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摘要:
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:
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
电气工程与自动化虚拟仿真实验教学中心构建的三平台、三层次、一体化的“三三一”虚拟仿真实验教学体系在实验教学中发挥了举足轻重的作用，并取得了显著效果。充分说明了建设虚拟仿真实验教学体系的必要性和重要性。经过科学规划、可持续发展的虚拟实验教学体系对培养社会发展需求的工程技术人才、深化国内电类实验教学改革和实验教学理论研究均具有重要意义，对国内其他地方综合性高等院校电类专业的实验教学改革也将具有重要的示范推动作用。
作者:房朝晖 白瑞峰 韩洪洪 单位:天津大学
