虚拟仿真实验技术范文

导语：如何才能写好一篇虚拟仿真实验技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：生命科学；技术虚拟；实践教学；实验教学体系

伴随着互联网技术的不断发展，现阶段我国教学模式在各个阶段、各个领域均呈现出了信息化和数字化。从小学到大学，从社会研究到企业研究。教学模式的信息化，标志着教育体制的发展迈向了一个新的发展高度，其中，信息化的教学方式是提高受教者享受技术教学的根本。所以，要不断挖掘传统教学模式中的弊端，不断将信息化与数字化的教学模式引入教育中去。其中技术虚拟仿真实验作为推动信息化教学的重要模式，不仅能够弥补传统“填鸭式”教学模式的不足，更能够通过互联网技术来满足智能类和通讯类的专业的试验需求。借此来推动教学质量的提高。

一技术虚拟仿真教学体系建设的必要性

（一）满足信息类与技术类专业的需求

互联网技术的发展与信息化生产市场的形成都是相关技术知识普及的结果，为此，便与教育中的知识推动技术的发展和技术反推动教学的进步形成了相互作用的关系，为此，强化技术虚拟仿真实验教学体系的建设，便可以对现阶段高校的技术类专业进行支持。例如，计算机专业、通讯专业、智能化专业、电子元件专业等。现阶段我国高校在进行信息与自动化专业的教学时，必须要结合相应的教学器材和教学设备进行，只有让学生摆脱传统的课本理论学习方式，将理论付诸于实践才能促进实用性价值的提升。为此，部分高校在对相关专业进行教学时，便采购了相关的大型设备，如中央空调和交直流电机等。值得注意的是，这些设备的应用率并不高，加之高额的经费需求，便形成了资源浪费的状况[1]。而且，许多高校的经费紧张。为此，就要大力推广技术虚拟仿真实验教学，该教学模式不仅能够让学生在学习的过程中，通过分组实验的方式加强学生的理论应用能力，更能够提升教学质量和学生的探究能力。通过技术虚拟仿真实验教学与实验室中的试验实物进行结合，让学生在仿真试验教学中体会相关知识的原理结构，进而满足相关专业的需求以及避免教学资源浪费。

（二）提高教学的时空范围

技术虚拟仿真实验教学已经成为了现阶段我国对相关智能化与信息化专业教学的必备方式。这不仅是学校自身经济条件限制所决定，而是教学模式科学化、高效化的要求[2]。为此，在对计算机专业和电子设备类的专业进行教学时，为了能够加强学生的理论研究能力和实践操作能力，就必须加强技术虚拟仿真实验教学的应用，唯有如此，才能真正实现教学信息化和智能化。技术虚拟仿真实验教学是以互联网技术为依托的。众所周知，互联网技术的互动性和时效性极强。为此，通过技术虚拟仿真实验教学，不仅能够提高相关专业教学的时空范围，更能够促进学生对所学知识的良好“消化”。

（三）培养学生对试验教学的自主性与积极性

在传统的试验教学课程中，学生的实验经常受到仪器数量的限制而不能高效的对所涉及的知识与理论进行了解。很多学生在课程中缺乏详细的指导而对相关知识点产生抵触情绪，对教学质量的提高产生了消极影响。而技术虚拟仿真实验教学不仅能够让学生通过虚拟的试验进行随心所欲的实践操作，更在每一步的试验过程中添加了详细的指导。让学生在试验学习的过程不断形成自主实验、自主学习的习惯[3]。能够让学生在学习中体会到实践学习的乐趣，进而提高学习的积极性。

二构建生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的流程

在生命科学与技术虚拟仿真实验教学中，其具体体系的构建要遵从一定的流程。为此，笔者对相关过程做了整合，具体如下：

（一）内容建设

实验教学中要对相关的教学内容做出具体的分类。因为，不同专业的学生所涉及的知识点差异极大，将不同学科的知识进行分类才能有针对性的进行教学，技术虚拟仿真实验教学的应用从外在的形式上看就是对不同专业的学生进行“因材施教”。通过新媒体的虚拟技术来为学生搭建生命科学实验学习平台，进而提升针对性的知识教学。

（二）加强对实验教学的预判

在这部分内容上，旨在加强学生对所学知识点的预习。学生在进行技术虚拟仿真实验之前，首先通过计算机对相关的知识结构和理论体系有一个明确的认识[4]。例如，红白细胞病变过程中，要在实验进行之前就对相关的内容进行预习。进而避免在实践操作的过程中产生理论上疑问。

（三）提高实验项目的标准

技术虚拟仿真实验教学要具备良好的直观性和立体性。为此，在对专业化的数据进行分析研究时，让学生在实验的过程中多添加一些表格和图形。避免通篇的文字理论，若条件允许，还可以通过红外探测等设备来作辅助教学器材，让学生在实验中体会到更好的视觉效果。

（四）方式建设

在进行技术虚拟仿真实验教学时，要充分将人物和场景进行有机结合，打破“传统信息化教学”模式的单一性，积极利用电子显示屏来对相关内容进行讲解。

（五）增加协同实验研究性

技术虚拟仿真实验教学中，增加学生之间的协同工作能力是其中重要一项。虚拟实验中，学生无论是时间还是空间，都处于同时进行的状态。为此，通过加强学生之间的协同配合来完成实验，便对学生合作能力的培养具备重要意义。技术虚拟仿真实验教学的过程中，要积极调动学生之间的互动，学生分组进行试验研究，并对学习中所产生的问题通过共同探讨的方式解决。增加协同配合学习的能力。

（六）“软件”与“硬件”兼施

技术虚拟仿真实验教学的过程中，要重视对试验器械的选择，对实验中所运用新媒体设备要过关，避免学生操作的过程中出现硬件意外事件。否则会打乱学生实验的进度，影响学生学习的连续性，对教学质量产生消极影响。此外，还要强化软件场景的建设，在对血红蛋白分离纯化的实验进行研究时，要对实验学习的内容进行“模块化”，将学生要研究和实验的领域进行不同模块的构建，让学生从不同模块中挑选出对自己实验有帮助的数据[5]。这样不仅能够让实验针对性强，更能让学生自主的对不同知识点进行安排分析，形成有序的研究学习过程，提高学生的逻辑能力和综合运用能力。

（七）教学评估

在生命科学与技术虚拟仿真实验教学的体系中，教师在教学中所呈现的引导作用被逐渐弱化。为了能够明细教学质量标准，就必须对相关的教学评估进行体系化的建设。第一，要对方案的流程进行评价，学生在进行实验学习的过程中，其提供的方案选择，必然会存在一定的差异性。为此，要对其中的优秀方案进行整理；第二，虚拟试验教学中的交互环节评估[6]。在这部分，旨在评估学生是否在学习中建立完善的理论知识储备，在实验进行的过程中，对每一步的试验弹出一个相关问题，只有答对才能进行下一步的操作。

三结语

伴随着教学模式的不断完善，信息化教学模式的兴起衍生了技术虚拟仿真实验教学模式，该教学模式不仅符合现阶段高校教学的标准，更是教育在时展下的必然产物。该教学模式能够充分提高教学质量，促进学生的均衡发展。目前，我国部分大学已经逐渐实施生命科学与技术虚拟仿真实验教学。这种“虚实结合”的教学模式标志着我国教育体系迈向了一个新的发展高度。

参考文献

[1]李彬彬，苏明周.土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J].西安建筑科技大学学报(社会科学版)，2015，01（02）:96-100.

[2]刘亚丰，吴元喜，苏莉，刘凌.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J].实验技术与管理，2015，02（09）:120-123.

[3]吴涓，孙岳民，雷威，徐春宏，秦艺洢，宋爱国.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理，2014，06（10）:5-9.

[4]钱猛，崔瑾，成丹，杨娜，何琳燕，何健，沈振国.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，2016，05（04）:861-866.

[5]路勇，马修真，高峰，李淑英，费景洲.船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设与实践研究[J].实验技术与管理，2016，02（03）:117-119.

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关键词：虚拟仿真；齿轮传动装置；机械设计；实验教学

齿轮传动作为各种工业生产设备的核心装置被企业大量应用。齿轮的与密封性能，对于延长传动装置使用寿命、节能减排、保护环境都有重要意义。由于实验成本较高、安全性难以保障等问题的限制，当前高校的机械设计课程中并未开展有关齿轮传动装置与密封的实验教学，难以满足当前机械工业发展趋势对人才培养的多样化需求。因此，结合中国制造业、钢铁冶金业的绿色化发展方向与新工科发展要求，建设机械设计课程“齿轮传动装置的与密封设计虚拟仿真实验”，对于提升机械类专业学生的创新设计能力和实践能力具有重要意义。探索促进机械类专业学生的实践与创新能力培养的新方法，开发教学新模式是新工科背景下高校教学改革的发展方向[1]。虚拟仿真实验教学已成为专业教学体系的重要组成部分[2]。将虚拟仿真、虚拟样机等先进技术应用于机械类实验教学中，向学生直观展示机械结构和工作原理，允许学生进行创新性自主实验，实质性推进知识与能力并重的复合型创新人才培养进程[3-6]。因此，掌握齿轮传动装置常用的与密封方式及其结构特点，能熟练掌握其运用原则和方法并通过虚拟仿真实验进行强化，是培养“大国工匠”必备的基本技能之一[7-9]。综上所述，我校以单级直齿圆柱齿轮减速器为载体，将齿轮传动装置的与密封基本知识与虚拟仿真技术深度结合，构建交互式、立体式、可视化的三维沉浸式虚拟实验教学系统。教学过程中对给定工况的传动装置进行和密封装置的全流程设计，并通过虚拟仿真呈现其设计结果，使学生能够将知识运用到实验设计中，培养学生的实践能力和工程创新能力。

1齿轮传动装置与密封原理

齿轮传动是目前传动效率最高的一种传动装置。当前技术条件下，由于齿面间的相对滑动及其他原因，摩擦、磨损及功率损失仍不可避免。为更好地发挥齿轮的传动性能、提高工作寿命、降低振动和噪音、保护环境等，必须对齿轮传动装置的进行合理的设计，包括齿轮的和轴承的。同时还需要防止灰尘、水分等进入轴承，并阻止剂的流失，影响或破坏环境等，必须要进行密封设计。齿轮传动的包括方式的选择和剂的选择。常用的方式有油池、循环喷油、油雾、离心、脂、固体等，通常依据齿轮节圆圆周速度进行选择。齿轮剂的选择可根据齿轮材料、屈服强度及节圆圆周速度确定油的黏度推荐值，再根据黏度及工作工况选择相应的油牌号。轴承密封方法的选择与的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度有关，通常有接触式和非接触式密封两大类，若无法适应使用场合或密封不当，可能导致密封失效。

2实验教学设计

2.1教学内容设计

我校以单级直齿圆柱齿轮减速器为载体，实验教学的主要设计思路如图1所示。给定已知数据，学生根据所学机械设计理论课程知识在线下进行相关计算，得到计算数据并输入虚拟系统作为与密封设计的依据。以此确定油的种类、和密封的方式及其结构，并在虚拟系统中进行可视化、交互式的虚拟操作，完成和密封的虚拟设计。最后，通过启动传动装置对设计结果进行自动评判。虚拟实验任务由系统随机给出，学生根据给定的实验任务，在线下进行计算。通过对话框界面让学生输入计算结果，如计算错误，系统会给出相应的提示。根据计算结果，进一步确定相应的方式和密封方式。

2.2实验步骤设计

根据实验教学内容的设计，本虚拟实验设计任务的步骤与流程如图2所示，被分解为9个子任务，各子任务又被分解为2～4个子步骤，相互之间为串联式关系，只有上一子任务完成且正确后，方可进入下一实验环节。第1个子任务是齿轮传动装置与密封的基本知识认识，这是整个实验的理论基础，此处通过一定数量的选择题进行测试。第3个子任务是线下计算。后续6个子任务全部是交互式虚拟实践操作环节，每一个子步骤均给出了相应的提示和正确与否的评价。整个虚拟仿真实验操作被限定在90分钟以内，学生可以进行多次反复实验，直至完全掌握为止，而且每次实验的任务均是随机给定，不会出现重复，实验成绩以最后提交的为准。在认知过程中，全部以动画的形式展示齿轮与轴承的原理，学生可以非常直观准确地看到齿轮传动过程中油的流动及的全过程。

2.3实验教学考核评价

本实验教学考核评价由虚拟实验系统自动评价和实验报告教师主观评价两部分组成，其具体的组成如表1所示。其中，虚拟系统客观评价占75%，由虚拟仿真实验系统自动给出成绩，学生在系统进行实验预习并进行测试。整个实验过程均为有记录的交互式操作并由系统给出操作得分。线上实验操作完成后，学生需在线下完成实验报告，由实验指导教师进行主观评价，该部分占考核评价的25%3虚拟仿真实验教学系统本实验基于Unity3D工具进行开发[10]。图3所示为我校开发的实验教学系统，该系统虚拟了实验室环境，将减速器放置在实验台上。系统窗口的上方为工具栏，包括基本认知、设计任务和实验过程等按钮，单击可以弹出相应的菜单栏，依次单击可进入相应的实验环节或步骤。窗口的下方为实验关键步骤的进度条，系统会高亮显示当前的进度。该系统具有交互式、可视化、沉浸式、立体式和多层次的显著特点。实现虚拟仿真实验的有效开放与共享，提高使用率和使用效益，是教学资源建设急需解决的重要课题[11]。因此，我校将本虚拟仿真实验教学系统加入“高等学校机械工程学科虚拟仿真实验教学共享平台”，将其作为机械设计课程实验，在全国各高校的机械类和近机械类专业学生中进行应用推广，如图4所示。该平台包括了该实验的教学视频，可为实验操作提供指导。同时，学生完成实验后，可以直接在该平台提交实验报告。

4虚拟仿真实验教学实例

4.1完成基本知识学习和认知测试

获取实验任务下面以系统给出的随机实验任务的设计实例进行展示。学生进入该虚拟实验系统，完成基本知识的学习和认知测试后，单击菜单栏的“设计任务”弹出本次实验的设计任务参数，见表2。4.2根据表2所示的参数进行线下计算学生根据实验设计任务参数进行线下计算，将得到的数据输入系统的输入框中，如图5所示，单击确定即可进入下一实验步骤。如果数据不正确，系统会提示错误原因，且不能进入下一步。4.3确定与密封方式根据圆周速度确定轴承和齿轮方式为油。根据传动装置的使用场合，确定油的类型为CKD系列。由此确定输入轴上的轴承为“毛毡密封”，输出轴上的轴承为“挡油环+毛毡密封”，如图6所示。

4.4倒入油至箱体中

在窗口右侧的工具箱中选择CKD系列油，按住鼠标左键，油就会自动倒入箱体中，注意观察油面的高度动态显示标尺，油面高度应在计算范围内，当油面接触轮齿后，应缓慢倒油，如图7所示。

4.5设计箱盖坡口和箱体安装面油槽

轴承的方式为飞溅，齿轮飞溅的油溅到箱盖内壁上，然后顺着箱盖的内壁流入箱座的油槽中，油槽与轴承之间相连，轴承端盖处的缺口方便油进入轴承中进行。如图8(a)所示，通过鼠标点击箱盖内壁拐角设计坡口；如图8(b)所示，通过鼠标点击箱体法兰安装面处设计油槽。

4.6安装密封结构零件

如图9所示，从右边选择栏中点击挡油环，并拖到图9(a)中所标注的位置，单击鼠标完成安装。点击毛毡，同样拖到图9(a)中标注的位置。最后，从右边选择栏中选择轴承端盖，拖到图9(b)中标注的位置。

4.7启动传动装置

查看结果并提交实验报告依次完成上述操作后，单击启动按钮，电机开始启动，传动装置开始工作。若和密封设计合理，则提示实验设计和操作成功。若设计不正确，则提示相关的失效结果。最后，单击菜单栏的实验报告，查看实验得分情况，并提交实报告。

5结语

齿轮传动是机械设计中必不可少的传动部件。基于操作的可行性和便捷性，学生通过该虚拟仿真实验，可以有效地了解传动装置的和密封方式及工作原理，避免在实际操作中因失误而造成损失，有效解决了实体实验教学成本高、周期长、过程烦琐等问题，完善了虚实结合的实践教学体系，取得了良好的教学效果。本虚拟仿真教学平台可应用于选修机械设计课程的机械类及近机类专业学生的实验操作训练，有助于夯实学生对传动零件与密封知识的运用能力、设计能力和实践能力。截至目前，本实验系统已在本校的两届学生试用，覆盖学生约1000人。尤其是在病毒肺炎疫情期间，为学生提供虚拟实验资源，受到了学生的好评，中国教育报以《“空中实验室”破解实践教学难题》为题目进行了专门报道。本实验系统集趣味性和学习性于一体，除本校以外，已有全国48所院校的5000余名学生在共享平台使用本虚拟仿真实验教学系统。

参考文献

[1]米承继,余江鸿,邱显焱,等.应用型地方高校构建机械虚拟仿真实验项目促进专业能力提升的实践与探索[J].内燃机与配件,2018(23):254-255.

[2]蒙艳玫,唐治宏,董振,等.机械工程虚拟仿真实验教学体系的研究与实践[J].实验技术与管理,2016,33(5):109-112.

[3]董振,唐治宏.虚拟样机技术在机械创新设计虚拟仿真实验教学中的应用[J].教育观察(上半月),2018,7(3):76-79.

[4]茅乐,唐伟峰,宋岩,等.机械设计基础实验教学体系分析与研究[J].机械设计,2018,35(S2):290-292.

[5]徐小兵,张锦洲.机械类专业虚拟仿真实验体系的研究与实践[J].教育科学(全文版),2019(10):273.

[6]刘军,施晓秋,金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学,2017(1):74-78.

[7]李秀红,李文辉.新工科背景下机械类专业基础课程改革研究[J].教育理论与实践,2019,39(3):38-40.

[8]王荣先,张莉洁,张旦闻.齿轮传动综合实验系统设计及教学实践[J].实验室研究与探索,2019,38(7):39-41,72.

[9]陈修龙,蔡京成,马腾.虚拟设计仿真技术在“机械设计基础”课程设计中的应用[J].实验技术与管理,2019,36(4):125-129.

[10]倪乐波,戚鹏,遇丽娜,等.Unity3D产品虚拟展示技术的研究与应用[J].数字技术与应用,2010(9):54-55.

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[关键词]虚拟仿真技术 运动生理学 实验 立体化

[中图分类号]G712 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2016）06-0236-02

运动生理学主要是研究人体在体育活动和运动训练影响下机体在结构和机能方面的各种变化，探索人体在运动过程中机能变化的规律，以及形成和发展运动技能的生理学规律，探讨人体运动能力发展和完善的生理学机理，论证并确立各种科学的训练制度和训练方法。人体在体育活动和运动训练影响下机体机能变化的动态数据是运动生理学研究的重点和难点。因其变化的动态性和不易感知性，使学生学习起来特别抽象，难以理解。单纯的依据课本的数据进行比对，就更加没有说服力，极大增加了学生学习和掌握的难度。在运动生理学实验课堂上开展实验教学过程是增加降低理论学习难度，提高学生学习积极性的有效措施，但在目前的运动生理学实验教学过程中，由于受实验标本的采集与存放、试剂的调配与更新、实验器材的种类限制、教师预实验的准备、场所与时间限制和一些复杂设备的影响等，很多实验课开展的效果并不理想，学生获得的实验数据较少并且缺乏说服力，后期重复实验更是无法独立操作完成。很多大型实验由于没有时间准备预实验，教师操作的效果也不理想，开设运动生理学大型实验的成本较高，耗费人力、物力较大却收效甚微，使学生深刻理解运动生理学知识受到很大限制。

为了节约成本，很多学校就只开展几个传统型的简单实验，但是最新的理论知识和科学研究，学生就难以接触，且这几个实验由于脱离高端技术使学生难以对实验印象深刻。实验知识的匮乏也影响了学生独立感知，自主研究的积极性，理论应用起来更加捉襟见肘。因此，我们迫切需要一项技术既可以节省实验成本，提高实验成功率，又能使学生自主感知，自主钻研，使学生得到专业便捷的技能训练，虚拟仿真技术应运而生。他不但简化了实验课程准备工作，而且高速的数据处理库提高了实验的精确度和动态呈现机体对刺激反应的敏感度，大大激发了学生学习的兴趣，大量数据的多角度呈现，更加激起学生探索的欲望，可以说完美解决了运动生理学实验所必须的多项技术。

一、虚拟仿真技术简介

虚拟现实技术又称虚拟现实技术或模拟技术，就是通过计算机模拟技术将一个真实的系统在另一个占用空间比较小的、制作相对容易的虚拟系统中进行模仿实现真实人机对话体验的技术。随着计算机人工智能技术的不断进步和发展，虚拟仿真技术越来越精良并逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法。人投入到这种环境中，立即有“身临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互，虚拟环境还能够实时地做出相应的反应。

虚拟仿真技术，是仿真技术与虚拟现实技术结合而产生的一种更高级的仿真技术。在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上，虚拟仿真技术以构建全系统统一的完整的虚拟环境为典型特征，并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体可以是模拟器，也可以是其他的虚拟仿真系统，也可用一些简单的数学模型表示。实体在虚拟环境中相互作用，或与虚拟环境作用，以表现客观世界的真实特征。虚拟仿真技术的这种集成化、虚拟化与网络化的特征，充分满足了现代仿真技术的发展需求。

虚拟仿真实验系统的特点：首先虚拟实验系统的仿真引擎代替了实物，实验过程不再需要反复消耗标本和试剂，且实验结束不需要废料收集和处理，完美解决了传统实验过程中所缺乏的节能和环保处理；第二，学生做实验不再受到实验器材的限制，学生没有理解的实验允许反复操作，增强了学生动手动脑的实践能力，大型实验也省去了繁琐的准备过程，节约了教师的准备工作；第三，虚拟仿真技术因其技术的成熟性，允许学生自我提升与拓展，课本之外的实验，学生也可以自主钻研，不受材料限制，大大提高学生学习与思考的积极性。此外，虚拟仿真技术平台还为学生提供在线测评功能，网络化的学习模式，为学生自我巩固与提升提供了一个良好空间，抓住了学生学习的兴趣点。

二、运动生理学实验与虚拟仿真技术相结合

以前学校进行的运动生理学实验主要是通过课本理论的教授进行理论学习，然后再通过小白鼠、青蛙等动物进行实验验证，这种探究方法单一而且让学生很难完全信服。几乎所有运动生理学实验的理论，都来自观察动物在运动过程中的机能活动并对其因果关系的分析来实现。放到人体之后的结论显得单薄而且缺乏说服力。另外，由于人力及物力资源的种种限制，实验课本身课时较短，很多实验结果本身缺乏科学性和完整系统性，所以很多实验的结果与最终需要印证的结论相关性不符，做得有名无实。

近年来虚拟仿真技术的广泛应用大大提高了运动生理学实验的应用广度和深度，很多难以实现的实验技术经过模式过程之后学生可以真切地感受到学习起来更加容易，记忆也更加深刻。将虚拟仿真技术运用到运动生理学实验教学，是传统教育手段与现代教学技术的创造性结合。虚拟仿真技术的优点主要体现在：多媒体展示的集成性、人机交互的操作性、大容量存储的丰富性、高速传输的便捷性、超时空交流的共享性等。

虚拟仿真技术应用于实验可以分为三个阶段：一是初级阶段，即学生刚开始接触系统阶段，这个时期学生对虚拟仿真系统还比较陌生，很多的功能还不熟悉，教师需要对学生加以引导，根据学生的反馈对系统加以修改和调整，尽量达到彼此合作融洽；二是模块建立阶段，当学生对系统有了初步的了解之后，就需要根据教学的进度和学生学习的侧重点对系统里面的实验加以增减和调整，做到既能满足学生知识掌握，又可以达到能力提升效果，并将最前沿的知识嵌入实验模块，让学生一起走进实验室观摩也是很好的教学方式，观摩过程中学生对知识的理解和应用会更加深刻，让学生明白科学探索的过程其实就是知识应用的过程，这个过程真正存在并不是遥不可及，培养起多思考多动脑的习惯；三是模块应用阶段，即通过所学的知识，所做的实验，探究人体运动生理学知识的运用与开发，这个过程是一个开放的过程，根据每个人理解的不同，所能探索的结果也各有千秋，没有标准的答案，探索永无止境。

例如在学习“人体安静与运动过程中心率和动脉血压变化”课程时，单纯的文字说明和表格对比虽然可以使学生直观的看到数值的变化，但是体现在人体中的动态变化却很难发现和感受。通过查阅大量文献，进行总结归纳，并通过计算机辅助教学把实验课的内容搬到理论课上，经过文本、图片、动画、视频、仿真空间体验等几步的动态体感之后，让学生直观地观察到人体从静态到运动再到运动逐步加快的过程中心率和动脉血压的直观的、动态的、连续的变化过程，把实验的结论与学生的多种感官相互关联，把知识的传授过程由被动的灌输、被迫接受转化为学生自己总结、归纳、探索，使学习过程变得快乐且学生更加容易接受。运动的方法有好多种，速跑和慢跑是两种不同的运动方式，他所牵动的器官不同，达到的效果不同，学生为此进行了一次愉快的辩论，最终大家都为自己的观点鼓掌叫好。每种运动背后都包含着大量的科学知识，合理的运动就是最好的科学。

三、现状与前景展望

实验课一定要“重视学生在教学活动中的主体地位，充分调动学生学习的积极性、主动性和创造性”，一门课程的学习，结果只是一方面，重视学生在实验过程中的参与度和知识获得过程，才是我们教学的目的。对于运动生理学的掌握我们完全可以直接告诉学生结果：做扩胸训练有助于增加肺活量，做引体向上可以锻炼背阔肌，仰卧起坐可以锻炼腹肌，等等，我们单纯的教授完毕对学生有什么效果呢？他的扩胸运动很到位，肺活量大有增加；他的引体向上很到位，却导致了肌肉拉伤；他的仰卧起坐连贯而有力，却导致脊柱受损……这种风险不仅对普通人是存在的，而且对那些经常锻炼的人亦然。现代人的养生观念很强，每个人都需要运动，但是运动也需要讲究技巧与方法，我们学习运动生理学的目的就是知其然，更要知其所以然。大量逼真完备的实验设备，解放了学生的思想，相应的研究过程中碰到的问题也就越多，为了满足学生探索的需求与我们日常面临的挑战，我们的路任重而道远。

随着人们对虚拟仿真技术的逐步完善，虚拟仿真技术的应用范围越来越广，下一步我们将搜集更多的文字、图片、音频、动画等素材，组建更多的虚拟仿真实验模型，让虚拟仿真技术更好地服务于运动生理学及各个学科的实验，尤其是以后更可以丰富中小学课堂的教学课堂。通过虚拟仿真技术的应用让学生处于一种多层次、多角度、立体化的学习空间中，直观真切地感受到外部因素变化对身体的影响，改善了学生对体育运动的理解形式，提高了运动生理学课程的趣味性，提高学生学习运动生理学实验的积极性，也提高了学习效率。虚拟仿真技术的广泛应用，必将使运动生理学迎来新的生机和活力，根据教师的指导得到更加专业的技能训练，使人们更加科学的通过体育训练，改善人体技能，提高身体素质。

四、小结

体育学科是一门理论与实践完美结合的基础学科，越来越受到学生及普通民众的欢迎。运动生理学作为体育科学的辅助学科也是一门非常重要的理论课程，他主要研究人体在体育活动和运动训练影响下机体的内部结构和机能的动态变化规律，进而探讨出完善人体运动能力发展的科学机理，指导人们科学准确的完成各种训练。虚拟仿真技术作为一门理论与科学结合的科学手段，极大地提高了运动生理学实验的可操作性和趣味性，满足了当前运动生理学实验的操作需求，可以加深学生对实验的认识，使学生通过丰富多彩的教学手段，多层次、多角度、立体化、真实化的得到专业便捷的技能训练，加深学生对实验内容的理解和巩固，提高学习的效率和应用的直观性，更加深刻地理解所研究的内容和意义，从而提高运动生理学实验课的应用效果。

【参考文献】

[1]张敬南，张谬钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101-104.

[2]柯中炉，牟惠康，杨林生.以虚拟仿真技术提升高职实践教学有效性的探索――以生化制药技术专业实践教学为例[J].中国职业技术教育，2009（05）：64-66.

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关键词：虚拟仿真技术；实践教学；学习场景；教学训练

一、概述

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。虚拟现实技术是先进的人――计算机接口技术，其实质是利用计算机产生一个三维的、基于感知信息的临场环境。人可以参与和控制环境，同时环境能够对人的控制行为做出动态的交互反应。系统仿真技术是随着计算机技术的发展而形成的新兴学科，它是通过建立真实系统的数学模型，利用计算机来达成对系统的分析、研究、设计等目的。目前，虚拟仿真技术在军事、教育、医学、工业设计等多个领域都得到了应用。在教育教学领域，虚拟仿真技术能够进行教学活动或实验操作的模拟，具有经济性好、安全性高以及可重复等多种优势，已经开始替代某些费时、费力、费钱的真实试验和教学演示，对传统的教学活动产生了强烈冲击，引发了教学领域产生一系列深刻的变化。

虚拟现实仿真技术在高职实践教学中应用研究的意义：利用虚拟仿真技术可以构建一个虚拟的实训场地和教学场景，在没有实际设备的情况下可以有效提高教学效果。并且可以减少高职院校因设备不足的高额开支。通过仿真技术可以进一步整合教学资源，提高实训设备的利用率，提高学生知识和技能。在教学中对仿真技术感兴趣的学生可以做再次开发，这样能更好的提高实践教学效果和学生的实践应用能力。

二、虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的研究内容

传统设计是设计者根据产品用户的需要，将所设计产品的结构通过图纸表现出来，经过计算或者经验认证后，再投入生产试制中进一步检验其结构设计的正确性与合理性。而虚拟现实仿真技术在实践教学应用研究中主要体现在以下几个方面：

1. 利用虚拟现实仿真技术开展三维模块实践教学的应用研究

Solidworks作为一款三维设计软件，功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，学生能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的设计应用到虚拟设备中。

在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

（1）全动感用户界面：

①只有SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。

②崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。

③用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。

④特征模版为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模版上调用标准的零件和特征，并与同事共享。

⑤SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。

（2）装配设计：

①在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。

②SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。

③用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。

④镜像部件是SolidWorks技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。

2. 利用虚拟现实仿真技术开展三维动画交互实践教学的应用研究

虚拟现实系统的目的是为了开发虚拟现实应用，所以任何一个完整的细腻显示系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括两个部分，一是硬件开发平台，即高性能的图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或者虚拟现实工作站；另一部分为软件开发平台，即面向应用对象的虚拟显示应用软件开发平台。VRP（Virtual Reality Platform，简称VR-Platform或VRP）即虚拟现实平台，VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的具有完全自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件。VRP可广泛的应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学、水利电力、地质灾害等众多领域，为其提供切实可行的解决方案。

三、虚拟现实仿真技术在实践教学中拟解决的关键问题

1. 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，有效地避免了高校实验实训设备不足的影响因素。学生通过虚拟实验项目的学习与训练，减少其真机操作时出现许多失误问题。

2. 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，教师利用虚拟现实仿真技术教学时，与实训室技师经常切磋技艺、探讨操作问题，提高了教师的实践教学水平。

3. 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，改变了学生被动学习的方式，提高了学生学习兴趣、综合实践能力和高职实践课堂教学效果。

四、结束语

随着科学技术的不断进步，虚拟现实仿真技术也进入了一个充满活力和具有广阔市场前景的高新技术领域，它的出现也渐渐取代了传统模式中许多教学的新方法与新手段。目前，利用我院现有和二次开发虚拟现实仿真实训软件系统，进一步完善学院虚拟仿真实训室的硬件和软件设施，构建虚拟实训室崭新的教学与学习场景，实施机电产品虚拟仿真设计、制造、装配等模块实践教学的应用与研究。对提高我院课堂教学改革实践效果，具有深远的意义。

参考文献

[1] 尹湛华，朱海洋. 虚拟仿真技术在高职实践教学中的比较优势[J]. 南昌高专学报，2008（08）

[2] 王岚等. 虚拟实现EON Studio应用教程[M]. 天津：南开大学出版社，2007

篇5

1 环境工程学的特点及传统教学中存在的问题

随着环境控制技术迅速发展，污染控制工程理论和实践的知识量也越来越多，知识点的更新速度也越来越快。我国各理工科院校的环境科学专业基本都开设有环境工程学课程，但纵观课程的教学现状，存在诸多不尽如人意的地方。

1.1 教学内容多且广泛

环境工程学包含废水污染控制、大气污染控制、固体废物处理以及噪声控制等，内容多而杂，容易造成学生对知识的掌握广而不深，学而不精。对应的专业教材知识更新慢；理论课程课时过多，实践课程课时少，专业技能训练难以保证[1]。

1.2 实习实训教学效果差

环境工程课程实习实训都是集中将学生带到某个与专业相关的单位比如污水处理厂，学生只能参观某些处理单元，不得随便操作任何设备、仪器，对于如何控制管理水处理工艺的运行、如何解决运行问题等，仍然得不到学习和锻炼。实习实训教学现场通常比较嘈杂，学生对参观的内容往往是“走马观花”，不能达到实习实训的目的。

1.3 实验项目偏少且单一

环境工程实验作为环境工程学理论课程的后续实验课程，该课程不仅能加深、巩固学生对环境工程基本理论的理解，同时还可增强分析问题和进行科学实验的独立工作能力；有利于掌握有关环境工程实验研究方法和实验技巧，培养整理、分析数据能力，提高环境工艺、工程方面的科研思维能力和创新意识。但是目前环境工程实验教学仅限于几个固定实验，比如：活性污泥实验、大气除尘演示实验、氧传递系数测定实验等，实验项目偏少。教学方式大多是在教师讲解之后，学生“依样画葫芦”进行实验，学生对实验目的和步骤理解得不够透彻，在整个实验过程中处于一种被动的地位。另外，学生对实验设备缺乏感性认识，即使把实验指导书中对设备的基本构造、使用方法和注意事项看了多遍，仍不得要领，甚至不能正确地操作设备。另外，某些实验项目受到设备数量、品种、成本等方面的限制而无法开展。

2 虚拟仿真技术在环境工程学理论及实验教学中的应用

虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。随着科学技术的迅猛发展，虚拟仿真技术越来越广泛地被应用于各领域的专业教学，如自动化[2]、水电机组监测与故障诊断等[3]。虚拟仿真教学可以根据教学的实际需要和效果，对教学内容进行动态的组织和修改，具有很强的针对性和互动性，能够充分发挥学生的主动思维[4]。

2.1 虚拟仿真技术水污染控制的运用

虚拟仿真技术教学可以提升学生对城市生活废水、工业废水处理系统的认识，提高教学效果。在仿真系统中，学生按照时间操作规程的要求对各个工艺参数进行调整，最终确定处理后的废水与污泥能否与实际设计的标准要求相符[5]。学生可根据提示熟悉虚拟水厂构筑物分布和水厂概况，查看主要动力设备的知识点，了解水厂主要动设备能耗和药剂成本，了解污水处理厂的相关工作规定和安全章程等。比如：虚拟仿真水厂包含巡检项目和事故预案工况等，分别是正常工况巡检、出水总氮超标、出水总磷超标、出水COD超标、反应池曝气量调节、初沉池排泥撇渣、内回流的调节、SVI调节，从而掌握污水处理厂常见事故的应急处理预案和解决措施。

2.2 虚拟仿真技术在大气污染控制的运用

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关键词 GIS技术 三维可视化 数字模型 虚拟战场地形

0 引言

近年来，随着GIS和虚拟现实（VR）技术的发展，军事演习和指挥决策在概念上有了新的飞跃，通过建立虚拟作战实验室来进行军事训练和研究。利用基于GIS三维动态可视化仿真技术，场景建模技术和图形图象处理技术，开发出关于某一特定的战场地形区域的真实全面的虚拟战场地形环境系统，使指挥人员有身临其境的体验。

1 GIS及其可视化原理

1．1 GIS简介

地理信息系统（GIS）是一门地学空间数据与计算机技术相结合的新型空间信息技术。它以空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间数据进行采集，管理，操作，分析和显示，并采用地理模型分析法，适时提供多种空间和动态地理信息的计算机系统。近几年来把GIS技术用到军事上的战场地形的研究已经取得了不少的进步。

1．2 基于GIS的图形表达

GIS中的图形以矢量表示和存储的。图形的实质就是空间点在三维平面的投影，可以分解为：点，线，面，体等几种不同的图形元素。因为矢量化图形的各个部分可以用数学的方法加以描述，可以对其进行任意的变换，放大，缩小，旋转，变形，移位，叠加等，并保持图形的空间拓扑关系不变。而且矢量图形的基本组成是点，线，面，体，可以进行单独定义，控制，操作，分析，查询图形对象的空间信息及其相关的属性信息。

1．3 基于GIS的战场地形信息的组织

GIS将空间实体对象用空间数据和属性来共同描述并分别存储。前者描述实体的数据和拓扑关系等，后者描述实体的属性和两者的关联标识，空间数据和属性数据通过内部代码和用户标识码作为公共数据项连接起来，使得空间对象的每个图元与描述图元的属性一一对应起来（如图1）。利用GIS特有的混合空间数据组织形式为反映战争中复杂的地形环境提供了条件。战场数字建模是把客观存在的战场地形环境实体在计算机中用真实的空间位置来表示，实现了地形空间实体与属性数据一一对应（如图2）。

2 三维虚拟战场地形的可视化数字建模

2．1 DEM地形数据的组织和表达

地表数字地形模型（Digital Terrain model，即DTM）是虚拟战场地形模型的重要组成部分。三维地形数据结构是构造虚拟战场地形环境的基础，关键技术是DEM（数字高程模型）的表达。对DEM数据的组织较多的用不规则三角网（Triangulated Irregular Network，即TIN）模型或规则网格（GRID）模型（如图3）。TIN模型是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形网组成，所表示的地形表面的真实程度由地形点的密度决定，并能充分表现高程细节的变化，适合于地形复杂的地区。TIN可以利用原始高程点重建地形表面，地形平坦的地方多边形较少；复杂的地区多边形较多，对地形的描述具有很好的合理性。GRID模型具有较小的存贮量和简单的数据结构。

对复杂的战场地形的建立一般用TIN。TIN的存贮采用文件集的形式，每个文件存贮网格的节点坐标，高程坐标，节点号，空间索引标识，边界，渲染和文件指针等信息。建立地形实体DTM一般由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN。算法包括Delaunay三角形的分治算法，点插入法和三角网生长法。这些算法都遵循以下原则：

a)TIN的唯一性。

b)使每个三角形尽最大可能接近等边三角形。

c)三角形的边长总和最小。

对初始的TIN，应消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺少而形成的细小的，狭长的三角形，来提高TIN的精度。

根据GIS地形信息组织的基本原理，对TIN的数据结构的组织，采用了面向对象的程序设计思想，以Visual C++6.0 为开发语言，设计了CTinLine三个点的主要成员。

1． 测量点类：

Class CsurveyPoint: Public CObject

{.............

Float x， y， z; //点x ，y ，z的三维坐标，由数字勘测系统外业获取

Int SvyPtID //点的ID号隐含属性信息

CsurvyPoint *Next; //单向链表，用于数据管理

..........操作函数.......

}

2. 三角形边类

Class CtinLine: Public CObject

{.............

CsurvyPoint *P1， *P2; //指向三角形的两端点

int TinLineID; //三角形边的ID号

int left ， right; //三角形的左右三角形号

CtinLine *Next; //指向下一个节点索引的指针，形成单向链表

................

}

3. 三角形CTIN类

Class CTin: Public CObject;

{.............

CsuryPoint *P1， *P2， *P3；

或CtinLine *TL1， *TL2， *TL3; //三角形三个点或三条边的指针

int Tr1， Tr2， Tr3; //三角形三个相邻的三角形的索引值

Ctin *Next //下一个三角形的索引，形成单向链表

..............

}

所开发三维地形仿真成图系统建立的不同的TIN数目的地形平面模型图（含高程值）如图4 图5所示。

2．2 地形实体的数字建模

用GIS的空间数据组织结构实现地形环境实体的数字建模。按照地形对象的属性，可以将地形对象分为点，线，面，体四类数据结构来表达。

下面给出某山体地形环境的存贮结构：

Struct HillPart {

int Part_ID; //山体局部标识

char Part_Code; //山体局部编号

Struct Body *BodyList; //山体局部数组

Attributes_List //山体局部属性列表

}

Struct Body {

int Body_ID; //体标识

int Part_ID; //包含该体的山体局部标号

char Patt_Code; //山体局部编号

int Body_Type; //体构造类型

Struct Mesh *MeshList; //构成体的面数组

Attributes_List; } //体属性列表

Sruct Mesh {

int Mesh_ID; //面标识

int Body_ID; //包含该面的体标识

char Part_Code; //山体局部编号

int Mesh_Type; //面构造类型

Srucut Line *LineList; //构成面的线数组

Attributes_List; //面属性列表

}

Struct Line {

int Line_ID; //线标识号

int Mesh_ID; //包含该线的面标识

char Part_Code; //山体局部编号

char Line_Type; //线构造类型

Struct Point *PointList; //构成线的点的有向数组

AttributesList; //线属性列表

}

Srtuct Point {

int Point_ID; //点标识号

int Line_ID; //包含该点的线标识

char Part_Code; //山体局部编号

double x; //x， y， z

double y; // 坐标

double z;

AttributesList //点属性列表

}

3 三维数字地形模型的可视化操作与分析

3．1 三维数字地形的动态显示

为了达到逼真的显示效果，在三维几何模型上叠加实物影象数据。地形的纹理的构造可由TIN模型中的三角形与山体的正射影象图的扫描坐标匹配，从而取得三角形内影象的恢度值或RGB值，然后把数据叠加到TIN模型上，由此得到真实光照和表面纹理的显示效果。为了提高三维地形模型的显示速度和效果，以及为了降低纹理贴图时，影响数据的量，使用视点相关的动态多分辨率纹理模型（View-dependent and Multi-resolution Texture Model）。距离观察者远近不同的区域其纹理分辨率不同，即影射的距离观察者较远的区域，其纹理具有较低的分辨率，相反具有较高的分辨率，这也符合视觉原理。（具体算法可参照文献[4]）

观察者远距离（在高空中）观察看到的是粗略的地形；近距离观察的是细微的地形。在虚拟的战场地形环境中要表现这一特点，实现地形的动态地近乎人性化的显示用了一种叫做视相关的实时Lod地形模型的多分辨率显示技术（View-dependent and real-time LoD model of Multi-resolution terrain Rendering）。

在距离视点较近时用较多的多边形描述；较远时用较少的多边形描述。可以平衡图形负载，符合场景的真实地表现的特点。（该技术的详细介绍可参阅参考文献[5]）

3．2 可视化的三维数字地形查询

实现查询的前提是数字模型的空间数据与属性数据的一一对应。问题是二维屏幕显示的点和三维模型的实际点不是一一对应的。这就必须用计算机图形学的知识进行二维到三维的转化。若屏幕捕获到的点对应着地形点的坐标，到对应的真实三维坐标。 即

（其中为三维到二维投影的变换矩阵）。若鼠标捕捉到对应的属性信息为山体的ID号。则由以下语句可实现山体属性的查询。

Select ( *， * ， from datebase ， where ID="***")

这样就实现了数字地形的空间图到属性的查询。

3．3 三维空间地形数据的分析

主要给出地形剖面绘制及空间距离量测的方法。由鼠标在显示的三维数字地形DTM上任取两点由可视点判别法得到对应的实际的地形的三维坐标，。 根据它们的平面位置和TIN模型存贮的数据结构和所在的TIN模型的三角形编号，由起点和终点的三角形位置和连线，可以得到与该连线相交的三角形的编号，从而求得剖线与一系列三角形相交的点的三维坐标把这些点两两相连构成一条三维曲线。选取合适的比例尺可以绘制出 两点的地形剖面图。并由公式：

计算出两点的空间距离（沿地形面的两点直线距离）。

4 结束语

把GIS的三维动态可视化技术引进到虚拟战场地形环境中去，以数据的直观可视 化为出发点来形象地描述战场地形的特征，并能实现查询 分析 功能，为全面准确快速掌握战场的实时地形信息，提供了有力的工具。 6参考文献

[1] 邬伦 刘瑜 马修军 韦中亚 田原，地理信息系统原理方法和应用 科学出版社，2002。

[2] 刘建永 王源等，战场环境信息学 理工大学工程兵工程学院 2002

[3] 王源，数字勘测技术 理工大学工程兵工程学院 2001

[4] 杨必胜 李清泉 史文中 三维GIS中多分辨率文理模型研究 中国图形图象学报

2003 3

[5] 潭兵 徐青 马东洋 用约束四叉树实现地形的实时多分辨率绘制 计算机辅助设计与图形学报 2003 3

篇7

一、虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是虚拟现实技术和系统仿真技术的合称[2]。虚拟仿真技术又叫虚拟仿真或者模拟技术，是将一个真实的系统用虚拟的方法模仿出来。虚拟仿真技术是随着计算机技术发展而逐步形成的一种实验研究技术，是数学推理、科学实验之后人类认识客观规律的第三类方法，已逐渐成为人类认识和改造客观世界的通用性、战略性技术[3]。虚拟仿真技术在多媒体技术、虚拟现实技术、网络通信技术等技术的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术结合在一起，构建逼真的虚拟环境。虚拟仿真可以是一个模拟器，一个仿真软件，或者一个数学模型等[4]。虚拟仿真技术应用在军事演习、医学手术模拟、广告宣传等。近年来，随着计算机技术与网络技术的发展虚拟仿真技术广泛地应用于实验教学，虚拟仿真实验已经成为一种新的教学模式[5]。

虚拟仿真技术在实训中具有真实性、交互性、开放性及扩展性[6]。真实性是指虚拟仿真实训中实验环境具有很强的真实感，学习者在虚拟仿真实训中感觉进入了真实的实训室，操作虚拟设备，体验真实的操作过程。交互性是指学习者可以通过键盘、鼠标操作虚拟设备，虚拟设备会在真实实训中所出现的现象。开放性是指可以将虚拟仿真实训以网页的形式，学习者可以随时随地进行虚拟实验，突破了时空的限制。扩展性是指虚拟设备或虚拟软件等可以实现灵活地配置与组合，而且更新与维护方便，可以对虚拟设备或虚拟软件进行二次开发。

二、Packet Trace软件在计算机网络实训中的应用

（一）Packet Trace软件简介

Packet Tracer是思科公司开发的一种虚拟仿真软件，可供网络课程的初学者在虚拟环境中设计网络、配置网络、排除网络故障。该软件采用图形化用户界面，学习者可以通过鼠标拖曳设备及配置线构建网络拓扑;提供的数据包在网络中的流动过程可以适时地观察网络状态;可通过IOS配置对设备进行配置管理，锻炼学习者检查、排除网络故障的能力。

Packet Trace支持大量的设备仿真，比如路由器、交换机、Hub等各类网络连接设备的仿真，每类设备还提供不同的型号;双绞线、同轴电缆、光纤等各种传输介质的仿真;DNS、FTP、WEB、DHCP等服务器的仿真;还可以仿真很多模块。而真实的实训环境中往往不可能提供这么全面的实训设备。Packet Trace运行很多网络协议，支持TCP/IP协议，UDP协议、OSPF协议、HTTP协议、SMTP协议、Telnet协议等常见协议，及不常见的ARP协议、Ethernet协议、HDLC协议、ICMP协议、IPv6等协议。Packet Trace支持逻辑空间设计及物理空间设计两种模式。Packet Trace中的数据包可采用实时传输模式和仿真传输模式，实时传输与真实传输过程一样，仿真传输可以看到数据传送的过程。

（二）Packet Trace软件的应用

假设某公司需要构建自己的网站，并在网站上提供邮件系统服务。通过分析，为了完成本实验需要用到的设备有：首先需要一台网站（Web）服务器、一台邮件（E-mail）服务器;另外还需要一台域名解析（DNS）服务器（通常可以由专门的机构提供，为了方便在仿真软件中构建了自己的DNS服务器）;还需要几台可以上网的PC机;为了将这些设备连接起来，需要一台交换机。还需要配置每个服务器的协议及每个服务器和PC机的地址;如果需要远程登录交换机还需要对交换机进行配置。这个实验可以在真实的环境中完成，也可以在虚拟仿真软件Packet Trace中完成。以下先通过Packet Trace软件进行虚拟仿真实验。

1.构建网络拓扑

将Web服务器、E-mail服务器、DNS服务器、两台PC机拖曳进主界面，并连接好配置线，将设备分别重命名，得到实验的网络拓扑，如图1所示。

图1  网络拓扑结构图

2.配置各设备

（1）配置DNS服务器。鼠标单击DNS服务器，首先在Desktop选项中选择“IP Configuration”设置静态分配（Static），设置好各地址参数，其中IP地址192.168.1.2;然后在Config选项卡中设置GLOBAL项中的Gateway为：192.168.1.1，DNS Server为192.168.2;最后将DNS项以外的其他协议全部关闭，并在DNS中添加网站（fly.com）及邮箱（pop3.163.com，stmp.163.com）的域名解析，如图2所示。

图2  DNS域名解析配置

（2）配置Web服务器。鼠标单击Web服务器，在Desktop选项卡中配置好IP Configuration中各地址，IP地址为192.168.1.8;然后在Config选项卡中设置GLOBAL项中的Gateway为：192.168.1.1，DNS Server为192.168.2;再后将HTTP项以外的其他协议全部关闭，还可以在此处修改网页代码，以修改网页的显示内容。

（3）配置邮件服务器。点开E-mail服务器，配置好IP Configuration中各地址，IP地址为192.168.1.3;然后在Config选项卡中设置GLOBAL项中的Gateway为：192.168.1.1，DNS Server为192.168.2;再后将E-mail项以外的其他协议全部关闭，并在E-mail项中设置Domain name及添加邮箱用户名及用户密码。

（4）配置交换机。如果交换机不需要远程登录进行配置管理，则无需配置。如果需要进行远程登录管理那么需要给交换机配置地址。交换机配置地址需要通过IOS配置方式。给交换机配置地址为192.168.1.253。点开交换机，进入CLI选项，回车后键入命令，下面进行简单的配置命令：

Switch>en//进入特权模式

Switch#conf t //进入全局模式

Switch（config）#inter vlan 1（默认交换机的所有端口都在VLAN1中）//创建并进入VLAN1的接口视图

Switch（config-if）#ip address 192.168.1.253 255.255.255.0//在VLAN1接口上配置交换机远程管理的IP地址

Switch（config-if）#no shutdown//开启接口

Switch（config-if）#exit//回到全局配置模式

（5）配置两台PC机的地址。点开PC0，在Desktop选项中选择“IP Configuration”设置静态分配（Static），设置好各地址参数，其中IP地址192.168.1.4。PC1的设置同PC0，其中IP地址为192.168.1.5。

3.测试验证实验

（1）验证网站功能。在PC0（或PC1）上，点开进入Web Brower选项，输入网址fly.com，再点击go，如果能够正确显示出Web服务器上的主页，则说明Web服务器实验成功。否则需要重新检测故障，并排除故障，直到能够成功显示。

（2）验证邮件收发功能。鼠标单击PC0（或PC1）上，选择Desktop选项，单击E-Mail，进入MAILBROWER，单击Configure Mail，然后进行相应的配置。保存后返回MAIL BROWER，进行收发邮件测试，如果能成功收发邮件，则说明邮件服务器实验成功，否则需要检测并排除故障。

三、Packet Trace虚拟仿真实验与真实实验的对比分析

在Packet Trace虚拟仿真软件中，学习者可以通过图形化界面，对虚拟的设备进行连线、配置、测试、排除故障等，在逼真的环境中，体验真实实验的过程，完成实验，得到真实实验的结果。而且虚拟实验中需要用到的实验设备，只需要用鼠标拖曳出来即可，仿真软件提供不同的设备和相同设备不同型号的选择，实验非常方便灵活。而在真实的实验中，很多实训场所不可能提供这么多的设备，更难具备各种不同型号的设备，仿真软件大大地节约了设备成本。在虚拟实验中，可以不断地重新配置，尝试不同的配置方法，不会损坏设备，配置不成功，可以删除设备，重新拖曳进新设备进行配置，而在真实实验中配置不正确，操作不当，可能损坏真实设备，而且不可能把真实设备丢掉后再用新设备进行配置管理，因此，虚拟仿真实验提供了更灵活的配置方法，增强了学习者的学习兴趣。在虚拟实验中，不需要专门的实训场所，不需要实训室管理维护人员，节约了实训场所成本以及管理人员成本;虚拟实验可以在任意一台电脑上完成，突破了时间与空间的限制，可以使学习者随时随地进行实验，学习更轻松，效率更高。

但是在虚拟仿真实验中有一些与真实实验不完全相同的地方，比如设备之间的连线，只需要选择一种介质即可，甚至可以由系统智能判断选择什么介质，所以配线环节不会出现错误。而在真实实验中，学习者可能不知道具体的设备需要选择哪种传输介质，或者传输介质没有连接好、松动、串扰等都可能造成实验不成功，而这些在虚拟实验中都不会出现。另外，如Web服务器配置，在虚拟实验中没有设备Web站点，只需要将HTTP协议打开即可，而在真实的实验中Web站点的配置存在版本的不兼容、默认站点的位置不正确以及登录用户的权限设置等问题都可能引起Web服务配置不成功。

因此，虚拟实验仿真实验需要与真实实验结合起来，不能只是单纯地进行虚拟仿真实验。比如，可以让初学者先通过虚拟仿真实验，熟悉设备、设备的型号、设备的配置方法、设备的管理方法、设备的排障方法等，然后再结合真实设备进行实验，这样将使学习效果更佳。

篇8

基于虚拟仿真技术和计算网络技术的实验教学方法已经成为不可或缺的实验教学手段。虚拟仿真实验教学体系的构建，将促进教学资源的科学规划和持续发展。以学科发展为依托、以培养具有综合实践能力和创新能力的人才为目标，本着能实不虚、虚实结合的原则，在实体实验的基础上，打破原有实验教学环节和专业内容所固有的界限，探索构建了三平台、三层次、一体化的“三三一”虚拟仿真实验教学体系。“三三一”体系的构建既丰富了专业实验教学内容，又为学生在基于虚拟仿真技术的跨专业大型综合实验教学资源中，提供更多的应用技能、综合能力和创新能力训练的机会。

关键词:

电气工程;自动化;虚拟仿真

天津大学电气与自动化实验中心承担着面向全校10个专业、47门课程的本科生实验教学工作，其中包括课程实验、课程设计、生产实习、毕业设计等多种教学实验环节。近年来，实验中心为了解决大型综合实体实验项目在建设、运行、维护等工作中受场地或经费等条件限制、阻碍学科建设与发展的问题;为了满足学生创新训练的需要，积极促进科研成果向教学资源的转化，在实体实验教学环境不断完善、发展的同时，对部分专业课实验教学内容进行了虚拟实验环境及仿真系统的开发与建设。先后建设了“智能电网仿真实验教学平台”、“多相流虚拟仿真实验教学系统”、“高电压虚拟仿真实验教学系统”、“机器人及自主系统虚拟仿真实验教学平台”、“工业生产线虚拟环境”等一批虚拟仿真实验教学资源［1－2］，并全部应用于实验教学中。2012年9月为了更好地管理和优化教学资源，学校成立了电气工程与自动化虚拟仿真实验教学中心。按照培养具有综合能力、实践能力和创新能力的高素质人才的需要，本着“相互补充、互融互通”的原则，构建了“三平台、三层次、一体化”的“三三一”虚拟仿真实验教学体系。经过5年的时间，依照“能实不虚、虚实结合”的原则，完成了15个虚拟仿真实验教学项目的建设工作。虚拟仿真实验教学体系为实验资源开发提出了明确的目标。

1虚拟仿真实验教学的特点

充分发挥虚拟仿真实验教学的特点和优势，是构建一套科学、高效、可持续发展的虚拟仿真实验教学体系的关键。其特点如下。

1．1丰富的教学内容

基于互联网的虚拟仿真技术为实验教学带来了不受时间、空间限制的特点，它可以将学生带入未知的科学世界。相比传统实体实验课程的内容，虚拟仿真实验项目可以是千变万化的［3］。学生不仅可以利用所学知识灵活地解决问题，还可以按照自己的兴趣爱好设计问题，探索未知的世界。例如:传统的电机学实验，学生只能观测电机外特性结果，无法从根本上理解电机的内部磁场分布、不同运行工况下的磁场变化。而虚拟仿真实验利用电机电磁场有限元分析软件，使学生能通过虚拟仿真环境，了解电机内部磁场分布及性能特性曲线。同时，虚拟仿真技术打破了不同专业实验室的隔墙，为跨学科的交叉应用提供了广阔的实践天地。

1．2灵活的教学环节

为体现“以人为本”的教育、教学理念，适应个性化学习需求，有利于创新能力的培养，实验教学体系应该包含多层次的实验教学环节，学生可以选择适合自己知识水平、兴趣爱好的实验内容。并且随着学习进度的变化，可以跨越教学层次提升(或回顾以往)实验内容［4］。这在实体实验教学活动中是很难实现的。灵活的虚拟仿真实验资源建立了不同教学环节之间的知识链接，使学生在夯实基础知识的前提下，有更多接触专业实验和创新实践的机会。

1．3不可及和不可逆过程的实现

在涉及高危或极端环境，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［5］，虚拟仿真技术提供可靠、安全和经济的实验手段。例如:在“高电压虚拟仿真实验教学系统”中学生可以随时观察高压放电的模拟场景。

1．4无处不在的实验室

基于互联网的虚拟仿真实验教学资源不仅可以为学生在任何时间和地点开展实验提供条件［6］，同时也可以将优秀的实验教学资源开放，为兄弟院校、企业、社区提供教学服务。

2虚拟仿真实验教学体系的构建

虚拟仿真实验教学体系在教学大系统中，与实体实验教学体系相互补充，同样需要遵循实验教学的客观规律和基本准则［7－8］。通过利用“互联网思维”和“虚拟仿真技术”对现有实体实验教学活动中的内容和环节进行了全面的、系统的再设计，形成了科学的和可持续发展的虚拟仿真实验教学系统。首先将基础实验、专业综合实验和创新与实践训练的三个虚拟仿真实验教学平台按照理论应用、综合设计、系统构建划分三个教学层次;然后利用虚拟仿真实验教学的特点和优势，将不同平台(教学层次)的实验项目进行互联互通、相互融合，形成了教学体系的一体化。

2．1以教学环节为导向的实验教学平台

以教学环节为导向的实验教学平台包括基础实验教学平台、专业综合实验教学平台以及创新与实践教学平台，如图1所示。

2．1．1基础实验教学平台

该平台侧重基础知识的教学工作。通过验证基础科学和技术原理，使学生切身体验科学发现与工程技术的发展历程，进而内化为其自身的工程意识与素养［9］。虚拟仿真实验教学可以为学生提供不受限于时间、地点的实验环境，“无处不在的实验室”有助于提高学生做实验的兴趣、培养独立思考问题和解决问题的能力。

2．1．2专业综合实验教学平台

专业综合实验平台主要包括课程设计、综合实验、工程设计综合训练等集中教学环节。由于部分综合类实体实验受实验设备功能的限制，学生可以选择的实验内容有限，尤其是一些大型、高风险、高能耗、高成本、不可及或不可逆的项目根本无法对本科生开放。构建虚拟仿真专业综合实验教学平台，将不可能变成可能，不仅可以开设大型综合实验项目的仿真环境，还可以实现跨专业的综合实践训练。为学生提供贴近实际的工程应用，对解决现实条件无法满足专业综合实验教学需求的矛盾有着不可替代的作用。实现了实验室与生产现场的“无缝对接”。

2．1．3创新实践教学平台

科学的创新实践教学方案需要良好的教学平台支撑。利用虚拟仿真技术针对电气工程及自动化专业的学科特色，结合“智能电网”、“航空航天”、“机器人”、“工业自动化”以及“新型传感器”等专业领域前沿技术建立虚拟仿真系统，从实验教学环节加强学生对相关学科前沿成果的深入理解。

2．2以教学目标为导向的三层次

在三个教学平台中学生可以循序渐进的完成知识学习和技能训练。但是，由于学生在专业方向、学习进度、兴趣爱好等方面存在个性差异，所以在学习过程中就会需要在不同的教学平台之间进行广泛的联系，尤其是学科交叉的教学资源中，需要横向的、跨平台的知识融合。每个虚拟实验教学平台分别按照理论应用、综合设计、系统构建三个层次进行划分，充分发挥虚拟仿真技术的优势，建立实验教学平台之间相互补充、互融互通的横向链接。如图2所示。

2．2．1理论应用层

理论应用层重点突出的是围绕基础理论知识，利用虚拟仿真技术为学生提供丰富的实验内容，包括一些看不见、摸不到的物理现象，基础理论在实际工程应用的案例等。更为重要的是，通过互联网虚拟仿真技术的应用，学生可在任何时间和地点直观形象的完成本专业科学理论与科学技术的基础性实验，有助于学生夯实理论知识。

2．2．2综合设计层

综合设计层是将相关专业基础知识交叉综合应用。着重培养学生运用专业基础知识、实验技术和实验手段、分析问题、解决问题的能力，使学生不论在知识的积累上还是实验技能的提高上都有较大的飞跃。通过虚拟仿真技术的应用，实验场景可以更加贴近工程实际，有效解决以往受实验设备或场地限制［10］，用抽象的示意模型代替复杂受控对象的问题;在大幅度提高实验项目丰富程度的同时，通过互联网技术的应用也可以提高教学资源的共享率。

2．2．3系统构建层

系统构建层是让学生在虚拟环境中将所学到的工程研究与创新方法得到应用和训练。让学生体会利用掌握的知识和技能在复杂工程实践中解决问题的快乐，真正做到学以致用［11］。该类实验可培养学生从事科学研究和技术开发的综合能力，为培养具有创新能力的高素质专业人才提供训练条件。虚拟仿真教学体系中的系统构建层实验教学资源有效的解决了生产实习、毕业设计等环节与工程实际脱节的问题。

2．3互融互通、互为补充的一体化理念

虚拟仿真实验教学体系如图3所示，其中教学平台的教学资源根据教学目的而设计，课程内容贯穿资源;教学层次是以培养应用能力为目标，将不同平台教学资源横向连接。在注重专业培养、因材施教的同时，教学平台之间互融互通，教学层次之间相互补充［12］，是虚拟仿真实验教学中心“一体化”建设核心。虚拟仿真实验教学体系一体化建设打通了学科专业界限，是培养创新型人才的新机制。

3结语

篇9

关键词：实验教学；虚拟仿真；网络工程；多元协同；虚实互动

实验教学作为学生实践能力和创新能力培养的重要载体，需要有相应的实验教学平台作为支撑。传统的实验教学平台采用实体形式，以物理空间中的实体设备、器件和材料为实验对象或载体，具有真实、直观、直接的优点，但存在更新运维成本高、规模与复杂度受限、可扩展性差、开放共享难等不足。虚拟仿真实验教学综合运用信息与通信技术，在信息空间中构建高度仿真的实验操作环境和实验对象，提供类似于实体实验教学的体验与效果，具有近似、抽象和间接的特点，并在可视性、交互性、安全性、可扩展性与可共享性等方面具备优势，是对实体实验教学的有益补充与完善。

一、虚拟仿真实验教学中心建设需要解决的关键问题

作为专业人才培养的重要教学保障和优质实验教学资源共享的主要载体，虚拟仿真实验教学中心建设不能简单停留在对实体实验教学项目的信息化再现或资源堆砌，必须思考并解决以下六方面的关键问题。

第一，建设理念。涉及虚拟仿真实验教学中心的基本指导思想、建设目标、服务面向，以及在专业人才培养中所应承担的角色或发挥的作用。

第二，建设内涵。与指导思想、建设目标与服务面向相适应，涉及虚拟仿真实验教学中心建设的教育教学品质与特色，例如是以基础研究与教学为特色，还是以工程研发或工程应用教学为特色。

第三，建设主线。涉及虚拟仿真实验教学中心建设的核心线索或体系，需要系统而有效地组织有关的实验教学资源，以满足中心的服务功能与特色。

第四，建设方法与途径。通过什么样的方法与途径实施虚拟仿真实验教学中心建设，是院校单独建设，还是校内外协同；是自主开发，还是购买服务，抑或是多方面结合。

第五，使用模式。如何将虚拟仿真实验教学中心资源运用于课内外教学，其与实体实验之间是什么关系，如何发挥各自的优势与长处，以提高实验教学的实效。

第六，开放共享机制。虚拟仿真实验教学中心如何实现优质实验教学服务的开放共享，包括服务的对象与范围、策略与机制以及服务能力等。

二、面向工程应用型人才培养的虚拟仿真实验教学中心建设思路

作为地方本科院校，温州大学网络工程专业以培养工程应用型人才为目标。为此，针对前述六大关键问题，我们提出了“学生发展为中心、工程应用为特色、能力培养为导向、多元协同为抓手、虚实互动增成效、开放共享促辐射”的基本建设思路。

（1）学生发展为中心，解决建设理念问题。服务于网络工程专业工程应用型人才培养目标，作为该专业实践教学平台的重要组成部分，虚拟仿真实验教学中心立足学生创新精神、综合素质与实践能力的协调发展，支撑问题分析、问题研究、解决方案设计以及现代工具使用等相关毕业要求与培养标准的达成，并促进学生的自主性学习与个性化学习。

（2）工程用为特色，解决建设内涵问题。虚拟仿真实验教学中心建设内涵与品质必须和网络工程专业工程应用型人才的培养目标与特色相契合，并着重在三个层面上予以把握：一是教学内容有效覆盖网络工程生命周期的主要应用环节，包括规划与设计、部署与开发、运行与维护等；二是实验平全支持当前主流的网络设备厂商及其产品，与业界主流网络技术及其应用无缝对接；三是综合性、设计性和创新性虚拟仿真实验教学项目都来源于网络工程实际问题或相关项目案例。

（3）能力培养为导向，解决建设主线问题。改变传统的以课程为核心的教学组织框架，体现以能力为导向，围绕工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力培养，针对递进性的分级能力培养目标，对虚拟仿真实验教学资源在实现技术、方式和手段等方面进行系统而精细地设计与开发。

（4）多元协同为抓手，解决建设方法与途径问题。为了落实能力培养核心与工程应用特色，依托高校与企业、教学与科研、教学研究与教学实践的多元协同，建立由教师、研究人员与工程师组成的专业化团队，融合虚拟仿真实验教学相关的教育、科技与工程优质资源，深度协作致力于虚拟仿真中心的开发与建设。

（5）虚实互动增成效，解决使用模式问题。充分发挥虚拟仿真实验教学与实体实验教学各自的优势，改革单纯基于实体实验教学资源的传统模式，结合分级能力培养目标，构建与实施虚拟实体高度互补、线上线下有机互动的新型实验教学模式，贯穿课内课外的各项教学活动，全面提高实验教学效果。

（6）开放共享促辐射，解决推广机制问题。建立管理服务与技术服务的“双轮驱动”机制，促进虚拟仿真中心的开放共享。在管理服务方面，面向兄弟院校、业界企业的团体与个人用户提供“Lab as a Service”形态的虚拟仿真实验教学云计算服务，为兄弟院校提供以全面降低使用门槛在技术服务方面，利用先进的虚拟数据中心网络技术提供安全、稳健、灵活的虚拟仿真实验教学服务，充分保障虚拟仿真实验教学服务的品质。

三、网络工程国家级虚拟仿真实验教学中心建设实践

依据上述基本建设思路，温州大学网络工程国家级虚拟仿真实验教学中心主要进行了以下建设实践。

1.能力培养为导向的虚拟仿真实验教学体系

以“专业基本技能一综合实践能力一工程实践能力一工程设计/创新能力”的递进式模型为主线，围绕综合分析和解决复杂网络工程问题的能力进行了虚拟仿真实验教学体系建设，如下表所示。

其中，专业基本技能培养阶段的虚拟仿真实验以演示认知型、分析验证型以及基础操作型等形式为主，以对少量技能点的认知或理解为教学目标，以可视性、交互性表现突出的软件仿真技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度低；综合实践能力培养阶段的虚拟仿真实验以综合训练型为主，以对数个领域的大量技能点的整体掌握为教学目标，以仿真程度高的硬件虚拟技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度较高；工程实践能力培养阶段的虚拟仿真实验以工程演练型为主，以掌握真实网络工程项目的部署与实施、测试与验证为主要教学目标，以仿真程度高的硬件虚拟技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度高；工程设计/创新能力培养阶段的虚拟仿真实验以创新设计型为主，以掌握真实网络工程项目的规划、设计与开发为主要教学目标，结合软件仿真技术与硬件虚拟技术实现，网络工程问题复杂度最高。

2.工程应用为特色的虚拟仿真实验教学项目库

在虚拟仿真实验教学项目库的建设中，主要通过以下三种途径实现工程应用内涵与特色。

（1）虚拟仿真实验教学项目的技术与产品覆盖面接轨当前网络工程行业的热点应用领域与主流产品。包括网络互连、网络安全、无线局域网、协作网络、数据中心网络、运营商网络等，支持对这些领域各主流厂商设备的软件仿真或硬件虚拟。

（2）虚拟仿真实验教学项目的能力点定位与设计源于网络工程应用的实际需要，根据当前网络工程生命周期各阶段对工程能力要求的分布，对实验教学内容进行细致的梳理与筛选。每门课程精选出若干能力点，并依据规划与设计、部署与开发、测试与验证、运行与维护等不同阶段内能力点之间的关联性，有针对性地设计虚拟仿真实验教学项目的能力点组合方案。

（3）在虚拟仿真实验教学内容的组织与设计上，以能力点目标组合方案为出发点，以网络工程案例为背景素材，以实际需求和工程问题为导向，进行虚拟仿真实验教学项目的设计，保障其真实性、时效性以及针对性。网络工程案例主要来源于合作企业工程师参与或主持的工程项目，经过有丰富经验的工程师根据分级能力目标对复杂网络工程问题的分解、梳理与萃取。

当前，虚拟仿真中心建成的306个实验教学项目对应于分级能力培养目标的项目数量比例大致为4：4：1：1，其中直接来源于实际网络工程案例合计占总数的一半以上。

3.多元协同的虚拟仿真实验教学中心开发与建设方式

多元协同的开发与建设方式体现在三个方面，即高校与企业协同、教学与科研协同、教学研究与教学实践协同。

首先，通过与两家业界领军企业（思科系统与思博伦通信）的校企协同，在技术层面获得了网络功能虚拟化的授权，解决了对网络系统进行高度虚拟和仿真的核心技术难题，同时获得了工程师的加盟，增强了开发与建设队伍的整体技术实力；在资源层面得到了企业一线工程师队伍的宝贵经验，解决了虚拟仿真实验教学项目案例主要来源的关键问题；在管理层面借鉴了企业在线实验室开放与管理模式，解决了虚拟仿真实验教学服务的安全性和稳健性问题。

其次，充分利用高校教师队伍教学与科研并举的优势，依托教学与科研协同实现了科研反哺虚拟仿真实验教学。一是通过学生课外科技与创新活动等形式，将科研成果直接或间接转化成虚拟仿真实验教学项目，此类项目占总数近14%；二是在虚拟仿真中心的开发与建设中，转化了许多虚拟化与云计算领域的科研成果，到目前为止直接实施应用的发明专利共有6项，主题涉及网络服务质量、虚拟机资源配置以及云计算调度等。

最后，依托教学研究与教学实践的协同解决了虚拟仿真中心建设各个层面的多个关键理论问题。例如，针对虚拟仿真中心硬件平台的建设，先后依托两项浙江省提升地方高校办学水平专项资金项目开展了主题为“多租户虚拟数据中心网络建设”的研究；针对虚拟仿真中心软件平台的建设，依托浙江省高校实验室工作研究重点项目开展了主题为“‘实验教学即服务’的云计算模式构建”的研究；针对虚拟仿真实验教学的应用，依托浙江省高等教育课堂教学改革项目开展了主题为“依托虚拟仿真实验教学平台的混合式实践教学模式探索”的课题研究；针对校企合作开发与建设虚拟仿真中心的机制，依托浙江省高等教育教学改革项目开展了主题为“基于企业生态系统的分布式工程实践教育中心建设模式探索与实践”的课题研究。

4.虚实互动的实验教学资源使用模式

相对于传统的网络工程实体实验教学，网络工程虚拟仿真实验教学在以下方面具有明显的优势，对实体实验教学起到补足与增强作用。

首先，弥补了实体实验教学在开放时间、地点和方式上的不足，实现在任意安装有浏览器的终端设备上随时随地访问虚拟仿真实验教学资源以及实体实验教学资源进行练习，为自主性学习和个性化提供充分的保障。

其次，克服实体实验教学可见性与交互性差的弱点，实现对网络协议和网络系统工作原理的交互式可视化呈现，促进对基本技能点的J知、理解与掌握。

再次，克服实体实验教学在拓扑规模、网络特性以及管理便捷性等方面的局限，以低成本构建特性更丰富、结构更复杂的虚拟仿真实验教学环境，进而实现简捷高效的连接与配置管理，提高综合性实践教学的品质。

最后，克服实体实验教学由于成本因素而明显滞后于工程应用发展水平的局限，支持跨厂商、多系列高端网络设备，支持对复杂网络系统连接与配置的多视角可视化交互管理，用于在专业实习或毕业设计环节中对实际复杂网络工程项目进行快速概念验证。

为充分发挥虚拟仿真实验教学在支撑实践能力培养目标的不同维度上的优势，结合能力分级目标的特点，依据两者之间的内在逻辑关系，可以将实验教学资源的组合使用模式分为四种：虚辅实主、虚实并举、虚主实辅以及纯虚拟仿真。

（1）虚辅实主模式。利用上述第一与第二项优势，适用于专业基本技能培养阶段。虚拟仿真实验教学项目是对实体实验教学项目的近似仿真，虚拟仿真实验平台用于课前预习以及课后练习，而在课堂中使用实体实验平台与虚拟仿真实验相互印证。

（2）虚实并举模式。利用上述第一与第三项优势，适用于综合实践能力培养阶段。虚拟仿真实验教学主要面向开放实验项目、学生科技创新项目、专业技能竞赛等课外教育活动，而实体实验教学面向日常课堂。

（3）虚主实辅模式。利用上述第一与第三项优势，适用于工程实践能力培养阶段。虚拟仿真实验平台用于前期耗时较长、不依赖于实体设备的建模与部署环节，实体实验平台用于后期耗时较短、依赖于实体设备的验证与测试环节。

（4）纯虚拟仿真模式。利用上述第一与第四项优势，适用于工程设计/创新能力培养阶段。学生在进入企业学习阶段后，用于大规模复杂网络工程解决方案的概念验证，包括规划与设计、建模与开发，用于新建网络解决方案的展示、客户网络割接方案的预演以及客户网络故障排错方案的验证等。

当前，虚拟仿真中心所有实验教学项目覆盖10门专业课程、5门综合实践课程、4大类课外教育活动以及专业实习与毕业设计，时间跨度从大二下到大四。从整体人才培养过程来看，随着专业教育阶段的逐步深入，实践能力培养目标逐步提升，所涉及的工程问题复杂度随之提升，对实验教学平台支持能力的要求越来越高。相应地，所依托的实验教学环境也由以实体中心为主逐渐演变为虚实结合，最终过渡到以虚拟仿真中心为主。

5.虚拟仿真实验教学开放共享的实现与推广

虚拟仿真中心对外开放共享提供虚拟仿真实验教学服务的内涵包括管理服务与技术服务两个方面。在管理服务方面，使用高级服务调度引擎将所有虚拟仿真实验教学资源整合起来，以“实验教学即服务”（Lab as a Service，LaaS）的形态统一对外提供开放共享。此外，对于兄弟院校与行业企业等团体用户，为其提供专有的管理门户，便于自我管理。在技术服务方面，构建了安全、健壮、高效、可扩展的技术平台架构。其中，软件仿真前端提供可视化的实验教学体验；而硬件虚拟后台创建虚拟仿真网络的运行实例并提供远程配置与管理手段，而云监控与管理、云备份与安全提供充分的服务质量保障。

篇10

关键词：应用型 经济管理 虚拟仿真 实验教学 建设思路

一、引言

国务院总理在2015年2月26日召开的国务院常务会议上提出要“引导一批普通本科高校向应用技术型高校转型”。在国务院印发的《关于加快发展现代职业教育的决定》（国发[2014]19号）（以下简称《决定》）中也提出“引导普通本科高等学校转型发展”，强调“采取试点推动、示范引领等方式，引导一批普通本科高等学校向应用技术类型高等学校转型，重点举办本科职业教育。”面对高校人才供给与社会需求突出矛盾，大学生“就业难”与企业“用工荒”的矛盾，高校的发展与经济社会转型不相适应的问题，高校转型势在必行。武汉工商学院作为应用型本科院校转型的试点学校，较早的把虚拟仿真技术应用于培养适应现代经济社会所需要的应用型、技能型经济管理人才的实验教学中，利用虚拟现实、多媒体、数据库和网络通信技术，构建仿真模拟实验环境，改进传统实验不具备或难以完成的教学功能，以达到理论认知验证、专业技能训练的教学效果。经济管理虚拟仿真实验教学平台的建设顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，必将对提高高等教育质量和深化实验教学改革发挥积极而重要的作用。

二、经济管理虚拟仿真实验教学平台的建设思路

我校经济管理虚拟仿真实验教学中心紧紧围绕学校的转型发展和“应用技术型”人才培养目标，根据应用型人才（知识+技术+能力+素质）的结构和教育教学要求，按照应用本科人才培养规格和人才培养体系，以经济管理虚拟仿真实验教学为抓手，重点开展资源、平台、队伍、制度等方面的建设，着力打造起经济管理虚拟仿真综合实践平台，形成持续服务实验教学和优质实验教学资源开放共享的有机整体，以应对经济发展方式的转变对人才需求的变化。

经济管理虚拟仿真综合实践平台的建设以突出应用、强化能力、提高素质为目的，集合“教学、实验、实训、实习、科研、培训”六大功能为一体，通过虚拟仿真的技术手段，以校企合作、产教融合、区域支柱产业、战略性新兴产业为依托和支撑，形成具有武汉工商学院经济管理人才培养特色的完整的虚拟仿真实验教学体系。该平台由经济管理专业集群虚拟仿真实验平台和经济管理跨专业综合实训实习平台两大板块组成，两者相互联系、相互融通，形成一个完整的有机体，同时，在不同的教学环节和培养学生的应用实践能力、专业综合能力和创新创业能力方面发挥各自相对独立的功能。平台总体结构，如图1所示。

（一）经济管理专业集群虚拟仿真实验平台

专业集群虚拟仿真实验平台建设按照专业集群建设的改革思路，以“应用技术型”人才培养目标为核心，以行业和产业为背景，积极推进产教融合、校企合作，构建起以各虚拟仿真实验模块为主要内容的基础实验、专业实验、专业综合实验三个实验层次的专业集群实验教学平台。该平台依托中心指挥管理平台，结合经济管理实验教学改革的新动态，依照人才培养目标要求开展虚拟仿真实验教学工作。经济管理专业集群虚拟仿真实验平台构架，如图2所示。

经济管理专业集群虚拟仿真实验平台包括国际贸易、金融市场、财务会计、企业运营、旅游管理、人力资源、电子商务、物流及供应链等8个虚拟仿真实验教学模块，覆盖了学校两个专业集群主要的经济管理类专业，实验教学内容紧密结合湖北、武汉现代农业、工业、服务业和新型战略产业的发展，为培养生产服务一线知识型、技术型、创新型高素质劳动者的专业综合能力和职业能力，提供了有效地支撑。

（二）经济管理跨专业综合实训和实习平台

经济管理跨专业综合实训和实习平台是基于企业价值链理论的仿真实训项目，整合了企业管理、市场营销、会计、金融、物流、政务服务等多方面的知识，将各个专业涉及的上下游岗位串联起来，使学生形成立体化的知识和能力，是跨学科、跨专业的综合型、设计型、创新型实验大平台。

经济管理跨专业综合实训和实习平台采用连续集中、分散集中、半集中教学形式，通过博弈、实景、角色扮演、协作、讨论、激励、验证等多种实习方法，完成企业经营到供应链竞合与服务业协同的仿真环境实习，从知识、能力、职业素养三方面进行综合评价，最终形成各阶段实习成果，综合实习的特殊性决定了考核评价的综合性，在考核评价中将过程考核与结果考核相结合、教师考核与学生自我考核相结合，团队考核与个人考核相结合，个人表现考核与工作业绩考核相结合，履行岗位职责考核与特别贡献考核相结合，通过评价指标库建立评价方案，从团队精神、分工协作与沟通交流、经营决策、经营业绩、管理制度、业务完成情况、公司绩效、资料管理、部门或公司经营报告、实验报告、业务处理情况、出勤率、提交书面材料等多点、多方位进行评价。经济管理跨专业综合实训和实习平台，如图3所示：

经济管理跨专业综合实训和实习无疑是经济管理虚拟仿真实验教学模式的一种探索与创新，该平台的建设表明中心的虚拟仿真实验教学进入了新的发展阶段。学生在近似真实环境中运用已掌握的专业知识进行与现实接轨最真实化、最低成本、零风险的具有社会层面的、行业层面的、企业层面的、岗位层面的各类体验和训练，得到一个完整全面的认识和锻炼。经济管理跨专业综合实训和实习平台的建设，以系统论、信息论、控制论思想统领全局，以教学设计为主导，以计算机、网络、云技术、大数据等信息技术为依托，将网络信息技术与课堂教学有机整合，以制造业为主体，虚拟了商务环境、政务环境和公共服务环境，仿真生产经营全流程活动，使学生可以在这一社会经济活动的虚拟仿真平台上获得与真实社会经济活动相近的实战效果，同时提高学生的团队合作意识和自主创新能力。

三、经济管理虚拟仿真实验教学平台的创新与特色

（一）构建了基于云技术的数字化、网络化虚拟仿真实验管理与教学平台

在武汉工商学院数字化校园建设的基础上，实验教学中心以互联网和移动互联、云计算、大数据以及现代通信技术的开放式实验教学管理与服务支持系统为依托，建立起网络化实验教学平台和经济管理学科实验项目共享资源服务体系两大项目。实现了实验教学和实验教学管理的信息化和智能化，利用现代技术教学手段在实验、实训中的应用，构建起资源开放与共享的虚拟仿真实验教学信息化环境；建立了经济管理学科实验项目共享资源服务体系，针对远程教学的环境，结合经济管理学科专业实验的特点，完善和优化了实验教学资源。

（二）建立起虚实结合的实验环境，提供可靠、安全、经济的实验项目

利用现代教育信息技术，以计算机网络为基础，将虚拟网络平台与有形实验环境相结合，构建仿真化、虚拟化相结合的实验教学环境。把社会、企业搬进校园，把经管类各专业的实习融合在实验室平台上，形成高仿真的实验教学环境，训练学生根据自己的所学专业在实训中操作不同的岗位认知和了解企业内部经营管理及环境及其关系，拓展学生实践知识的宽度，体验企业经营的整体框架，使学生提前感知和适应未来实际工作时才有的岗位环境，增强了学生的自信心和胜任感。以虚拟现实、依托多媒体、进行人机交互、利用数据库和网络通信等技术，让学生在虚拟的经济社会环境中开展实验，帮助学生掌握理论知识，增加了动手、实践机会，实现了实验教学环境和实验教学内容、方法、手段的大胆创新。

（三）依托转型发展、深化校企合作，培养区域经济发展需要的应用型人才

经济管理虚拟仿真实验教学紧紧围绕学校的转型发展和“应用技术型”人才培养目标，根据应用型人才的结构和教育教学要求，按照应用本科人才培养规格和人才培养体系，依托转型发展、开展校企合作，以经济管理虚拟仿实验真教学为抓手，重点开展资源平台的建设，在培养区域经济发展所需要的应用型人才过程中形成了自己的特色与创新。

四、结束语

武汉工商学院经济管理虚拟仿真实验教学中心通过对虚拟仿真实验教学平台长期的探索与实践，在实验教学、创新人才培养模式取得了新的进展。提高了应用型本科院校的人才培养质量，培养了有实践经验的创新创业人才。所取得的成果充分展示了虚拟仿真技术在虚拟仿真实验教学、实践育人方面起到的巨大的作用，夯实了转型发展高校的实验教学基础，突出了教学特色，促进了实验教学的改革与创新。

参考文献：

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[EB/ OL].（2010-07-29）.http：//.