吳 涓，孫岳民，雷 威，徐春宏，秦藝洢，宋愛國

(1. 東南大學(xué) 教務(wù)處，江蘇 南京 210096； 東南大學(xué) 設(shè)備處，江蘇 南京 210096； 3. 東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)生專業(yè)知識獲取和技能培養(yǎng)不可缺少的環(huán)節(jié)。而在學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)過程中，往往有一些實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)是在真實(shí)環(huán)境下難以復(fù)現(xiàn)、觀察或者成本較高實(shí)施難度較大的[1]。為使學(xué)生對專業(yè)理論與知識有親身的體驗(yàn)和直觀感受，有必要借助虛擬仿真技術(shù)，利用數(shù)字化、多媒體、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，精確模擬真實(shí)物理環(huán)境和作業(yè)任務(wù)，讓學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺下，完成真實(shí)環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知和實(shí)踐過程，從而提高學(xué)生對知識的深入理解和綜合運(yùn)用程度[2]。

在國外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)最早起源于工科類院?；A(chǔ)課程教學(xué)，如麻省理工學(xué)院的微電子在線實(shí)驗(yàn)室、美國北卡羅來納大學(xué)外科手術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)室、美國休斯頓大學(xué)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室、喬治梅森大學(xué)的動態(tài)流體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等[3-5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于其生動直觀性、經(jīng)濟(jì)性、精確性以及安全性，在不同專業(yè)教學(xué)以及能力訓(xùn)練環(huán)節(jié)中得以廣泛應(yīng)用[6]。

東南大學(xué)作為以工科見長的綜合性研究型大學(xué)，長期以來重視學(xué)生專業(yè)理論基礎(chǔ)的實(shí)踐能力培養(yǎng)，建成在全國具有影響力和示范效應(yīng)的國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心7個。機(jī)電類專業(yè)在全校70多個本科專業(yè)中占有重要地位。東南大學(xué)依托國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心“機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心”以及10多個機(jī)電類專業(yè)的學(xué)科科研優(yōu)勢，構(gòu)建了面向全校機(jī)電類專業(yè)的立體化、多層次的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，建成了國家級機(jī)電綜合虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(下稱中心)，啟動了一批貫穿基礎(chǔ)理論教學(xué)、專業(yè)技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及工程項(xiàng)目設(shè)計仿真類的教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程40多門和綜合實(shí)踐項(xiàng)目200多項(xiàng)。中心的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺涵蓋機(jī)械、電子、信息，自動化等專業(yè)領(lǐng)域，形成了分層次、模塊化的虛擬仿真與訓(xùn)練課程體系，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校資源的優(yōu)化配置與開放共享，有利于科研成果向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化，為高水平本科生培養(yǎng)和創(chuàng)新能力塑造打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。為此，學(xué)校以統(tǒng)籌規(guī)劃、突出重點(diǎn)、強(qiáng)調(diào)資源共享、提高實(shí)效為原則，進(jìn)行了總體布局和規(guī)劃。

2 目標(biāo)與總體規(guī)劃

2.1 改善傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效銜接與互補(bǔ)

在很多專業(yè)課程的理論教學(xué)中，存在一些普遍性問題，如：理論知識高度概括抽象，難以理解或者所涉及的原理在現(xiàn)實(shí)世界難以直觀展示；有一類專業(yè)課程的理論部分體系縝密、知識點(diǎn)多、關(guān)系脈絡(luò)復(fù)雜，缺乏對知識體系整體的構(gòu)建能力，學(xué)生學(xué)習(xí)容易陷入“林深不知處”的境地；還有另一類課程理論教學(xué)要構(gòu)建物理演示系統(tǒng)成本高、操作困難，缺乏讓學(xué)生動手實(shí)踐的條件[7]。為解決傳統(tǒng)理論教學(xué)與學(xué)生工程化培養(yǎng)之間的矛盾，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的密切結(jié)合，同時也盡可能減少實(shí)驗(yàn)成本和潛在的危險，在課堂基礎(chǔ)理論教學(xué)上，利用專業(yè)的仿真軟件，采用多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊平臺，構(gòu)建具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺, 是專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新[8]。

2.2 掌握專業(yè)仿真手段和數(shù)字化設(shè)計方法，滿足專業(yè)技能培養(yǎng)要求

機(jī)電專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，專業(yè)設(shè)計與仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為該專業(yè)能力培養(yǎng)不可缺少的環(huán)節(jié)。專業(yè)仿真軟件精度高、人機(jī)交互界面友好，仿真直觀性好。需要讓學(xué)生掌握專業(yè)設(shè)計仿真軟件及虛擬仿真技術(shù)，從而完成對專業(yè)能力培養(yǎng)要求。為此，在機(jī)電類專業(yè)教學(xué)中很重要的一環(huán)是讓學(xué)生掌握專業(yè)設(shè)計仿真軟件的使用方法，利用仿真設(shè)計軟件優(yōu)化設(shè)計，在虛擬仿真環(huán)境中完成專業(yè)設(shè)計、參數(shù)整定、功能分析等任務(wù)。

2.3 提升綜合設(shè)計與應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)工程化和創(chuàng)新能力的發(fā)展

機(jī)電專業(yè)的一些高年級課程設(shè)計和綜合工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，往往存在實(shí)驗(yàn)周期長、成本高、過程復(fù)雜、危險性大、環(huán)境要求苛刻等問題。這些難以在真實(shí)環(huán)境下開展的項(xiàng)目，需要借助虛實(shí)結(jié)合的工程仿真平臺，讓學(xué)生完成復(fù)雜系統(tǒng)訓(xùn)練，提高專業(yè)技能和實(shí)踐能力。

中心主要面向機(jī)電類工程專業(yè)，構(gòu)建基礎(chǔ)課程的理論可視化與模擬、專業(yè)課程設(shè)計與仿真、綜合設(shè)計與創(chuàng)新開發(fā)類項(xiàng)目3個層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(見圖1)，給學(xué)生提供理論認(rèn)知與動手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，全面提高實(shí)驗(yàn)效果，開闊學(xué)生的思維和視野，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在中心設(shè)立和建設(shè)中體現(xiàn)了“兩縱”“兩橫”的建設(shè)框架(見圖2)。

圖1 東南大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心架構(gòu)

3 實(shí)施思路與特點(diǎn)

3.1 “一橫”，體現(xiàn)全校統(tǒng)一布局、機(jī)電類專業(yè)橫向聯(lián)合

橫向聯(lián)合的內(nèi)容突出多學(xué)科交叉、優(yōu)勢虛擬仿真教學(xué)資源全校共享、互相支撐互補(bǔ)的特點(diǎn)。第一層次的基礎(chǔ)理論課程的虛擬仿真教學(xué)包含物理、計算機(jī)原理、信號與系統(tǒng)、電工電子、自動控制等課程，為全校機(jī)電類14個專業(yè)一二年級學(xué)生共享，通過可視化直觀的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解；第二層次的虛擬仿真課程與實(shí)驗(yàn)分為EDA模塊、機(jī)械CAD/CAM模塊，測量與控制3個模塊，涵蓋電子信息、機(jī)械設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計類的20多門專業(yè)教學(xué)，各專業(yè)可根據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，進(jìn)行模塊化選擇組合，課程實(shí)驗(yàn)發(fā)揮輔助設(shè)計與分析驗(yàn)證等功能，彌補(bǔ)專業(yè)實(shí)物實(shí)驗(yàn)不足；第三層次的虛實(shí)結(jié)合、多人協(xié)作的綜合虛擬仿真項(xiàng)目結(jié)合綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和課外研學(xué)競賽的需要，實(shí)現(xiàn)機(jī)電專業(yè)知識的綜合應(yīng)用、工程創(chuàng)新的人才培養(yǎng)要求。

圖2 東南大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

3.2 “二橫”，構(gòu)建貫穿大學(xué)四年，虛擬仿真教學(xué)與實(shí)踐持續(xù)不間斷

實(shí)驗(yàn)體系連貫性強(qiáng)，可以擴(kuò)寬學(xué)生的專業(yè)視野。這些教學(xué)和實(shí)踐項(xiàng)目讓“課堂成為實(shí)驗(yàn)室”、“課外成為工廠車間”，對工科專業(yè)類學(xué)生加深學(xué)科知識理解，親自操作完成復(fù)雜性高、專業(yè)性強(qiáng)、危險性大的專業(yè)設(shè)計與工程設(shè)計技能提供了直觀、數(shù)字化、沉浸感的訓(xùn)練平臺[9]。

以測控技術(shù)與儀器專業(yè)為例，其含虛擬仿真類的實(shí)踐教學(xué)實(shí)踐活動見圖3。

圖3 四年持續(xù)不間斷虛擬仿真教學(xué)與實(shí)踐活動示意圖

作為機(jī)電一體化專業(yè)，在一年級所涉及的基礎(chǔ)課程“物理實(shí)驗(yàn)”、“計算機(jī)組成原理”，二年級涉及的“機(jī)械制造與CAD”、“信號與系統(tǒng)”、“電工電子專業(yè)”平臺課程，三年級需掌握的“自動控制原理”、“電機(jī)學(xué)”、“虛擬儀器技術(shù)”，四年級要選修的“機(jī)器人創(chuàng)新課程”、“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”、“機(jī)電一體化”、畢業(yè)設(shè)計等項(xiàng)目，均能夠從虛擬仿真平臺上找到相應(yīng)的模塊。此外，學(xué)生的課外研學(xué)項(xiàng)目以及競賽也可以依托中心所擁有的虛擬儀器測控平臺進(jìn)行[10]。依托虛擬仿真教學(xué)，形成從理論到實(shí)踐到創(chuàng)新設(shè)計，跨專業(yè)綜合工程訓(xùn)練的學(xué)習(xí)模式。

3.3 “一縱”，培養(yǎng)目標(biāo)層遞進(jìn)式推進(jìn)

從公共基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程到綜合實(shí)踐與創(chuàng)新課程，培養(yǎng)目標(biāo)層遞進(jìn)式推進(jìn)實(shí)現(xiàn)，見圖4。在基礎(chǔ)理論課程授課中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真手段實(shí)現(xiàn)原理和技術(shù)的直觀呈現(xiàn)，提高專業(yè)授課直觀性和新穎性；在專業(yè)課程及實(shí)踐中，虛擬仿真教學(xué)充分利用各類先進(jìn)的仿真和開發(fā)平臺，體現(xiàn)虛擬仿真的高精度、高效率的特點(diǎn)；在綜合設(shè)計和創(chuàng)新平臺方面，利用虛擬仿真平臺，開發(fā)綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)、復(fù)雜度高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和創(chuàng)新比賽，為學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了良好平臺。實(shí)現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用、工程實(shí)踐到研究創(chuàng)新能力的漸進(jìn)培養(yǎng)過程。

圖4 虛擬仿真教學(xué)進(jìn)階式目標(biāo)實(shí)現(xiàn)示意圖

3.4 “二縱”，科研成果向教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化

依托專業(yè)技術(shù)企業(yè)，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)科研成果向教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，構(gòu)建高新技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，見圖5。

圖5 中心技術(shù)平臺支撐關(guān)系示意圖

中心依靠江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“火電機(jī)組振動國家工程研究中心”、“江蘇省遠(yuǎn)程測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“復(fù)雜工程系統(tǒng)測量與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”教師團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化形成的向大型火電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、智能電網(wǎng)運(yùn)行分析仿真系統(tǒng)、基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)、“多工業(yè)機(jī)器人的協(xié)作控制仿真”等虛實(shí)結(jié)合的綜合工程訓(xùn)練設(shè)計項(xiàng)目，將設(shè)計、虛擬和仿真融于一體，讓學(xué)生能夠基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完成設(shè)計、驗(yàn)證、操作、測量、控制等綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合，為高端人才的培養(yǎng)提供了重要支撐[11-12]。近5年來，中心成為學(xué)生課外研學(xué)、科技創(chuàng)新的重要基地。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)指導(dǎo)學(xué)生參加國際機(jī)器人Robocup、全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯、全國電子設(shè)計大賽等國家級比賽中獲獎100多項(xiàng)。中心既是機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)和綜合工程訓(xùn)練的基地，也是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)和對外技術(shù)服務(wù)方面應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化平臺。中心開發(fā)的具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的綜合虛擬仿真系統(tǒng)服務(wù)于高校學(xué)生培養(yǎng)和企業(yè)專業(yè)人才培訓(xùn)，高校中包括浙江大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、南京師范大學(xué)、鄭州大學(xué)等高校，企業(yè)中有江蘇省徐塘發(fā)電有限公司、山西安平發(fā)電有限公司、福建福州發(fā)電有限公司等20多個企業(yè)，發(fā)揮了良好的示范輻射作用。

4 進(jìn)展與小結(jié)

中心的教學(xué)資源和平臺進(jìn)一步建設(shè)已經(jīng)在分步實(shí)施中。2014年學(xué)校購置了包括Matlab、Ansys、Mutisium等在內(nèi)的大型專業(yè)仿真與設(shè)計軟件，并依托學(xué)校云平臺，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)軟件的共享與管理；與此同時，學(xué)校進(jìn)一步規(guī)范和加強(qiáng)中心的課程資源建設(shè)，根據(jù)專業(yè)課程理論與實(shí)踐教學(xué)的要求，2014年立項(xiàng)支持50個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，并配套啟動信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理軟硬件平臺的建設(shè)。2015年將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn)資源的整合、優(yōu)化和虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐活動的開展。計劃通過3年的建設(shè)，將東南大學(xué)機(jī)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)成為高水平、有輻射度和示范性的綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為高層次人才培養(yǎng)充分發(fā)揮作用。

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