息化进程的重要课题之一，开设了电气信息类专业高校都在积极准备建立嵌入式系统实验室，改进现有的嵌入式实验教学体制，从教学、科研及专业发展等方面来说都很有必要，不仅有利于培养学生掌握嵌入式系统的基本理论知识和智能产品的设计、开发技能，而且有利于教师掌握嵌入式技术的应用技能，提高教学、科研服务水平。

三、完善嵌入式系统仿真实验室建设的构想

要提高嵌入式系统的应用水平，解决地方高校嵌入式系统实验教学存在的主要问题，必须以建设和完善嵌入式系统仿真实验室为前提，笔者认为主要应从以下几个方面完善嵌入式系统仿真实验室的建设。

1.改善实验室的硬件环境

随着扩招，地方高校实验仪器不足、设备陈旧，实验室的硬件不硬，实验室追求小而全、小而散，如我院电子与信息工程学院拥有计算机、单片机开发系统、ARM实验箱、逻辑分析仪、示波器、信号发生器等相关实验设备，还有专门的金工实习车间，但不少设备长期处于闲置状态；有的实验室又没有足够数量、配套的仪器设备，在实际教学中一些常规仪器设备经常超年限使用，由于仪器设备的超常使用，客观上降低了教学质量。因此，在硬件建设方面必须加强实验室的整体规划，合理配置资源，在新购置仪器设备时必须加强可行性和必要性论证，优先购置先进的、实用的和急需的教学科研仪器设备，对仪器设备使用率不高、以前存在闲置浪费现象的院部或实验中心提出的采购申请计划不予批准，即使已经批准的采购计划也要采取向多家供货单位了解其仪器设备的功能和信号，以免造成新的闲置和浪费。2.引入PROTEUS软件

软件建设主要指根据实验计划和内容，有针对性地给学生提供一个实际操作平台。PROTEUS软件可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，具有三十多个元器件库，数千种元器件仿真模型，多种信号激励源和虚拟仪器仪表；能实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合；支持主流单片机系统的仿真，提供软件调试功能。嵌入式仿真实验室建设中引PROTEUS软件，既适合课堂理论教学，也适合实验室实践教学，具体做法如下：

（1）在嵌入式系统课堂教学中引入PROTEUS软件，PROTEUS的极为接近实际的动态演示可以激发学生兴趣。授课教师在备课阶段先根据教学内容准备好PROTEUS仿真模型，上课开始时先运行PROTEUS仿真模型，使学生看到模拟的运行现象或结果，让学生产生一种好奇感，教师还可提出几个与课堂内容相关的问题，让学生带着问题听课，教师在理论知识讲授完毕，再把PROTEUS仿真模型的硬件搭建和软件调试给学生演示一遍，就会使得具有较强的实践性、概括性、不易理解的嵌入式技术变得容易理解和接受。

（2）在嵌入式系统实验教学中引入PROTEUS软件，会增强仿真性。PROTEUS软件的运行简单，只需一台电脑就可以了，引入PROTEUS软件，学生在寝室的电脑上就可以通过PROTEUS软件自己学习嵌入式系统的相关知识，可以自行复习和预习课堂教学内容，通过PROTEUS平台进行仿真实验，从硬件的搭建，软件的设计，软硬件的联合调试都可以自己动手先做一遍，实验课上学生就可以通过实物平台进行验证，通过这种课内外相结合的方式进行实验，学生对整个实验的原理、流程和结果都有一个深刻的认识和理解，效果是可想而知的。此外，PROTEUS软件还可用于大学生的课程设计、电子竞赛及毕业设计。

3.加强实验技术队伍建设

实验教学长期被视为一种教学辅助手段，实验人员作为教辅系列，进入的门槛相对教师系列要低的多，而且有些高校大多数实验人员都是本校引进的高职称高学历人才的家属，本身的专业背景根本无法满足指导学生实验的要求，人员的进修和业务培训得不到应有的重视，只能胜任仪器设备的摆放和内务整理及开关门的工作，致使实验室工作人员的总体业务素质偏低，制约了实验室各项功能的发挥。笔者认为加强实验技术队伍建设应该做到以下几点。

（1）多渠道、多层次引进优秀实验技术人员。通过制定相关政策，激励教授、博士等高学历高层次人才进实验室，把实验室建设与专业建设和学科建设相结合；鼓励青年理论教师深入企业进行实践锻炼，使他们成为“双师型”人才，便于日后壮大实验教学的师资力量；还可以花大力气将企业界高层次的离退修技术人员补充到实验技术队伍中来。

（2）加大培养力度。为了提高实验队伍的业务素质，学校应鼓励实验人员参加在职进修，到部属高校或校企共建的实验室参观学习和经验交流等。

（3）加强实验人员的业务考核。为了调动广大实验技术人员的主动性和创造性，应制定一套引入激励机制、竞争机制的科学合理的考核管理办法，如“实验人员工作职责”、“实验室工作人员考核办法”等，对实验人员的德、勤、能等方面德工作全面实行量化考核，有效地激励实验人员的工作热情。

4.深化实验室管理体制改革

有效的实验室管理体制有利于实验人员积极性的提高、学生的实践能力和创新能力的培养。要深化实验室管理体制改革，笔者认为地方高校可以实现校、院部两级管理模式，明确划分各自的职责和权限，校级的发展规划处对实验室实行宏观管理，负责实验中心的建设和实验室的整体规划，校级的财务部门提供正常运转、日常维修以及仪器设备更新的经费来源和保障，校级的国有资产管理处负责实验用房的调配，校级的设备处负责实验设备的采购和招标工作，校级的人事部门负责实验室主任的任命、实验室工作人员的编制和待遇。院部的实验中心则需要规划本院实验室建设的具体目标，制订具体的实验室管理措施，并负责组织开展实验室教学管理工作。通过实现校、院部两级管理模式，可以进一步明确两者之间的职责分工，从而把对实验室管理的责、权、利结合起来，提高实验室的利用率和使用效益。

四、结束语

实验室建设是一项系统工程，是办好高校、培养合格人才的一项基础工作，要在搞好硬件基础设施建设的同时，更注重软件建设。要办好电气信息类应用型专业必须依靠实践，因而实验室必须先行建设；我校的嵌入式系统仿真实验室还刚刚起步，为全校电气信息类专业提供了一个良好的实验教学平台，下一步将继续总结我校以及其他兄弟院校的经验，提高实验技术队伍的素质和责任心，深化管理体制改革，为全校师生提供一个良好的教学、科研和实践环境。

虚拟仿真实验室建设 篇2

一、建设虚拟仿真实验室的意义

虚拟仿真实验室可以逼真地模拟学生进行真实实验操作的整个过程, 开启仪器设备电源、调节仪器和安放试件等一系列操作, 与真实实验室完全一样, 只是将原来的手动操作转变为鼠标和键盘操作, 既丰富了实验教学手段, 又增强了学生实验技能和创新能力的培养, 相对于传统实验室, 具有独特的作用和显著的意义。

1. 生动形象

在实验准备过程中, 实验教师需要讲解仪器设备的操作方法和实验步骤。在传统的实验教学过程中, 主要借助于文字、图片、视频和实物等, 这些均能在虚拟仿真实验室中得以体现, 实验教师可以生动形象地让学生多角度地观察仪器设备, 可以快速方便地重复实验步骤, 学生在沉浸感中可以边听老师讲解, 边动手操作。

2. 降低试验风险

一些破坏性的实验项目, 常常具有一定的危险性, 例如混凝土长柱的抗压试验, 临近极限荷载时, 混凝土出现脱落, 试件可能发生侧倒, 危及学生的安全。而在虚拟仿真实验环境中, 学生完全不用考虑此方面的影响, 只需要认真地进行实验操作和细致观察实验现象即可。

3. 便于自主探索

在传统的真实实验过程中, 考虑到实验的危险性和仪器设备的安全性, 学生只能按照实验室规章制度和仪器设备操作说明书进行, 不能违规操作, 否则可能造成实验失败、仪器设备损坏。而在虚拟仿真实验室中, 学生不必有这方面的顾忌, 可以尝试各种操作, 可以自拟自选实验题目, 自行组织实验, 最大限度地发挥自己的主动性和创造性, 使个性得到发展, 创新能力得到增强。

4. 弥补教学条件的不足

真实实验室常常存在仪器设备不充足、实验场地不开阔等方面的限制, 学生不得不分组实验, 轮流操作或分项合作, 每个学生试验技能很难得到全方位的锻炼, 而虚拟仿真实验室完全解决了这方面的不足, 可以满足大部分实验教学和实验训练的要求。在虚拟仿真的环境中, 仪器设备数量不再是影响学生实验效果的因素, 实验环境也不再是约束学生进行实验的瓶颈。学生可以在虚拟仿真环境中进行各种各样的项目实验, 获得与真实实验同样的体会, 从而增强感性认知, 加强对实验教学内容的理解和实验目的的明确。

5. 实时跟踪与智能诊断

在虚拟仿真实验环境中, 实验过程是通过软件系统控制完成的, 软件系统可以跟踪记录学生每个操作步骤, 如果在软件系统中加入诊断功能, 就能够对整个试验过程进行再现、分析和判断, 找出操作过程中存在的问题, 不仅可以进行实验课程的在线指导, 也可以进行实验课程的测评。

二、虚拟仿真实验室建设中存在的问题

1. 多种信息技术整合力度不够

实验室是分阶段、分层次进行建设的, 实验项目是分模块、分方向开设的, 不同的阶段、不同的模块对虚拟仿真技术要求各有差异。早期开发的基础扩展实验项目通常建立在通用开发平台之上, 现在的实验项目对专业性和技术性要求较高, 要求支撑实验项目的虚拟仿真技术更加专业化, 而大多的实验项目是基于单机操作环境, 若要更方便地通过互联网平台进行有效的、广泛的示范推广, 需要耗费相当大的人力和物力进行网络版改造。[2]

2. 教学资源开放共享程度不够

国家级虚拟仿真实验教学中心建设要求, 高校虚拟仿真实验室的管理和共享平台应该具有扩展性、兼容性和前瞻性, 能够实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享, 满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。目前高校虚拟仿真实验教学项目和实验教学资源大都仅仅满足对本校学生开放或者是较少专业的学生开放, 对周围高校或更广范围的实验教学没有较强的辐射作用。

3. 与传统实验室结合不充分

与传统实体实验室相比, 虚拟仿真实验室具有显著的优势, 但是不能完全替代前者, 这就需要两者相互配合、相互协调。在虚拟仿真实验室建设初期, 大多数教师依然习惯于传统的教学方法, 对虚拟仿真实验室的认识不深入, 不能充分发挥其作用, 不能有效地完成“虚拟”与“实体”的整合。[3]

4. 实验教学管理服务不完善

试验操作步骤的结束, 不意味着虚拟仿真实验项目的完成, 还包括实验数据分析、实验报告提交、实验问题的讨论与交流、成绩评定等诸多环节, 只有各个环节相互配合才能切实有效地发挥虚拟仿真实验室的功能, 但是目前管理服务方面还不够完善。

三、虚拟仿真实验室的建设与管理

1. 建设思路

虚拟仿真实验室的建设应当坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想, 要充分反映出学科的要求和特点, 要有资源共享的良好基础和广泛的共享可能性, 要建成持续发展的机制和必要的人员保证, 以全面提高学生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, 以建设信息化实验教学资源为重点, 分年度分批建设。[4,5]虚拟仿真实验室要保持长期高效的发展, 必须建立完善的政策和合理的制度, 从政策方面, 鼓励高水平教师积极投身到虚拟仿真实验教学中, 从制度方面, 推行理论教师主动从事实验教学, 实验教师积极从事理论教学研究, 建立更全面、更严格的管理制度和规章规程, 保证虚拟仿真实验室的高效性和可持续发展。

2. 建设方法

虚拟仿真实验室承担高校实验教学和科研项目, 它的建设与管理应围绕着实验教学和科研工作进行。

(1) 紧密结合传统实验室, 整合实验教学资源。虚拟仿真实验教学中心的建设应充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则, 将真实实验项目与虚拟实验项目紧密结合起来, 既让学生直观地了解实验的实体操作过程, 又可以在虚拟环境中熟悉实验的操作步骤, 熟练掌握试验的技巧, 以真实实验项目为重要参考, 将软件共享虚拟资源、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等三方面有机地结合起来, 提高虚拟仿真教学资源水平。

(2) 提高虚拟仿真实验室开展程度。实验室的建设是一个逐步完善的过程, 承担的项目越多, 遇到的问题就越多, 在解决问题的过程中, 就促进了虚拟仿真实验室的建设, 这就要求虚拟仿真实验室面向更多专业的学生开放, 面向更多的科研项目开放。

(3) 合理引进虚拟现实和人工场景技术, 加强自有软件的开发和应用。对于虚拟仿真实验室而言, 所需的软件通常是专用软件, 通用性不强, 也无其他软件可以代替, 一旦软件出现故障, 相应的实验项目就无法进行。因此, 在引进虚拟仿真软件之前, 应当了解软件的性能指标、可靠性和市场的认可度, 以及供应商的后期服务能力。积极利用企业的开发实力和支持服务能力, 将企业的效益观念与高校的教学需要结合起来。在引进虚拟仿真软件的同时, 应当针对本校特点和学科特色, 开发出符合实际、特色鲜明的软件, 从而提高虚拟仿真实验教师的研发水平。

(4) 建设完善的实验教师团队。实验教师团队的建设是虚拟仿真实验室建设的关键, 是实现教学资源开放共享和充分利用的主体。年龄结构合理的实验教师团队可以使实验室建设经验薪火相传, 也可以使实验室充满创新活力。高水平的实验教师团队可以发挥人才队伍的特长和优势, 围绕着科技前沿和工程实际, 以虚拟仿真实验室为平台, 开发更多的精品实验项目。

3. 管理方法

(1) 管理体制。管理体制是组织系统内部管理权限的划分、组织机构的设置和运行机制等管理和制度的综合。管理体制是实验室建设和发展的重要保障, 实验室管理的重要组织部分。管理体制建立和完善是推动实验室发展的主要力量。虚拟仿真实验室应遵循“立足现实、着眼未来、分步实施”的原则, 把握学科发展动向, 根据主观和客观条件, 制定近期、中期和远期的改革完善规划, 依次完善管理体制。在虚拟仿真实验室建设过程中, 一般形成的管理体制为, 校长统一领导, 主管院长和实验室主任两级管理, 以实验室主任管理为主的管理模式。校长分管全校实验室建设工作, 主管院长负责实验室具体的规划, 实验室主任负责实验室全面工作。

(2) 保障制度。从高校统一管理的高度出发, 从机构设置、经费保障、制度建设、信息化管理等方面为切入点, 逐步形成以学生为根本, 以实验教学为主体, 以科研项目为载体, 既充满规范化、又充满人文关怀的制度氛围。

(3) 实验教师团队。实验教师团队要能够胜任虚拟仿真实验教学的需要, 为此, 实验教学团队的管理要更加注重绩效考核要求, 重视教学资源的开放共享和充分使用, 重视对学生学习的激励和工作创新, 建立实验教师岗位职责制度, 对实验教师的职责和考评给出明确的规定。健全继续教学制度, 拓宽学习渠道, 加大对实验技术人员知识结构的优化和整体素质的提高等方面的支持力度。

(4) 交流机制。搭建实验教学理念、内容、方法和手段等方面的交流的桥梁, 构筑合作开发重要平台, 相互学习借鉴虚拟仿真实验教学改革成果, 发挥虚拟仿真实验室示范辐射作用, 针对高校实际需求开展虚拟仿真实验室建设、资源开发、实验教学和管理相关培训, 建立交流合作机制, 充分使资源共享。

四、结束语

以虚拟仿真实验室为依托的虚拟仿真实验教学, 是高等教学信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容, 学科专业与信息技术深度融合的产物, 推动高校实验教学改革与创新的重要方向。建设虚拟仿真实验室是提高资源使用效益的必然要求, 优化实验教学资源结构的重要途径。在建设过程中应分析现实中存在的问题, 积极主动地解决问题, 深入思考, 不断完善建设方法和管理方式。

摘要：与传统实验室相比, 虚拟仿真实验室具有实验条件、实验成本和安全性等方面的优势, 在高校实验教学中的地位越来越重要。为了提高虚拟仿真实验室建设和管理水平, 探讨了在实验教学和科研工作中的意义, 总结了高校在虚拟仿真实验室建设过程中存在的问题, 通过对存在问题进行分析, 给出了建设和管理的建议。

关键词：虚拟仿真,实验教学,实验室

参考文献

[1]邹家柱, 程品晶.高校虚拟仿真实验室建设总结[J].中国电力教育, 2014 (18) :80-81.

[2]雷冬, 朱飞鹏, 殷德顺, 等.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J].实验技术与管理, 2014, 31 (12) :95-96, 100.

[3]李春艳, 易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化, 2014 (24) :114, 115.

[4]季林丹, 朱剑琼, 徐进, 等.国家级实验教学示范中心十年建设工作总结[J].实验室研究与探索, 2014, 33 (12) :143-146.

[5]李平, 毛昌杰, 徐进, 等.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索, 2013, 32 (11) :5-8.

虚拟仿真实验室建设 篇3

【关键词】虚拟实验；单片机；proteus

The Construction of the Single Chip Microcomputer Virtual Simulation Laboratory

PENG　Liang

（School of Engineering,Tianshui Normal University　Tianshui　Gansu　741000）

【Abstract】Combined the Single Chip Microcomputer teaching situation, the applications of the Single Chip Microcomputer teaching, practice, graduation design and the production of science and technology show that the construction of the virtual simulation laboratory is either the important supplement of the demand from students and the school experiments or the important means of students’ study and development.

【Key words】Virtual simulation laboratory；Single Chip Microcomputer；Proteus

虚拟实验室是利用计算机仿真技术，在计算机上模拟实物进行设计、连线，利用计算机相关软件进行分析、调试等需要在实验室完成的实验。

1.单片机Proteus虚拟实验室建立的必要性：

单片机是职业技术学校机械、控制等专业的一门重要的专业课程，教学以理论为主，内容抽象。目前大部分学校实验与教学剥离，采用固定的试验箱，按照实验指导书连接简单电路，程序抄到电脑上，下载到单片机上验证实验结果,学生很难参与到具体项目，具体细节设计中去，学生动手能力很难得到训练与提高。另外由于单片机芯片更新日新月异，建立单片机实验室成本高，实训更需要大量的实验仪器和设备，而一般的学校没有较多的经费投入[1]。另外，由于学生属于初学阶段，一开始就使用具体芯片连线、调试经常会烧掉芯片，造成大量的浪费。而利用仿真软件，恰好能弥补这个缺点。

Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，它可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模、数电路仿真，单片机以及外围电路组成的系统的仿真功能；而且还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。配合它提供了多种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，可以实现对整个电路的仿真调试。同时，当硬件调试成功后，利用Proteus ARES软件，很轻松就可以获得其PCB图，为直接生产提供了方便。

采用PROTEUS仿真软件建立单片机虚拟实验室可以实现从虚拟到实际，从软件到硬件，从概念到产品用于单片机或嵌入式系统课程的实验实训练习。

2.微机原理实验室建立的作用

2.1对课堂教学的作用

微机原理课程内容抽象，在课堂教学中学生较难理解，将Proteus仿真软件应用到课堂教学中,利用仿真的形象、生动、实在等特性，对理论教学产生积极的影响，是其他教学手段难以替代的。利用Proteus仿真软件预先设计大量的单片机应用实例，课堂上，用Proteus软件向学生演示单片机软硬件设计开发、调试的全过程，并观察硬件的工作和程序执行效果，使学生通过实例对单片机的工作原理、工作过程、工作效果有更多的了解，对提高学生的学习兴趣和学习积极性有非常大的帮助。

2.2对实验的影响

实验课是单片机课程的一个重要环节，对于学生理论课知识的进一步理解，提高动手能力和分析解决问题的能力，是学生熟练地应用单片机的集成环境和开发系统，为今后进一步设计和应用单片机打下扎实的基础。

在实验教学环节引入proteus仿真，由于proteus提供了大量的元件库，学生不仅可以做一些常规实验，而且采用虚拟实验与实物实验相结合的实验室模式，可根据不同学校的不同培养目标，合理设置实验内容。对于类似我校这类要求学生具有一定的动手能力与综合设计能力的学校，可以设置类似于基于单片机的交通灯设计实验，即可锻炼学生综合实际能力，又可以再此设计基础上做出交通灯实物，提高学生动手能力的培养。

2.3对学生毕业设计及各种技能大赛的作用

课程设计和各种技能大赛是工科教学中最关键的一部分，是学生走向就业的重要实践环节。他们需要学生对所学过知识的一种综合应用，尤其相关单片机的毕业设计既需要学生对相关芯片硬件知识的连接调试，还要有一定的软件编程能力，如果在毕业设计时利用相关仿真实验，既可以对于硬件软件验证其设计的正确性，还可以进行后期的PCB封装，最后制作相关电子设计，再动手去做，对于学生的综合应用及动手能力是一个显著的提高。

例如在学生题目为基于proteus软件进行脉宽调制（PWM）输出控制电路，利用proteus可以完成包括 硬件仿真到软件编程所有的内容。PWM是单片机常用的模拟量输出方法，通过外接的转换电路，可以将脉冲的占空比变成电压[2]。程序中通过占空比开调节输出模拟电压。首先学生必须完全掌握PWM模拟输出的原理，提出设计方案，了解并选用电子元器件 在计算机上进行仿真设计，如图1。

图1 pwm进行脉宽调宽调制输出电路图

在硬件图完成后，在proteus中进行软件编程，如图2。

图2 pwm脉宽调制程序程序运行后即可得出结果如图3。

图3 pwm脉宽调制输出结果

然后到电子市场购买元器件，最后进行硬件设计与调试，使学生了解从选题 调研制定设计方案、 采购元器件、 软硬件设计、 线路焊接、 调试检测等整个设计调试过程，从而进一步提高了学生自主开发和实际动手能力及兴趣。这样不仅可以避免由于设计上的错误所造成的硬件投入上的浪费,而且可以缩短学生完成大型设计的时间。

3.結束语

对于单片机课程而言，课堂上要想利用案例生动的讲好每一节课，实验课、设计中尽量提高学生独立分析和解决工程实际问题的能力，让学生具备独立开发单片机应用系统的技能，平时有机会多实践，在购买硬件设备资金不足的前提下，利用仿真软件建立相关的仿真实验室，硬件投入少，经济优势明显[3]；学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力；实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题；与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程；协作能力的培养和锻炼；支持网络环境，实现实验室的虚拟化和网络化，大大提供实验室的使用效率和范围。

【参考文献】

［１］夏国清,陈华珍,宗建华.Proteus仿真软件在单片机课程中的应用与实践[J].微型机与应用，2011.20.

［２］周润景，菜雨恬.proteus入门使用教程[M].机械工业出版社，2011.

虚拟仿真实验室建设 篇4

摘 要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。为了研究基于虚拟仿真实验教学系统进行自主学习的过程和效果，文章基于北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真实验教学平台，以《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》实验为例，归纳没有模拟电路基础的学习者通过自主学习完成虚拟仿真电路实验的过程，并采用调查问卷的方式收集学习者的学习效果。实验结果表明，虚拟实验可以让学习者获得相关的电路知识，虚拟仿真实验平台可以作为学习者自主学习的工具，并且在自主学习的过程中提高了学习者的学习兴趣和发现问题解决问题的能力，培养了学习者的探索精神。

关键词：自主学习；虚拟仿真实验系统；模拟电路；学习效果

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）06-0093-04

在现代教育中，实验教学占有越来越重要的地位，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，很多课程往往需要学生进行大量的实验，而且许多实验需要多协同操作才能完成。但现实中许多问题在真实环境下实验具有不可见性、危险性或需要昂贵的实验设备，成为制约教学质量提高的重要因素。虚拟仿真实验是解决此问题的有效方案[2]。

虚拟实验教学平台不仅可以解决上述问题，而且对于提高学习者的学习兴趣，激发学习者的学习动机有很大的帮助。在利用虚拟仿真实验平台进行自主学习的过程中，完全是以学习者为中心，学生可以自主调节学习的时间、地点、顺序以及学习的进度，鼓励学生的自主学习、协作学习，有利于学习者的主动建构，符合建构主义的教育观和?W习观，具有较高的理论意义和实践价值[3]。自主学习虚拟实验还有利于培养学习者的探索精神和实践能力。学习者在自主学习虚拟仿真实验的过程中，也提高了遇到问题解决问题的能力，并且确实获得了实验的相关知识。将虚拟仿真实验引入教学有利于推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学的改革与发展。

一、研究现状及不足

1.虚拟实验室建设现状

虚拟仿真实验室受到了各国高校的普遍关注，我国教育部从2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，截止2015年共评审出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。科技部2010年将《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》作为“十一五”国家支撑计划重点项目开展研究，清华大学、北京大学、上海交通大学、北京邮电大学、华南理工大学等高校已陆续在网上提供了虚拟实验服务。在国际上有芝加哥伊利诺伊大学的数字化有机化学实验室，卡罗莱纳州立大学利用Java技术建设基于Web的探索式虚拟物理实验室，密歇根大学为操作系统和高级语言课程建设了虚拟网上系统实验室等。

2.国内研究现状及启示

虚拟仿真实验与实验教学的结合方式主要有两种，一种是先实验教学后虚拟实验，这里虚拟实验主要是用于巩固知识，完善知识结构，提高学生的动手实践能力。这也属于先理论后实验的教学方式，李旭锋在《“先实验后理论”化学教学方法探析》[4]中提出“先理论后实验”的教学方法会抑制学生在实验中发现问题的积极性和探索创新的主动性。另一种是先虚拟实验后实验教学，这里虚拟实验主要是来达到预习实验的目的，有利于教学更加顺利地进行，如蔺智挺在《基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学》[5]一文中，以模拟集成电路实验教学为例，介绍了安徽大学基于虚拟仿真实验进行实验教学改革的做法和效果，利用虚拟仿真实验中心，缓解了课时的矛盾，较好地达到了预习实验的目的，拓展了实验的内容，对实验教学改革的深化产生了积极而深远的影响。

虚拟仿真实验可以作为学生自主学习的资源，培养学生的自主性、探究性学习能力。如潘雪涛、邬华芝等在《创新虚拟实验教学模式 培养自主学习能力》[6]一文中提出“三三三”教学理论新模式，其中虚拟实验室在课前应用，激发学习者兴趣，进行自主预习；在课中应用，主要用于教学互动，提高效率；在课后应用，用于自主复习，自主训练。多年的实践证明，教学改革成果显著，教学效果明显，学生的自主学习能力和实践创新能力不断提高。赵琪、孙红等在《基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究》[7]中，提出开放式网络化基础医学虚拟仿真实验平台丰富了实验教学内容和手段，逐渐成为学生自主学习、自助学习的重要场所和学习方式，能够突出探究、实践和创新，提高学生自主学习和探究性学习能力。

3.当前研究的不足之处

通过以上文献分析可以看出，广大研究者对开发出的虚拟实验系统在教学中的应用情况不太关注，对虚拟实验系统应用于教学的过程设计与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用虚拟实验系统进行学习的评价很少。实际上，这方面的研究，对于检查所开发平台的有效性、实用性有很重要的意义[8]。

已有研究大多关注利用虚拟实验进行教学改革或者虚拟实验平台建设，目前尚未有研究者进行虚拟实验的自主学习过程以及学习效果验证的研究，而基于没有模拟电路知识基础的学习者的自主学习更能反映出虚拟实验平台对于知识掌握和实践能力提高的效果。因此笔者基于北京邮电大学自主研发的电子信息虚拟仿真实验教学中心，以未学习过《模拟电路》相关课程的学习者为研究对象，对学习者的学习过程、学习积极性、学习效果进行研究。

二、研究方法及过程

1.研究目的

本研究旨在通过对没有模拟电路知识基础的学生进行虚拟仿真实验的自主学习过程和效果的调查研究，来分析通过自主学习虚拟仿真实验，学生是否可以获得相关的电路知识；学生在学习过程中积极性和注意力的集中程度如何，发现问题解决问题的能力是否有所提高，以及实验平台的易用性等问题，通过此次调查，了解虚拟仿真实验是否可以作为学生自主学习的工具。

2.研究对象

本次调查问卷以40名研究生为例。在样本的选取上，本次调查对象为没有学过《模拟电路》相关课程、没有做过任何一个模拟电路实验的学习者，这样更能体现出自主学习虚拟仿真实验的效果；本研究所用的实验平台是由北京润尼尔网络科技有限公司研发、北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心运营的。实验课程类属《模拟电路》，实验名称：《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》，学习方式：自主学习。

3.研究工具

本次研究采用的工具为一份问卷调查表，在填写完问卷之后采用访谈的方法来获取被试者的主观感受。

（1）问卷调查

本问卷的题目包括三个部分：第一个部分是第1题，是关于研究对象的个人信息，是否做过任何一个模拟电路的实验。若做过，则被视为无效问卷；第二个部分是2～6题，从做实验的积极性和注意力的集中性（问题2～3），遇到问题的解决办法（问题4～6）三个方面来了解学生做实验的过程。第三部分是7～9题，分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）、学习虚拟实验的基本步骤（问题10）、虚拟实验对学习的帮助程度（问题11）四个方面来调查学习效果以及虚拟实验对自主学习的有用性。

实验在2017年6月份进行，每个学生自主学习虚拟仿真实验的时间不限制，可以使用互联网进行信息的查询，学习过程没有硬性要求，学习顺序自主安排。调查问卷安排在做完实验之后，其中问卷的第10题是关于学习者对学习虚拟仿真实验的步骤排序。将学习虚拟仿真实验的过程进行精简和编码：①进入虚拟实验界面，浏览实验内容；②打开各个仪器的开关；③根据网络实物图连接完整的电路图；④寻求场外人员帮助；⑤调节各个仪器的量程；⑥根据实验原理图连接实物图的基本部分。分析学习者的排序，得出学习过程的活动图如图1所示。

进入虚拟实验界面，浏览实验目的、实验器材、实验原理、实验报告以及实验操作平台。通过实验原理可得知：滤波电路的基本功能是滤除（抑制）某一频率段的输入信号。低通滤波器抑制的是高频段的信号，通过低频段的信号，当信号和噪声在不同的频带时，可以实现信号分离，滤除噪声。

通过参照实验原理图和百度的完整实物图在虚拟实验台上进行电路连接。在实验过程中遇到不认识的器材，通过双击实验器材来获得器材的属性以及帮助信息，遇到不太懂的地方则通过网络搜索或者寻求他人的帮助，原理图中的三角形器件为运算放大器，有八个引脚，有放大信号的功能；信号发生器发出信号，通过泰克示波器来展示波形。

当完成电路的物理连接后，打开和调节各个仪器设备。但是波形并没有显示出来，然后通过检查自己的电路图是否连接正确来进行排错处理，查完之后还没有出现波形，请其他人员帮助，通过调节泰克示波器的量程来显示出波形，实验成功。实验台如图2所示。

在整个实验进行的过程中发现，认知虚拟实验平台只需要三分钟左右，实验平台简单易用，查询信息方式很多，有获取实验帮助、获取智能指导、获取器材信息等等，实验过程中，学生一直都保持很高的积极性，注意力很集中，遇到问题时，能够积极主动的寻找问题的来源，主动寻求帮助，提高了发现问题和解决问题的能力。

（2）访谈

填写完问卷，笔者对于调查对象关于做虚拟实验的主观感受以及填写问卷的认真程度进行访谈。经访谈发现，学习者表示不用去实验室就能把实验做出来，很方便快捷，学习者在学习过程中充满了好奇心，尤其是当波形调出来之后，觉得很神奇，自主学习的结果能够实时的被观察到，能够激励学习者进一步学习，并且所有的被试者都认真完成实验和问卷，没有无效问卷。

4.资料处理与分析

本研究共回收实验问卷40份，其中第一题的选项均为B，即在本次实验之前没有做过虚拟实验，因此问卷全部为有效问卷。

问卷首先调查了学习者在进行实验时的注意力保持情况，和学习者在使用虚拟实验平台时的态度，笔者将注意力的五级进行编码，在SPSS（“统计产品与服务解决方案”软件，用于统计分析）中将选项依次赋值，A为4分，B为3分，C为2分，D为1分，E为0分，统计结果显示，被试学习者的注意力平均水平为2.9分，说明虚拟实验教学系统可以使学习者的注意力保持在中等偏上水平。

相关研究表明，根据认知负荷理论，当使用虚拟实验室进行虚拟实验时，学习者往往需要先掌握相关的知识与技能，比如了解虚拟实验系统的操作规范和技术流程等，虽然这些知识和技能可能跟当前学习任务没有必然联系，但其实无形中增加了学习者的认知负荷[9]。本组下的另一个研究主题是关于学习者的学习积极性，通过图3可以看出，被试对象的积极性保持在较高水平，所有的学习者都选择了“积极”或“非常积极”。本主题的研究结果表明，与传统实验教学方式相比，学习者的认知负荷反而降低了。

虚拟实验过程中，学生可以随时登录网站进行各种实验，操作实验设备，不受时间和空间的限制；学生在实验中自主发现并解决问题，有利于培养在实际操作中分析和解决问题的能力，可以有效提高学生的动手能力[10]。本部分问卷题目设置的目的是探索学习者在自主学习、实验过程中解决问题的途径选择。

由图

4、图5可以看出，当学习者在自主学习过程中遇到问题时，最常用的办法是查看实验平台中的实验帮助。此结果说明，在未来的虚拟实验平台或者其他在线学习的平台建设过程中，需要提供尽可能详细、准确的平台帮助或说明。询问他人，说明自主学习的过程常常与学习者的社会网络相关。

本??卷的7至9题分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）检验了虚拟实验平台的教学效果，其中问题7、8的正答率为100%，问题9正答率为97.5%，只有一位同学答错，说明没有模拟电路基础的学习者经过虚拟实验平台的操作和学习，可以对模拟电路的基础知识达到很好的掌握程度，验证了虚拟实验教学平台的实际教学效果。

图6显示了被调查者在试验后对于虚拟实验平台的主观评价，如图6可知90%的学习者认为虚拟实验平台对于掌握低通滤波器的知识和技能有帮助，验证了笔者在上文中提出的假设，实验证明，虚拟仿真实验确实可以作为学生自主学习的工具。

三、研究结论

虚拟仿真实验能够提高学习者的兴趣，可以作为自主学习的工具。在完成虚拟仿真实验的过程中，学习者被深深吸引，能够保持极高的注意力，学习效率极高。学习者在自主学习虚拟实验的过程中能够主动的发现问题并解决问题，提高了学习者的动手实践能力。没有模拟电路基础的学习者通过虚拟实验可以获得相关的电路知识，学习效果良好。虚拟实验室降低了实验教学的成本，解决了传统实验室受时间、地点限制的问题，虚拟实验简单方便，虚拟仪器具有灵敏性与高效性。开展虚拟仿真实验教学可以延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平。在今后的教学实践中，我们要发挥虚拟实验的优势，使之能够与传统的实验教学密切融合。课堂教学、虚拟实验和实验室教学深度融合是现代实验教学的发展模式，能够培养学生的自主学习能力、动手实践能力以及发现问题和解决问题的能力。

参考文献：

虚拟仿真实验室建设 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.

虚拟仿真实验室建设 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.

虚拟仿真实验室建设 篇7

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。

虚拟仿真实验室建设 篇8

关键词：实验教学；虚拟仿真；土木类专业；工程素质

随着国内建筑行业的快速发展，对土木类人才的需求日益增加，土木类专业办学规模日益扩大。截至2013年，我国开设土木工程专业的高等学校达到439所，设置给水排水工程专业、建筑环境与设备工程专业的高等学校分别有192所和181所，土木类专业在校学生近40万人。专业扩招以及建筑企业安全管理等因素造成土木类专业在开展实践教学环节过程中遇到了很多技术难题，主要包括：（1）土木类专业实验综合性强，设备体量大，实验环境恶劣，资源消耗大，成本较高，特别是高危险、大型复杂但与实际工程结合紧密的实验无法在实验室内让本科生直接深入参与；（2）土木类专业相关教学实验选课学生多，实验操作复杂，实验开支较大，实验安排难度大，造成学生参与实验自主性不够；（3）受到场地和实习时间的限制，土木工程中施工周期长、一些隐蔽工程无法现场展示，一些大型实验无法让本科生动手参与。同时，在专业认识实习和生产实习环节学生只能参观构筑物但无法通过实际操作了解建筑过程的整体工艺。随着计算机技术和信息技术的发展，结合高等教育信息化建设开展土木类专业实践教学改革是克服实践教学环节技术困难的一个重要途径[1]。

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[2]。2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[3]。其目的是鼓励高校采用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索，使实践训练及时跟上相关技术的发展。为了有效解决土木类专业开展实践教学遇到的技术困难，培养学生的工程实践能力，达到培养高素质的工程应用型创新人才的目的，北京工业大学土木类专业在国家级实验教学示范中心——土木工程实验教学中心的基础上，利用多媒体虚拟现实技术和数值计算仿真技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，并进行教学方法、实验手段等方面的改革研究与实践探索。2013年12月北京工业大学土木工程虚拟仿真实验教学中心入选国家级虚拟仿真实验教学中心。

一、虚拟仿真实验教学中心建设理念和思路

紧密结合土木类专业实践性强、工程能力培养要求高的专业特点，土木工程虚拟仿真实验教学中心建设始终坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念。在虚拟仿真平台建设规划过程中，明确了实体实验和虚拟实验的定位，确立了“能实不虚”的建设原则。以“实”为目标、“虚”为手段，扬长避短，以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系，以“实”来提高学生解决工程实际问题的能力。即将虚拟实验手段融入课前预习、课上实训和课后实践等环节中，用虚拟实验对实验现象进行展示、对实验仪器设备的使用流程和注意事项进行说明。通过计算机虚拟环境进行交互性虚拟实验使其成为理论和实践教学的重要补充和有效辅助手段，从而最大限度提高学生的工程素质。

虚拟仿真实验教学中心的建设目标是采用网络技术、多媒体、人机交互等技术构建高度仿真的虚拟仿真实验教学平台，解决土木类专业实践教学环节中的技术难题，培养学生的创新精神、实践能力、自主学习能力以及获取信息、运用信息的能力。

在虚拟仿真实验教学系统的开发过程中，中心坚持“重点开发、积极引进、软硬结合、适当超前”的基本思路。优先选择土木类专业实验难度大、实验花费高（如大型结构破坏性实验、重复次数多的混凝土梁加载实验、大型水质仪器分析实验、建筑设备智能控制实验、污水处理实验等）、专业理论性较强的实验项目进行虚拟仿真实验教学系统开发试点，同时积极引进国内外成熟的虚拟仿真实验教学系统，充分重视虚拟实验环境的真实感、可操作性。

虚拟仿真实验教学中心面向学生采用“多层次”的开放模式。包括虚拟实验不限时开放、教学实验室预约开放（定期开放与网站预约开放相结合）和全天候开放创新基地三层次，使现有资源最大限度得到利用。

二、依托虚拟仿真实验教学中心建设积极开展土木类专业实践教学体系改革

北京工业大学土木类专业坚持“实践教学一条线”、“创新人才培养不断线”的教改思路，将实践教学体系分为三个层次：

（1）工程认识实践与基础训练层次。主要包括各课程教学大纲所规定的基本型实验。

（2）专业应用实践层次。主要包括大纲中规定的综合设计型及个性化创新型实验（综合知识的应用、创新思维培养）。该层次整合了学科基础课、专业主干课及其综合实践环节等，目的是着力进行学科基础技术研究方法的教育。

（3）工程实践层次。以土木工程一级学科为平台，发挥科研活动的支撑与引领作用，以工程为背景，实现学生真实工程环节的训练，增强学生工程实践能力，使学生从专业技能培养逐步进入学科前沿，在加强面上培养的同时实现点上的突破。

土木工程虚拟仿真实验教学中心首先重点解决专业应用实践层次和工程实践层次遇到的主要问题。依托虚拟仿真实验教学中心建设，积极开展实践教学体系的改革，主要包括：（1）围绕虚拟仿真实验教学平台建设创新培养方案，包括在教学计划中增设创新实践课程和改革实验环节的指导模式。（2）推进实践教学内容更新。实践教学大纲必须明确提出“虚实结合、相互补充”的具体实施方案以及具体的培养目标。（3）将高层次的学科建设平台、高水平的科研与工程技术项目以及高质量科研成果融入虚拟仿真实验系统建设，扩大虚拟仿真实验的范围。（4）加强多媒体、网络技术的应用，实现多层次开放模式。（5）改革实践环节评分考核模式。注重对学生利用平台进行自主实验、互动交流过程的考核，强化对学生分析实验结果能力以及答辩的考评。

三、虚拟仿真实验教学平台的功能

以国家级土木工程实验教学示范中心硬件平台为基础，虚拟仿真实验教学中心第一阶段建设是基于Eclipse、WebBuilder、Visual Studio、Adobe Flash、LabVIEW等开发平台和工具并结合主流的专业仿真计算软件30余套（包括PKPM、ANSYS、ABAQUS、5D施工BIM等）开展实践教学环节的虚拟仿真建设。目前土木工程虚拟仿真实验教学中心下设10个虚拟仿真实验教学平台，即大型设备结构实验虚拟仿真平台、混凝土梁静载实验虚拟仿真平台、桥梁工程实验虚拟仿真平台、工程施工虚拟仿真平台、工程测量虚拟仿真平台、道路勘测设计一体化虚拟仿真平台、楼宇自控系统虚拟仿真实验平台、空调系统调试虚拟仿真实验平台、大型水质分析仪器虚拟仿真平台、水处理工艺运行虚拟仿真平台，利用平台建成了相应的土木类专业虚拟仿真实验教学系统。

虚拟仿真实验教学平台主要功能包括：

（1）利用平台实现虚拟实验仪器开展实验和搭建典型的实验项目。平台建设紧密结合土木类专业实验教学需求，使学生利用平台进行虚拟仪器操作和动手搭建实验系统并配置相关技术参数。如大型水质分析仪器仿真与模拟操作系统对大型气相色谱仪、TOC/TN、原子吸收光谱仪等的构造及工作原理进行仿真模拟，同时将仿真模拟系统与仪器离线操作平台偶联，实现仪器的模拟操作与样品分析仿真；利用钢筋混凝土简支梁静载实验模拟系统可以自行设置梁的截面尺寸、配筋、长度等几何参数和混凝土、钢筋等材料参数形成自己的实验对象，在虚拟场景中布设支座形式、分配梁、加载点等加载条件和设备，扩大学生能够操作实验工况的数目。

（2）利用平台实现数字化工程设计和虚拟施工、调试及运行。工程施工虚拟仿真平台充分利用建筑信息模型（Building Information Modeling简称BIM）技术完成了土木工程关键施工过程模拟动画30套，能够基本实现对土木工程施工关键过程的模拟仿真；工程测量虚拟仿真平台所建立的仿真系统能模拟校内外实验场地条件以及各种工程测量实验仪器设备，可实现人机交互操作，形象地展现了工程测量课程中主要实验环节的工作过程；道路勘测设计一体化虚拟仿真平台利用当今国际道路勘测设计主流技术，将野外道勘实习基地和校内道勘实训中心集成为数字化、一体化、可视化的虚实结合、内外结合的教学平台，主要功能是利用真实项目完成道路勘测与设计的综合实训；楼宇自控系统虚拟仿真实验平台利用楼宇自控虚拟仿真系统制作的虚拟控制对象来代替真实对象，不仅接受控制器的控制信号，而且还能向控制器发出各种反馈信号，反映实际系统的响应，从上位机控制界面上直接显示控制过程和控制结果，给学生带来“身临其境”的感觉，为楼控系统的编程和调试带来很大方便，有利于对空调系统控制原理的认识以及对楼宇自控技术的学习和应用。

（3）利用平台的网络化协同支持教学。平台构建了作业、协同交流、答疑、留言、测试、文件存储等模块，中心网站具有友好的用户界面，用于为师生用户提供相对完整的实验学习支持系统。在功能上包括提供实验设计、背景知识、参考资料和课件等。针对学生用户，记录其实验过程，包括实验报告、数据、实验结果统计、成绩评定、教师评语等；针对教师用户，提供实验设计、分类实验结果和内容统计等。

（4）基于网络的宣传、交流和实验展示功能。平台具有信息发布、成果展示、专业介绍、实验设计、教学名师、精品课程等宣传和展示功能。虚拟仿真实验教学平台体现了全天候开放性，随时随地可以访问；体现了创新性，利用现代信息技术，实现了低成本，高安全，运行维护方便，改进教学效果，积极革新教学模式的目的。

四、注重利用“产、学、研”合作建设虚拟仿真实验教学中心

土木类专业教师的虚拟仿真技术开发能力、网络多媒体技术水平是影响虚拟仿真实验教学平台建设水平的一个主要因素，软件公司的技术人员对专业实践教学要求的理解对平台开发效果有重要的影响。为了提高中心下设的虚拟仿真实验教学平台的建设水平，中心本着“优势互补、资源共享”的原则与建研科技股份有限公司、北京长筑工程软件有限公司等近10家软件开发单位开展校企共建共管的合作模式。一方面，企业参与土木类实践教学计划制订，为中心建设提供各类技术资料、工艺规程和软件，参与中心虚拟仿真实验教学平台的研发工作、软件维护和升级管理工作，确保了平台良好的运行状态并始终处于同类平台的领先地位，服务于校内人才培养；另一方面，校企合作共建的虚拟仿真实验教学中心为企业软件产品的市场推广、人才培训提供支持，中心教师也积极为企业的研发工作提供技术支持。通过人才培养这个纽带，学校和企业整合各自优势，结成战略合作伙伴关系，从而为土木工程虚拟仿真实验教学中心的可持续发展提供了强大的技术研发支撑平台。

五、虚拟仿真实验教学中心建设的效果

中心搭建14门实验课程，其中设计型1门、创新型4门、综合型9门。中心经过第一阶段建设，土木类专业能够将虚拟实验和真实实验结合的实践环节的比例超过30%。虚拟仿真实验教学中心直接面向于全校6个专业并对全校其他专业开放，年均直接受益人时数近60000（人·小时）。

通过三年实践教学平台的“虚实结合”建设以及实践教学体系改革，中心对人才培养的教学效果主要体现在以下方面：

（1）强化了“学生是主体、教师是主导”的教学理念，提高了实验教学质量，学生自主参与实践环节的能力得到加强。

（2）实现了虚拟仿真平台和校外实习基地建设相互补充、相互支持，提高了土木类专业校外实习环节的效果，强化了工程素质的培养，有助于培养学生的专业学习兴趣。

（3）通过“虚实结合”拓宽了学生的专业视野，提高了学生的自主学习能力，加强了学生的创新意识和创新能力的培养。

（4）“虚实结合”的实践教学模式的开展促进了实验教学管理体系的改革，促进了实验教学队伍水平的提高。

总之，土木类专业应紧密结合行业的相关需求以及学校的发展定位来开展虚拟仿真实验教学中心建设，要坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念，以培养学生的创新能力、自主学习能力、工程实践能力为目的开展工作。同时要积极与相关技术公司开展“产、学、研”合作来提高虚拟仿真实验教学平台建设水平。实践表明，虚拟仿真实验教学有助于解决由专业扩招以及建筑企业安全管理等因素造成的实践环节中遇到的技术难题，有助于培养高素质工程应用型创新人才和实现教学运行经费高效利用。虚拟仿真实验教学平台对提升土木类专业的整体实践教学水平能起到良好的促进作用，对提升建筑行业单位的技术水平有明显的促进作用。

参考文献：

[1] 张敬南，张镠钟. 实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J]. 实验技术与管理，2013（12）：101-104.

[2] 戴成梅，戴成建. 基于 LabVIEW 的电工电子网络虚拟实验室研究与开发[J]. 实验室研究与探索，2011（2）：74-78.

[3] 教育部高等教育司. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[Z].

[本文工作得到2013北京工业大学教学研究立项（ER2013B07）的资助]