虚拟仿真实验中心建设的思考——以某学院信息科学与工程学院为例

黄雄华，李旻松

（韶关学院 信息科学与工程学院，广东 韶关512005）

虚拟仿真也称虚拟现实VR （Virtual Reality），是一种利用信息化技术，模拟客观的世界，模拟的内容可以是系统真实的运行情况，如电子线路运行模拟系统；也可以是构想中的世界，如股票模拟系统，手术模拟系统，用户通过视觉、听觉及触觉等多种传感通道与计算机系统进行交互，用于熟悉或者学习、预测那些难以重复产生或者成本高、风险大的事件。

一、建设意义

教育部2013年8月印发的《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）（以下简称“通知”）将建设虚拟仿真实验中心提升到教育部层面。根据申报文件，虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能；在涉及高危或极端的环境，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时，提供可靠、安全和经济的实验项目。

韶关学院是一个包含理工农医经文管音体美十大学科门类的地方性综合性本科院校。学科门类的多而全，决定了实验室建设资金的分散，实验设备利用率不高，是这类综合性高校的共性问题；通过虚拟仿真的方法，是提高实验设备利用率、解决资金不足问题的有效途径；同时，对一些实体实验难以完成的实验项目，也是一个有益的补充。开展虚拟仿真实验，对改善教学质量，提高水平，也是一个有力的手段。

开展虚拟仿真实验中心建设，是韶关学院2018-2020省市共建的重点建设项目，研究其建设思路、方法、路线，其意义不言而喻。VR技术涵盖了计算机技术、多媒体技术、传感与测量技术、人工智能等多种IT领域高新技术。在信息学院开展虚拟仿真试点，具有先天的学科优势。

二、建设思路

（一）解析文件，确保方向

根据通知，利用信息化技术，是虚拟仿真实验中心的重要技术特征；构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生可以在虚拟环境中开展实验，是虚拟仿真实验中心的内容；虚拟仿真实验是为本科教学而设计和实现的，要达到教学大纲所要求的教学效果［1］，这是虚拟仿真实验中心建设的目的。这三者构成了虚拟仿真实验教学中心的本质特征［2］。

因此，对信息类实验教学中心，虚拟仿真与服务器的数量、电脑的多少、网络的带宽等硬件条件是两个不同的概念，这不是“虚拟”的，而是“真实”的，要注意不能只注重这种硬条件的建设。第二、要与本科教学内容紧密联系，要切切实实地用于教学，不是用于科研，也不是用于宣传等商业活动或者其他目的，也就是说，通过仿真系统能实现人机交互，学生能学习知识，达到相应的教学目的。

（二）虚实结合，能实不虚

虚实结合，不能为了节省成本，一味地就虚避实，实体实验还是根本。有些学校，为了节省实验材料和仪器购置，将一些方便做实体实验的内容也虚拟化了。例如电路分析实验、数字电路实验等等。这些专业基础课程的实验，仪器设备价值不贵，一般本科院校财力都能承受，对初步涉及电子信息专业的学生，让其通过实体实验，增强其对电子元器件和电子仪器的感性认识，积累经验，有利于其后续课程的学习，如果这种基础性的内容也进行仿真实验，学生对相关知识缺乏基本的感性认识，会导致动手能力不足。

另一方面，现代的电子设计基本按自顶向下的方法，通过计算机软件进行设计，通过软件进行逻辑功能仿真和时序功能仿真，然后进行样品制作、加工、测试。这样，可以大幅度地缩短设计周期，降低设计成本，降低设计中的错误。因此，虚拟仿真技术也是当代大学生必须掌握的基本技能。所以，坚持实体实验和虚拟仿真两条腿走路，也是当前合格人才培养的需要。

实施虚实结合实验策略的另一个层面的含义是对便于硬件实现的实验项目，可以减少购置数量，节省经费，通过分组实验的办法完成实验，一部分同学在硬件平台上完成实验，另一部分通过软件仿真完成实验；然后，通过实验室开放的形式，交换实验环境，再次完成实验。这样，既可节省费用，也有利提高学生培养质量。

（三）实体不便，仿真代替

根据通知精神，虚拟实验项目一般替换那些实体实验完成困难或者不方便的实验项目，主要包括下面5种类型：

第一、实体实验难以完成的教学功能。例如观看逻辑信号的竞争冒险现象、信号合成中的吉布斯现象，实体实验只能看到结果，不能看到具体过程，仿真的方法可以让学生清晰地看到实现过程，对加深其理解，增强其感性认识，激发其探索自然规律的兴趣，是有帮助的。

第二、涉及高危或极端的环境，学生做实验危险系数太高的实验项目。例如高压、高危环境下的实验项目，让学生去做实体实验风险很高，通过虚拟仿真，增强学生对实验内容的了解、熟悉，降低其危险，是有必要的。

第三、不可及或不可逆的操作。例如计算机广域网中数据报传输时的路径选择实验，很难通过实体进行实验，通过虚拟仿真模拟数据报的传递路径，是理想的实验完成方式。

第四、高成本、高消耗的实验项目，实体实验难以承受其费用的实验。例如硬盘的数据恢复实验，需要暗室的条件，一次实验需要破坏几十块硬盘，消耗太大，成本太高，通过仿真的方法，让信息安全专业的学生了解、熟悉硬盘数据恢复技术，每一个学生都有实验的机会。

第五、大型或综合训练等情况。一些大型或者综合训练实验项目，在规定的时间内难以完成。例如，微波传输距离的测试实验，一般情况下两节实验课是难以完成的，通过计算机仿真的方法，只要修改参数即可观察到结果。计算机网络的广域网组网实验，实体实验的方式条件要求高、耗时长，通过仿真的方式，可以以极低的成本、少量的耗时完成实验。因此，虚拟仿真的方式是上述大型、综合实验项目的理想替代方式。

三、建设方法

根据韶关学院信息科学与工程学院实际，建议从如下方面进行建设：

（一）立足本院，服务全校。虚拟仿真，信息科学是基础，终端机、服务器（含云平台）、网络、带宽设计是硬件物质基础。信息科学与工程学院在规划和设计虚拟仿真平台的时候，不仅要考虑本学院虚拟仿真实验的需要，还要立足全校，让学校其他学院的虚拟实验项目也能借助学院的云平台、服务器开展，达到计算机硬件资源共享，充分利用本学院技术资源，节省建设经费。这对于办学经费相对紧张的地方本科院校来说，更显重要。

（二）实验内容，精心设计。虚拟仿真实验项目，一般是实体实验难以开展或者开展成本高、危险大、周期长的项目，同时要兼顾教学需要，围绕培养学生的目的来设计。当然，还要考虑到实验条件能满足实验的需要。要防止实验虚拟化的倾向。为了提高相关虚拟仿真软件的利用率，现有的硬件条件能完成的实验项目，仿真软件可以作为实验仪器不足的补充，安排学生进行仿真实验，也可作为开放实验项目，供学生课余学习使用，也可用作学生远程实验之用，缓解实验场地不足和实验室开放时间有限的问题。

（三）仿真软件，免费优先。受益于自由软件联盟，信息学科很多仿真软件是免费使用的，这些免费的软件，基本能满足大学本科教学仿真实验的需要，如Matlab,Multisim,AltiumDesigner等等。因此，对免费软件能完成的仿真实验项目，完全没有必要再花费资金去购置专用的仿真软件了。

（四）软件系统，兼顾开发。市面的软件，并非针对某一校的仿真中心而设计，难以完全满足虚拟仿真中心建设的需要。因此，为了全面达到虚拟仿真中心的建设目的和任务，一些软件需要自行开发。这也是国家级虚拟仿真中心评审时的一个重要指标。

（五）校校合作，资源共享。部分虚拟仿真实验项目，只有少数专业需要开设，例如硬盘数据恢复，一般只是信息安全专业学生需要掌握的技能技巧。但硬盘数据恢复实验室建设和实验成本都非常高，目前大概一个省市才有一个硬盘数据恢复中心，成都电子科技大学建成了该项目的虚拟仿真实验室，学校开设该课程，完全可以通过网络访问的形式，借用成都电子科技大学的虚拟仿真实验室进行实验，支付给该校一定的使用费即可。这样，不但节省了大量的实验室建设经费，也省去了人工和维护费用。

（六）虚拟平台，充分利用。虚拟仿真平台的建设，花费也不少，建成之后，如何有效利用，充分发挥其作用，还需要精心设计。例如一个实验项目可以分组进行，部分做虚拟仿真，部分做实体实验，然后交叉互换；可以把虚拟仿真作为开放实验室；也可以把虚拟仿真实验项目搞成远程访问实验内容；还可以把虚拟仿真实验室作为创新、创业、科研之用等等。

（七）打破常规，调配人员。虚拟仿真具有专业知识含量高，计算机应用水平要求高，尤其涉及到远程访问、访问控制、系统安全等很多前沿的高科技知识和内容，并且知识更新也快，对人的要求比较高。因此，实验人员的选择，要打破常规，需要具备仿真实验技术支持和指导的能力，需要设置特殊实验岗，把高学历、高职称和高能力的人才引入到虚拟仿真的岗位上来。

四、结束语

虚拟仿真实验是现代高等教育实验体系中重要组成部分，不同的学科、不同的专业，虚拟的实验内容、性质有较大的差异，如何合理地将虚拟技术、网络技术、实验室硬件资源统筹融合，结合高校的区域特色、专业特色，建设软、硬件互补的开放式专业虚拟实验平台，是各高校实验室建设的热点［3-4］，在建设过程中，需要在认真研究学科专业的基础上，开展虚拟仿真，达到提高教学效果的目的。