东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展

吴 涓，孙岳民，雷 威，徐春宏，秦艺洢，宋爱国

(1. 东南大学 教务处，江苏 南京 210096； 东南大学 设备处，江苏 南京 210096； 3. 东南大学 仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096)

1 虚拟仿真实验教学概述

实验教学是大学生专业知识获取和技能培养不可缺少的环节。而在学生理论知识学习和实践能力培养过程中，往往有一些实验与实践环节是在真实环境下难以复现、观察或者成本较高实施难度较大的[1]。为使学生对专业理论与知识有亲身的体验和直观感受，有必要借助虚拟仿真技术，利用数字化、多媒体、网络化软硬件技术，精确模拟真实物理环境和作业任务，让学生在虚拟仿真实验平台下，完成真实环境难以实现的认知和实践过程，从而提高学生对知识的深入理解和综合运用程度[2]。

在国外，虚拟仿真实验教学最早起源于工科类院校基础课程教学，如麻省理工学院的微电子在线实验室、美国北卡罗来纳大学外科手术仿真实验室、美国休斯顿大学的虚拟物理实验室、乔治梅森大学的动态流体虚拟仿真实验系统等[3-5]。虚拟仿真实验教学由于其生动直观性、经济性、精确性以及安全性，在不同专业教学以及能力训练环节中得以广泛应用[6]。

东南大学作为以工科见长的综合性研究型大学，长期以来重视学生专业理论基础的实践能力培养，建成在全国具有影响力和示范效应的国家级实验教学示范中心7个。机电类专业在全校70多个本科专业中占有重要地位。东南大学依托国家级实验教学示范中心“机电综合工程训练中心”以及10多个机电类专业的学科科研优势，构建了面向全校机电类专业的立体化、多层次的虚拟实验平台，建成了国家级机电综合虚拟实验教学中心(下称中心)，启动了一批贯穿基础理论教学、专业技术仿真实验教学以及工程项目设计仿真类的教学实验课程40多门和综合实践项目200多项。中心的实验实践平台涵盖机械、电子、信息，自动化等专业领域，形成了分层次、模块化的虚拟仿真与训练课程体系，实现了学校资源的优化配置与开放共享，有利于科研成果向教学资源的转化，为高水平本科生培养和创新能力塑造打下了坚实基础。为此，学校以统筹规划、突出重点、强调资源共享、提高实效为原则，进行了总体布局和规划。

2 目标与总体规划

2.1 改善传统教学模式，实现理论与实验教学的有效衔接与互补

在很多专业课程的理论教学中，存在一些普遍性问题，如：理论知识高度概括抽象，难以理解或者所涉及的原理在现实世界难以直观展示；有一类专业课程的理论部分体系缜密、知识点多、关系脉络复杂，缺乏对知识体系整体的构建能力，学生学习容易陷入“林深不知处”的境地；还有另一类课程理论教学要构建物理演示系统成本高、操作困难，缺乏让学生动手实践的条件[7]。为解决传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾，拓展实验教学的深度和广度、提高实验教学实效，实现理论与实践教学的密切结合，同时也尽可能减少实验成本和潜在的危险，在课堂基础理论教学上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通讯平台，构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿真实验教学平台, 是专业实验教学的有益补充和创新[8]。

2.2 掌握专业仿真手段和数字化设计方法，满足专业技能培养要求

机电专业技术领域内，专业设计与仿真技术的应用已经成为该专业能力培养不可缺少的环节。专业仿真软件精度高、人机交互界面友好，仿真直观性好。需要让学生掌握专业设计仿真软件及虚拟仿真技术，从而完成对专业能力培养要求。为此，在机电类专业教学中很重要的一环是让学生掌握专业设计仿真软件的使用方法，利用仿真设计软件优化设计，在虚拟仿真环境中完成专业设计、参数整定、功能分析等任务。

2.3 提升综合设计与应用能力，实现工程化和创新能力的发展

机电专业的一些高年级课程设计和综合工程实验项目，往往存在实验周期长、成本高、过程复杂、危险性大、环境要求苛刻等问题。这些难以在真实环境下开展的项目，需要借助虚实结合的工程仿真平台，让学生完成复杂系统训练，提高专业技能和实践能力。

中心主要面向机电类工程专业，构建基础课程的理论可视化与模拟、专业课程设计与仿真、综合设计与创新开发类项目3个层次虚拟仿真实验平台(见图1)，给学生提供理论认知与动手实践的实验环境，全面提高实验效果，开阔学生的思维和视野，培养创新能力。在中心设立和建设中体现了“两纵”“两横”的建设框架(见图2)。

图1 东南大学虚拟仿真实验教学中心架构

3 实施思路与特点

3.1 “一横”，体现全校统一布局、机电类专业横向联合

横向联合的内容突出多学科交叉、优势虚拟仿真教学资源全校共享、互相支撑互补的特点。第一层次的基础理论课程的虚拟仿真教学包含物理、计算机原理、信号与系统、电工电子、自动控制等课程，为全校机电类14个专业一二年级学生共享，通过可视化直观的虚拟仿真实验，加深学生对基础理论知识的理解；第二层次的虚拟仿真课程与实验分为EDA模块、机械CAD/CAM模块，测量与控制3个模块，涵盖电子信息、机械设计、系统设计类的20多门专业教学，各专业可根据本专业人才培养的要求，进行模块化选择组合，课程实验发挥辅助设计与分析验证等功能，弥补专业实物实验不足；第三层次的虚实结合、多人协作的综合虚拟仿真项目结合综合课程设计、毕业设计和课外研学竞赛的需要，实现机电专业知识的综合应用、工程创新的人才培养要求。

图2 东南大学虚拟仿真实验教学体系

3.2 “二横”，构建贯穿大学四年，虚拟仿真教学与实践持续不间断

实验体系连贯性强，可以扩宽学生的专业视野。这些教学和实践项目让“课堂成为实验室”、“课外成为工厂车间”，对工科专业类学生加深学科知识理解，亲自操作完成复杂性高、专业性强、危险性大的专业设计与工程设计技能提供了直观、数字化、沉浸感的训练平台[9]。

以测控技术与仪器专业为例，其含虚拟仿真类的实践教学实践活动见图3。

图3 四年持续不间断虚拟仿真教学与实践活动示意图

作为机电一体化专业，在一年级所涉及的基础课程“物理实验”、“计算机组成原理”，二年级涉及的“机械制造与CAD”、“信号与系统”、“电工电子专业”平台课程，三年级需掌握的“自动控制原理”、“电机学”、“虚拟仪器技术”，四年级要选修的“机器人创新课程”、“虚拟现实技术”、“机电一体化”、毕业设计等项目，均能够从虚拟仿真平台上找到相应的模块。此外，学生的课外研学项目以及竞赛也可以依托中心所拥有的虚拟仪器测控平台进行[10]。依托虚拟仿真教学，形成从理论到实践到创新设计，跨专业综合工程训练的学习模式。

3.3 “一纵”，培养目标层递进式推进

从公共基础课程到专业课程到综合实践与创新课程，培养目标层递进式推进实现，见图4。在基础理论课程授课中，利用虚拟现实技术和仿真手段实现原理和技术的直观呈现，提高专业授课直观性和新颖性；在专业课程及实践中，虚拟仿真教学充分利用各类先进的仿真和开发平台，体现虚拟仿真的高精度、高效率的特点；在综合设计和创新平台方面，利用虚拟仿真平台，开发综合性强、创新性强、复杂度高的实验项目和创新比赛，为学生研究能力和创新能力培养提供了良好平台。实现学生应用、工程实践到研究创新能力的渐进培养过程。

图4 虚拟仿真教学进阶式目标实现示意图

3.4 “二纵”，科研成果向教学内容转化

依托专业技术企业，重点实验室以及本科教学实验室，实现科研成果向教学内容转化，构建高新技术实验教学平台，见图5。

图5 中心技术平台支撑关系示意图

中心依靠江苏省智能电网技术与装备重点实验室、“火电机组振动国家工程研究中心”、“江苏省远程测控技术重点实验室”、“复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室”教师团队的科研项目转化形成的向大型火电厂仿真培训系统、智能电网运行分析仿真系统、基于虚拟仪器的远程测控系统、“多工业机器人的协作控制仿真”等虚实结合的综合工程训练设计项目，将设计、虚拟和仿真融于一体，让学生能够基于虚拟实验平台完成设计、验证、操作、测量、控制等综合实验实践环节，实现了教学与科研的有机结合，为高端人才的培养提供了重要支撑[11-12]。近5年来，中心成为学生课外研学、科技创新的重要基地。结合虚拟仿真技术指导学生参加国际机器人Robocup、全国大学生挑战杯、全国电子设计大赛等国家级比赛中获奖100多项。中心既是机电实验教学和综合工程训练的基地，也是实现虚拟仿真技术在教学和对外技术服务方面应用和成果转化平台。中心开发的具有独立知识产权的综合虚拟仿真系统服务于高校学生培养和企业专业人才培训，高校中包括浙江大学、南京工业大学、南京师范大学、郑州大学等高校，企业中有江苏省徐塘发电有限公司、山西安平发电有限公司、福建福州发电有限公司等20多个企业，发挥了良好的示范辐射作用。

4 进展与小结

中心的教学资源和平台进一步建设已经在分步实施中。2014年学校购置了包括Matlab、Ansys、Mutisium等在内的大型专业仿真与设计软件，并依托学校云平台，实现了专业软件的共享与管理；与此同时，学校进一步规范和加强中心的课程资源建设，根据专业课程理论与实践教学的要求，2014年立项支持50个虚拟仿真实验项目的建设，并配套启动信息化、网络化管理软硬件平台的建设。2015年将进一步实现虚拟仿真教学与实验资源的整合、优化和虚拟仿真教学实践活动的开展。计划通过3年的建设，将东南大学机电虚拟仿真实验教学中心建设成为高水平、有辐射度和示范性的综合虚拟仿真实验教学中心，为高层次人才培养充分发挥作用。

[1] 王金岗. 工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J]. 职教论坛，2013(17)：26-29.

[2] 恽如伟. 虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计[D]. 南京：南京师范大学，2005.

[3] 王金岗. 工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J]. 职教论坛，2013(17)：26-29.

[4] 韩芝侠，魏辽博，韩宏博，等. 仿真虚拟实验教学的研究与实践[J]. 实验技术与管理，2006，23(5):63-65.

[5] 许秀云，张玉梁. 依托现代信息技术提高实验教学质量[J]. 实验室研究与探索，2011，30(5):130-132.

[6] 王桂忠. 基于LabVIEW的虚拟仿真实验平台的设计[D].青岛：中国海洋大学，2009.

[7] 程思宁,耿强,姜文波,等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理,2013,30(7):94-97.

[8] 杜一宁.虚拟试验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,2010(4):390-393.

[9] 李平,李晶杰,徐进.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.

[10] 赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学信息科学,2009,39(1):2-46.

[11] 许秀云,张玉梁.依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索,2011,30(5):130-132.

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