虚拟仿真实验教学中心建设研究

王晓暄

（新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

实验、实践环节是工科专业教学中的重要环节，是培养学生动手能力、应用能力、创新能力和解决工程实际问题的重要手段，传统的实验设置需要各种仪器设备，很多仪器设备又存在价格高、功能单一、利用率低的问题。另一方面随着办学规模的扩大，资金不足，设备老化、短缺的问题也日益突出。为解决以上问题我学院建立了现代农业装备与设施虚拟仿真实验教学中心（简称虚拟实验中心）。

虚拟实验中心所开设实验主要分为在线实验和离网实验。在线实验以现代农业装备实验教学中心所建网站为平台，通过注册可以进行相应的实验项目；离网实验是通过专用实验设备进行仿真实验。虚拟实验中心从内容上分为：数字化机械创新设计仿真平台、数控仿真教学平台、电气控制系统虚拟仿真平台和电机学网上实验预习系统4 部分。

经过几年的建设和实践，学院注重虚拟实验室建设，完成了一批基于虚拟软件的仿真实验项目建设，虚拟仿真实验教学已经形成了比较完整的实验教学体系，在实践教学中发挥了良好的作用。

1 虚拟仿真实验教学资源

1.1 数字化机械创新设计仿真平台

数字化机械创新设计仿真平台利用我校在农业工程装备领域的学科专业优势，结合中收农牧机械有限公司和新疆机械研究院股份有限公司的开发实力和支持服务能力，整合数字化、信息化的实验教学资源，以培养学生在农业工程装备领域的综合设计和创新能力。数字化机械创新设计仿真平台已建立了16个实验项目。

数字化机械创新设计仿真平台针对不同年级的本科学生，开设有三个层次的实验，初级是以三维数字化建模设计为主的基础型实验；中级是综合设计、分析与制造型实验；高级是创新研究型实验。分层次教学内容的设置，可适应不同知识层次学生的需求。通过实验教学方法、手段，实验考核方法等的改革创新，提高学生自主学习、合作学习、研究性学习的主动性和积极性，使学生对课程内容的认识加深，实验技能（实验理论、实验方法和动手能力）显著提高。

1.2 数控仿真教学平台

数控仿真教学平台的功能是在理论学习之后，通过仿真系统的操作掌握数控加工设备操作和编程的能力。

数控仿真教学平台初期采用宇龙数控仿真系统、Mastercam、UG（数控三维建模），2015 年又购进了8套德国DMG 实训操作系统，2018 年购进4 套SIEMENS 系统数控仿真实验平台。宇龙仿真软件主要用于课堂教学，具有较强的互动功能，可以进行车床、铣床和加工中心的机床和数控编程操作。Mastercam 具有强大稳定的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面零件，具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。可模拟零件加工的整个过程，模拟中能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况。主要用于学生数控实训和设计的深入学习提高阶段。UG 仿真软件主要用于数控零件的三维建模和加工。

1.3 电气控制系统虚拟仿真平台

电气控制系统平台由单片机课程设计仿真模块、虚拟电子技术实验模块和虚拟可编程控制实验模块三部分组成。

1.3.1 单片机课程设计仿真模块

单片机课程设计仿真模块主要体现在以下两个方面：（1）注重对学生动手能力的培养，给学生创造更多实践的机会；（2）充分发挥学生的主观能动性，调动他们创造性思维，注意创新能力的培养。

1.3.2 虚拟电子技术实验模块

虚拟电子技术实验模块以LabVIEW 为开发平台，采用NI USB-6259 数据采集卡，运用虚拟仪器及其相关技术于多通道数据采集系统构建虚拟示波器、信号发生器设计传统电子实验项目。

实验项目包括基本仪器使用、共射级放大电路、射极输出器、差动放电电路、集成运算电路、负反馈放大电路、低频功放电路、信号产生电路、稳压电源电路等必做实验项目。利用虚拟仪器平台的灵活性，学生在老师的指导下自主设计实验项目。

1.3.3 虚拟可编程控制实验模块

虚拟可编程控制实验模块通过相应实验项目的视频，使学生通过视频教材在进入实验室前对实验目的、实验设备及元件、实验的详细操作过程、及注意事项等有一个整体的认识。

实验项目包括：电机控制实验、混合液体实验、交通灯控制实验、刀具库实验、步进电机控制实验、电梯实验等实验项目。利用虚拟仪器平台，通过相应的实验项目的视频，达到实验前使学生对该实验项目的整体认识，带着问题进入实验室。

1.4 电机学网上实验预习系统

电机学实验预习系统中，每位教师都可以自己建立实验项目，并负责管理该实验项目的学习资源，可以方便地不断更新。学生可以通过校园网随时进入实验预习系统，学习实验原理、了解实验内容、观看实验操作示范，进一步提高实验教学质量。

实验预习系统包含学生实验须知和实验项目，每个实验项目由实验原理、实验内容与步骤、实验思考、注意事项和实验操作演示视频五个模块组成。所有的实验项目都有对应的多媒体课件，实验室的所有仪器仪表都有介绍其使用方法的视频课件，这些课件设计合理、制作精细、质量优良，实现了视、听、像结合，声、文、图并茂。

2 虚拟仿真在线实验教学平台的运行与安全

2.1 在线实验教学平台的安全

在线实验教学及管理主要有三类重要角色：系统管理员，任课老师，学生，不同角色拥有不同的权限，以保证网络与信息的安全。

管理员可以进行用户权限管理，如审用户核注册信息，添加/删除分组、添加/删除班级、添加/删除课程，对已有实验课程进行查看、修改。

系统管理员在课程管理模块中可以对实验课程进行添加、修改和删除管理，可以进行授课安排即为某个班级的某门实验课程设定授课老师。只有设定的授课老师可以对该班级的学生布置实验任务，进行教学管理中的实验安排。

在教学论坛中，系统管理员可以对论坛进行管理操作，包括创建、修改和删除讨论区和增加一个新的版块到讨论区中，也可以修改或删除目前存在的版块，还可以为版块设定和删除版主；同时可以对论坛中的帖子进行修改、删除和锁定操作。

2.2 在线实验教学平台的运行

利用在线实验教学平台，教师可以建立典型实验作为实验任务布置给学生，可以对典型实验进行添加、发布、试做、修改、删除、导入和导出，可以对成绩进行查询统计。

利用在线实验教学平台，学生可以在实验任务列表中查看学生所在班级所有老师发布的实验，学生做完实验进行提交，当教师批改完实验并发布成绩后，学生可以进入实验批改成绩界面，查看实验名称，实验成绩，教师评语等。学生可通过“新建自主实验”，对自己感兴趣的实验进行尝试。

无论教师用户还是学生用户都可以接收站内消息，在教学论坛中查看帖子，并在感兴趣的栏目中发表个人见解。

3 应用情况

经过几年的建设和实践，虚拟仿真实验教学的各个层次已经形成了比较完整的实验教学体系，并获得了良好的效果。具体体现在教学实践、学生创新能力培养和大学生学科竞赛3 个方面。

3.1 教学实践

（1）虚拟仿真实验教学中心的4 个虚拟仿真平台面向全校6 个专业的20 余门课程开设近100 项实验，每年接纳学生1 000 余人，实验人时数达到8 万余人时。

（2）在毕业设计环节中机械类专业学生依靠数字化机械创新平台、数控仿真教学平台对机具运动状态进行运动仿真；电器类专业学生依靠电气控制系统虚拟仿真平台进行电气系统设计与性能分析，从而提高了毕业设计的水平。

3.2 大学生创新

（1）实验教学中心每年举办大学生创新设计的相关活动，以项目的形式开展由教师指导的本科生科研创新活动，每年能够资助的大学生近100 人。大学生创新设计主要以产品三维参数化建模、运动学动力学仿真分析，以及关键部件的有限元分析等为主要内容，以提高大学综合设计和创新能力。近几年年均立项国家级和自治区级大学生创新项目近10 项，校级大学生创新项目近20 项。

（2）依托数字化机械创新设计仿真平台建立了三维数字化创新设计兴趣小组，依托数控仿真教学平台建立了数控技术兴趣小组，依托电气控制系统虚拟仿真平台建立了电气兴趣小组。

3.3 大学生学科竞赛

每年实验教学中心组织相关教师积极准备“全国三维数字化创新设计大赛”的工作。推荐优秀的选手参加自治区的复选，最后参加全国的数字化创新设计大赛。先后有10 届学生参加《全国三维数字化创新设计大赛》获全国1 等奖2 次，全国2 等奖4 次，全国3等奖3 次，新疆赛区特等奖8 次，1 等奖4 次，2 等奖8 次，3 等奖3 次。获全国大学生工业设计大赛获三等奖1 项、优秀奖4 项，第十三届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛校级选拔赛获一等奖1 项、二等奖2 项、三等奖1 项、优秀奖2 项。