周耀勝

武漢工程大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 湖北武漢 430205

當(dāng)前正是我國深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,加快建設(shè)創(chuàng)新型國家的關(guān)鍵時(shí)期,需要大量高素質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。高校作為高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的主體,應(yīng)主動服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求,加快“四新”建設(shè),大力推進(jìn)新時(shí)代創(chuàng)新工程教育與實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè),形成具有中國特色的高水平工程教育體系。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的重要手段[1],目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后、課程設(shè)置不成體系、內(nèi)容設(shè)置陳舊、教學(xué)方式方法單一、學(xué)科交叉不夠等問題[2-4],使得學(xué)習(xí)主動創(chuàng)新的興趣和意愿不強(qiáng)烈、學(xué)習(xí)效果差、個(gè)性化發(fā)展不足。因此通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,使學(xué)生了解產(chǎn)品從設(shè)計(jì)研發(fā)到生產(chǎn)制造的全過程,對提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力大有益處。

隨著人工智能、AR/VR、云計(jì)算為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,為建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源提供了全新的手段,在“四新”建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。先進(jìn)制造相關(guān)學(xué)科群(涉及機(jī)械、電氣、電子、計(jì)算機(jī)、光電、控制等學(xué)科)緊貼工程生產(chǎn)實(shí)際,涉及面廣、交叉融合度深,相關(guān)學(xué)科深度融合的綜合性虛擬仿真教學(xué)資源越來越重要。為了進(jìn)一步將課程與現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,很有必要搭建一個(gè)多學(xué)科融合的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,使得學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際,培養(yǎng)其“雙創(chuàng)”意識,提高其“雙創(chuàng)”素養(yǎng)和能力。

1 建設(shè)意義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,不僅可以拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,通過信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)開放與共享,還可以延伸其使用的時(shí)間和空間,對改進(jìn)教學(xué)現(xiàn)狀具有重要意義。具體體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:

1.1 整合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本

傳統(tǒng)的機(jī)械制造類、電氣類等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備一般都比較龐大,具有占地面積大、安裝和后期維保相對比較煩瑣的缺點(diǎn),不同院系專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)場所一般比較分散。此外隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和相關(guān)教學(xué)內(nèi)容常常落后于市場上的最新技術(shù)。因此“光機(jī)電控類”多學(xué)科融合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,將校內(nèi)外優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源整合聚集到云端,師生可隨時(shí)訪問,可以有效降低教學(xué)成本。

1.2 彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)不足,防范教學(xué)安全事故

機(jī)械制造類、電氣類專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般價(jià)格昂貴,實(shí)驗(yàn)室常常存在設(shè)備不足,導(dǎo)致學(xué)生一般是分組或輪流操作實(shí)驗(yàn),學(xué)生的技能訓(xùn)練得不到充分鍛煉。很多實(shí)驗(yàn)課程涉及強(qiáng)電、高速旋轉(zhuǎn)等,實(shí)驗(yàn)中如果發(fā)生誤操作會對實(shí)驗(yàn)者的人身安全造成極大危害。因此采用VR/AR等現(xiàn)代信息技術(shù)開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程,可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,保障教學(xué)活動順利開展。

1.3 鼓勵學(xué)生自由探索,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

機(jī)械制造類、電氣類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備一般體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,部分工作場景也無法在學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,學(xué)生難以準(zhǔn)確掌握其結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系及工作原理,這使得教學(xué)效果大打折扣。利用虛擬仿真技術(shù)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,提供安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,讓學(xué)生獲得沉浸式的教學(xué)體驗(yàn)。學(xué)生還可以自由探索,這激發(fā)了學(xué)生參與度,通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備初探、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)復(fù)現(xiàn)其工程,實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)及效果。

1.4 完善平臺管理機(jī)制,服務(wù)“雙創(chuàng)”人才培養(yǎng)

根據(jù)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”原則[5],虛擬仿真教學(xué)資源平臺應(yīng)該實(shí)現(xiàn)校內(nèi)、校際、校企間開放共享,探索共建共管新模式,建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)支撐體系。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺資源可以讓學(xué)生自由探索,支持學(xué)生參加各類學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐,這對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力具有促進(jìn)作用。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 構(gòu)建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在教學(xué)大系統(tǒng)中,與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系相互補(bǔ)充,同樣需要遵循實(shí)驗(yàn)教學(xué)的客觀規(guī)律和基本準(zhǔn)則[6-8]。利用虛擬仿真技術(shù)對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容迭代升級,建設(shè)“三段漸進(jìn)式”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

面向“光機(jī)電控”等智能制造類相關(guān)專業(yè)的“三段漸進(jìn)式”的可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是指通過基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、多學(xué)科融合的虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模擬實(shí)驗(yàn),螺旋遞進(jìn)、逐級提高?；A(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)旨在檢驗(yàn)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握程度,綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)旨在強(qiáng)化學(xué)生學(xué)科專業(yè)知識技能的綜合使用,跨專業(yè)融合虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)旨在打破專業(yè)界限培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)以體驗(yàn)式教學(xué)方式開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育,全面提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)和能力。利用虛擬仿真技術(shù),將不同層次的實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目深度融合,形成教學(xué)體系。

“三段漸進(jìn)式”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有四個(gè)顯著特點(diǎn):

(1)理論與虛擬仿真相結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程相配套,使學(xué)生掌握理論知識后再進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn),加深對基礎(chǔ)理論的掌握。

(2)實(shí)體與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。對無法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的實(shí)體實(shí)驗(yàn),采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來完成。

(3)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐相結(jié)合。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)了解生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),校外實(shí)踐進(jìn)一步加強(qiáng)對理論和知識的掌握。

(4)虛擬仿真與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結(jié)合。學(xué)生自由探索,通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺開展創(chuàng)新研究,滿足轉(zhuǎn)化條件的可將項(xiàng)目進(jìn)一步向創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目方向轉(zhuǎn)化。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基礎(chǔ)上,整合校內(nèi)外相關(guān)教學(xué)資源,加上科學(xué)合理的管理,構(gòu)建多功能、全面開放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺,這個(gè)平臺核心由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)組成,可以在時(shí)間、空間和資源三個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)最大程度的共享。其中多學(xué)科融合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺包括智能制造類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺、自動控制類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺、計(jì)算機(jī)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

2.2.1 智能制造類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

智能制造類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺有兩種。(1)以強(qiáng)化專業(yè)基礎(chǔ)能力為主的實(shí)踐平臺,包括以制造基礎(chǔ)為主的基礎(chǔ)課程,主要是讓學(xué)生掌握機(jī)械制造的基礎(chǔ)理論和工藝流程,培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。以綜合能力培養(yǎng)為主的實(shí)踐平臺,包括基于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),能夠使學(xué)生體驗(yàn)企業(yè)生產(chǎn)工藝流程的教學(xué)內(nèi)容。(2)以培養(yǎng)學(xué)習(xí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為主的綜合平臺,由學(xué)生團(tuán)隊(duì)完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練。

2.2.2 自動控制類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

自動控制類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺包括電工電子基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)平臺、電氣控制綜合型實(shí)驗(yàn)平臺以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型平臺。電工電子基礎(chǔ)理論課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn),通過虛擬范真實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生對基礎(chǔ)理論和知識的認(rèn)知和理解。專業(yè)綜合應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以進(jìn)行模塊化組合,供學(xué)生完成課程綜合設(shè)計(jì),加強(qiáng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力。基于工程項(xiàng)目的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐層,促進(jìn)優(yōu)秀科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,成熟的轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。

2.2.3 計(jì)算機(jī)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺、計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺和計(jì)算機(jī)綜合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺主要涉及計(jì)算機(jī)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,如大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ),通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以進(jìn)一步加深對基礎(chǔ)課程的理解。計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺主要涉及計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程,如網(wǎng)絡(luò)空間安全,通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以夯實(shí)專業(yè)技能。計(jì)算機(jī)綜合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺主要包括基于百度云人工智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺,學(xué)生通過平臺可開展各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐。

3 管理與運(yùn)行機(jī)制

目前大多數(shù)高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)主要是在相關(guān)智能部門的指導(dǎo)下,各個(gè)二級學(xué)院根據(jù)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)需要來規(guī)劃,各個(gè)學(xué)院以項(xiàng)目為單位分頭建設(shè),這導(dǎo)致各項(xiàng)目軟硬件、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、項(xiàng)目評價(jià)、共享服務(wù)等方面存在割裂,影響了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的未來發(fā)展[9]。部分項(xiàng)目前期建設(shè)投入成本高,后期維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致項(xiàng)目停擺。部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺由于技術(shù)支撐、服務(wù)器容量、平臺穩(wěn)定性等原因,校內(nèi)外共享程度較低,平臺利用率不高[10]。此外有些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目資源維護(hù)和防護(hù)不及時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊和中毒等問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及資源共建共享對于加強(qiáng)中心建設(shè)、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義[11-12]。因此建設(shè)開放共享式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及共享平臺,打造成將校內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)儀器等教學(xué)資源的擴(kuò)展性、兼容性、集成性融為一體的大型實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺,滿足跨地域、跨校、跨學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求很有必要。

3.1 平臺管理模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)行校院兩級管理和中心主任負(fù)責(zé)制度。學(xué)校對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平添的建設(shè)、發(fā)展、規(guī)劃、人事制度、財(cái)務(wù)制度等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃管理。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺具有以下功能:

(1)綜合管理:實(shí)現(xiàn)信息展示、登錄、信息交互等功能。

(2)教學(xué)管理:實(shí)驗(yàn)課程管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)過程管理監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)結(jié)果上報(bào)等。

(3)實(shí)驗(yàn)室開放預(yù)約管理:校際預(yù)約管理、校內(nèi)預(yù)約管理、學(xué)院預(yù)約管理三級開放預(yù)約機(jī)制。

(4)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析:開課統(tǒng)計(jì)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、教學(xué)成果統(tǒng)計(jì)、教學(xué)結(jié)果統(tǒng)計(jì)等。

3.2 開放共享模式

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺納入學(xué)校綜合門戶信息平臺進(jìn)行管理和共享,可服務(wù)于校內(nèi)多個(gè)學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程,利用信息化技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)開放,校內(nèi)外師生可隨時(shí)隨地訪問,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)、校際、校企共建共享。

(1)校內(nèi)共享:學(xué)生可通過平臺在校園網(wǎng)內(nèi)隨時(shí)預(yù)約實(shí)驗(yàn)課程,進(jìn)行在線學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)、線上實(shí)驗(yàn),以及下載實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行自由探索,教師可24小時(shí)查看學(xué)生預(yù)約情況,在線指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn),批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告,將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫等,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)開放共享。

(2)校際共享:通過虛擬服務(wù)器及信息技術(shù),可提供預(yù)約接口,兄弟高?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)提出預(yù)約申請,平臺管理員將視內(nèi)部時(shí)間予以安排,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外全面共建共享。同時(shí)各個(gè)高?？梢詫⒏髯砸呀ㄔO(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程資源嫁接到對方學(xué)校,實(shí)現(xiàn)校際的廣泛交流。

(3)校企共享:虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的相關(guān)資源也可為企業(yè)的工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)提供服務(wù),企業(yè)的橫向合作項(xiàng)目也可通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心給學(xué)生提供實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的機(jī)會,形成產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人合作,達(dá)到校企共享。此外可以成為雙方培訓(xùn)員工的重要基地。

結(jié)語

建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目及資源對提高學(xué)生動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力具有重要作用。隨著國家建設(shè)教育強(qiáng)國對高質(zhì)量創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的迫切要求,探索基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的跨學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是高校實(shí)踐教學(xué)面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文分析了目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的現(xiàn)狀及存在的問題,按照教育部對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的要求,提出基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的多學(xué)科深度交叉融合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)方案和思路,更新理念、做好頂層設(shè)計(jì)、改變管理模式,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)、校際、校企之間的共建共享。該方案可實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的提高。