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虚拟仿真实验教学中心规划建设中的 相关概念与问题,东南大学 熊宏齐,实验教学与虚拟仿真实验教学 虚拟仿真实验项目的来源 虚实结合、相互补充、能实不虚 虚拟仿真实验项目的类型 虚拟仿真实验教学体系 虚拟仿真实验教学团队 虚拟仿真实验教学共享体系 互联网+虚拟仿真实验,实验教学与虚拟仿真实验教学,实验教学 学生利用仪器设备，在人为控制条件下，引起实验对象或现象的变化，通过观察、测定、分析、综合、设计等让学生自主获得知识、发展能力、养成素质的教学活动。 关 键 词 仪器设备、控制条件、实验对象（变化）、教学活动。,实验教学与虚拟仿真实验教学,实验教学启始阶段 学生在教师指导下，通过基本操作训练，掌握基本知识、基本方法和基本技能。 实验教学高级阶段 随着教学进程的不断深入，学生主动实验的意识逐步增强，自主实验的要求不断提高，实验教学活动逐渐转变到学生自己设计实验方案，自己控制实验过程，自主分析实验结果和系统撰写实验报告。,实验教学与虚拟仿真实验教学,虚拟仿真实验教学 依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。 学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲要求的教学目的的教学活动。 关 键 词 虚拟实验环境、实验对象、教学大纲要求、教学活动。,实验教学与虚拟仿真实验教学,虚拟仿真实验的内涵 虚拟实验环境、控制条件、实验对象或现象变化。 满足教学大纲要求。 满足学生自己设计实验方案，自己控制实验过程，自主分析实验结果和系统撰写实验报告的要求。,虚拟仿真实验项目的来源,真实实验难以完成的教学功能 涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或综合训练等。 建筑、机械、能源动力、武器、航空、航海、土木交通、大型仪器与装置、化工工程、医学、高温高压以及其他一些实验实践项目。 特别鼓励：自主创新和拥有自有知识产权的资源。,项目建设切入点之一 高水平的科研成果转化 科研成果成转化常规实验（内容和仪器）需要漫长的过程，虚拟仿真实验让先进的技术和内容尽快投入教学。 缩短时间！,虚拟仿真实验项目的来源,东南大学土木虚拟仿真中心科研项目转化案例,虚拟仿真实验项目的来源,项目建设切入点之二 前沿性的工程项目转化 重大前沿工程的亲历实践一般不具备可操作性，但仿真实验可以实现多次重复亲历实践训练。 拉近距离！,虚拟仿真实验项目的来源,东南大学土木虚拟仿真中心中大工程项目转化案例,虚拟仿真实验项目的来源,虚拟仿真实验项目的来源,项目建设切入点之三 学生的创新设计与制作 创新实践训练、学科竞赛、课程设计中的创新训练项目，高度切合工程教育的【构思（C）-设计（D）-实施（I）-运作（O）】模式； 相关项目中有大量的虚拟仿真实验与实践的内容。,虚拟仿真实验项目的来源,东南大学土木、建筑虚拟仿真中心学生创新设计中的虚拟仿真,虚拟仿真实验教学重要性回头看 高校实验教学内容与技术更新的着力点，使学生尽早接触前沿内容与先进技术成为现实。 高校实验教学与学生重大工程实践无缝对接的切入点，拉近了实验教学与工程实践的距离。 高校教学模式与教学方法改革的突破口，促进学生自主学习、研究性学习、无纸化学习。 条件不具备的实验，可以重复实验、随时实验、随地实验。,虚拟仿真实验项目的来源,虚实结合、相互补充、能实不虚,虚实结合 实验资源的虚实结合：满足教学大纲要求 项目整体=实体项目+虚拟仿真项目，缺一不可。 实验运行的虚实结合：满足教学大纲要求 教学运转=实体轮转+虚拟仿真轮转，缺一不可。 虚拟仿真实验轮转运行要“实！”：有场地、有终端条件、有轮转表（或开放使用，有记录）。,虚实结合、相互补充、能实不虚,能实不虚 不能代替基本的、常规的经济型的实体实验。 实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。 涉及高危或极端的环境。 不可及或不可逆的操作。 高成本、高消耗、大型或综合训练等。,虚拟仿真实验项目的类型,教育部文件 软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验、远程控制虚拟实验等 进一步细分 模拟实验、仿真实验 、虚拟实验 、远程实验 、虚拟仪器 教学功能可以是独立实验、演示实验、课后学习实验等,模拟实验,模拟实验,1,2,3,1 实验仪器的原理或仿真图 2 实验的核心步骤 3 对于实验主要过程的仿真动画,模拟实验案例：密立根油滴实验,仿真实验,仿真实验,仿真实验案例： 气垫导轨实验,1,2,3,1. 实验仪器的三维仿真图，对于实验过程进行动画演示 2. 实验的主要参数输入 3. 通过计算输出图表,虚拟实验,虚拟实验,虚拟实验案例：化学试剂实验,1,2,1. 三维仿真的实验设备 2. 通过虚拟现实技术进行实验，通过计算后逼近真实实验效果,远程实验,远程实验,远程实验案例：一个远程控制实验,1,2,3,4,1. 远程实际设备的运行视频 2. 远程设备的原理图（二维动画） 3. 远程设备的参数输入 4. 远程设备的实际测量图表显示,虚拟仪器,虚拟仪器,Virtual Instrument,虚拟仪器：案例示范,1,2,1. 仿照真实仪器的人机界面 2. 可以添加组合的其他仪器或模块,虚拟仿真实验教学体系,体系的构建原则：既要顶天，又要立地 虚拟仿真资源支持体系 学科平台、专业平台、课程平台尽量体现高水平，资源顶天。 虚拟仿真资源建设路径 层次化、模块化、项目来源途径。 不同课程资源相互关系 虚拟仿真实验与实体实验及理论课程的关系、建设水平等。 虚拟仿真资源具体属性 完备清单、分类（层次、类型、学时、实验形式等），资源落地。,东大土木虚拟仿真中心依托平台：顶天设计,东大土木虚拟仿真中心资源建设：分类与路径,四大虚拟仿真实验模块支撑八门专业主干课程与十一门实体实验实践课程 辐射其他十六门专业课程，基本覆盖了土木工程专业的主要专业课,东大土木虚拟仿真中心资源建设内容 虚拟仿真实验、实体实验、理论教学三者关系,虚拟仿真实验是工程结构设计原理、建筑结构设计及工程结构抗震与防灾 3 门国家级精品资源共享课的核心建设内容,东大土木虚拟仿真中心资源模块之一：建设水平 结构分析与设计虚拟仿真模块,东大土木虚拟仿真中心模块之一：规划落地 结构分析与设计虚拟仿真模块,东大土木工程虚拟中心模块之一：规划落地 结构分析与设计虚拟仿真模块,运行概况：中心课程数、项目数、学生数、虚实结合运行情况 4个虚拟仿真模块18门实验课程70个实验项目，另有44个实验项目规划建设。 每年为2700多名学生开展虚拟仿真实验教学工作。 在原有103项实体实验与实践项目基础上，通过虚实结合开展教学，土木工程专业实践教学学时比例从2004年的19%上升到2013年的25%，预计到2016年上升到31%。,东大土木虚拟仿真中心教学:运行落地,运行概况：中心课程数、项目数、学生数、虚实结合运行情况 提升学生信息化能力。 提升学生的工程虚拟仿真设计与分析的常用软件的应用能力。 增强学生创新实践能力。 每年学生承担国家级、省级、校/院级创新项目约110项目，平均每个项目进行虚拟仿真的学时在10小时以上。 每年参加国际级结构设计、建筑信息模型、力学、混凝土材料设计竞赛等大赛1500多人次，在模型设计过程中，平均单个竞赛小组进行虚拟仿真的学时在8小时以上。,东大土木虚拟仿真中心教学:运行落地,教学与科研结合、教学与技术兼容 教师队伍 主体专职、少数兼职。 专职队伍负责实验教学、主讲实验教学、构思虚拟仿真实验方案。 兼职队伍为少数聘请的校内外、企业授课人员、顾问等。 专职教师队伍必须有虚拟仿真资源的开发能力，包括设计仿真实验项目方案、实现步骤或亲自在平台上开发虚拟仿真实验项目。,虚拟仿真实验教学团队,教学与科研结合、教学与技术兼容 技术队伍 中心拥有一批专职技术队伍，包括专业实验技术队伍和具有虚拟仿真实验开发能力的专职计算机技术人员。 中心与企业合作，聘请一批具有娴熟的虚拟仿真实验开发能力的企业技术人员作为兼职技术队伍。 中心专兼职实验技术队伍协同专兼职实验教师开发一批拥有自主知识产权的虚拟仿真实验项目。,虚拟仿真实验教学团队,教师教学积累（成果、教材、课程、项目等）。 教师科研积累及转化为虚拟仿真资源案例。 东大土木：中心科研成果转化为虚拟实验项目10项。,虚拟仿真实验教学团队,教师教学积累（成果、教材、课程、项目等）。 教师科研积累及转化为虚拟仿真资源案例。 东大交通：依托科研项目开发道路交通工程虚拟仿真软件89项用于实践教学，其中自主知识产权45项 。,虚拟仿真实验教学团队,自主开发 “交运之星TranStar”，转化为15个虚拟仿真实验项目 依托2项国家自然科学基金重点项目 “基于系统耦合的城市道路交通网络规划理论研究” “城市交通系统可持续发展研究” 应用于交通规划、交通仿真技术与应用等课程 已经推广至河海大学、武汉理工大学等20多所高校,虚拟仿真实验教学团队,教师将科研项目转化为虚拟教学仪器设备。 教师将重大工程或应用项目转化为虚拟仿真资源案例。 东大土木：工程成果转化为虚拟仿真实验项目16项。,虚拟仿真实验教学团队,学校的相关激励机制与政策 东南大学的相关机制政策 国家中心、课程、成果奖负责人可聘二级教授岗位。 重点建设的实验课程设立正高岗位。 开展虚拟仿真实验项目立项建设，给予经费支持。 实验技术人员实行“工程师高级工程师研究员级高级工程师”职称系列，可以申报硕导、博导资格。 实验技术人员与相应职称的教学科研人员同岗位津贴级别。 重点建设的实验中心，另行配套改革与建设编制数20%以上。 其他聚焦于虚拟仿真实验教学的相关支持政策与机制。,虚拟仿真实验自身特点决定需要开放共享 特点之一 虚拟仿真实验教学利用信息网络技术突破了对实验时间、空间和资源使用的限制，可以提供全方位、多层次、多种类的虚拟仿真实验服务，实现远程教育和交互式操作（人员异地）、远程测试（设备异地）、远程诊断（专家异地）等功能 。,虚拟仿真实验教学共享体系,虚拟仿真实验自身特点决定需要开放共享 特点之二 虚拟仿真实验教学资源主要分为软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验三类，具有提高教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容、降低成本和风险等优点，自身具有较强的资源开放共享能力。,虚拟仿真实验教学共