面向新工科的跨专业建设工程教育虚拟仿真实验教学中心

段新昱 陈卫军 姜 品 杨 坤

安阳师范学院软件学院 河南安阳 455000

1 虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

虚拟仿真综合集成了多媒体、电子、网络、人机交互、人工智能等诸多高新技术，可对各类复杂、不可及或不可逆的现实工程项目进行抽象和简化，进而形成系统模型；再通过软件设计建立仿真模型，从而实现数值仿真、可视化仿真或增强现实仿真，支持真实感场景动态模拟和沉浸。通过人机交互，还可实现虚拟场景的远程控制，甚至自动创建和实现系统决策。目前国内外已有许多成熟的虚拟仿真系统开发平台，如VegaPrime，OpenGL，Revit等系统[1]。

虚拟仿真实验教学一直是高校本科人才培养工作中不可或缺的重要组成，关系着所培养人才的工程实践能力和工程创新能力。自1989年虚拟仿真实验概念首次提出，国内外许多高校都陆续开始建设虚拟环境下的仿真实验平台。

传统实验教学模式下，受限于各种条件，学生只能在限定的时间和地点利用限定的实验设备完成特定的实验操作。因此，传统实验只能完成具有“代表性”和“普适性”的“规定动作”，会极大制约学生工程实践能力及工程创新能力的培养。此外，传统实验室的建设投入不可小觑，不论是实验仪器设备的购置与维护，还是实验场地的建设与管理，都需要花费大量的人力、物力和财力。传统实验教学模式下，“投入产出比”往往受到质疑。为此改革传统实验教学模式、探索适应新时期发展的实验教学新模式是摆在高校实验教学改革面前的重要课题，虚拟实验教学正是破解此难题的一条重要途径[2,3]。

2 建设跨专业的虚拟仿真实验教学中心

安阳师范学院2000年升为本科院校，2007年通过教育部本科教学合格评估，2018年通过教育部本科教学审核评估，目前正是学校响应国家和河南省号召，面向应用性大学转型发展的关键时期。2014年学校开始对应用型人才培养方案进行重新修订，增加了大量与虚拟实验实践有关的教学内容。2015年，软件学院被遴选为学校首批“创业教育二级学院”，积极探索应用型软件工程技术人才的培养新模式，所有这些都为我校工程教育虚拟仿真实验教学中心的创建和发展提供了新的机遇和强大动力。

2.1 以信息技术综合实验教学示范中心为基础

安阳师范学院省级信息技术综合实验教学示范中心，是学校现有6个省级实验教学平台中较早建设的示范中心之一。2007年，为进一步深化本科教学质量工程建设，学校以实验示范中心建设为抓手，以“统筹规划、合理布局、技术先进、资源共享”为原则，成立了跨学科、综合性、开放共享的信息技术综合实验教学中心。

信息技术综合实验教学中心主要负责全校信息技术基础课程，以及部分理、工、经、管类院系计算机专业课程的理论与实验教学，同时承担先进信息技术的研发与应用工作。中心以信息技术基础实验平台、专业信息技能实验平台、综合创新实验平台为架构，业已形成三层次、多模块的信息技术实验教学体系，进一步促进了信息技术与各学科、专业技能的深度融合与发展。

近年来，在学校领导高度重视下，信息技术综合实验教学中心体制与机制渐趋完善，学校每年投入大量经费进行实验室改扩建，中心建设步入快速发展轨道，实验教师队伍不断壮大，实验教学水平逐年提高，实验软硬件环境明显改善，现已成为学生实验学习、实践训练、竞赛培训、毕业设计的重要基地。

2.2 新建工程教育虚拟仿真实验教学中心

安阳师范学院工程教育虚拟仿真实验教学中心是在2011年河南省教育厅批准建设的省级信息技术综合实验教学示范中心基础上，2013年为适应学校部分工程类专业集群转型需要，主要依托软件学院、资源环境与旅游学院、物理与电气工程学院和建筑工程学院组建而成的。

2013年，为顺应学校发展和人才培养模式改革的需要，学校以信息技术综合实验教学示范中心为基础，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，成立了工程教育虚拟仿真实验教学中心。

中心主要面向软件工程、资源环境工程、电子信息工程、土木工程4个工程类本科专业，整合相关学科专业的虚拟仿真实验、实践资源形成了“虚拟技术底层支撑、专业拓展协同开发、学科交叉优势互补、凝聚人才创新发展”的建设理念，中心以“技术引领、资源共享、应用驱动、创新提高”为宗旨，积极构建中心建设，发展与学生实践培养互促同进的良性循环发展模式。

2.3 虚拟仿真实验教学中心概况

中心下设4个虚拟仿真实验室，分别是软件工程虚拟仿真实验室、环境工程虚拟仿真实验室、土木工程虚拟仿真实验室和电子工程虚拟仿真实验室。4个实验室分别侧重从不同方向对不同专业的学生开展虚拟实验教学，并致力于在底层架构基于多学科专业知识和技能的虚拟仿真技术平台。

中心拥有一支教学科研能力强、勇于创新、敢于实践，同时又专长于虚拟实验教学的实验教师队伍。中心现有成员37人，教师队伍平均年龄42岁，其中专职人员25人，兼职人员12人，教授8人，副教授14人，高级实验师3人，讲师12人，博士学位人员4人，硕士学位人员33人，河南省教育厅学术技术带头人2人、河南省中青年骨干教师4人。中心融合了计算机专业(虚拟现实方向)、资源环境旅游专业(GIS方向)、电子工程专业和土木工程专业(BIM方向)等方面的教师。教师队伍年龄、学历、职称、方向结构合理，人员分工明确。

中心自成立以来，在地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、移动通信(MC)和虚拟现实(VR)等技术的支持下，为工程类相关专业领域的教学提供虚拟实验技术和解决方案，通过采用Kinect体感技术、Unity 3D以及Unity 3D +Kinect等多维可视化、可介入交互等现代信息技术手段，对抽象、不可真实重现、危险程度高的现象与过程进行模拟分析、动态监控和预测预报，引导学生深入探索复杂工程环境的演化过程与变化规律，深刻掌握信息采集、集成、分析、建模全过程，通过虚拟教学及对学习难点问题的重点理解，激发学生创新思维，提升学生创新能力。

图1、图2为虚拟仿真技术体验中心和三维实验场景实现画面。

图1 Kinect体感交互应用展示

图2 Unity3D虚拟实验室场景

中心一贯重视传统实验教学的改革和创新实验教学体系的建设，注重强化专业、课程培养目标，淡化学科界限；突出以学生为主体，教师为主导的教学模式；重视培养学生能力，着力强化CDIO工程理念。在实验教学过程中，中心逐步形成了独立设课与统一管理相结合的运行模式，各实验室虚拟资源由中心统一管理和调配。中心现已发展成为安阳师范学院培养高素质工程类专业人才重要的实践教学、创新教学基地。

中心与深圳国泰安信息技术有限公司、上海曼恒数字有限公司、北京润尼尔网络科技有限公司、北京超图软件股份有限公司、西安千策电子信息科技公司等国内知名科技企业开展合作共建，为虚拟实验中心的建设提供了有力支撑。

3 虚拟仿真实验教学中心特色与创新

(1)中心面向安阳师范学院工程类本科专业实践教学，强调跨专业融合，以“技术引领、资源共享、应用驱动、创新提高”为宗旨，积极构建软件工程、资源环境工程、电子信息工程、土木工程4个核心专业集群的虚拟仿真实验教学体系，业已形成“以专业拓展为目标，以虚拟技术为依托，以院院合作、校企合作为两翼”的良好发展态势。

(2)着力强化CDIO工程教育理念。实践教学中，以工程项目设计、生产过程为主线，主动构建与行业背景相结合的虚拟仿真实验教学体系；以虚促实、虚实耦合的实验环境可以提高实验效率，提升环境感受，拓展学生能力。

(3)依托基于云平台技术的智慧校园解决方案，采用虚拟场景和虚拟漫游等虚拟技术[4]，进行三维可视化场景开发，让学生身临其境地浏览、进入实验室场景，完成各种实验、实践、创业项目，进一步培养学生的工程能力。

(4)发挥地域特色，开发符合自身特色的虚拟仿真实验、实训项目。先后建设了甲骨文体验中心、红色之旅—红旗渠、虚拟林滤山国家滑翔基地、世界文化遗产虚拟殷墟三维仿真系统(如图3、图4所示)等具有明显地域特色的仿真、实验项目。

(5)管理体制、机制改革创新。逐步形成了独立设课与统一管理相结合的教学运行模式，各虚拟实验室人力、设备、技术、资源由中心统一管理和调配，各学科教师科研成果交叉共享、优势互补，并畅通向实验教学项目转移。

(6)积极构建中心建设发展与学生实践培养互促同进的良性循环发展模式。中心以培养学生的实践与创新能力为主要目标，并以实验资源建设为载体，让有能力的学生参与到虚拟实验资源的整理、重构、开发过程中，进一步夯实学生实践能力，同时拓展中心实践资源，二者互促同进[5]。

图3 数字殷墟三维虚拟仿真(一)

图4 数字殷墟三维虚拟仿真(二)

4 虚拟仿真实验教学中心建设成效

中心在近几年的探索实践中，努力整合资源，不断投入较为充足的人力、物力，并通过校内挖潜交流、企业外挂培训、国内外高水平大学访学等方式，协力提高实验教师队伍应用信息技术开展虚拟仿真教学的能力，统一思想着力加强虚拟仿真实验教学在日常教学中的比例。相关成果包括制作了大量的实验教学辅导视频，供学生在实验学习的不同阶段使用；自主开发了多个虚拟仿真实验教学项目[6]，既锻炼了参与项目建设学生的能力，也拓宽了今后开展虚拟仿真实验教学的内容。图5为虚拟仿真实验室软件界面。

图5 虚拟实验室

通过建设，中心已将部分单纯演示性、验证性的实验教学内容以学生自主开展网上虚拟实验为主；基本技能训练和基础实验项目以虚拟实验辅助实体实验模式开展；压缩实体实验中有关实验原理、实验步骤、设备使用、注意事项的讲授时间，将更多的时间、空间留给学生动手实践；节约的学时可用以开设综合性、设计性和研究性实验，主观上增加学生提升实践能力和创新能力的时间和空间。

5 结语

虚拟仿真教学可以有效促进学生亲身体验各专业中高、危、难工程的全过程建设管理及技术工艺，实现工程类专业人才培养与行业企业需求的“零距离”对接，提高人才培养的社会适应性。与此同时，通过全过程的综合仿真训练，加强不同专业、各年级学生间的专业思维、实践交流与合作意识，达到锻炼学生实践能力、自学能力、研究能力、创造能力、表达能力与组织管理能力的目的。中心正以此次申报建设为契机，着力挖掘技术潜能，大力培养人才队伍，合力凝聚学科优势，统筹规划、建设一批特色鲜明的虚拟仿真实验项目。