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摘要:
基于虛擬仿真技術和計算網絡技術的實驗教學方法已經成為不可或缺的實驗教學手段。虛擬仿真實驗教學體系的構建，將促進教學資源的科學規劃和持續發展。以學科發展為依托、以培養具有綜合實踐能力和創新能力的人才為目標，本著能實不虛、虛實結合的原則，在實體實驗的基礎上，打破原有實驗教學環節和專業內容所固有的界限，探索構建了三平臺、三層次、一體化的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系。“三三一”體系的構建既豐富了專業實驗教學內容，又為學生在基于虛擬仿真技術的跨專業大型綜合實驗教學資源中，提供更多的應用技能、綜合能力和創新能力訓練的機會。
關鍵詞:
天津大學電氣與自動化實驗中心承擔著面向全校10個專業、47門課程的本科生實驗教學工作，其中包括課程實驗、課程設計、生產實習、畢業設計等多種教學實驗環節。近年來，實驗中心為了解決大型綜合實體實驗項目在建設、運行、維護等工作中受場地或經費等條件限制、阻礙學科建設與發展的問題;為了滿足學生創新訓練的需要，積極促進科研成果向教學資源的轉化，在實體實驗教學環境不斷完善、發展的同時，對部分專業課實驗教學內容進行了虛擬實驗環境及仿真系統的開發與建設。先后建設了“智能電網仿真實驗教學平臺”、“多相流虛擬仿真實驗教學系統”、“高電壓虛擬仿真實驗教學系統”、“機器人及自主系統虛擬仿真實驗教學平臺”、“工業生產線虛擬環境”等一批虛擬仿真實驗教學資源［1－2］，并全部應用于實驗教學中。2012年9月為了更好地管理和優化教學資源，學校成立了電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心。按照培養具有綜合能力、實踐能力和創新能力的高素質人才的需要，本著“相互補充、互融互通”的原則，構建了“三平臺、三層次、一體化”的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系。經過5年的時間，依照“能實不虛、虛實結合”的原則，完成了15個虛擬仿真實驗教學項目的建設工作。虛擬仿真實驗教學體系為實驗資源開發提出了明確的目標。
1虛擬仿真實驗教學的特點
充分發揮虛擬仿真實驗教學的特點和優勢，是構建一套科學、高效、可持續發展的虛擬仿真實驗教學體系的關鍵。其特點如下。
1．1豐富的教學內容
基于互聯網的虛擬仿真技術為實驗教學帶來了不受時間、空間限制的特點，它可以將學生帶入未知的科學世界。相比傳統實體實驗課程的內容，虛擬仿真實驗項目可以是千變萬化的［3］。學生不僅可以利用所學知識靈活地解決問題，還可以按照自己的興趣愛好設計問題，探索未知的世界。例如:傳統的電機學實驗，學生只能觀測電機外特性結果，無法從根本上理解電機的內部磁場分布、不同運行工況下的磁場變化。而虛擬仿真實驗利用電機電磁場有限元分析軟件，使學生能通過虛擬仿真環境，了解電機內部磁場分布及性能特性曲線。同時，虛擬仿真技術打破了不同專業實驗室的隔墻，為跨學科的交叉應用提供了廣闊的實踐天地。
1．2靈活的教學環節
為體現“以人為本”的教育、教學理念，適應個性化學習需求，有利于創新能力的培養，實驗教學體系應該包含多層次的實驗教學環節，學生可以選擇適合自己知識水平、興趣愛好的實驗內容。并且隨著學習進度的變化，可以跨越教學層次提升(或回顧以往)實驗內容［4］。這在實體實驗教學活動中是很難實現的。靈活的虛擬仿真實驗資源建立了不同教學環節之間的知識鏈接，使學生在夯實基礎知識的前提下，有更多接觸專業實驗和創新實踐的機會。
1．3不可及和不可逆過程的實現
在涉及高?；驑O端環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時［5］，虛擬仿真技術提供可靠、安全和經濟的實驗手段。例如:在“高電壓虛擬仿真實驗教學系統”中學生可以隨時觀察高壓放電的模擬場景。
1．4無處不在的實驗室
基于互聯網的虛擬仿真實驗教學資源不僅可以為學生在任何時間和地點開展實驗提供條件［6］，同時也可以將優秀的實驗教學資源開放，為兄弟院校、企業、社區提供教學服務。
2虛擬仿真實驗教學體系的構建
虛擬仿真實驗教學體系在教學大系統中，與實體實驗教學體系相互補充，同樣需要遵循實驗教學的客觀規律和基本準則［7－8］。通過利用“互聯網思維”和“虛擬仿真技術”對現有實體實驗教學活動中的內容和環節進行了全面的、系統的再設計，形成了科學的和可持續發展的虛擬仿真實驗教學系統。首先將基礎實驗、專業綜合實驗和創新與實踐訓練的三個虛擬仿真實驗教學平臺按照理論應用、綜合設計、系統構建劃分三個教學層次;然后利用虛擬仿真實驗教學的特點和優勢，將不同平臺(教學層次)的實驗項目進行互聯互通、相互融合，形成了教學體系的一體化。
2．1以教學環節為導向的實驗教學平臺
以教學環節為導向的實驗教學平臺包括基礎實驗教學平臺、專業綜合實驗教學平臺以及創新與實踐教學平臺，如圖1所示。
2．1．1基礎實驗教學平臺
該平臺側重基礎知識的教學工作。通過驗證基礎科學和技術原理，使學生切身體驗科學發現與工程技術的發展歷程，進而內化為其自身的工程意識與素養［9］。虛擬仿真實驗教學可以為學生提供不受限于時間、地點的實驗環境，“無處不在的實驗室”有助于提高學生做實驗的興趣、培養獨立思考問題和解決問題的能力。
2．1．2專業綜合實驗教學平臺
專業綜合實驗平臺主要包括課程設計、綜合實驗、工程設計綜合訓練等集中教學環節。由于部分綜合類實體實驗受實驗設備功能的限制，學生可以選擇的實驗內容有限，尤其是一些大型、高風險、高能耗、高成本、不可及或不可逆的項目根本無法對本科生開放。構建虛擬仿真專業綜合實驗教學平臺，將不可能變成可能，不僅可以開設大型綜合實驗項目的仿真環境，還可以實現跨專業的綜合實踐訓練。為學生提供貼近實際的工程應用，對解決現實條件無法滿足專業綜合實驗教學需求的矛盾有著不可替代的作用。實現了實驗室與生產現場的“無縫對接”。
2．1．3創新實踐教學平臺
科學的創新實踐教學方案需要良好的教學平臺支撐。利用虛擬仿真技術針對電氣工程及自動化專業的學科特色，結合“智能電網”、“航空航天”、“機器人”、“工業自動化”以及“新型傳感器”等專業領域前沿技術建立虛擬仿真系統，從實驗教學環節加強學生對相關學科前沿成果的深入理解。
2．2以教學目標為導向的三層次
在三個教學平臺中學生可以循序漸進的完成知識學習和技能訓練。但是，由于學生在專業方向、學習進度、興趣愛好等方面存在個性差異，所以在學習過程中就會需要在不同的教學平臺之間進行廣泛的聯系，尤其是學科交叉的教學資源中，需要橫向的、跨平臺的知識融合。每個虛擬實驗教學平臺分別按照理論應用、綜合設計、系統構建三個層次進行劃分，充分發揮虛擬仿真技術的優勢，建立實驗教學平臺之間相互補充、互融互通的橫向鏈接。如圖2所示。
2．2．1理論應用層
理論應用層重點突出的是圍繞基礎理論知識，利用虛擬仿真技術為學生提供豐富的實驗內容，包括一些看不見、摸不到的物理現象，基礎理論在實際工程應用的案例等。更為重要的是，通過互聯網虛擬仿真技術的應用，學生可在任何時間和地點直觀形象的完成本專業科學理論與科學技術的基礎性實驗，有助于學生夯實理論知識。
2．2．2綜合設計層
綜合設計層是將相關專業基礎知識交叉綜合應用。著重培養學生運用專業基礎知識、實驗技術和實驗手段、分析問題、解決問題的能力，使學生不論在知識的積累上還是實驗技能的提高上都有較大的飛躍。通過虛擬仿真技術的應用，實驗場景可以更加貼近工程實際，有效解決以往受實驗設備或場地限制［10］，用抽象的示意模型代替復雜受控對象的問題;在大幅度提高實驗項目豐富程度的同時，通過互聯網技術的應用也可以提高教學資源的共享率。
2．2．3系統構建層
系統構建層是讓學生在虛擬環境中將所學到的工程研究與創新方法得到應用和訓練。讓學生體會利用掌握的知識和技能在復雜工程實踐中解決問題的快樂，真正做到學以致用［11］。該類實驗可培養學生從事科學研究和技術開發的綜合能力，為培養具有創新能力的高素質專業人才提供訓練條件。虛擬仿真教學體系中的系統構建層實驗教學資源有效的解決了生產實習、畢業設計等環節與工程實際脫節的問題。
2．3互融互通、互為補充的一體化理念
虛擬仿真實驗教學體系如圖3所示，其中教學平臺的教學資源根據教學目的而設計，課程內容貫穿資源;教學層次是以培養應用能力為目標，將不同平臺教學資源橫向連接。在注重專業培養、因材施教的同時，教學平臺之間互融互通，教學層次之間相互補充［12］，是虛擬仿真實驗教學中心“一體化”建設核心。虛擬仿真實驗教學體系一體化建設打通了學科專業界限，是培養創新型人才的新機制。
3結語
電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心構建的三平臺、三層次、一體化的“三三一”虛擬仿真實驗教學體系在實驗教學中發揮了舉足輕重的作用，并取得了顯著效果。充分說明了建設虛擬仿真實驗教學體系的必要性和重要性。經過科學規劃、可持續發展的虛擬實驗教學體系對培養社會發展需求的工程技術人才、深化國內電類實驗教學改革和實驗教學理論研究均具有重要意義，對國內其他地方綜合性高等院校電類專業的實驗教學改革也將具有重要的示范推動作用。
作者:房朝暉 白瑞峰 韓洪洪 單位:天津大學
