濱州學(xué)院電氣工程學(xué)院 孫佃升

本文對國內(nèi)高校電氣、自動化專業(yè)進行國家級虛擬仿真實驗中心建設(shè)的情況進行了介紹，并論述了電氣、自動化專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)的重要性和優(yōu)勢，最后對虛擬仿真實驗教學(xué)過程執(zhí)行中的若干問題進行了探討。

0 引言

隨著計算機科學(xué)的發(fā)展和信息時代的來臨，高等教育中的實驗課程的教學(xué)模式正發(fā)生著深刻的變革。虛擬仿真實驗教學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，是高等教育信息化建設(shè)、高校實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革的重要內(nèi)容。國內(nèi)很多高校都陸續(xù)建設(shè)了虛擬仿真實驗中心，將部分專業(yè)的部分實驗課程采用虛擬仿真的形式進行實驗教學(xué)。本文結(jié)合電氣、自動化專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的探索和實踐，談一談在虛擬仿真教學(xué)、虛擬仿真實驗室建設(shè)中的相關(guān)啟示。

1 開展虛擬仿真實驗教學(xué)和仿真實驗中心建設(shè)的重要意義

從目前高等教育的發(fā)展趨勢看，虛擬仿真實驗教學(xué)是信息技術(shù)推動傳統(tǒng)實驗教學(xué)形式變革和發(fā)展的必然結(jié)果，是信息時代的產(chǎn)物。從這個意義上說，虛擬仿真實驗教學(xué)的廣泛應(yīng)用是大勢所趨。正像教育部《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗中心建設(shè)工作的通知》（中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函[2013]94號)[Z].2013,8）、《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》（中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知(教高司函[2017]4號)[Z].2017,7）中所述的“虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”；“虛擬仿真實驗教學(xué)項目是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措”。因此，開展虛擬仿真實驗教學(xué)既是適應(yīng)時代發(fā)展的需要，也是深化教學(xué)改革提升辦學(xué)質(zhì)量的需要。

2 國內(nèi)電氣、自動化專業(yè)國家級虛擬仿真實驗中心建設(shè)情況

教育部非常重視虛擬仿真實驗教學(xué)研究和虛擬仿真實驗中心建設(shè)。自2013年起教育部辦公廳連續(xù)三年下達(dá)《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，連續(xù)三年每年批準(zhǔn)建設(shè)100個國家級虛擬仿真實驗中心。目前，在已經(jīng)建設(shè)的300的國家級虛擬仿真實驗中心中，電氣、自動化專業(yè)的主要有如下幾個：清華大學(xué)的自動化系統(tǒng)虛擬仿真實驗中心、天津大學(xué)電氣工程與自動化虛擬仿真實驗中心、南京理工大學(xué)電氣工程及自動化虛擬仿真實驗中心、湖南科技大學(xué)信息與電氣技術(shù)虛擬仿真實驗中心、東北電力大學(xué)電力工業(yè)生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗中心、三峽大學(xué)電氣工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心、西南交通大學(xué)軌道交通電氣化與自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心、國防科技大學(xué)機電工程與自動化虛擬仿真實驗教學(xué)中心、東北電力大學(xué)電力工業(yè)全過程仿真實驗教學(xué)中心、重慶大學(xué)能源與動力電氣虛擬仿真實驗教學(xué)中心、長沙理工大學(xué)電力生產(chǎn)與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

2017年7月，教育部辦公廳下達(dá)了《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》。要求于2017-2020年在普通本科院校開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認(rèn)定約1000項示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目。采取先建設(shè)應(yīng)用、后評價認(rèn)定、持續(xù)監(jiān)測評估的方式，分年度認(rèn)定。在提出的《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)規(guī)劃》[2]中規(guī)定了各類虛擬仿真實驗教學(xué)項目的數(shù)量以及分年度建設(shè)規(guī)劃。電氣類規(guī)劃數(shù)量為20個，2019年和2020年各規(guī)劃建設(shè)10個。自動化類規(guī)劃數(shù)量為10個，2020年建成。2018年6月教育部公布了首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目名單，該名單共有105個項目。要求中央部委所屬高校要將國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目納入“十三五”期間中央高校教育教學(xué)改革專項的重要內(nèi)容，予以重點支持。公布的105個項目中，其中生物學(xué)類15項，機械類14項，電子信息類14項，化工與制藥12項，交通運輸類7項，核工程類8項，臨床醫(yī)學(xué)類25項，藥學(xué)類10項。值得注意的是，本次立項的105個項目，絕大多數(shù)并非來自于2013年至2015年建成的300個國家級虛擬仿真實驗中心，以山東省為例，有山東科技大學(xué)的煤礦工作面采煤機虛擬仿真實驗，煙臺大學(xué)的焊接工業(yè)機器人虛擬仿真實驗教學(xué)項目，濟南大學(xué)的氨噻肟酸新工藝仿真-實訓(xùn)綜合實驗，濱州醫(yī)學(xué)院的臨床基本技能虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，山東大學(xué)的乙型肝炎病毒感染的分子診斷，山東中醫(yī)藥大學(xué)的基于VR技術(shù)的GMP藥廠中藥制劑虛擬仿真實訓(xùn)課程系列模塊之中藥顆粒劑的制備6個項目入圍。

3 電氣、自動化專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢

電氣、自動化專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)具獨特的優(yōu)勢。

首先，虛擬仿真實驗更能保障實驗者的人身安全和實驗設(shè)備的安全。電氣、自動化專業(yè)的很多實驗課程涉及到強電、高速旋轉(zhuǎn)等，對實驗者有潛在的風(fēng)險。此外，電氣、自動化類實驗設(shè)備多數(shù)為系統(tǒng)級的設(shè)備，涉及到強電、弱電，相對復(fù)雜，實驗出現(xiàn)設(shè)備損壞的幾率較高，尤其是使用多年的實驗設(shè)備，普遍存在元器件老化等問題時。同時，實驗中的誤操作也加大了設(shè)備損壞的幾率。虛擬仿真實驗很好的解決了這一問題，學(xué)生實驗室可不必?fù)?dān)心操作出錯帶來的上述問題。

其次，虛擬仿真實驗使學(xué)生能夠更加清楚地了解實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，修改實驗參數(shù)快捷方便。目前，市場采購的電氣、自動化類實驗設(shè)備，為保障做實驗的學(xué)生的人身安全，大都將部件包裝在實驗臺內(nèi)部，呈現(xiàn)在實驗者面前的僅僅是用于接線的面板以及畫在面板上的元件或者部件符號。因而，此類實驗設(shè)備的實驗項目較為固定，且不能變更預(yù)先選定的實驗參數(shù)。虛擬仿真實驗時卻可以在計算機仿真軟件上清楚地看到每一部分的電路連接，并嘗試進行修改。實驗參數(shù)可隨意進行修改，不存在實物實驗參數(shù)修改受硬件制約或者參數(shù)超出設(shè)定范圍帶來設(shè)備損壞等問題。

再次，虛擬仿真實驗拓寬了實驗項目的范圍，能夠做一些涉及高危環(huán)境、不可逆或不可及的操作，以及高消耗、高成本，以及一些系統(tǒng)過于復(fù)雜的實驗項目。某些專業(yè)課程的實驗難以在有限的實驗室封閉空間內(nèi)通過實物進行實驗，比如電力生產(chǎn)過程（周洪,劉超,何珊,等.電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐.實驗技術(shù)與管理[J],2014.8,31(8):1-8），很難通過實際的高壓電力線路和設(shè)備進行實驗，既是是采用低壓實物替代來進行演示模擬，也僅能達(dá)到實驗特性的近似，與實際特性仍然存在很大的差別。此外，有些實驗是針對系統(tǒng)故障狀態(tài)下的反應(yīng)或者故障狀態(tài)下的運行以及研究系統(tǒng)容錯的，這類實驗如果采用實物進行，存在較大風(fēng)險，即使順利進行，往往也會有高消耗、高成本的問題。而虛擬仿真實驗不存在這些問題。

最后，虛擬仿真實驗教學(xué)在發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研合作方面具有更大的優(yōu)勢。虛擬仿真實驗不像實物實驗一樣受制于設(shè)備的硬軟件條件，可以方便靈活的調(diào)整仿真實現(xiàn)的功能、開發(fā)新的實驗項目，教師可以更方便地將科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化。這對促進實驗教學(xué)改革，提升與生產(chǎn)實際和科研密切相關(guān)的綜合性、設(shè)計性實驗的比例，提高專業(yè)人才培養(yǎng)與實際需求的適切度，提升教師的科研和實踐教學(xué)水平都有很大促進作用。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)過程執(zhí)行的若干問題

虛擬仿真實驗教學(xué)對教學(xué)材料和教學(xué)過程提出了更高要求，尤其是教學(xué)過程的執(zhí)行情況直接影響仿真實驗教學(xué)質(zhì)量。

首先，虛擬仿真實驗教學(xué)對學(xué)生使用的實驗指導(dǎo)教材提出了更高的要求。電氣、自動化類專業(yè)的虛擬仿真實驗所針對的實驗對象往往是復(fù)雜的系統(tǒng)，一本好的實驗指導(dǎo)教材可以指導(dǎo)學(xué)生在正式實驗課之前做好相關(guān)知識的自學(xué)和實驗的預(yù)習(xí)。此外，還可以發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式的優(yōu)勢，讓學(xué)生在課前進行遠(yuǎn)程實驗試做。

其次，采用虛擬仿真實驗教學(xué)，教師應(yīng)更加重視教學(xué)過程的執(zhí)行。仿真實驗可實現(xiàn)一人一組單獨進行，帶來了學(xué)生之間如何進行問題討論與協(xié)作的問題。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生組成小組討論實驗進行中遇到的問題。此外，教學(xué)中可合理應(yīng)用廣播教學(xué)軟件進行實驗演示及實驗過程監(jiān)控。

最后，對某一門實驗課程來說，應(yīng)做好仿真實驗與實物實驗的結(jié)合。仿真實驗不能完全替代實物實驗，二者有機結(jié)合發(fā)揮各自的優(yōu)勢能達(dá)到滿意的教學(xué)效果。

5 總結(jié)

以電氣、自動化專業(yè)為例論述了虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢以及開展虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性，并介紹了目前國內(nèi)高校國家級虛擬仿真實驗中心的建設(shè)情況。最后，對虛擬仿真實驗教學(xué)過程執(zhí)行中的若干問題進行了探討。