浅谈国内高校虚拟仿真实验中心建设及仿真实验教学——以电气、自动化专业为例

滨州学院电气工程学院 孙佃升

本文对国内高校电气、自动化专业进行国家级虚拟仿真实验中心建设的情况进行了介绍，并论述了电气、自动化专业开展虚拟仿真实验教学的重要性和优势，最后对虚拟仿真实验教学过程执行中的若干问题进行了探讨。

0 引言

随着计算机科学的发展和信息时代的来临，高等教育中的实验课程的教学模式正发生着深刻的变革。虚拟仿真实验教学是现代信息技术与教育教学深度融合的产物，是高等教育信息化建设、高校实验室建设与实验教学改革的重要内容。国内很多高校都陆续建设了虚拟仿真实验中心，将部分专业的部分实验课程采用虚拟仿真的形式进行实验教学。本文结合电气、自动化专业虚拟仿真实验教学的探索和实践，谈一谈在虚拟仿真教学、虚拟仿真实验室建设中的相关启示。

1 开展虚拟仿真实验教学和仿真实验中心建设的重要意义

从目前高等教育的发展趋势看，虚拟仿真实验教学是信息技术推动传统实验教学形式变革和发展的必然结果，是信息时代的产物。从这个意义上说，虚拟仿真实验教学的广泛应用是大势所趋。正像教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验中心建设工作的通知》（中华人民共和国教育部.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].2013,8）、《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（中华人民共和国教育部.关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知(教高司函[2017]4号)[Z].2017,7）中所述的“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”；“虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措”。因此，开展虚拟仿真实验教学既是适应时代发展的需要，也是深化教学改革提升办学质量的需要。

2 国内电气、自动化专业国家级虚拟仿真实验中心建设情况

教育部非常重视虚拟仿真实验教学研究和虚拟仿真实验中心建设。自2013年起教育部办公厅连续三年下达《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，连续三年每年批准建设100个国家级虚拟仿真实验中心。目前，在已经建设的300的国家级虚拟仿真实验中心中，电气、自动化专业的主要有如下几个：清华大学的自动化系统虚拟仿真实验中心、天津大学电气工程与自动化虚拟仿真实验中心、南京理工大学电气工程及自动化虚拟仿真实验中心、湖南科技大学信息与电气技术虚拟仿真实验中心、东北电力大学电力工业生产过程虚拟仿真实验中心、三峡大学电气工程虚拟仿真实验教学中心、西南交通大学轨道交通电气化与自动化虚拟仿真实验教学中心、国防科技大学机电工程与自动化虚拟仿真实验教学中心、东北电力大学电力工业全过程仿真实验教学中心、重庆大学能源与动力电气虚拟仿真实验教学中心、长沙理工大学电力生产与控制虚拟仿真实验教学中心。

2017年7月，教育部办公厅下达了《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》。要求于2017-2020年在普通本科院校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，统筹规划到2020年认定约1000项示范性虚拟仿真实验教学项目。采取先建设应用、后评价认定、持续监测评估的方式，分年度认定。在提出的《2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》[2]中规定了各类虚拟仿真实验教学项目的数量以及分年度建设规划。电气类规划数量为20个，2019年和2020年各规划建设10个。自动化类规划数量为10个，2020年建成。2018年6月教育部公布了首批国家级虚拟仿真实验教学项目名单，该名单共有105个项目。要求中央部委所属高校要将国家虚拟仿真实验教学项目纳入“十三五”期间中央高校教育教学改革专项的重要内容，予以重点支持。公布的105个项目中，其中生物学类15项，机械类14项，电子信息类14项，化工与制药12项，交通运输类7项，核工程类8项，临床医学类25项，药学类10项。值得注意的是，本次立项的105个项目，绝大多数并非来自于2013年至2015年建成的300个国家级虚拟仿真实验中心，以山东省为例，有山东科技大学的煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验，烟台大学的焊接工业机器人虚拟仿真实验教学项目，济南大学的氨噻肟酸新工艺仿真-实训综合实验，滨州医学院的临床基本技能虚拟仿真教学系统，山东大学的乙型肝炎病毒感染的分子诊断，山东中医药大学的基于VR技术的GMP药厂中药制剂虚拟仿真实训课程系列模块之中药颗粒剂的制备6个项目入围。

3 电气、自动化专业虚拟仿真实验教学的优势

电气、自动化专业开展虚拟仿真实验教学具独特的优势。

首先，虚拟仿真实验更能保障实验者的人身安全和实验设备的安全。电气、自动化专业的很多实验课程涉及到强电、高速旋转等，对实验者有潜在的风险。此外，电气、自动化类实验设备多数为系统级的设备，涉及到强电、弱电，相对复杂，实验出现设备损坏的几率较高，尤其是使用多年的实验设备，普遍存在元器件老化等问题时。同时，实验中的误操作也加大了设备损坏的几率。虚拟仿真实验很好的解决了这一问题，学生实验室可不必担心操作出错带来的上述问题。

其次，虚拟仿真实验使学生能够更加清楚地了解实验系统的结构、工作原理，修改实验参数快捷方便。目前，市场采购的电气、自动化类实验设备，为保障做实验的学生的人身安全，大都将部件包装在实验台内部，呈现在实验者面前的仅仅是用于接线的面板以及画在面板上的元件或者部件符号。因而，此类实验设备的实验项目较为固定，且不能变更预先选定的实验参数。虚拟仿真实验时却可以在计算机仿真软件上清楚地看到每一部分的电路连接，并尝试进行修改。实验参数可随意进行修改，不存在实物实验参数修改受硬件制约或者参数超出设定范围带来设备损坏等问题。

再次，虚拟仿真实验拓宽了实验项目的范围，能够做一些涉及高危环境、不可逆或不可及的操作，以及高消耗、高成本，以及一些系统过于复杂的实验项目。某些专业课程的实验难以在有限的实验室封闭空间内通过实物进行实验，比如电力生产过程（周洪,刘超,何珊,等.电力生产过程虚拟仿真实验教学中心建设与实践.实验技术与管理[J],2014.8,31(8):1-8），很难通过实际的高压电力线路和设备进行实验，既是是采用低压实物替代来进行演示模拟，也仅能达到实验特性的近似，与实际特性仍然存在很大的差别。此外，有些实验是针对系统故障状态下的反应或者故障状态下的运行以及研究系统容错的，这类实验如果采用实物进行，存在较大风险，即使顺利进行，往往也会有高消耗、高成本的问题。而虚拟仿真实验不存在这些问题。

最后，虚拟仿真实验教学在发挥产学研合作方面具有更大的优势。虚拟仿真实验不像实物实验一样受制于设备的硬软件条件，可以方便灵活的调整仿真实现的功能、开发新的实验项目，教师可以更方便地将科研成果向教学转化。这对促进实验教学改革，提升与生产实际和科研密切相关的综合性、设计性实验的比例，提高专业人才培养与实际需求的适切度，提升教师的科研和实践教学水平都有很大促进作用。

4 虚拟仿真实验教学过程执行的若干问题

虚拟仿真实验教学对教学材料和教学过程提出了更高要求，尤其是教学过程的执行情况直接影响仿真实验教学质量。

首先，虚拟仿真实验教学对学生使用的实验指导教材提出了更高的要求。电气、自动化类专业的虚拟仿真实验所针对的实验对象往往是复杂的系统，一本好的实验指导教材可以指导学生在正式实验课之前做好相关知识的自学和实验的预习。此外，还可以发挥网络化教学模式的优势，让学生在课前进行远程实验试做。

其次，采用虚拟仿真实验教学，教师应更加重视教学过程的执行。仿真实验可实现一人一组单独进行，带来了学生之间如何进行问题讨论与协作的问题。教师应该引导学生组成小组讨论实验进行中遇到的问题。此外，教学中可合理应用广播教学软件进行实验演示及实验过程监控。

最后，对某一门实验课程来说，应做好仿真实验与实物实验的结合。仿真实验不能完全替代实物实验，二者有机结合发挥各自的优势能达到满意的教学效果。

5 总结

以电气、自动化专业为例论述了虚拟仿真实验教学的优势以及开展虚拟仿真实验教学的必要性，并介绍了目前国内高校国家级虚拟仿真实验中心的建设情况。最后，对虚拟仿真实验教学过程执行中的若干问题进行了探讨。