虚拟仿真实验教学中心信息化平台与资源建设的探索

王焕友 曾晓华 谢光奇

摘 要 围绕多元化、全方位的实验教学体系，着力打造综合性虚拟仿真软件实验平台、仪器互联共享实验平台、远程虚拟实验室平台三大平台。共享实验平台依赖网络通讯、人机交互实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性，致力于虚拟仿真实验和传统实验相结合的实验教学方法改革与创新。

关键词 虚拟仿真实验教学中心 信息化平台 资源建设

中图分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.12.023

Exploration on Information Platform and Resource Construction

of Virtual Simulation Experimental Teaching Center

WANG Huanyou， ZENG Xiaohua， XIE Guangqi

（The School of Electronic Information and Electrical Engineering， Xiangnan University， Chenzhou， Hunan 423000）

Abstract Around the diversified and omni-directional experimental teaching system， we focus on building three platforms： comprehensive virtual simulation software experimental platform， instrument interconnection sharing experimental platform and remote virtual laboratory platform. The shared experimental platform relies on network communication and human-computer interaction to realize the diversity and omni-directionality of virtual and reality， time and space in the experimental teaching system. It is devoted to the reform and innovation of experimental teaching method combining virtual simulation experiment with traditional experiment.

Keywords virtual simulation experimental teaching center; information platform; resources construction

近年來，信息技术不断向前飞速发展，高校不断将信息技术融入到实验教学中，虚拟仿真实验教学在教学中的地位就显得尤为重要。[1，2]教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中就突出强调了虚拟仿真实验教学的重要性，并于2013年开始国家级虚拟仿真实验教学中心的申报和布点工作，取得了很好的示范效果。[3]虚拟仿真实践教学既是对常规实践教学的一个重要补充，还能完成常规实践教学无法实现的教学功能，[4，5]如一些高危、高成本、高消耗的实验，常规实验教学在这些方面显得力不从心，而虚拟仿真实验可以模拟真实的环境，使学生似乎身临其境，不对安全构成威胁;也可以降低实验的消耗和成本，达到事半功倍的效果。[6]

自2013年启动国家级虚拟仿真实验教学中心的申报和布点以来，各高校就如何建、怎样建虚拟仿真实验教学中心展开了一系列的研究。湘南学院作为一所地方型本科院校，电子信息与电气工程学院先后获得湖南省电工电子实践教学示范中心和湖南省电子电气虚拟仿真实践教学示范中心的立项建设。中心本着虚拟仿真与实体验证相互结合、优势互补的指导原则，对虚拟仿真实验进行优化，通过自行开发和对外租、购等办法，建设了一系列安全、经济、传统实验难以实现的实验项目，这些实验项目使学生设计、综合能力得到极大提高，特别是对学生创新能力的培养创造了条件。利用现代信息技术，通过远程登录，使学生无论课内与课外、校内与校外、网上与网下，完成虚拟仿真实验，是对传统实验教学方法一种改革与创新。

1 信息化平台建设

1.1 平台的设计目标

以网络化、数据库技术为基础，构建具有管理方便、稳定性好，扩展性强，客户端只需浏览器支持的远程虚拟实验平台。学生在实验分室的现场可进行软硬结合、虚实结合的综合性实验，创建虚拟真实的实验操作环境。学生即可单独也可协作完成实验，适应不同的实验模式，便于实现师生间的交流。平台上所有的操作均可在服务器上加以跟踪，并在数据库形成记录，确保平台安全性。网络实验的人数、实验的时间、地点依实验项目的不同均有相当的自由度，使整个实践教学的中心向学生迁移。

1.2 平台功能设计原则

平台功能的设计以扩展性、兼容性、前瞻性，实验教学资源的管理高效性为原则。实现实验软件与实验资源的统一管理、灵活应用，实现不同专业的实验软件与实验资源的共享、互用，学生随时随地可在平台上获取软件资源和实验资源，开展自主学习和自主实验，实现教学资源在时间与空间上的高效率共享和使用。

虛拟仿真实验管理与共享平台主要应用虚拟化接入技术，综合单点登录、远程监控等技术与教育深度融合，全面解决高校虚拟仿真实验教学领域内资源的建设、整合、开放与共享问题，提供可持续发展的虚拟实验教学环境，打破当前状况下实验应用的封闭、异构等严重阻碍“共享”的障碍枷锁，并将“有限的物理实验教学空间”拓展成为“无限的虚拟实验教学空间”，以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为最终目标，促进学校品牌提升，达到省级虚拟实验教学中心示范作用，最终形成校与校之间，学院与学院之间，校与企业直接共建、共享、共营的局面，更好的为培养校内外实践创新能力的优质人才提供服务。

虚拟仿真实验管理与共享平台是从虚拟仿真实验应用，实验学术资源，线上虚拟实验室，基础数据，实验设施五个管理维度切入，分别主要解决问题：实验应用统一管理、资源共享利用实现虚拟最大化问题;学术资源共建共享与优质资源建设问题;把有限的物理实验空间扩展成无限虚拟实验室的问题;建设决策采纳问题。采用B/S架构加虚拟接入插件，利用应用虚拟化技术，支持任何架构的教学软件。图1为总体设计框图，总体框架由VA虚拟化实验应用管理平台，实验学术资源共享子平台，实验数据管理子平台组成，以及实验教务管理系统、虚拟仿真实验教学系统、实验数据查询分析系统构成。

2 实验教学资源的建设

中心按照“能力培养，虚实结合、以虚补实、能实不虚”的原则构建虚拟仿真实验教学体系，体系的宗旨是全方位提升学生的应用能力，核心是将优质实验教学资源充分共建共享，充分发挥实验教学信息化的优势。优质实验教学资源的建设要求紧贴多学科协同创新发展的特点，并与企业的现实需求相结合， 按照“虚拟仿真实验+校企合作实践” 模式构建实践教学资源，打破传统实验室的建设模式和思路。

发挥高校和企业各自的优势，企业具有较强的开发实力和支持服务能力，高校具有较强的学科优势，整合这两方面的实验教学资源，以综合培养学生设计和创新能力为基础，设计实验教学内容，开展虚拟仿真实验教学。在已有教学资源前提下，改善专业基础虚拟仿真实验教学平台、专业虚拟仿真实验教学平台和创新拓展虚拟仿真实验教学平台，并积极建设电子电气虚拟仪器平台和电子电气数字化校园特色项目。

2.1 进一步完善电工电子类实验仿真平台

包括电路实验仿真系统、电子技术实验仿真系统、单片机实验仿真系统、DSP实验仿真系统、FPGA/EDA实验仿真系统、嵌入式实验仿真系统等电工电子类实验仿真平台升级和进一步自制，以及大学生创新活动基地的强化建设等。

2.2 进一步完善电力系统虚拟仿真实验教学平台

现有的虚拟仿真平台具有对传统电网的稳态和暂态过程进行数字化仿真的基本功能，但随着现代电力系统快速发展和国内外智能电网建设的逐步推进，在传统电网的电网中融入了越来越多的新设备和新技术，为更好地与现代电力系统的生产实际相结合，需要对现有的仿真平台进行扩展和升级。建设内容包括：新增电压稳定模块、参数优化与协调模块、马达启动模块、无功优化模块、光伏发电站模型、风电机组（直驱、双馈）模型、电力系统稳定器PSS模型、电能质量计算模块、谐波分析模块、图模一体化平台。

2.3 新建电磁暂态模拟仿真平台

可实现机电暂态仿真、电磁暂态仿真的所有功能;可实现大规模电力系统的机电暂态仿真和局部网络的电磁暂态仿真;可研究大系统背景（5000至10000节点网络规模）下的直流输电系统和FACTS元件暂态特性，无需对相关电力系统进行等值化简，与传统的纯电磁暂态仿真相比，大大简化了工作量，并提高了分析的准确性;可研究直流输电系统和FACTS元件与网络的相互影响，分析准确性大大优于传统的纯机电暂态仿真。

2.4 控制系统网络化远程仿真教学系统的建设

基于Web技术，继续进行网络化远程仿真系统的开发，将现有虚拟仿真系统网络化，提供多层次、多种类的虚拟仿真服务，可实现远程教育和交互式操作（人员异地）、远程诊断（专家异地）。

3 结语

虚拟仿真实验教学中心的建设结合了高等教学信息化建设和实验教学示范中心建设，中心的建设在高校实验教学改革与创新中具有举足轻重的作用，使资源使用效益最大化，虚拟仿真教学中心的实现也会随着新技术的发展而更新。而在虚拟仿真实验教学中心建立过程中，需要信息技术与实验教学的有机结合，充分发挥虚拟仿真实验教学中心资源共享优势、结合信息化实验教学管理平台、使虚拟仿真实验教学中心的建设日臻完善。

基金项目：湖南省高等教育教学质量与教学改革项目（项目批准号湘教通[2014]72号-452）;湖南省高等教育教学质量与教学改革项目（项目批准号湘教通[2015]274号）

参考文献

[1] 米瑞利，殷晓三.高校虚拟仿真实验室建设与管理[J].改革与开放，2015（17）：122-123.

[2] 李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014（2）：5-8.

[3] 唐景莉.技术革命催生中国高等教育变革[N].中国教育报，2013-07-08.

[4] 周爱东，王庆，杨红晓.仿真技术应用于化工原理实验教学的创新实践[J].实验技术与管理，2007.24（3）：84-86.

[5] 夏迎春，吴重光，张贝克，等.现代化工仿真训练工厂[J].系统仿真学报，2010（2）：370-375.

[6] 丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理，2011.28（5）：163-166.