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1、虚拟仿真实验教学及实验中心建设,孙岳明 东南大学,随着计算机技术和网络技术的迅速发展,以及科学研究进一步深入的需要,虚拟仿真实验技术日渐成熟和完善“虚拟实验作为继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法,对社会发展和科技进步起到了越来越重要的作用,代表着科学研究方法的重要发展方向。,“三匹马”,实验效果,基本组成,实现原理,虚拟仿真实验是指在计算机系统中，采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样，完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果,虚拟仿真实验由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成的一个创造和引导模
2、拟实验的交互环境，用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把他们转化成超文本文件来扩充实验室,虚拟仿真实验是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及与其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，采用“面向对象”思想创建的能够实时操作的、非实在的实验空间，在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目,“三个视角”,虚拟仿真实验是指以计算机为控制中心，利用软件技术，构建系统的逻辑结构模型，基于模块化和层次化的设计思想，采用软硬件相结合的方式，协调相关硬件和效应设备，形成虚拟实验系统，并利用网络技术，实现虚拟实验系统的网络化，形成运行在个人计算机上、实现自
3、行设计与开发，以及远程控制与协作的实验方式,控制中心,终端,模拟实验,仿真实验,虚拟实验,模拟实验是选取一个物理的或抽象的、系统的某些行为特征，用另一个系统来表示它们的过程。模拟实验是根据物理模型与实际系统间的相似性，来研究实际系统某些行为特征的实验方法,仿真实验是利用数学模型或数学物理效应模型，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究的实验方法,虚拟实验是利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，结合相关硬件构成虚拟系统，并利用网络技术实现网络化虚拟系统,资源开放,形式开放,对象开放,系统软件程序模块,实验项目设计模板,数据分析与处理工具包,信息资料,实验资源,项目开发,对象
4、不同,实验操作,网络化平台化,实验内容,实验时间,实验空间,麻省理工学院 微电子在线实验室（Microelectronics Web Lab）,乔治梅森大学 动态虚拟环境中的流体实时虚拟系统,美国休斯顿大学 虚拟物理实验室,北卡罗来纳大学 虚拟物理实验室LAAP（Learn Anytime Anywhere Physics）,台湾股市的实时数据,经济管理教学实验中心,模拟证券市场投资,期货,A股,多屏证券信息显示,经济管理教学实验中心,模拟证券市场投资,支持T+0与T+1交易规则切换等自定义交易规则设置,严格按照交易所正式交易规则进行交易,采用专业市场真实使用的交易系统,模拟交易系统可模拟炒股
5、、炒汇、炒期货等操作,学生通过录制的行情进行模拟交易，实现闭市期间任意时段动态行情教学，彻底解决休市后教学的问题,事实上，给每个学生发1万块钱去炒股，这是不可能的。通过虚拟货币，模拟炒股，可以节约大量的资金，降低教学成本,虚拟医学教学系统,息肉切除术,胆囊切除术,南京医科大学虚拟读片系统,危险化学品实验,爆炸性实验,高空作业实验,高压电类实验,野外类实验,土木工程 实验中心,日本地震 模拟振动台,2005年1月15日，日本防灾科学技术研究所(NIED)建成了目前世界上最大的振动台E-Defense(15m20m)，并与美国NEES联网。从05年下半年起，E-Defense振动台进行了一系列震动
6、破坏试验。,土木工程 实验中心,NetSLab网络平台,清华大学HQH-NSER远程协同试验网络,湖南大学HQH-NSER远程协同试验网络,哈尔滨工业大学HQH-NSER远程协同试验网络,东南大学结构远程协同实验网络,土木工程 实验中心,NetSLab网络平台,在网络技术及云计算平台的支撑下，可以将世界各地的测量数据同步的本地，进行现场的再现,物 理 实验中心,导热系数测量,在实际的实验过程中，截面积S、上截面温度及下截面温度T及高度h等各实验数据的测量，都会存在误差，实验结果必然存在误差,物 理 实验中心,导热系数测量,通过虚拟仿真实验，截面积S、上截面温度及下截面温度T及高度h等各实验数据
7、的测量，都是准确的，实验结果相对实际实验，也就更加准确,道路交通工程实验教学中心,模拟驾驶,城市道路,高速公路,睛天,雨天,雾天,模拟驾驶操作系统模拟的多种道路环境和气候条件,道路交通工程实验教学中心,模拟驾驶,东南大学的模拟驾驶操作系统，能够模拟多种气候条件以及多种道路环境的驾驶操作，配合学生有效开展相关项目的科研训练、毕业设计以及SRTP。对没有驾照的学生而言，驾驶模拟还能够提高他们的感性认识，增强实验教学的互动性，场景非常的客观真实,传统教学中，理论教学与实验教学是分开的。理论课上没有实验，借助虚拟仿真实验，就可以将实验带进理论课。,虚拟仿真实验室易于构建、易于实现，便于异地在线检测和远
8、程测控，可以运用网络技术及现有设备搭建功能强大的实验系统，从而节省大量的购置设备费用，显著降低实验室建设和管理成本。建设虚拟仿真实验室，既能使实验教学上一个新的台阶，又能跟上国际先进水平，争创本学科实验教学的优势。虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境，真正实现实验室向学生开放。学生可以打破时间和地域的限制完成相关的教学实验。由于虚拟仪器系统的支持，学生可以自拟、自选实验题目，自行组织实验，变使用现成的仪器为开发自己的仪器进行实验，摒弃传统的灌输式教学方式，让学生自主参与到教学中来，最大限度地发挥学生的主动性和创造性。这种学生自主探索的学习活动，可使他们的个性得到发展，创造能力得到提高，最大程度地
9、锻炼和开发学生的创新能力，极大地激发学生的学习兴趣。,教师,服务器,交换机,学生,学生,传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一，学生无需思考，按部就班地按照实验步骤就可以做完实验，缺乏设计性和创新能力的培养。引人虚拟仿真实验，可灵活地增加各种设计性实验内容，使学生根据实验要求，自行设计实验方案，以各种形式输出检测结果，实时进行分析。因此，虚拟仿真实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且能激发学习的兴趣，这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人才。,由于科学技术的迅速发展，新器件、新设备层出不穷，实验室不可能紧跟科技的发展而建设，更不可能包罗万象，虚拟仿真实验可以弥补这个问题，随着仿真
10、软件的不断更新，不断加入新的元器件。虚拟仿真实验相比真实的实验，既扩充了实验内容，又开阔了学生的视野，同时节省了经费。,传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一，学生无需思考，按部就班地按照实验步骤就可以做完实验，缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仿真实验，可灵活地增加各种设计性实验内容，使学生根据实验要求，自行设计实验方案，以各种形式输出检测结果，实时进行分析。因此，虚拟仿真实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且能激发学习的兴趣，这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人才。,科学研究需要发散思维，通过某一具体实例能够挖掘同类的案例，然后进行归纳总结，形成此类问题的本质性认识。培养
11、学生创新能力，首先要提高学生发散思维能力、归纳总结能力。如果没有原始案例的宏观概念，做到发散思维是不可能的。因此，这个能力的培养是进行科学研究的关键所在。,实验是教学活动的重要环节，实验教学和课堂理论教学相辅相成，主要对课程的理论作出科学验证或展开演绎，让学生加深对理论的认识，同时通过实验培养学生的创新意识和科学严谨的作风。但是，有些实验耗时、耗力、耗物、耗财以及不可再现等缺点。虚拟仿真技术恰恰可以弥补这方面的不足，辅助实验。因此，我们要鼓励学生对所做实验进行数值模拟研究，引导学生主动进行扩展研究。,在很多专业课程的理论教学中，存在一些普遍性问题,为解决传统理论教学与学生工程化培养之间的矛盾，
12、拓展实验教学的深度和广度、提高实验教学实效，实现理论与实践教学的密切结合，同时也尽可能减少实验成本和潜在危害，在课堂基础理论教学上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通讯平台，构建具有高度真实感、直观性和精确性虚拟仿真实验教学平台,是专业实验教学的有益补充和创新,依托国家级实验教学中心“东南大学机电综合工程训练中心”，建设机电综合虚拟仿真实验教学平台，主要面向机电类工程专业，构建虚实结合的虚拟仿真系统，给学生提供理论认知与动手实践的实验环境，全面提高实验效果，开阔学生的思维视野，培养创新能力。机电综合虚拟仿真实验平台涵盖机械设计制造及其自动化、工业工程、热能与动力工程、环境工程、电子科
13、学与技术、微电子学、信息与计算科学、计算机科学与技术、光信息科学与技术、电气工程及其自动化、自动化、测控技术与仪器等12个机电类学科专业，涉及到机械设计与制造、电子与信息、电力电子、虚拟仪器与远程测控等专业领域，整个实验体系贯穿基础理论教学、专业技术仿真实验教学以及综合工程项目设计与系统仿真等环节。,虚拟仿真实验教学统一布局、多学科交叉、分层次、有重点，以可满足对学生基础理论的认知、专业技术的掌握和实际设计与综合应用能力的培养的要求。在基础理论课程授课中，利用虚拟现实技术和仿真手段实现原理和技术的直观呈现，提高专业授课直观性和新颖性；在专业课程及实践中，虚拟仿真教学充分利用各类先进的仿真和开发
14、平台，体现虚拟仿真的高精度、高效率的特点；在综合设计和创新平台方面，利用虚拟仿真平台，开发综合性强、创新性强、复杂度高的实验项目和举办各项创新竞赛，为学生研究能力和创新能力培养提供了良好平台。机电综合虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真课程实验及综合训练项目跨越不同难度层次（由基本概念提高到研究创新等），覆盖不同知识内涵（包括机、电、信息、自动控制、仪器等学科的知识），体现不同实现方式（包括认知感受、动手操作、创意设计、系统实现等）。,依托火电机组振动国家工程研究中心、复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室、江苏省智能电网技术与装备重点实验室、江苏省远程测控技术重点实验室等一大批重点科研基地，积极将
15、科研团队的研究成果向教学内容转化，开发形成大型火电厂仿真培训系统、智能电网运行分析仿真系统、基于虚拟仪器的远程测控系统、多工业机器人的协作控制仿真等一系列虚实结合的综合工程训练设计项目，将设计、虚拟和仿真融于一体，让学生能够基于虚拟实验平台完成设计、验证、操作、测量、控制等综合实验实践环节，实现了教学与科研的有机结合，为高端人才的培养提供了重要支撑。,在优化虚拟仿真教学资源的同时，注重师资队伍建设和管理体系建设。建立了由包含国家级教学名师、国家级教学团队引领的专职教学团队，并引入企业教师队伍，确保专业教学和实验指导顺利开展，校内师资与企业人员相互配合，内引外联，专兼结合，注重将专业科研以及虚拟
16、仿真技术的成果应用于实践教学。在管理运行方面，建立了时间、空间、内容“三维”开放的机制，以满足不同个性、不同水平、不同专业学生的需求。力争与国家级实验教学中心“东南大学机电综合工程训练中心”，齐头并进，构建示范性教学实验平台。,虚拟实验中心为机电类专业的学生提供了多样的实验项目供选择，资源共享，打破了专业实验的限制，更有利于培养学生的创新能力。课程设置具有层次化、系列化、模块化的特点，实验体系连贯性强，可以扩展学生的专业视野。这些教学和实践项目让“课堂成为实验室”、“课外成为车间工厂”，对工科专业类学生加深学科知识理解，亲自操作完成复杂性高、专业性强、危险性高的专业设计与工程设计技能提供了直观
17、、数字化、沉浸感的训练平台。每年为全校机电类专业近4000名学生共享。使得教学与实践得到更紧密的结合，对加速培养高质量的工程技术人才和专业研究员将产生深远影响。,东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心将传承东南大学百年育人传统，秉承“止於至善”的优良校风，遵循国际高等教育发展和现代人才培养的客观规律，结合时代需要和学校实际情况，充分发挥重点学科和重点科研基地优势，强化校企联合，以学生创新精神和实践能力培养为引领，以建设开放度高、共享性好的优质网络实验教学资源为重点，坚持虚实结合、互相补充的原则，力争在虚拟仿真实验教学资源建设、共享管理平台建设、实验教学和管理队伍建设、管理体系建设等各方面取得全面
18、突破和创新，构建多层次、模块化、全方位的实验教学体系，突出大工程人才培养特色，强化机电学科融合，打破时空限制，建立课内课外一体化的人才培养体系，将机电综合虚拟仿真实验教学中心建设成为“教学资源丰富、管理机制完善、信息平台功能全面、师资队伍水平一流”的高水平的实验教学示范基地,针对课堂教学、实验教学以及综合工程训练三方面教学实践的需要，机电综合虚拟仿真实验教学中心，面向机电类工程专业构建虚实结合的虚拟仿真系统，给学生提供理论认知与动手实践的实验环境。,机电类基础课程虚拟仿真教学,机电专业设计与应用虚拟仿真教学,机电工程训练与综合实践仿真教学,大学物理仿真实验,电工电子仿真实验,信号与系统课程虚拟
19、仿真,自动控制原理课程仿真实验,计算机硬件基础虚拟仿真,EDA类仿真与实验,机械CAD/CAM仿真,测量与控制系统实验与仿真,火电机组运行虚拟仿真系统,智能电网虚拟仿真系统,远程测控与传感网络系统设计仿真,汽车安全及智能交通系统仿真,遥操作临场感机器人系统仿真,机器人综合控制与仿真,平台的功能包括以下几方面：课程中心能提供丰富的课程资源，包括具有3D演示效果的课程课件，电子书籍、文献下载；实验平台包括虚拟实验项目、分布式综合实验项目；互动交流的功能具有信息发布、数据收集分析、互动交流、在线作业及测验，在线成绩评定、成果展示等功能,机电综合虚拟仿真试验平台功能架构,1902年三江师范学堂1921
20、年国立东南大学1928年国立中央大学1952年南京工学院1988年复更名东南大学2000年南京铁道医学院、南京交通高等专科学校 与东南大学合并办学，并入南京地质学校,20 年师范 30 年综合大学 40 年工学院 20 年综合大学,东南学府第一流,民国最高学府,南京大学,河海大学,南京师范大学,南京农业大学,林业大学,江南大学,南京工业大学,江苏大学,四校合并,东南大学,中央直管、教育部直属，国家“985工程”和“211工程”重点建设大学以工科为主要特色，理学、工学、医学、文学、艺术学、法学、哲学、教育学、经济学、管理学等多学科协调发展，综合性、研究型大学,院 系：29个 本科专业：75个 本
21、科生：16000余人 博士生：3000余人 硕士生：13000余人 在职研究生：3100余人 外国留学生：1380余人继续教育学生：15000余人 成贤学院学生：9300余人,一级学科博士点 29个,一级学科硕士点 49个,博士后科研流动站 28 个,国家重点实验室 3个,国家工程研究中心 3个,国家工程技术研究中心 2个,国家专业实验室 1个,教育部重点实验室 11个,教育部工程研究中心 5个,移动通信国家重点实验室,毫米波国家重点实验室,生物电子学国家重点实验室,计算机辅助建筑设计(CAAD)国家专业实验室,火电机组振动国家工程研究中心,射频集成电路与系统教育部工程研究中心,国家预应力工程
22、技术研究中心,国家专用集成电路系统工程技术研究中心,城市与建筑遗产,能源热转换及其过程测控,混凝土结构,MEMS,复杂工程系统测量与控制,计算机网络与信息集成,儿童发展与学习科学,发育与疾病相关基因,环境医学工程,水声信号处理,微惯性仪表与先进导航技术,伺服控制技术教育部工程研究中心,智能交通运输系统教育部工程研究中心,低碳型建筑环境设备与系统节能教育部工程研究中心,新型光源技术与装备教育部工程研究中心,玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心,光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心,以此为依托形成了一批重点科研基地,在长期的办学实践中，东南大学坚持“育人为本”的办学理念，不断加
23、大教学投入，深化教育教学改革，努力推进素质教育，着力培养学生的创新精神和实践能力。学校在坚持“重基础、重实践、重素质”本科教育教学传统的同时，进一步提出“卓越化、国际化、研究型”本科教育教学的新境界。东南大学是教育部、中国工程院联合实施高等工程教育改革试点的十所高校之一，是教育部“卓越工程师教育培养计划”和“国家大学生创新性实验计划”首批实施高校,国家级教学成果一等奖 3 项，二等奖 15 项（近两届）（09年：一等奖数全国高校第 3，获奖总数全国高校第 5）,国家精品课程 40 门（全国高校第 9）,国家级教学创新团队 11 个（全国高校第 7）,国家级教学名师奖获得者 6 名（全国高校第
24、12）,国家级实验教学示范中心 7 个,国家级“人才培养模式创新实验区”建设项目 12 个,国家特色专业建设点 23 个,省级实验教学示范中心 17个,国家级实验类精品课程6门,编写实验（类）教材250多本,国家级专业综合改革试点项目5 个,省级品牌特色专业 34 个,省级重点专业建设点 33 个,有力地支撑了,国家级实验教学示范中心东南大学机电综合工程训练中心,课堂教学,实验教学,综合工程训练,针对,依托,成立,真实实验平台无法开展的实验,复杂性比较大的实验,成本比较高的实验,存在潜在危险的实验,（1）中心由学校统一规划部署，构建面向全校机电专业类的综合性虚拟仿真实验平台,（2）中心结合学生
25、能力培养过程，构建面向全校机电专业类的立体化、多层次的虚拟仿真实验平台,（3）中心紧密依靠科研基地，实现科研成果向教学内容转化，构建高新技术实验平台,（4）中心充分利用学校实践教学基础，构建示范性教学实验平台,（5）中心充分利用学校网络化基础，构建共享性实验平台,基础理论教学仿真实验,专业教学仿真实验,综合工程训练与系统设计仿真实验,机电综合虚拟仿真实验教学中心是在东南大学教务处直接领导下，依托国家级机电工程训练中心以及全校十多个机电专业共同组建。这些专业具体包括机械设计制造及其自动化、工业工程、热能与动力工程、环境工程、电子科学与技术、微电子学、信息与计算科学、计算机科学与技术、光信息科学与
26、技术、电气工程及其自动化、自动化、测控技术与仪器等,中心组织管理体系,组织保障,制度保障,东南大学实验室绩效考评办法,东南大学实验室开放管理办法,东南大学虚拟实验技术队伍建设办法,东南大学大型贵重仪器设备共享管理办法,东南大学实验室建设管理办法,东南大学实验室工作规程,网络使用与运行安全须知,大型仪器设备共享实施细则,虚拟仿真实验中心实验教学工作规范,东南大学虚拟仿真实验中心建设管理办法,管理规范,（1）严格执行虚拟仿真中心日常管理规范,（8）制定具体工作计划，实施分阶段建设及评估，做好审核和监督,（7）深化虚拟仿真中心实验教学改革，优化实验教学模式，健全虚拟仿真中心管理体制,（6）严格执行学生考核及成绩评定,（5）完善教师绩效考评制度，落实奖惩措施,（4）严格执行实验申请、实验计划、实验台账记录等规范要求,（3）严格按照实验仪器及材料的领取、登记、报废、赔偿等管理细则进行管理,（2）严格执行学员信息注册管理及网络安全管理规范,砥砺实践能力 夯实人文底蕴,谢 谢！,敬请批评指正,2013.12,
