虚拟仿真课程资源建设范文

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文章编号：1671-489X（2016）10-0021-04

Construction of Mechanical and Electrical Virtual Simulation Experiment Teaching Center//LI Jifang， XIE Huomu， SUN Daoheng， ZHUO Yong， XU Yingjie

Abstract To train students’ comprehensive design and innovation ability， we share quality teaching resources and improve the experimental training and teaching system for undergraduates in Xiamen University. Relying on technology as virtual reality， multimedia， HCI， databases， and network communication， we practically construct the mechanical and electrical virtual simulation experiment teaching center. Based on combination of virtual and real （preferring real once it is available）， we focus on construction of virtual simulation teaching resources， virtual simulation platform and the teaching team.

Key words mechanical and electrical engineering； virtual simu-lation； experimental teaching center

1 引言

在机电类学生实验实训以及综合创新能力培养中，有一些是真实实验不具备或难以完成的教学内容，如机械设备内部结构不易观察；有一些是真实实践训练学生参与程度低、成本高的内容，如机床拆装、复杂模具装配等；还有一些实践训练高危、消耗大、不可逆。同时，实践教学存在实验教学空间有限、设备台套数不足、学生课上实验实训时间受限、教学资源紧张等问题。随着计算机技术和信息技术的发展，结合高等教育信息化建设开展机电类专业实践教学改革，成为克服实践教学环节技术困难的一条重要途径[1]。

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。2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011―2020年）》，决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。

厦门大学机电工程训练中心是省级实验教学示范中心，面向全校16个专业对约2000名本科生开设机械技术实践训练和电气技能实践训练的课程，年实验人时数超过10万。另外，省级测控技术及仪器实验教学示范中心承担学院机电类各专业约300名本科生的专业实验课程教学。

随着学校机电类多学科的发展，对虚拟仿真实验教学的要求不断扩大，为了全面培养学生创新精神和提高实践能力，共享优质实验教学资源，进一步完善本科实验教学体系，以及满足可持续发展的需要，学校在机电工程训练中心和测控技术及仪器实验教学中心两个省级示范中心的基础上，整合机电类相关学科专业的虚拟仿真实验教学资源和人力资源，按照国家级实验教学示范中心的建设要求，组建“厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心”。中心以建设和共享信息化优质实验教学资源为重点，开发大量虚拟实验项目和教学资源，搭建网络信息化管理平台，逐渐形成校内全部开放、校外预约开放的虚拟仿真实验教学模式，取得较大效益和成果。2013年12月，厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心入选首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心。

机电类虚拟仿真实验中心的建设工作主要体现在以机电类虚拟仿真资源的建设为核心、以虚拟仿真实验教学平台的建设为支撑以及加强教师队伍建设三个方面。

2 以机电类虚拟仿真实验资源建设为核心

虚拟仿真实验教学中心建设理念 机电类专业具有实践性强，对学生工程能力培养要求高的专业特点。厦门大学机电类专业虚拟仿真实验教学中心规划建设上以达到教学大纲所要求的教学目的为基本要求，以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能为建设重点，明确虚拟实验的定位，确立了“虚实结合，注重基础，融入前沿，开放共享”的建设理念。以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系，以“实”来提高学生解决工程实际问题的能力，注重学生基础性实践技能的培养。建设资源满足反复练习、强化记忆的功能。充分利用本学科教师前沿的研究成果转化成虚拟仿真教学资源，让学生接触到本学科前沿技术，丰富实践教学内容。充分利用网络通信技术开放共享，学生可以24小时随时访问虚拟仿真实验室，满足更多学生在平台下自主学习、探究学习、协作学习的学习需求。

虚拟仿真实验室是传统实验室的延伸和有效补充，它可以弥补传统实验室的不足，可以丰富实践教学的内涵，带动实践教学模式的创新。虚拟仿真还可以辅助理论教学，使之成为理论学习的重要辅助手段。理论教学中抽象的、难以理解的内容可以通过虚拟仿真的形式展现出来，易于学生的学习与掌握。虚拟仿真实验深刻影响教师教学授课方式，带动专业建设与改革；可以激发学生学习兴趣，提高学习质量，增强教学效果[2]。

中心基于多年来虚拟现实技术的研究积累，在建设上充分利用机电类学科专业优势，发挥教师的自主研发能力，并积极利用合作企业的开发能力和支持服务能力建设虚拟仿真实验教学资源。多种形式的资源建设途径为虚拟实验教学提供了可持续发展的思路，校园网宽带技术的支撑为可持续发展提供了物质保证，优秀的教学团队及合作企业为教学资源的建设提供了技术保证，校企合作模式可保证新教学资源的开发和资源的维护更新，并进一步丰富教学内容。

虚拟仿真实验实训教学体系的构建 中心在深入研究机电类包含的机械设计及其自动化、测控技术及仪器、电气工程及其自动化以及飞行器动力工程等机电类专业本科生培养计划的基础上，围绕“卓越工程师计划”，瞄准“培养具有创新精神和实践能力的高质量工程应用型人才和选拔科学研究型人才”目标，在充分分析现有真实实验资源的基础上，本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，构建了机电类虚拟仿真实验实训教学体系。

在机电类虚拟仿真实验实训教学环节中，采取阶梯递进式教学方式，在建设中把虚拟仿真实验实训教学内容分为三个实践层次：一是以强化专业基础实训技能为主导的实践层次；二是以强化专业课程实验技能为主导的实践层次；三是以强化学生综合设计和创新能力为主导的实践层次。通过建设和整合，各种形式的虚拟仿真实验教学资源构成了既层次分明、各有侧重，又相互渗透、互相促进的实践教学体系。

图1所示是中心虚拟仿真实验教学资源建设架构图。其中，专业基础实训类实验资源有15项，专业课程实验类实验资源有14项，综合创新实践类实验资源有12项。

第一层次：以强化专业基础实训技能为主导的实践层。该层次的虚拟仿真实验课程设置以机电类相关的基础课程为主，包括电工学、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术与应用、机床数控技术训练、数控切削技术训练、数控铣削技术训练等必修课程的实训。

这一类资源为软件共享资源，不带有实物对象，构建了高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，包括电气技术实践训练、数控技术实践训练、电子技术实践训练以及模具设计与制造4个实训门类共15门课程。这部分资源与机电工程训练中心从资源配置上充分体现了虚拟结合、相互补充的原则，其中一部分课程可补充目前实践训练所缺乏的参与程度低、成本高的部分，如模具拆卸与组装、数控机床机械安装等课程；一部分课程可作为真实实训教学的训前准备课程，这部分课程可减少真实实训的高消耗，如数控切削技术训练、数控铣削技术训练课程。

该层次的建设目的是让学生系统学习机电类专业的基础实验知识，掌握基础实训技能，深化理论知识的学习，培养学生独立思考、团结协作的精神，加强分析问题和解决问题能力的培养，从而达到培养学生专业学习的兴趣。

第二层次：以强化专业课程实验技能为主导的实践层。该层次的实验课程设置以机电类相关的专业课程为主，构建几个实验平台。

1）基于虚拟仪器技术建设的可远程访问虚拟仿真实验平台，属于仪器共享资源，含有信号与系统及传感器原理两门课程资源，共建设了15个实验项目，辅助理论教学，丰富实验内容。

2）工业机器人一体化实训平台，选取国内外主流品牌的典型工业机器人，以真实的工程应用项目为背景，基于真实的工作过程，构建集课程资源包、虚拟仿真软件、实物机器人为一体的“理、虚、实”一体化的教学与实训系统，可完成包括示教编程、离线编程、维护保养、装调维修、综合应用在内的全方位教学与实训任务。

工业自动化技术课程作为电气、自动化、测控专业一门典型的应用型课程，正面临从传统的PLC编程教学，向项目引导、实践型、工程化、开放性方向靠拢，实验室总是存在空间有限、资源有限的问题。中心自主建设大量工业虚拟仿真被控对象，同时积极引进国内外成熟的生产流水线的教学对象，充分重视虚拟实验环境的真实感、可操作性，解决了工业自动化技术实验教学中的瓶颈问题，促使教学方式方法改革，提供全开放学习环境，有效节约教学资源，激发学生学习兴趣。

另外，对机电类专业的一些核心专业课程，充分利用教师的教研成果，转化为虚拟仿真实验项目，丰富了实践教学内容。

该层次的建设目的是让学生系统学习相关专业实验知识，掌握专业实验技能，引导学生自主发现问题、解决问题，培养学生的创新能力、动手能力与团队合作精神。学生还可以综合运用多门课程知识实现完整应用，逐步建立系统的概念。

第三层次：以强化学生综合创新设计能力为主导的实践层。该层次的资源设置主要围绕完成综合性实验，以实验项目驱动的方式，由学生自主设计完成虚拟仿真创新型实验。另外，参加各种层次学生创新设计实践大赛完成科研方法训练。在这一层次的教学中，中心设立独立创新实验室，为创新活动提供指导，提供仪器设备和场所。采用开放的实验室管理方式，实验室全天对学生开放，有专任指导教师给予指导和服务。

该层次的建设目的是让学生在掌握基础实训技能和专业实验技能后，充分利用综合类实验资源，对学生进行创新能力和科研方法训练，培养学生创新设计和系统设计能力，激发学生创新热情和参与创新活动的积极性。

3 以虚拟仿真实验教学平台为支撑

虚拟仿真实验教学资源能够为学生提供生动、逼真的实验学习环境，在广泛的学科领域提供更多的虚拟和仿真体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程和成果。虚拟仿真实验教学平台应支撑教学资源的开放，包括支持虚拟资源的在线开放、虚拟与真实的结合开放。平台还应具有良好的交互特性，如实验数据的采集、实验过程的指导、实验报告的在线收集与成绩评判等。

厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心目前已有成熟的信息化网络平台，一方面拥有独立的门户网站，能实现中心概况、实时新闻、中心动态、全部课程介绍等信息的；另一方面建设有远程虚拟仿真实验平台，能实现实验实训课程开放、学生选课、远程答疑、作业提交批改等教学管理功能。中心特别配套有专门高性能服务器，以满足信息化平台对性能及稳定性的要求。校园门户网站对校内外公布虚拟仿真实验教学信息，提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。

教学资源集成在远程虚拟仿真实验平台上，通过互联网可开展网上学习、考试、评价和互动交流等活动。平台提供不同的权限。

1）学生通过账号、密码由学生端登录系统，完成学习、阅读公告、自我测试、上传作业、实验实训项目练习、在线提问、讨论等内容。

2）教师可通过账号密码登录教师端，完成公告、授课、报告评判等授课行为。针对不同的学习群体，可以设置不同实验实训项目，组织学习与培训，并可以实时查看学员的学习次数及学习效果；针对总体情况，灵活调整个性化学习方案。平台集学习、实验实训、考试、评价、管理功能于一体，充分利用网络资源开展虚拟实验实训，实现了教学的在线网络化。

3）教务管理人员通过平台实现人员管理、教务管理等功能。

4）教学平台的运行与维护由负责后台管理的技术员完成，包括账号管理、权限设置以及实验模板管理。

虚拟仿真应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式转变为学生通过自身与信息环境的相互作用，实现自主学习、探究学习、协作学习。学生可通过互联网24小时操作，彻底打破传统实验室时间与空间的限制，在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。

4 加强教师队伍建设

中心在建设过程中着力建设成了一支教学、科研、技术人员相结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进、学术水平高、教学科研能力强、实践经验丰富、勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。中心设置主任1人、副主任2人，并成立了机电类虚拟仿真实验教学中心发展委员会。本中心学科专业教师与信息技术研发人员配置合理，有专业教师36名（专任教师兼职为主），其中教授7人、副教授12人、助理教授17人，负责课程制定和教授；工程技术人员38

名，高级工程师6人，工程师32人，其中实验指导及资源维护25人，网络资源管理团队5人，负责网站建设、信息、课程教务管理；研发团队8人，与合作企业配合，能根据课程需要完成网络课程资源的开发、维护及更新。

中心借助厦门大学现有青年教师人才培养计划的政策优势、平台优势，通过吸取宝贵经验，积极拓宽人才培养渠道，进一步加强虚拟仿真和实验教学方面青年教师人才的培养力度。

5 结语

厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心通过虚拟仿真教学资源的建设推广，达到了以下效果。

1）实现了教学资源的大范围共享，可供本校全校学生共享和部分校际共享。

2）丰富了课堂教学内容，利用更形象、直观的教学手段进一步激发了学生的学习热情，引导学生主动参与到实验教学环节，增强了教学效果。

3）丰富了实践教学手段，通过三维虚拟现实的动画演示、手工操作，增强了教学过程的真实性，引导学生能够亲自参与各种实践环节，提高了动手操作能力。

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关键词：虚拟仿真实验；实验教学；土木工程；实验室建设；

作者简介：徐明(1972—)，男，黑龙江大庆，博士，研究员级高级工程师，实验教学中心副主任，主要研究方向为实验教学及实验技术

1土木工程专业的实验教学特点

土木工程专业的实验与实践教学具有行业的特殊性。

(1)空间体量巨大。土木工程的服务对象是建筑物、桥梁、隧道，一般体量巨大。现在世界最高的建筑物高度超过800m，桥梁的最大跨度达1991m，超高层建筑物的单根柱子、单根桩基的承载能力上万吨。进行这些结构或构件的实体实验几乎是不可能的，即使是缩尺实验，也存在实验构件及加载设备体量大、实验环境恶劣、实验费用高的问题，限制了学生的参与。

(2)施工周期长。土木工程的建设周期一般比较长，世界最高建筑物———迪拜塔的建设历时6年，通常一幢普通的住宅楼施工工期也需要1年以上。由于时间的限制，学生的认识实习和生产实习无法得到工程建设全过程的体验。

(3)工程参与方多。土木工程存在不同的建设参与方(建设方、设计方、施工方、监理方等)，在学生认识实习和生产实习过程中，往往只能体验其中某一方的工作，无法从不同参与方的视角去感受和经历工程。

(4)危险性高。土木工程实验很多是破坏性试验，并且是脆性破坏，具有一定的突然性，学生在实验过程中的安全问题十分突出。同时，由于施工现场工序复杂、人员众多，而很多学生又缺乏施工经验和对危险源的判别能力，这使得很多施工单位在安排学生的认识实习和生产实习时存在顾虑。

(5)实验难度大。在土木工程的实验中，灾害环境(如台风、火灾、地震、滑坡和泥石流等)的模拟设备造价高(大型地震模拟振动台的造价上亿元、大型风洞的造价几千万元)。灾害环境实验难度大、危险性大、费用高。

为解决土木工程传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾，拓展实验及实践教学的深度和广度，提高实验教学的实效，实现理论教学与实践教学的紧密结合，特别是进行灾害环境对土木工程影响的分析、解决重大工程的防灾问题，尽可能减少实验成本和潜在危害，东南大学在课堂理论教学、原有实体实验、认识实习和生产实习的基础上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通信平台，构建了具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟仿真实验教学平台，作为实体实验及实践教学的有益补充和创新［1－5］。

2实验教学资源建设

早在2005年“工程结构设计原理”与2006年“建筑结构设计”国家精品课程建设期间，东南大学就开始组建土木工程计算机辅助结构设计实验室，此后结合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“结构力学”及“工程结构抗震与防灾”几门国家精品课程和其他相关课程的建设，又相继成立了土木工程施工虚拟仿真实验室、土木工程管理信息化等实验室。2013年通过资源整合，依托国家级土木工程实验教学示范中心，成立了东南大学土木工程虚拟仿真实验教学中心。

中心面向土木工程、建筑学、交通工程及其他相关专业，形成了“三层次、四模块、五结合”的教学体系。

(1)三层次：按照人才培养需求与教学规律，将实验教学内容划分为基础训练、提高训练和创新训练；

(2)四模块：按专业知识体系与工程实践规律，搭建土木工程设计、施工、管理、创新实践4个虚拟仿真实验平台；

(3)五结合：与理论课程相结合、与实体实验相结合、与科研项目相结合、与实际工程相结合、与企业实践相结合。

其中，四模块的18门实验课程支撑8门专业主干课程与12门实体实验实践课程，辐射其他16门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课。

2.1土木工程结构分析与设计虚拟仿真模块

模块主要包括：(1)基本构件虚拟仿真、楼盖设计虚拟仿真及单层工业厂房设计虚拟仿真等基础训练层次的虚拟仿真实验项目；(2)建筑结构抗震虚拟仿真、高层建筑结构设计虚拟仿真、大跨空间结构设计虚拟仿真及桥梁结构设计虚拟仿真等提高训练层次的虚拟仿真实验项目；(3)复杂结构虚拟仿真、基于MTS混合实验、大跨桥梁抗风虚拟仿真、结构构件抗火虚拟仿真等创新训练层次的虚拟仿真实验项目，是“工程结构设计原理”、“建筑结构设计”与“工程结构抗震与防灾”这3门国家级精品资源共享课的重要建设内容。

结构分析与设计虚拟仿真实验项目充分体现了CDIO(conceive-design-implement-operate)的工程教育理念［6－7］，是从工程的构思到概念设计，再进行仿真分析，根据仿真分析结果对概念设计进行优化调整，最后按优化后结构进行施工图设计的全过程虚拟仿真实验，实现虚实结合的实践教学。

以特色实验项目“基于MTS系统混合模拟实验平台”为例，传统的建筑物抗震防灾实验大多数是对整个结构进行的，由于整体实验成本较高且实验项目较多，导致实验场地和实验时间安排紧张。为了提高实验项目的实际效果和设备的有效利用，将结构的大部分替换为数值子结构并采用计算机进行仿真，而只有小部分结构在实验室进行足尺实验(见图1)。仿真实验具有参数可调、实验方案可扩展、不存在硬件损耗的特点，能够加深学生对实验的理解；实体实验具有真实可靠、直观性强的特点，能够提高学生的动手能力和观察能力。采用计算机仿真实验与实体实验相结合的手段，可以有效提高学生综合应用所学知识的能力。同时，实时混合实验作为目前最先进的抗震防灾实验手段之一，有助于培养学生的创新意识，提高学术水平。

2.2土木工程施工虚拟仿真模块

该模块主要包含基本施工技术虚拟仿真、复杂工程施工技术虚拟仿真及关键施工技术仿真分析3部分。基本施工技术虚拟仿真主要包括土方、桩基础、模板、钢筋工程等施工过程的虚拟仿真，是模块的基础训练部分；复杂工程施工技术虚拟仿真主要是针对超高层建筑结构、大跨空间结构、大跨桥梁结构等典型工程施工全过程的虚拟仿真，向学生介绍最新的施工技术和复杂工程的施工组织，它是模块的提高训练部分；关键施工技术仿真分析部分主要针对全新的施工技术，通过对施工过程中关键部分的仿真分析，确保施工的顺利和安全，它是模块的创新训练部分。

以典型实验项目“大跨桥梁结构施工虚拟仿真”为例，该实验项目以铜陵长江大桥工程为案例，与中铁大桥局集团和柳州欧维姆机械股份有限公司合作完成。对该工程的施工全过程进行了虚拟仿真，包含桩基础施工、沉井施工、主塔施工、钢桁梁吊装施工、斜拉索施工等子系统(见图2)。通过该项目的学习，学生可以了解大跨斜拉桥施工的主要步骤、施工工艺、技术措施等。

2.3土木工程管理虚拟仿真模块

该模块包含工程项目管理、工程造价管理、工程合同管理和工程管理BIM综合4个部分。传统的信息技术类课程教学模式比较注重信息系统管理知识的介绍和基础软件操作，但是存在信息技术类知识体系在不同部分之间的割裂问题，使学生难以形成结构化、模块化的专业信息技术能力和素质。土木工程管理虚拟仿真实验平台对传统课程设置模式进行了改革，根据多学科对信息技术的应用需求，注重学生专业核心能力的培养，形成信息技术类实验课程平台。

以典型实验项目“工程管理BIM综合虚拟仿真”为例，该项目根据给定的工程项目设计(包括建筑、结构、设备等)方案、相应的城市规划条件以及有关的地理环境数据，从施工单位、设计单位或咨询单位的角度进行项目建筑设计方案的多维可视化仿真(见图3)，并利用BIM模型进行辅助施工管理，包括项目的日照分析、建筑能耗分析、绿色建筑评价、建筑体量计算等。

2.4土木工程创新实践虚拟仿真模块

本模块主要分为基于创新训练计划的虚拟仿真和基于学生参加科技竞赛的虚拟仿真两部分，以满足学生课外研学课程的需要，在实验项目的设计上充分体现CDIO的工程教育理念。学生根据项目的要求，利用已学的专业知识，对结构进行概念设计，然后运用仿真分析软件进行模型计算分析，根据仿真分析结果对模型设计进行优化，完成实体模型的制作，将制作好的模型进行加载或让其完成特定功能。通过本模块实验项目的训练，可以加深学生对各类结构体系、设计分析的理解和认识，使学生在知识运用能力、创新能力、动手能力、团队协作精神等方面得到全面提升［8－9］。

以典型实验项目“创新结构体系虚拟仿真实验”为例(见图4)，要求学生设计并制作创新结构模型，以反映学生的力学概念、结构概念和创新思维。实验项目鼓励节能减排、循环经济的创新思路，旨在通过指导学生对结构概念设计、基本构件受力状态、空间结构体系及特点、典型工程案例分析等内容的学习，培养学生勤于观察与思考，并动手制作结构模型的能力，使学生能够从结构整体上把握建筑物的结构体系及受力特点，并通过学习报告、制作模型及加载体验的方式提高学生的动手实践能力和创新意识。

3教学特色

3.1依托优质教学资源建设虚拟仿真实验平台

土木工程虚拟仿真实验教学中心长期坚持实体实验项目建设和虚拟仿真项目建设相结合，通过国家级教学团队的规划，完善了实验教学体系，并将学生实验训练的学时数比例由总学时的19%增加到25%。中心依托国家级土木工程实验教学示范中心，与理论教学紧密结合，进行虚实结合的实验教学资源建设，有力地支撑了6门国家精品课程、5门国家级精品资源共享课程和1门国家级视频公开课的建设，提升了课程建设和专业建设的水平。2013年，土木工程专业以优秀成绩第4次通过住建部高等教育土木工程专业评估委员会的评估，在2012年的全国学科评估中，东南大学土木工程学科名列全国第三。

3.2来源于科研项目，面向创新能力培养

中心依托“国家预应力工程技术中心”、“混凝土与预应力混凝土教育部重点实验室”等国家和部省级科研基地，不断地将最新科研成果转化为虚拟仿真实验项目。通过把科研成果转化为实验教学内容，把科研方法融入实验教学活动，向学生传授科研理念、科研文化、科研价值，使学生了解科技最新发展和学术前沿动态，激发科研兴趣，启发科研思维，培养科研道德，提升学生科学研究和科技创新能力。

3.3来源于工程实践，面向工程实践能力培养

中心的大量虚拟仿真实验项目来自于真实的工程实例，是以实际工程为背景，解决工程实际问题为目标的“实战型”项目。通过真实项目的演练，指导学生综合运用专业知识，进一步培养学生的工程素质和实践能力，为社会输送合格的“来之能战”的毕业生。

已将典型重大工程转化为实验项目的实例有：

(1)山东博物馆屋盖薄壁箱型结构虚拟仿真；

(2)广州南站大跨空间结构温度应力虚拟仿真；

(3)广州白云机场复杂铸钢节点虚拟仿真；

(4)润扬长江大桥大跨桥梁抗风虚拟仿真；

(5)深圳大运会体育馆钢结构安装施工虚拟仿真；

(6)沪通长江大桥桥梁沉井施工全过程虚拟仿真。

3.4面向防灾减灾，开展灾害虚拟仿真

现代土木工程的最大威胁来自于各种自然灾害和人为灾害———地震、台风、海啸、火灾、爆炸、泥石流等。各种灾害因其巨大的时空尺度而难以再现，因其复杂的生成原因而无法重复，所以要借助现代虚拟仿真技术进行演示。中心依托云计算中心每秒37万亿次峰值浮点计算能力，运用大型虚拟仿真分析软件，开展地震、台风、火灾及爆炸等灾害的模拟，提升学生防灾意识和减灾水平。

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关键词：虚拟仿真；计算机虚拟仿真实验教学中心；建设与实践

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0267-02

在国家信息化发展战略的指导下，教育信息化在教育教学领域和管理过程中的应用正在逐步深入，该应用有力地促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革。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就是建立虚拟仿真实验教学中心。2013年，教育部开展了国家虚拟仿真实验教学中心的建设工作。虚拟仿真实验教学中心的建立是信息化技术与学科专业、实验教学改革以及实验教学示范中心建设发展深度融合的产物，它顺应了现代教育信息化的发展趋势和现实需要，对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化，产生了积极而重要的影响。

一、计算机虚拟仿真实验教学中心建设必要性

国内高校的计算机专业本科生的理论基础知识相对比较扎实，但实践与创新能力与世界一流大学的计算机专业本科生之间有较大的差距。探索提升计算机实验教学的效果，提高本科生的实践动手能力，培养学生的创新意识，是高校计算机教师近几年不懈努力的方向。计算机虚拟仿真实验教学中心的建立的必要性：①它可以为提高学生对计算机实践课程的兴趣和动力提供有效途径。②它是培养学生自主构建计算机仿真模型体系的最佳机会，有利于夯实学生的专业基础，促进实践创新能力的发展。③它是拓宽实验教学的必经之路，可以促使高等教育的功能从“人才培养者”向“人才设计者”转变。综上所述，实验教学现已全面进入信息化时代，建立计算机虚拟仿真实验教学中心是实验教学改革发展的必然趋势。

二、西安理工大学计算机虚拟仿真实验教学中心建设的具体实施

西安理工大学计算机虚拟仿真实验教学中心（下面简称中心）是隶属于校、院两级管理的教学单位，它依托陕西省计算机实验教学中心以及网络计算与安全技术重点实验室平台建设，并由学校网络中心为其提供网络技术支持。中心主要针对计算机科学与技术、软件工程两个一级学科专业，以及其他学院计算机相关专业对于虚拟仿真实验教学的需求，利用计算机科学与工程学院雄厚的技术力量，围绕计算机实验教学的特点，开发虚拟仿真实验的硬件设备及软件系统，开展基于虚拟现实、数据仿真、网络攻防等技术的实验教学及科学研究工作。

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1我校化学反应工程授课现状

我校的化学反应工程课程只针对化学工程与工艺专业本科生开设。我校的化学工程与工艺专业开设于上世纪九十年代，而化学反应工程课程的授课历史也已有二十多年。近年来，随着西部大开发进程的加快，成都及周边地区特别是民族地区对化学化工类人才的需求旺盛，我校每年化学工程与工艺专业的招生人数始终保持在140人左右。前几年由于学校工科基础薄弱，我校反应工程课程主要通过课堂教学为主，缺乏实验实践设备和场地，学生对于课程中涉及的基本原理仅有一些感官认识，无法深入理解。随着人才市场对学生素质要求的不断提升，仅局限于课堂授课的化学反应工程课程急需通过改革课程内容和授课方法，提升课程教学质量和学生素质。

2虚拟仿真技术与化学反应工程课程的融合

从去年开始，随着我校化学类虚拟仿真实验教学中心获批省级实验教学中心，学校加大了对化学类虚拟仿真教学平台的建设，本项目团队适时、创新性地提出将虚拟仿真技术和化学反应工程的教学实践相结合，大胆尝试提升化学反应工程课程教学效果的新方式方法。2.1利用虚拟仿真素材真正实现多媒体教学十四年前，我校就全面实现了多媒体教学，但是由于多媒体素材开发的滞后，使得过去的多媒体教学大部分是文字、公式、图片等的罗列。由于PPT播放速度快，多数学生对于课程理论内容一知半解，对学习的公式和图片很难融会贯通。从2014年开始，化学类虚拟仿真教学平台的一期建设项目中加大了对教学课件素材的购买和建设，如“合成氨素材库”“工业反应器素材库”等等，化学反应工程课程在多媒体教学中更多采用flas等动态多媒体形式进行教学，将公式、文字和图片融会贯通，复杂的内容变得浅显易懂，学生在课堂上的学习负担减轻，提升了学习效果。

2.2通过实物和实训模型加深理论学习效果

过去由于实验经费和场地紧缺，化学反应工程课程缺乏对应的实验和实训课程。自2015年开始，借助化学类虚拟仿真教学平台的实物模型和实训模型，我们开设了“化工仿真”和“化工专业实验”两门课程，通过专业实验加深学生对于工业反应过程和反应器理论的认识，通过实训课程扩展学生对于实际反应器具体操作方法的知识了解。例如:通过全混流反应器和平推流反应器仿真模型，学生可以深入理解“返混”的概念;通过多釜串联实训模型，学生可以深入理解停留时间的评价方法。实践过程中，学生通常4～6人一组，每个人均能够动手操作，因此加深了理论联系实际的效果。

2.3仿真软件教学使表面学习转变为底层学习

除了课件素材和模型以外，化学类虚拟仿真教学平台建设中还包括了“基础实验”、“专业实验”、“生产实训”三大仿真软件教学模块。其中，与化学反应工程课程相关的软件包括“CO中温－低温串联变换反应”、“乙苯脱氢制苯乙烯”、“催化反应精馏法制甲缩醛”等。以上软件的使用将学生对于理论课程的学习不再停留于公式推导、反应器结构等孤立的表面学，而是通过工业实例使学生将原理、实物、工业运用融会贯通，实现一种基于深层次理解的底层学习。这一过程使得该课程的学习效果显著提升。

2.4课上被动学习转化为课下主动学习

由于我校为二本院校且学生多来自少数民族地区，学生的知识基础较为薄弱，为了掌握课程内容需要反复练习和操作，需要更多的学习时间。但学校的实验设备和场地等硬件设施和资金均无法满足学生的长时间的课上学习。因此，我校化学类虚拟仿真教学平台建设投入部分资金建设了虚拟仿真网络共享平台，使得学生能够通过电脑、手机等客户端可以方便的访问学校的虚拟仿真软件资源。在课余时间，学生为了掌握课程内容、提升考试成绩，可以花大量的时间通过网络有针对性的对个别难点内容进行反复操练。这一举措将学生的学习由课上转变为课下，将学习方式由被动转变为主动。这一措施提升了学生对化学反应工程课程的学习热情，让教师有时间和动力去丰富共享平台资源，进而从根本上改变了课程的学习方式，提升了学习效果。

3成绩与问题

通过近一年的教学改革，我校化学反应工程课程的教学效果初见成效，学生对该课程的学习热情极大提升，课程期末考试优秀率增加至10～15%，学习效果有效提高。在实践过程中，我们也发现了不少现存问题需要解决。本次课程教学改革主要在于虚拟仿真技术和多媒体课堂授课之间的融合，由于探索时间短，故目前主要存在的问题都在于二者之间融合的兼容性问题，如:(1)如何实现多个课程之间的系统性融合从反应工程课程角度而言，新开的化工仿真和化工专业实验是反应工程学习的辅助课程，但从整个化工专业角度，三者均为专业教育服务，如何能将这局部与整体之间的关系进行融合是一个系统性问题。(2)硬软件资源与共享平台无法全方位融合目前，共享平台对于提升学生学习积极性和自觉性有很大帮助，但是由于共享平台和硬件、软件资源的接口不同，导致存在兼容性问题，要实现所有硬软件资源与共享平台的全方位融合需要学校和各个硬软件生产企业深入合作，这需要政策、人力、资金等多方位的支持。(3)实践硬件设备和专业软件之间缺乏直接联系目前，实践硬件设备和专业软件之间并无必然联系，有些硬件设备没有相应的软件支持，而多数软件也没有硬件实物作为对照，故而学生学习时对某个对象只能了解其硬件和软件方面，无法全面深入理解。为了解决这个问题，需要硬软件生产厂家提升自身产品研发深度，尽可能做到硬软件结合。

4结语

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关键词：经济管理 虚拟仿真实训 区域经济发展

为贯彻《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（教高【2006】16号文）中“不断推进教学资源的共建共享”的指导意见，加强对经济管理类专业教学资源库建设的统筹协调和指导，促进利用现代信息技术改革教学内容和方法。同时，为了顺应辽宁经济发展中对先进制造业生产管理人才需求的情况，我们将国家资源库内涵建设的思路与方法辐射到经济管理课程的建设上，在辽宁努力打造经济管理类跨专业虚拟仿真实训中心。

一、根据区域经济发展，辽宁对经管类人才的需求

近年来辽宁省经济发展迅速，特别是沿海经济带和沈阳经济区上升为国家战略，扩大了辽宁省的影响力。多年来，辽宁按照保增长、扩内需、调结构的总体要求，工业系统紧紧围绕装备制造业结构优化和产业升级，突出装备制造业的核心地位，推进先进装备制造业基地建设。“十二五”时期，产业集群以其独到的发展特征和经济效应，成为辽宁省结构优化升级、经济发展方式转型和区域经济发展的必然选择。到2015年，我省百亿以上产业集群将达到100个以上，其中五百亿到千亿的产业集群达到30个，千亿产业集群达到10个以上。随着我省产业集群的快速发展，辽宁省对各类人才的需求将大大增加，尤其对先进制造业生产管理人才提出了强烈的需求。

辽宁省《2010-2020年人才发展规划》中提到，到2020年，人才资源总量从现在的457万人增加到720万人，增长58%，其中包含经营管理人才95万人。在辽宁省重点企业重点项目紧缺人才需求分析中，急需人才岗位排名中第一位是机械（11.8%）、第二位的即为经营管理（9.8%），其人才需求以基层员工为主，半数以上企业不注重学历，以实际能胜任岗位为用人的着眼点，注重人才的实际能力。从606家企事业单位上报的未来五年紧缺人才需求情况，可以看到：人才需求将不断增长，人才需求总数是当前需求的1.37倍，需求热门的岗位包含财务金融、经营管理、人力资源。

在辽宁省的经济发展中，中小企业占据“半壁江山”，2010年的成绩单则显示，我省中小企业占全省生产总值的比重已经超过了六成。“十二五”期间，我省将按照国家总体部署，集中对12.7万户规模以上成长型中小企业和7.22万户成长型中小企业给予六大扶持政策。从辽宁省社会保障厅提供的数据来看，未来五年，我省中小企业需要高等职业教育的应用型技能型人才将达到33.4万人，其中基层管理岗位需要25.7万人，平均每年需要5.2万人，占77%以上。

“十二五”时期，辽宁省要完成经济的增长，迫切需要大批各种层面的经管类应用型人才。而传统的经济管理理念和方法已经无法满足经济高速发展的需要。现代社会对经济管理专业人员素质的总体要求是：创新型、应用型、复合型。经济管理人员不仅要系统地掌握管理、经济、法律等专业理论知识，还必须懂得相关产业的技术、生产流程、产品特性等业务知识。具有创新能力、创业能力、深入研究解决问题的能力、领导能力，以及高度的社会责任感。持续、快速、健康的经济增长目标与效率低下的传统企业管理方式之间的矛盾，催生了打造辽宁省经济管理类应用型专业人才培养基地（工商企业管理虚拟仿真综合实训中心）建设的思路。

二、建立经管类跨专业虚拟仿真实训中心的必要性

（一）培养高技能、应用型管理人才，为辽宁经济社会发展服务

建设经济管理类跨专业虚拟仿真实训中心是适应国家信息化与工业化两化融合发展战略对信息化管理人才的需要，是服务于辽宁经济社会发展的需要。随着辽宁产业结构调整、产业不断升级，人才需求结构在迅速变化，对高素质应用型人才的需求显著增加。本项目的实施可以为辽宁经济发展提供急需的信息化管理人才，并拓展管理类专业为社会服务的功能，开放学院教学资源，建立互动交流机制为我省企业服务，可以更好地为辽宁经济社会发展服务。

建设集管理工作场景模拟和管理软件模拟于一体的经济管理类跨专业虚拟仿真实训中心，在实践教学中引用企业经营管理虚拟仿真模式，将“走出校门”的要求与应用现代化教学手段相结合，采取教学方法、教学工具和手段创新的方法使学生置身于真实企业的运营管理氛围，模仿企业的实际运作状况进行生产的计划与控制等工作，可以让学生在紧张而极具趣味性的模拟运营管理中得到能力的锻炼、职业素质的提高，提高学生对管理的感性认知和岗位技能，培养高技能、应用型管理人才。虚拟仿真实训l中心的建立显得尤为必要和迫切。

（二）建设完整的跨专业实践教学体系，提供专业基础技能的综合训练

高等学校课程体系主要解决两个相关的问题：一是实现培养目标应选择的课程及其内容的深度与广度；二是各课程内容和呈现方式间的互相配合和衔接。课程体系是一个具有特定功能系统，不仅要将内部的要素诸如各类课程连结成一个统一整体，还必须充分体现培养目标和培养规格，适应社会经济发展的需要，反映科学技术发展的现状与趋势，符合学制及学时限制。

建设跨专业综合实训l中心能有效促进经管类专业实验教学内容体系的有效整合，对经管类各专业学生既具有较强的针对性，又具有高度的资源共享性，能够为各专业学生提供专业基础技能的综合训练。

（三）建设多位一体的实训基地，促进职业教育更好、更快发展

建设经济管理类跨专业虚拟仿真实训中心，可以使职业教育获得更有力的资源支持，将实训中心建成集教学、职业培训、职业技能鉴定、技术研发应用推广多位于一体的实训基地，能够使其成为一个辐射辽宁省的示范性工商企业管理培训基地，极大地改善工商企业管理专业群相关专业的实验实训教学条件。实训教学整体的实习环境和条件也将得到极大的改善与提高，为职业教育更好、更快发展奠定坚实基础。

三、建立经管类跨专业虚拟仿真实训中心的可行性

（一）校企共建模式创新

有专家预测，未来5年内，整个职业教育行业将根据“巩固现有成果、扩大合作范围、提升合作效率”的方针政策来开展校企合作的探索，以此继续拉升就业率。“校企合作”将会开拓更为广阔的空间，并呈现出“政府、企业、学校”三方立体合作的局势。

目前，很多软件公司已与高职院校签署了共建管理信息化人才培养基地战略合作协议书，成为校企合作战略伙伴，已经进入了实质性的工商企业管理虚拟仿真综合实训中心设计阶段。例如某软件公司，已与清华大学等多家院校共建管理信息化实训中心和经管类人才培养基地。软件公司对经济管理类跨专业虚拟仿真实训中心建设的不断加大投入，并深度合作，共同设计实训中心、共同开发实训l项目、共同培养人才，共同建设和管理实训中心。

（二）跨专业的协同训练

专业知识和具体实践是多对多的体系，一个具体实践需要超脱专业范围的综合理论束缚，不存在理论和实践的一一对应模式。因为实践的主体是人，专业或职业实践是一种社会活动，是人与人之间的合作，表现为人与人之间的相互影响。因此，很多院校在实践教学中关注协同训练的问题。

跨专业协同训练的教学活动已经在一些课程中开展。如《ERP沙盘模拟》，《企业管理设计》，《企业经营模拟》等等。由不同专业学生组成实验团队对多个专业领域知识和实践进行训练，沟通人与人、学校与社会、专业与专业之间的关系，学生通过训练掌握知识，培养实践能力和合作精神，掌握不同专业理论知识的应用条件和作用范围。

（三）特色专业实训与综合实训l的有机结合

根据经管类实践教学的发展规律，在完成了课程级、专业级、专业综合级实训l教学课程建设的基础上，可以通过经管类跨专业校内综合实训平台开设跨专业综合实训课程，培养学生的综合能力，形成特色专业建设与综合实训的有机结合。

各类学校也可以在跨专业实训l的基础上，进行特色专业平台的打造，实现实践教学的统一管理。在教学内容上实现学科体系到行动体系的转变。

（四）高度重视实践教学

“重基础、强实践”一直是经管类专业教学的基本原则。作为高等教育创新体系建设的重要组成部分，加强实验室建设以及加强实践环节教学也是教育部“质量工程”建设的重要内容，深化教学改革的重要体现。因此，各类院校都高度重视经济管理专业实训教学工作，并将实训教学改革作为人才培养模式改革的切入点，及以推动教学理念、教学体系、教学内容、课程体系、教学方法、教学手段以及管理体制、运行体制等方面的改革与创新。

近年来，各类院校已陆续建立了经管类专业实验室，培养一批有一定实训指导经验的教师和实训指导专职教师，这些工作为经管类跨专业实训中心的建设奠定了良好的基础。

四、经管类跨专业虚拟仿真实训中心的功能实现

以“立足学情、校企合作、突出特色、资源共享”为原则，通过统筹规划和高端设计，实现实训教学从分散管理向集成管理的转变，实训教学体系由重视单一能力培养向重视综合能力培养的转变，实验室建设从单独设计向综合规划转变，实验室功能从单一功能向综合功能转变，探索构建一个有利于“基础好、能力强、复合式应用型”人才培养的经管类综合实训l教学新模，建立一个经管类跨专业虚拟仿真综合实训中心。跨专业综合实训中心建成后同时具备四个功能：

（一）人才培养功能

经济管理类跨专业虚拟仿真实训中心是针对行业或岗位的技能培养而设立的工作环境，是系统的技能训练场所，其运行从形式上强调企业性，从运作上讲求职业性，它让学生在一个仿真的企业环境下进行综合能力素质的训练。而且虚拟仿真实训中心的建成，能够同时满足以工商企业管理专业为主体的经管类所有专业的课程单项试验、专业综合实训、认识实习、专业实习和毕业实习等实践教学的需要，并辐射辽宁省内其他同类专业院校。

实训中心的企业职能模拟训练既可培养学生的创业精神和实践能力，又可激发学生的创造性和创新思维，为辽宁经济的发展培养高素质的人才。

（二）资源共享功能

在政府有关部门的支持与协调下，把跨专业虚拟仿真实训中心建成省内实践教学及培训基地、人才培养中心和技能鉴定中心。这样，可利用有限的实训基地中心为社会和其他院校服务。避免重复建设，实现资源共享。通过资源共享，让学生尽可能多地获得职业技能的培训l与考核，积累较多的工作经验，提前与社会接轨，缩短就业上岗后的适应期。

（三）服务社会功能

可根据职业岗位群或专业技术领域对知识和能力的要求，制订相应的培训大纲和设置培训l项目。除面向高职高专学生上岗前的职业培训外，还面向社会开展职业培训，满足省内企业管理人员的进修培训、新员工岗前培训l、管理咨询、管理软件开发、各种认证考试等社会需要。

经济管理类跨专业虚拟仿真实训l中心逐步创造条件，成为职业资格鉴定中心，按照政府劳动和社会保障部门及职业技能鉴定机构对学生职业技能鉴定的具体要求，设置考核模块，建立试题库，供培训与考核选择。凡是经过培训的人员都可以在基地进行职业资格鉴定，取得职业资格证书，成为培训、考核现有技术应用性人才和进行继续教育和职业技能鉴定的重要基地。

（四）科学研究功能

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1建立虚拟仿真实验室的必要性

实验室是现代大学的心脏，是实践创新设想、产生创新思维和培养创新能力的重要场所。21世纪信息化的快速发展使教育发生了重大变革，教育信息化受到了国家的高度重视。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出：信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视［2］。教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》，要求“利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施”，推进“实验教学平台等信息化建设”［3］。虚拟仿真实验室的建设顺应了新常态下高等教育的发展趋势，是高等学校实验教学信息化的最新举措。以华中师范大学为例，近年来，学校坚持“一体两翼，建设高水平大学”的办学思想，大力推进信息化、国际化两项重点改革举措。在数字化建设和网络教育建设的基础上，华中师范大学整合心理、信息、工程等学科资源，依托2010年获批的“青少年网络心理与行为教育部重点实验室”和2012年获批的“国家级心理学实验教学示范中心”，大力推进心理与行为虚拟仿真实验室的建设，并于2014年1月获批建设“国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心”（以下简称“中心”）。该中心旨在贯彻教育部“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，将虚拟仿真技术引入心理学的教学和科研，更好地促进对处于多维信息空间中的个体如何与外部世界进行信息交流的理解和探索，成功模拟、实现了一批在传统实验室中无法做到，或者具有高风险和高成本的心理学实验教学项目，体现了绿色实验教学的理念，有效地拓展了实验的时间和空间，提高了心理学实验教学质量。

2虚拟仿真实验室在心理学实验中的作用

1989年，美国的Wulf教授提出了虚拟仿真实验室概念。虚拟仿真实验室使用虚拟现实（virtualreal－ity，VR）技术，综合了各种计算机技术和网络技术，是现代仿真技术的延伸。它是由计算机模拟真实的环境，参与人员对虚拟环境中的目标进行操控和交流，从而产生与真实环境相同或相近的体验［4］。对于心理学实验来说，虚拟现实技术可以很好地呈现视觉图形，也能呈现听觉刺激，而这两种通道是人获得外部世界信息的主要通道，占人所获得外部信息量的95％，是进行心理学研究的主要领域。VR技术不但可以较好地模拟、再现现实场景，构建某些基于伦理学原因无法通过其他手段使用的实验场景（例如道德两难问题的实验场景），还可以对其所模拟场景中的元素（包括刺激的内容和表象、任务的复杂度和被试的响应等）实施精确、实时、全面的控制与记录。总之，以虚拟现实为代表的虚拟仿真技术在心理学实验教学、研究中具有广泛的应用价值和深远的意义。

2．1突破时空和各种因素的限制

虚拟仿真实验室是基于网络平台的实验室，因此学生可随时随地进行学习和交流，不受时间、空间和实验次数的限制。对于某些传统实验教学中需要数天或更长时间才能观察到的变化过程，虚拟仿真实验室则可在较短的时间内将全部过程及结果模拟、呈现给学生进行观察分析［5］。以虚拟“数字化生理心理实验平台”为例，它的界面设置简洁、选单操作清晰，只需进行点选就能完成高度复杂的虚拟解剖实验操作，获得连续人体断层扫描数据信息（每个断层厚度约1mm），能涵盖人体所有的解剖结构。该系统有助于教师和学生全方位观察人体任一器官的形态、内部结构、在人体中的位置以及断层中的位置，并且可以做任意角度的旋转观察，可方便地用于系统解剖学、局部解剖学、断层解剖学以及运动解剖学等多门课程的教学，摆脱了传统生理解剖实验对实验动物和人体器官模型实物的依赖。此外，通过借助校园高速无线网络，学生在校园各场所（教室、图书馆、宿舍、运动场等）都可以随时随地登录客户端，高速、快捷、互动地开展生理心理实验项目，从而达到突破实验课时空限制，随时随地开展数字化生理、心理实验操作。

2．2创新虚拟仿真实验项目，丰富实验教学内容

实验项目建设是实验教学的灵魂。虚拟仿真实验室在改进、完善传统实验项目的基础上，重点补充了有助于提高学生研究、创新能力和动手能力的创新型虚拟仿真实验项目。中心在实验课程建设方面明确提出：在虚拟仿真实验项目建设中体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。中心明确要求骨干实验课教师根据自己实验课程的专业特色，将传统实验项目与虚拟现实技术相融合，将每门实验课程安排20％～30％的学时开展虚拟仿真实验教学。在实验内容方面，新增加的虚拟仿真实验项目既包括相关学科最新、最前沿的一些实验，也包括一些利用已有科研成果转化的实验教学内容。通过持续的实验项目建设，实验项目库不断扩大和创新，大大地丰富了实验教学内容，为学生提供了实验的多样性和灵活性［6］。目前，实验项目库中已增加了近30项心理学综合性、创新型实验，例如：“虚拟学习情境中注意多动障碍儿童认知加工特征”、“虚拟现实在社交焦虑症治疗中的应用”、“虚拟现实在恐高症治疗中的应用”、“虚拟创造性问题解决实验”、“虚拟儿童养育系统”、“虚拟情境下执行功能检测和训练”、“虚拟情景中人类空间导航”等实验项目。

2．3模拟高危环境，避免实验风险

利用虚拟仿真实验室可以模拟一些在传统实验室中无法做到的有高度风险、高成本的实验教学项目。以虚拟心理咨询与治疗实验平台为例，通过构建一系列能够使恐高症患者产生恐高心理的模拟实验场景（例如观光电梯、高楼顶层、空中索道、悬崖顶端等），然后让患者反复暴露在这些场景中，利用系统脱敏法减少患者的恐高心理。虚拟仿真治疗中的任何一个恐高症模拟场景，都可以应患者要求随时开始、暂停、中止和结束。这使得虚拟场景治疗方法更安全、也更具有弹性。虚拟仿真实验对真实事物的模拟，使危险系数较真实实验降低很多，学生无需为自己的失误承担后果，给他们带来更多的安全感，满足学生心理安全的需要。

2．4开放性和共享性

虚拟仿真实验打破了传统实验的模式。学生利用课余时间登录网站，输入正确的用户名、密码就可进入虚拟仿真实验室，选择相应的实验项目就可以进行虚拟仿真实验操作。以虚拟现实心理实验平台为例，该平台依托虚拟现实、多媒体呈现、人机交互、数据库和高速网络通信等技术，构建高度仿真的心理与行为虚拟仿真实验环境，让学生在虚拟环境中进行实验，达到教学大纲所要求的教学效果［7］。在实验教学中，教师和学生无需亲历每个真实环境，却能最大化地体验真实环境，开展实验教学和示范应用。中心的虚拟仿真平台还可以帮助尚不具备真实实验条件和心理学应用服务条件的地区，大幅度提高实验教学和心理学应用服务水平，实现心理学实验教学资源的地区平衡和最大化共享。再以“数字化生理心理实验平台”为例，该平台所有教学过程的中间环节都能够以图像方式输出，并支持音频、视频文件导入。因此，教师的教学过程、学生的学习过程以及师生的互动过程都可以通过添加语音、视频标签的方式保留记录。该设计思路旨在方便教师编辑教案和解答学生提出的疑问。教师和学生也可以就虚拟仿真实验教学和学习过程中遇到的问题，在中心教学管理平台的“互动交流”频道开展反馈与交流。

2．5提供多项虚拟心理学实践技能训练项目

华中师范大学是一所具有鲜明的“教师教育”特色的部属重点师范大学，不但重视培养学生较强的基础教育和基础研究能力，也高度重视培养面向社会、面向市场的理论与实践结合的复合型、高技术人才。利用本中心的专业资源优势和虚拟仿真技术，华中师范大学心理与行为虚拟仿真实验教学中心面向校内高年级本科生、研究生，提供了多项以实践技能为导向的大型综合性心理学实训项目。这些大型实训项目，依托当代最前沿的虚拟现实技术，广泛采用网络视频、在线交流、多媒体演示等信息化教育手段，模拟学生在课堂管理、教学技术、心理咨询与治疗等过程中所接触的实践场景与环节。通过数字化教学演示和学生在虚拟实践平台中的反复练习，让学生将心理学理论知识与解决实际问题的实践技能相结合［8］。这种虚拟仿真的实训方式既生动又安全，又可对场景多次重复，有助于培养学生的实践创新能力。

2．6绿色环保，降低成本

传统的实验需要借助于具体实验设备，然而实际使用的一些实验设备昂贵、损耗大、实验成本较高；而虚拟仿真实验室最大的优点是成本低。虚拟设备只是概念上的设备，没有磨损、损坏，可供学生无限次重复使用。另外，由于虚拟仿真实验室设备是由软件虚拟出来的，因此可有效避免大型设备重复购置，在同一计算机中运行不同的实验系统就可构建不同的虚拟仿真实验室，使实验室建设成本降低。此外，虚拟仿真实验室不会出现传统实验室因管理不善造成的仪器损坏、器械丢失等问题，使实验室运行成本降低。虚拟仿真实验室在教学前无须准备各种器械、材料，教学结束也无须进行琐碎的整理工作，维护管理工作量减少，使实验室管理成本降低［9－14］。

3结束语

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目前基础医学实验教学模式大多仍然遵从传统的医学实验教学模式，在进行实验教学和管理的同时也暴露出许多问题。一是现有的教学模式都是教师先讲解实验步骤，学生再一步一步做，与其说做实验不如说体会实验过程，学生在其中很少能够得到思考，只是机械地完成课程任务，这样的教学模式无法培养学生学习的主观能动性与创造性，也不会激起学生的浓厚兴趣，更不会深刻理解教学内容从而学以致用;二是课堂实验开展的仅仅只是一部分有代表性、易操作、经济、常用的简单实验，对于那些需要昂贵仪器、比较耗时的实验大多并不开展;三是实验课的资源(如实验动物、仪器设备等)紧张，经常多人共做一次实验，而开展的实验大都较为简单，可以自己独立完成，某些复杂实验因为资源紧张只做教学示教，没有锻炼机会，这些都不利于学生动手能力的提高及对实验的理解;四是随着科技的不断发展，一些高端精密仪器设备也逐步应用于基础医学实验教学当中，但是生均实验设备拥有量低，而且该类仪器由专人操作，采用示范教学的方法，不利于学生培养;五是部分基础医学实验标本和耗材难于购置(如局部解剖学、断层解剖学等课程需用的大量尸体，部分稀缺微生物寄生虫大体标本，蟾蜍、狗等特殊实验动物等)，导致资源的极度紧张;六是某些实验存在危险性，如分子生物学实验和免疫学实验所必须使用的一些试剂有剧毒或神经毒性，医学微生物学实验中必须用到许多致病菌(如大肠杆菌、痢疾杆菌、结核分歧杆菌等)，一旦学生操作不慎或失误都会对学生的健康造成威胁。

2基础医学虚拟仿真实验教学中心建设的目标

基础医学虚拟仿真实验教学中心是针对本校的管理需求，采用先进的设计理念和教育技术，整合国内外成熟的虚拟实验研究成果，与机能学实验、形态学实验、人体解剖学实验、断层解剖学实验、局部解剖学实验、分子生物学实验及病原生物学实验相结合，研究开发和部署开放式虚拟仿真实验教学的管理和共享平台，提供数字化网上实验教学环境，在全校范围内开展应用。在现有的校园网和省级医学基础实验教学示范中心平台的基础上，以各个学科的特点建设不同的虚拟仿真实验模块，实现以学生为主体、全天候开放的基础医学虚拟仿真实验教学平台。搭建“真实与虚拟相结合，教学与科研相结合”的现代化实验教学平台，创建了“理论授课－虚拟实验－实验室教学”融合的医学基础类学科实验教学体系，为医学教育科研服务。基础医学虚拟仿真实验教学平台包含机能学虚拟仿真实验平台、形态学虚拟仿真实验平台、人体解剖学虚拟仿真实验平台、分子生物与免疫学虚拟仿真实验平台4个虚拟模块。主要目的在于实现虚实统一、网络学习与课堂模拟相结合，使现代计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、仿真技术等多种技术融合于基础医学实验当中，为学生提供一个新的学习环境，激发学生的学习兴趣与热情，提高学生实体操作的动手能力，激发学生对科学实验的兴趣，真正实现绿色、安全、经济的实验教学。基础医学虚拟仿真平台的建设将为学校大大节约实验动物、实验用尸体标本、显微镜、切片购置和维护成本，解决珍稀标本如胚胎等和尸体标本的来源。同时使基础医学各学科实验教学内容优化重组，增加观念创新、实验技术创新的设计性、综合性实验，培养学生的创新意识，增强学生分析问题、解决问题的能力及跨学科综合运用知识和动手的能力。

3基础医学虚拟仿真实验教学中心建设模式的探索与实践

3．1优化实验模式

在基础医学实验教学设计中积极探索各种类型实验的优势互补，将动画模拟、虚拟仿真、录像和实体实验优化组合。对于生理、病理及机能学等实验可使模拟医学实验教学系统和原有的多道生理信号处理系统实验软件配合，使高仿模拟实验、实验指导实现随意切换。每一个教学实验包括实验指导、模拟实验、动手实验3大部分。可完成多达几十个实验项目，介绍生理科学实验的仪器常识、常用仪器设备，常用实验动物种类、品系、实验操作技术等知识，拥有多部生理学、病理生理学和药理学操作视频。高仿实验有真实实验场景，实验仪器、装置、实验对象与真实实验现场情况一致，实验仪器界面和操作与真实的道生理信号采集处理系统相仿;实验步骤按实际实验设计;实验操作与实验对象的活动应用实景动画;实验数据进行生理指标的定量分析测量，并可导出。可满足不同学生的需求，增强学生对机能学实验的兴趣，提高学生在真实实验中的动手能力，能节约部分实验动物，并且能解决以往在实体实验时由于操作失误导致实验动物的浪费现象。针对系统解剖学、局部解剖学、断层解剖学、麻醉解剖学课程将虚拟解剖系统与传统的尸体解剖实验相结合，可开设几十个虚拟仿真实验项目，可查看彩色塑化切片图像，可根据教学需要锁定显示画面，3D解剖模型与2D切片截面图像完美结合，带来无与伦比的视觉感受，可完全满足临床医学、影像学、中医骨伤科学等特殊专业对解剖学课程的不同要求。使现代医学解剖教学摆脱了日常教学中对尸体解剖的完全依赖，满足教学需要，并可缓解教学尸体紧缺的难题。运用3D技术并有机合理地组合文字、图片、声音、动画、视频等多种媒体，把枯燥乏味的课堂知识形象、生动、活泼地展现出来，让学生在生物化学与分子生物学实验中摆脱以往的抽象枯燥且具有一定危险性的实验环境，让学生在快乐中轻松地掌握更多分子生物与免疫学实验的知识，能够在虚拟仿真的过程中掌握聚合酶链反应(PCR)技术，克隆核酸电泳，琼脂糖凝胶电泳，测序DNA、RNA提取，逆转录cDNA，以及蛋白免疫印迹(Westernblotting)等实验技术相关的实验项目，可减少分子生物和免疫学实验过程中有毒、有害物质对学生的伤害;减少分子生物与免疫学实验过程中对耗材、试剂、抗体等昂贵实验材料的需求以减少实验经费，使学生通过虚拟仿真实验掌握基本技术、操作步骤以及特殊仪器设备使用后能顺利完成实体实验，同时，分子生物学与免疫学虚拟仿真实验也可作为对本科生、研究生及教师科研基本功的培训。

3．2流程化的实验管理

注重操作细节，规范实验管理，通过虚拟仿真实验平台可完成实验教学的全流程业务功能。通过实验课程管理、实验教学设计、实验教学安排、实验前预习、实验过程指导、实验结果批改、实验成绩分析等，实现对实验教学过程的全流程跟踪。各类教学资源建设也进行流程管理。基于网络的流程化管理有效促进各种类型实验的统一安排、优化组合，提高实验教学工作的效率和规范，为开放共享虚拟仿真实验资源奠定良好基础。

3．3智能化的教学服务

为了减轻实验指导教师的工作量，提高实验教学的质量和效果，在课前预习阶段，采用智能组卷技术对学生进行应知应会测试。在实验过程中，采用人工智能技术，实现虚拟仿真实验的网上实时智能指导，根据实验过程中的问题，阶段性地对学生进行个性化的有效指导。实验结束后，对学生的实验结果和实验报告进行自动化的辅助批改。整个教学过程中，学生随时可以通过智能答疑系统答疑，学生可搜索常见问题，与教师实时互动或者向教师发送邮件。实验管理者和教师可以对实验过程的数据进行详实的统计与分析，通过大数据挖掘，发现教学过程中的问题，改进实验教学。

3．4规范化的资源建设

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关键词：3D虚拟仿真；教学实训模式；实训创新改革

中图分类号： G712 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）03-154-2

0 引言

在现今的高职院校当中，对学生开展的教学活动具有针对性的特点，在专业课程学习过后，要为学生对理论知识掌握能力进行检验锻炼和提升，这对学生的成长和专业技能的掌握具有重大的意义。而在以往实训教学课程活动开展的过程中，由于受到环境和设备的影响，很多具有危险性的教学活动无法正常开展。这样对学生能力和技能的锻炼产生一定的影响。因此，在高职院校中开展3D虚拟仿真形式的教学势在必行。

1 3D虚拟仿真形式教学实训的作用

1.1 能够创建仿真的教学环境

由于3D虚拟仿真形式的实训课程能对实际的教学内容进行模拟，为学生提供了良好的锻炼环境。采用仿真技术所建立的技能训练，能对实际课程内容所需要的真实环境、工艺和工具进行全面的模拟，这样的环境使得学生如入真实的环境，通过使用计算机中设计的相应系统，实现对各个单元控制操作装置和生产设备设施采取仿真形式的操作，在这样的模拟操作下，能够达到相同的实验结果，真正实现了对学生开展实训课程教育的意义[1]。

1.2 降低学生实训过程中潜在的安全风险

由于3D虚拟仿真形式的模拟课堂能对真实的教学环境进行模仿，仿真实训系统为学生创设了优质的教学环境，很多具有安全隐患实训课程无法为学生呈现。导致这样原因的因素是高职学校的相应设备和设施不完善，很难保障学生在实训阶段的安全性。而3D虚拟实训课堂的建立和出现，为学校解决了这样的问题，在提升学生个人能力的同时，能保障学生专业技能和技术的熟练掌握，这对学生和学校具有重大的意义。另外，省去了教师在开展实训教学活动中对安全方面的顾虑，能全心全意地为学生进行示范，降低了实际操作中错误操作导致不良后果出现的概率。

1.3 为学生获得双证书提供便利的条件

通过3D虚拟仿真实训教学模式的开展，不仅能到达以上几种教学效果，同样提升了实训教学课程开展的效率。这是由于在传统的实训课程开展的过程中，在课程准备、教师示范和学生演练等环节中，耗费了大量的时间和精力，每周开展的实训课程的频率较低，这样的方式不利于学生对专业课实操能力的学习和锻炼，延迟了学生活动实操证书的时间。而在采用3D虚拟仿真形式的实训课程之后，学生得到锻炼的频率较高，增加了锻炼自身专业技能的次数，提高了学生的实操的水平，进而提升学生的获得双证书的概率，为学生的证书含金量的提升提供了重要的保障[2]。

2 3D虚拟仿真形式教学实训的建设模式

通过上文的论述得知，3D虚拟仿真形式课堂的开展，为学生提供了较为优质的学习环境，提升其自身专业实际操作能力。这是由于3D虚拟仿真课堂的开展融合了众多先进的技术和设备，这样实训课堂的开展才更具有高效性。但是与此同时，也增加了学校在该方面的投资，对于普通高职院校而言，成为一种负担。基于这样的状况，学校在开展这样的教学活动的过程中，应借助相关合作单位的力量，开展校企合作来为学生创办更好的教学环境。例如，计算机科技公司和电气设备生产企业，在第三方的帮助下，完成对3D虚拟仿真形式实训课堂的建设，这样不仅能为学生提供良好的学习环境，减轻学校的经济投资压力，同时也为社会培养了专业性较强的综合型人才[3]。

3 3D虚拟仿真形式教学实训改革内容探究

3.1 实训教学平台的设计

3D虚拟仿真实训教学平台是服务于教学活动而设计的，通过对高职院校中相关零部件与组装技术实际操作的联系，进行完全的模仿，并最终实现在网络平台上，为学生的使用提供便捷的服务。在这样的教学模式中，教师可以开展远程教学的模式。让学生根据3D虚拟仿真课程中的内容来锻炼专业的技能，完成教师分发的任务，而教师也能通过这样的平台来完成对学生学习技能的效果进行评价。在对该平台进行建立的过程中，应保障其支持介入市面上主流建模工具相应的模型文件，通过对内置转换到平台中进行设计。另外，该平台中还需要提供更多模型库与建模的工具，同时还可以按照学校需求实现其他课程和专业的3D虚拟仿真课程的开展[4]。

3.2 实训课程设计的重点

在整个3D虚拟仿真课程开展的过程中，存在很多不可预计的差错发生。因此，为了更好地避免在实际应用过程中出现多变性的事故发生，在对3D虚拟仿真课程进行设计的过程中，应注重以下几个方面。一是对业务进行分层设计。为了保证各个仿真实训课程顺利地开展，在设计环节中，应对所有操作的流程独立的设计，这样能保障各个系统之间相互不受影响。二是将实训结果进行分类设计。为了让学生在参与实训教学过程中获得较大的成长，应对实训后的效果进行评价，将成绩合格与不合格进行分类设计，并对当中操作不当的部分呈现给学生，使学生明确自身存在的不足，进而及时改正。

3.3 实训课程教学模式设计中应用的关键技术

在3D虚拟仿真课程进行设计的过程中，主要使用的关键技术有以下几种。一是3D建模技术。由于该殊形式平台和系统的设计有仿真的效果，对3D建模技术的应用必不可少，该种技术主要是通过对三维空间进行构建，并构建出三维形式的数据信息模型，能够满足实训环境下资源模型的需求。其中代表性的系统软件有Maya、3Dmax。二是3D软件编写程序。主要是通过计算机程序对三维物体模型进行绘制，进而实现对该模型的管理和操控，例如，位移和属性变化。现阶段，在市场上主流开发软件经常使用的软件是Unity3D，能对三维动画进行设计，并能支持多种不同类别的计算机脚本语言，具有较高的智能性[5]。

4 3D虚拟仿真形式教学实训形式展望

随着计算机技术的开发和应用，为当前高职学校提供了有利的技术支持，同样在科学技术和系统软件的升级下，在未来的发展中，更多先进技术将会使用在3D虚拟仿真实训课堂中。采用3D虚拟仿真技术的三维立体效果模型的建立、信息数据的实时交互、信息属性的抓取的特征，将对有效促进教学实训后得到的教学效果，有效地解决了实训投资成本高、实训效率低、各项资源耗费大和环境污染严重等方面的问题。在教学理念与3D虚拟仿真技术的升级下，3D虚拟仿真实训教学活动的开展，能为现今更多的学生提供优质的教学服务，并在不断的试验和修正中得到完善和提升，进而更好地应用到各大高职院校中，檠生实训课程的开展提供技术支持。

5 结论

通过本文的论述得知，在现今的高职院校中，对学生开展实训的教学活动受到很大的局限，这样不利于学生专业技能的培养和锻炼。通过3D虚拟仿真形式实训课程的开展，能为高职学校解决开展实训课程面临的难题。基于3D虚拟仿真形式实训课堂具有众多的优势，单靠学校拥有的资源很难顺利地完成实训课程的改革和创新。因此，要借助于第三方的力量来完成对该种新型教学模式的设计。在本文的论述中，对3D虚拟仿真形式教学实训改革内容进行探究，通过对实训教学平台的设计、实训课程设计的重点及其应用的关键技术进行分析，望能促进D虚拟仿真形式实训课程的创新和改革，进而为社会培养更多优秀的人才。

参 考 文 献

[1] 王娟，吴永和，段晔，等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015，01：62-71.

[2] 梁承龙，莫品疆.建筑工程技术课程教学中虚拟实训室的研究与实践[J].经营管理者，2015，08：372.

[3] 周鹏，潘燕.虚拟仿真技术在高职教学中的应用[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2015，05：43-45.

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关键词：学习内容；管理机制；工程管理

一、前言

工程管理虚拟仿真教学依托仿真实验工作环境以及仿真实验系统，教学信息量大、直观、全面、客观，打破现有的实践和实验教学管理模式的限制，已成为工程实践教学发展的必然趋势。国内很多高等院校已经开始建设虚拟仿真实验教学中心，通过对施工项目建立三维虚拟仿真环境，分析研究规划、设计、施工、管理中存在的问题。因此，工程管理虚拟仿真教学的培养模式和运行机制方面的研究与实践，已成为亟待解决的问题。

二、工程管理虚拟仿真实践平台基本结构

虚拟仿真教学平台建设的目标就是高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。平台整合学校购置的实验软件，通过系统间的无缝连接，使之达到整体的实验效果。开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台的基本架构见图1。

三、工程管理虚拟仿真实践平台的学习内容与管理机制

1．主要仿真模块构成包括工程项目管理模块、工程造价管理模块、工程合同管理模块和工程管理BIM设计实施管理综合模块四个部分。2．主要的功能层次构成(1)第一层次———是专业学习基础课程入门阶段的模拟仿真实践，巩固理论基础，增强专业知识的理解与应用。(2)第二层次———开放型综合实验的构成。(3)第三层次———创新科研型实验的构成，以学生科研创新为基础，以各类竞赛为切入点。

四、工程管理虚拟仿真实践优势分析

综合来看，虚拟仿真实训具有以下特点:1．情景性。全部训练在三维场景下进行，学生模拟真实，弥补了下现场难的困难。2．过程性。虚拟仿真实训以真实工程项目为背景，以施工工艺为主线，以技术规范为指导，具有较强的实用性。3．交互性。实训贯彻以学生为主体的思想，设有项目设计、施工组织、项目管理、造价分析等环节，可以在网络环境下由学生自主操作，突出了技能训练。

五、结语

工程管理虚拟仿真实验实践教学应面向社会变革和教学实际需求，构建虚拟仿真实验实践教学一体化模式，学生综合应用知识解决工程实际问题的能力将得到增强。不仅能够推进专业课和综合设计实践的教学需求，还对挑战杯、BIM大赛等提供有力的软硬件的支持和保障。同时，工程管理专业学生通过与企业联合开展仿真案例教学培训，积极参与生产实践，从而提升学生就业的能力优势。

参考文献:

［1］李慧，张静晓．开放型工程管理专业仿真实践教学构建研究［J］．高等建筑教育，2012，(01):116－121．

［2］熊梅．工程管理专业实践教学研究与改革探讨［J］．价值工程，2012，(12):237－239．

［3］邹祝英，彭文武．仿真教学在工程教育中的应用分析［J］．衡阳师范学院学报，2012，(02):146－149．

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关键词：虚拟仿真；实验教学；材料学科

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）27-0267-02

一、引言

实验教学是工科院校历来特别重视的教学环节，实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节，担负着培养学生动手能力和创新实践能力的职责，尤其是实验性质特别明显的材料学科更是如此。当前，国内多数开设材料科学与工程一级学科的高校均实行大类培养，对所有材料学科的本科生均开设了诸多专业基础课。由于实验教学内容的多样性和破坏性，其呈现出课时多、班级多、实验项目多、实验消耗大、耗时长、设备仪器复杂和占地面积较多等特征。尤其在招生规模扩大和实行小班分组教学之后，使得实验教学的困境越发明显，实验教学经常呈现顾此失彼、疲于奔命的情况。

二、传统实验教学存在问题

当前，传统的实验教学体系具有一定的局限性，表现在以下几个方面：（1）培养方式一成不变，学生在接受实验授课时为“多对一”的培养模式，也就是一个老师要为一个班甚至一个学院来做服务；（2）由于课时关系，在有限的课堂时间内，学生的接受能力有限，难以在有限时间内充分理解课程内容和实践环节，经常是一知半解，课后的习题和报告册也是草草了事，效果非常不好；（3）学生在实验课堂上很少有参与感，亲身感觉还不够到位；（4）实验教师队伍整体水平还不够高，个别教师长期为一线实验操作人员，难以科学地、直观地展示所有教学内容，展示的深度和广度还不够；（5）实验教学资源平台各司其政，实验教学示范中心的优质数字化资源没有充分系统化和条理化，各个平台上的教学资源不能得到有效共享，没有使其社会效益和经济效益得到最大化的利用。

三、虚拟仿真在实验教学中的应用

近些年逐渐兴起的虚拟仿真技术日益成熟，也逐渐应用于实验教学中来。虚拟现实（VR）技术、增强现实（AR）技术和混合现实（MR）技术的逐渐兴起可以利用计算机生成模拟环境，将多源信息的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，能够生成近似真实环境的视觉、听觉、触觉、感觉等感知信息的虚拟环境，使用户沉浸到该环境中，实现虚拟世界与现实世界的混合世界体验，达到虚拟仿真的终极形态。美国学者Ivan Sutherland提出虚拟现实技术概念的雏形，其是利用计算机生成一种三维模拟环境，通过各种传感设备和输入输出设备，使得用户有亲身经历的感觉。基于虚拟现实技术的力学性能实验可以使得学生在客户端下载APP或者在电脑前就可以完成以前必须进入实验室才能完成的实验课程项目。借助专用设备和虚拟仿真技术具有的多感知性和模拟的浸没感，使得用户感到自己以第一主角的身份存在于模拟环境中，借助理想的模拟环境完全投入到三维虚拟世界中去。而且，学生能够在体验过程中感受到最为重点和直观的知识点，使学生的学习效率更高。同时，虚拟仿真技术在力学性能实验中的应用使得现有实验台套数不足和实验教师不足的情况得以缓解。而且，整个实验的过程可重复性好，数据稳定，学生对实验掌握得更好。

四、材料学科的虚拟仿真课堂建设

1.虚拟仿真课堂构成。材料学科虚拟仿真实验课堂建设包括管理和虚拟仿真实验系统两个部分，如图1所示，其中，管理包括材料学科实验课堂的学生管理、实物实验预约申请和结果评定；虚拟系统指的是具体的虚拟实验项目建设，每一个实验项目包括全局演示、指导教师操作演示、主观操作模拟实验和互动交流四个部分。

2.虚拟仿真课堂功能。进入虚拟仿真课堂主界面后，选择不同模块进入不同的虚拟仿真实验项目，例如：《材料科学基础》实验中的原子堆垛方式、三元相图和《材料的力学性能》实验中的断裂韧性试验等内容，每个实验项目都包含以下内容：（1）全局展示：在虚拟仿真课堂开始，对实验中展示具体实验项目的基本原理、实验依据、设备操作步骤、试验方法制定过程、数据结果格式进行全局展示。学生可以通过原理展示对整个实验过程有一个总体的把握。（2）指导教师操作演示：在掌握原理之后，实验教师通过规范的实验操作步骤对具体的细节内容进行进一步的讲解，利用虚拟课堂中便捷的图文并茂的方式，使得学生快速、有效了解实验过程及数据结果处理方法。（3）主观操作模拟实验：这一部分是整个虚拟仿真课堂的核心部分，学生在客户端通过自行操作进行实验学习，操作错误会及时给出错误提示，并解释原因。学生可以通过自行设置样品尺寸、试验参数、变形条件、环境温度等信息，从而得到不同的试验结果，并辅助以实物实验的视频资料作为参考，最终提交实验报告，系统自动进行打分排名。（4）互动交流：学生在虚拟仿真课堂中遇到的问题和疑难点通过在线与实验教师进行交流或者通过学生之间进行分享，教师实时可以监测学生的虚拟实验进度及出错情况，优选出错率最多的部分进行着重讲解。

五、使用效果及未来展望