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虚拟仿真实验解决方案
上海华一风景观艺术工程有限公司
2017年 8月
目录
第一章需求分析 (2)
一、项目背景 (2)
二、实验教学现状 (3)
三、用户需求 (3)
第二章建设原则 (5)
一、建设目标 (5)
二、建设原则 (6)
第三章系统总体解决方案 (7)
一、总体架构 (7)
二、学科简介 (8)
第四章产品优势 (14)
第五章产品服务 (16)
一、服务方式 (16)
二、服务内容 (16)
三、故障响应服务流程 (17)
四、故障定义 (18)
五、故障响应时间 (18)
六、故障处理流程 (19)
七、应急预案 (19)
第一章需求分析
一、项目背景
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（ 2010－2020 年）》明确指出：把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，超前部署教育信息网络。到 2020 年，基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化。加强优质教育资源开发与应用，建立数字图书馆和虚拟实验室。鼓励企业和社会机构根据教育教学改革方向和师生教学需求，开发一批专业化教学应用工具软件，并通过教育资源平台提供资源服务，推广普及应用。
在“十三五规划”方针政策指引下，各地陆续出台政策，强调数
理化实验教学的重要性。
2016 年，北京公布了中高考的新方案，强调义务教育阶段所有
科目都设为 100 分，表示它们在义务教育与学生成长中同等重要，不再人为去区分主次，使学校、老师、家长、社会对每一门学科都很重
重视，其中物生化实验部分占分比例为30%，高考不再文理分科。
继北京重磅发布此消息后，河南教育厅发布《关于2016 年普通高中招生工作的意见》，其中明确要求理化生实验操作考试满分为30 分；安徽省初中毕业升学理化实验操作考试分数为15 分，考试成绩计入考生中考录取总分；山西省理化实验操作10 分。
教育部发布了《教育部关于印发<义务教育小学科学课程标准> 的通知》要求， 2017 年秋季起，小学科学课程起始年级调整为一年级。要按照小学一、二年级每周不少于 1 课时安排课程，三至六年级的课时数保持不变。而如今有些地区小学科学课堂教学却不被人们所重视 , 且存在着科学仪器和设备欠缺以及实验课开设少甚至不开设的
现象 , 而师资力量薄弱也是一大问题。
二、实验教学现状
学校经费紧张、实验设备陈旧或不足
课程学时短，讲授内容多，课堂效率低下
学生参与度不高，学习兴趣不够，缺乏主动性
没有理想实验环境，高危实验很难呈现和操作
师生不能随时携带实验设备，做实验只能去实验室
某些实验现象不易观察，实验周期过长
实验误差不好体现，满足不了实际实验讲解需要
非正规操作由于破坏性大，成本较高，很难展示实验中出现的
各种故障现象
流程化的实验操作模式，不利于培养学生的创新思维
小学科学师资力量薄弱，实验器材缺乏
三、用户需求
( 一 )解决学生随时多次的实验练习需求
实验是理化生和小学科学（简称小科）学科的重要组成部分，也是课堂教学的重要环节，由于学生群体的数量庞大和教学实验设备建设
的不足，学校的实验设备已经不能满足学生多次、随时的学习一门实
验的要求。
( 二 )实验的安全性与便捷性
保证学生实验的安全性是校方考虑的第一要素，如何在有限的课
时内让学生参与更多的实验操作，同时提高学习兴趣提高实验效率。
( 三 )实验校本资源的建设，如何服务于全校所有师生
实验课件资源匮乏，而且资源相对分散，学科教师需要花费大量的精力寻找合适的资源；资源的匹配性较差，尤其是希望动态展示的器材元器件，大多数是静态的图片形式或是只能按照固定步骤操作的flash形式，很难满足常规的教学需求；能实现配合实际习题讲解的
实验资源几乎没有；有些需要理想实验环境才能完成的实验，很难展示或实际演示。
( 四 )需要长周期才能完成的实验，课堂效率和效果如何保障
实验课时较短，需要长周期才能完成的实验，课堂效果不理想，
所以，目前课堂的实际情况是，只能靠老师“说”实验，学生很难理解。
( 五 )实验教学模式固定，教学模式需要创新
固定的教学模式，缺乏自主创新。实验主要分为：讲实验、做实
验和画实验三大部分。其中，“讲实验”大多数是靠老师讲，学生听，
很难给学生直观、立体的视觉冲击，效果大打折扣；“做实验”是我们一直提倡学生需要动手去体验、去操作的，但现实情况往往是没有办法满足学生随时多次的实验练习需求；“画实验”一般是老师在黑
板上画实验的相关结构图、原理图等，比如物理的电路图等，这种画
图是必要的，但存在的问题是，很难全方位动态展示效果以及内部的
逻辑关系，比如电路图，无法展示电路中各元器件之间的动态逻辑关系，但是如果有专业的辅助软件，不仅高效，而且能形象地展示出电
路中的各种动态关系，形象、直观、高效。
第二章建设原则
针对用户这些迫切需求，学校需要建立一套完整的实验云平台资源，满足全校师生随时多次使用。实验云平台提供实验中实用、好用、难找的实验资源和实验工具。
当然，实验教学，需要鼓励和提倡学生进行实际的实验操作，这
是任何的资源和软件都是不能替代的功能，所以，实验云平台的定位是——辅助实验教学。
一、建设目标
虚拟仿真实验云平台紧贴教学大纲，满足学校仿真实验优质资源的需要，并在此基础上，引领学校教师开展基于常态化的教学实践活动。在丰富校本资源建设的同时，协助教师备课、上课；降低实验操
作成本与难度，增加学生对实验的兴趣，保障实验结果的准确性与安全性。
图 1：实验云平台问题解决示意图
二、建设原则
实用性原则
虚拟实验云平台紧扣教学大纲要求，深挖一线教师课堂实验教学环节各个痛点，提供具有最优实验器材和资源以及性价比的产品。
经济性原则
在满足实验教学功能及体验度的前提下，尽量降低升级和维护成本。
针对性原则
虚拟实验云平台的开发与利用是为了课程目标的有效达成，针对
不同的学科目标提供与之相应的实验制作工具和资源。
安全性原则
虚拟实验云平台采取必要的安全保护措施，具有高度的安全性。
可维护性原则
产品简单、实用、易操作、易维护、支持本地部署与私有云部署。第三章系统总体解决方案
一、总体架构
提供虚拟实验云平台系统，经过官方授权的许可用户可在线访问虚拟实验，全校师生通用。
若学校已有校园云平台，支持将虚拟实验直接对接到指定的校园云平台上（非第三方平台），师生通过单点登录即可访问使用。
同时，为了方便教师上课离线使用，单独给学科老师配备客户端账号，支持线上 +线下使用，完全不用担心网络问题，保障正常的课堂教学。
使用终端上，支持跨平台访问， windows、IOS、Android 全平台适应，满足实际教学需求。向学校提供访问地址和许可使用账号，师生可根据实际情况选择使用终端，方便高效。
图 2：虚拟实验云平台架构图
二、学科简介
2.1 虚拟实验云平台 -- 小学科学
小学科学涵盖了小学1-6 年级的主流教材版本生命世界、物质世界、地球与宇宙等领域的234 个科学实验，是目前市面上最完整的小学科学教学资源，可以培养小学生初步的科学探究能力。
图 2-1 ：虚拟实验平台小学科学界面示意
图寓教于乐，培养小学生初步的科学探究能力
图 2-2 ：虚拟实验平台小学科学实验步骤示意
图多维度验证实验过程，强化、巩固学科知识。
解决因客观因素（天气、光线等）影响给实验带来不便的问题。
图 2-3 ：虚拟实验平台小学科学实验示意图
解决因观察时间较长给实验带来不便的问题（如铁钉生锈实验）。
图 2-4 ：虚拟实验平台小学科学生锈实验示意图多维立体展示，效果逼真。
图 2-5 ：虚拟实验平台小学科学立体展示示意图零入门，实验操作设计简单。
图 2-6 ：虚拟实验平台小学科学易操作实验示意图2.2 其他学科展示
图 2-7 虚拟实验平台物理家庭电路示意图
图 2-8 虚拟实验平台物理电磁学示意图图 2-9 虚拟实验平台物理力学示意图
图 2-10 虚拟实验平台生物示意图
图 2-11 ：虚拟实验平台生物3D鸟类模型示意图
图 2-12 虚拟实验云平台生物观察实验示意图
第四章产品优势
通过多媒体手段，依托学科特色，建立富有科技感的虚拟仿真实验平台，满足师生多次、随时地进行实验探究和学习需求。在直观、
立体、高效、多样化的人机互动过程中，既提高了学生的学习兴趣，
也满足了学生个性化的学习需求。同时，不受物理空间、时间的限制。集探究性、趣味性、科学性于一体。
实验主要系列产品有：物理（初高中）、化学（初高中）、生物（初高中）、小科（ 1-6 年级）。其中，生物提供丰富的3D模型，呈现多姿多彩的生物世界；物理和化学内置独特的" 引擎 " ，让每个器材都“活”起来，自由摆放、任意组装、参数任意调节、相互影响、叠加
运算。实验现象真实逼真、数据精准无误，是目前市面上唯一一款真正具备探索性和创新性的实验教学辅助工具。
1.高效率性
生动、形象、立体，提高教学效率，节约备课上课时间成本。
2.实践操作和 3D交互模型
与传统只能做单向知识传递的“视频教学”模式完全不同，在仿真环境中进行实际操作，实现理论和操作双向良性互动。
3.内置独特引擎，高自由度
独特的引擎支持，真正意义上实现实验 DIY；用户可独立学习，不受教室、讲师等条件约束，可根据自身实际安排学习时间，具有极大的灵活性。
4.危险度为零
传统实验学习环节，在真实实验环境中往往会有许多实验危险
源，仿真实验能有效避免因操作不规范所带来的潜在危险。完全探究传统实验室无法完成的高危险性、易燃易爆性、有毒性、辐射性以及爆炸性等实验。
5.理想实验环境
解决因客观因素（时间、空间等）影响给实验带来不便的问题。如能有效解决因实验周期过长，展示效果差、实验现象转瞬即逝、理想实验环境搭建、实验危险性过大、微观现象难以观察、实验过程较为复杂、实验破坏性较大或是比较极端要求等在传统的实验室条件下
无法完成实验的难题，
6.情景交互性
用户在虚拟情景下进行理论判断和实验操作，具有强交互性。
7.多终端跨平台
节约建设成本，充分利用学校现有硬件资源，不用担心不同终端对于软件的成本投入，全终端适应。
8.器材零损耗
器材齐全丰富，反复使用，无需维护，零损耗。
第五章产品服务
一、服务方式
虚拟实验云平台每月在线检查一次
线上远程服务、上门服务
虚拟实验官方微信群
虚拟实验官方售后服务群
二、服务内容
产品使用培训服务
虚拟实验云平台的在线定期检查服务
定时系统巡检服务、售后服务
更新升级服务
技术支持服务
提供产品相关介绍说明文档、使用手册等
线上、现场故障排除
三、故障响应服务流程
图 3：虚拟实验平台故障相应流程图
1.用户反馈问题途径：
（1）直接软件反馈
（2）通过微信、 qq、email 、电话等方式提交
（3）官网提交
（4）直接联系官方客服
2.官方快速响应
1)电话技术支持：对用户提出的技术问题，提供 7*24 小时咨询服务，客服人员在接到咨询电话后， 30 分钟内通过电话向用户提供问
题解答和技术指导。包括：澄清软件的功能和特点；文档资料的澄清；许可软件的操作指导；确认、分析和纠正错误等。
2)远程技术支持：在条件允许的情况下，技术人员可直接通过互
联网对故障进行排查和解决。
3.指定解决方案
4.Bug修复
四、故障定义
紧急故障：系统瘫痪。
严重故障：系统无法正常工作，相应功能丧失。
一般故障：系统仍能运行，但运行不稳定，相应功能未丧失。
技术支持中心和售后服务支持中心在收到故障申报后，将委派技术工程师通过电话交流、在线勘察等手段进行初步故障定位，并确定解决方案。
五、故障响应时间
针对以上故障定义的不同，我司就故障响应时间做出以下标准：
故障类型电话响应复杂故障排除
紧急故障立即 4 小时
严重故障30 分钟1-3 个工作日
一般故障30 分钟1-5 个工作日
六、故障处理流程
收到故障申报后，立即组织技术人员进行远程检查故障，协助用户第一时间解决问题，确保软件正常使用。若遇特殊情况，确实无法
短时间解决的，第一时间制定解决方案和时间安排表，积极跟进解决进度。同时，为了保障效果，在故障排除后的一周内，紧密跟踪系统
状况，实时监测系统运行情况，保障系统的正常运行。
七、应急预案
在售后服务工作正常开展的前提下，有可能遇到紧急情况，例如：系统崩溃，无法启动或拒绝连接等原因导致用户无法获得任何系统服务，并对用户业务的正常运行造成重大影响；软件系统主要功能不能正常工作，并对用户业务的正常运行造成较大影响；以及系统不稳定，或周期性的中断；以及软件系统没有故障，仍可全面运行，但用户数
据出现错误或严重错误致客户业务系统的正常运行无法进行等情况
发生时，立即启动应急响应机制。
应急小组及时组织相关人员查找故障原因，在短时间内依据故障情形和修复时间进行初步判别，确定故障分类级别，并及时报告相关领导。
根据不同的事件以及事件的级别，采取相应措施进行应急处理。
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电力电子虚拟仿真教学实验平台 实验室建设背景 目前的高等教育中，越来越强调对学生实践能力的培养，实验教育成为理工科教育的一个至关重要的环节。然而，随着各学科实验项目和学生人数的增多，传统的电气实验室和实验仪器数量很难满足学生的需求，在教学和学生使用上的不便之处也慢慢凸现出来。如何解决传统实验教学资源分配不足、实验方式过于刻板、实验器材维护费时费力、实验内容固定难以拓展等问题，是目前新工科建设、课程改革内容中一个讨论的热点。 在对创新型实验建设的需求日益明确之际，仿真实验教学的概念开始成为学校关注的重点。仿真教学实验是一种基于软件技术构建的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化，为开设各种专业实验课程提供了全新的教学与科研环境。因此建设仿真实验室可以与实物实验室互补，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点。近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些高科技的仿真实验室。 远宽解决方案 远宽能源除了将仿真技术应用于科研与工业测试，也率先将该技术引入到了教学实验室建设中。对于不同的实验内容与实验类型，远宽能源提出了如下的仿真实验建设的解决方案：实时仿真实验和远程虚拟仿真实验。
1. 实时仿真实验 远宽能源将先进的FPGA小步长实时仿真技术应用到教学实验室建设中，小步长实时仿真技术使它能够覆盖电力电子、电机驱动、新能源等多个电力电子相关应用的创新教学实验以及研究的需求。基于图形化系统建模，模型一键下载，无需FPGA编程编译，大大增强了产品的易用性；同时实验平台还配置了硬件控制器（TI的DSP或者NI的GPIC），和仿真器构成完整的闭环系统。实时仿真实验系统如下图所示：
湖北警官学院虚拟仿真实验教学建设方案 一、方案背景 虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，教育部决定于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。其中虚拟仿真实验教学的管理和共享平台是中心建设的重要内容之一。 目前，大多数高校都有针对课程使用实验教学软件，但由于每个专业或课程的情况不同，购买的软件所采用的工作环境、体系结构、编程语言、开发方法等也各不相同。由于学校管理工作的复杂性，各校乃至校内各专业的实验教学建设大都自成体系，各自为政，形成了“信息孤岛”。主要面临如下问题：? 管理混乱，各种实验教学软件缺乏统一的集中管理。 ? 使用不规范，缺乏统一的操作模式和管理方式； ? 可扩展性差，无法支持课程和相应实验的扩展； ? 各系统的数据无法共享，容易形成“信息孤岛”； ? 缺乏足够的开放性； ? 软件部署复杂，不同的软件不能运行在同一台服务器上； 二、方案目标 该方案的目标就是高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。平台要实现学校购置的所有实验软件统一接入和学生在平台下进行统一实验的目的，通过系统间的无缝连接，使之达到一个整体的实验效果，学校通过该平台的部署，不仅可以促进系统的耦合度，解决信息孤岛的问题，还可以使学校能够迅速实施第三方的实验教学软件。 平台提供了全方位的虚拟实验教学辅助功能，包括：门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、在线答疑、实验教学效
北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心教育部 中国人民大学基于大数据文科综合训练虚拟仿真实验教学中心教育部清华大学材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心教育部 北京交通大学交通运输国家级虚拟仿真实验教学中心教育部 北京化工大学化工过程虚拟仿真实验教学中心教育部 北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心教育部 中国农业大学机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心教育部 中央美术学院艺术、设计与建筑虚拟仿真实验教学中心教育部 华北电力大学电力工业全过程仿真实验教学中心教育部 南开大学经济虚拟仿真实验教学中心教育部 天津大学化学化工虚拟仿真实验教学中心教育部 大连理工大学化学虚拟仿真实验教学中心教育部 东北大学机械装备虚拟仿真实验教学中心教育部 吉林大学地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心教育部 东北师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心教育部 东北林业大学森林工程虚拟仿真实验教学中心教育部 同济大学力学虚拟仿真实验教学中心教育部 上海交通大学机电学科虚拟仿真实验教学中心教育部 华东理工大学石油和化工过程控制工程虚拟仿真实验教学中心教育部东华大学管理决策虚拟仿真实验教学中心教育部 南京大学社会经济环境系统虚拟仿真实验教学中心教育部 东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心教育部 河海大学力学与水工程虚拟仿真实验教学中心教育部 南京农业大学农业生物学虚拟仿真实验教学中心教育部 中国药科大学药学虚拟仿真实验教学中心教育部 浙江大学化工类虚拟仿真实验中心教育部 厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心教育部 山东大学医学虚拟仿真实验教学中心教育部 武汉大学电力生产过程虚拟仿真实验教学中心教育部 武汉理工大学水路交通虚拟仿真实验教学中心教育部 华中师范大学心理与行为虚拟实验教学中心教育部 中南财经政法大学经济管理行为仿真实验中心教育部 湖南大学机械工程虚拟仿真实验教学中心教育部 中南大学矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心教育部 中山大学医学虚拟仿真实验教学中心教育部 华南理工大学机械工程虚拟仿真实验教学中心教育部 四川大学华西临床虚拟仿真实验教学中心教育部 重庆大学能源与动力电气虚拟仿真实验教学中心教育部 西南交通大学交通运输虚拟仿真实验教学中心教育部 电子科技大学电子与通信系统虚拟仿真实验教学中心教育部 西南大学药学虚拟仿真实验教学中心教育部 西南财经大学现代金融虚拟仿真实验教学中心教育部 西安交通大学通信与信息系统虚拟仿真实验教学中心教育部 西安电子科技大学电子信息与通信虚拟仿真实验教学中心教育部
虚拟仿真实验教学项目建设及与 江苏省虚拟仿真实验教学共享平台对接要求 一、虚拟仿真实验教学项目建设要求 虚拟仿真实验教学项目指充分体现学科专业优势，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，建设的可用于信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习的实验教学项目，其根本目的在于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，达到教学大纲所要求的教学目的。虚拟仿真实验教学项目要求最终生成可在互联网上直接运行的格式，客户端使用时无须下载或安装任何程序、插件即可直接运行使用。虚拟仿真实验教学项目需要包含的基本信息与数据规范如下：
二、与省共享平台对接要求 虚拟仿真实验教学项目要求能够直接接入江苏省虚拟仿真实验教学共享平台，本着分布建设、集中共享、统一服务的原则，通过共享平台满足多学校、多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需要。虚拟仿真实验教学项目与省共享平台对接接口所含数据标准与规范如下： 1.项目基本信息。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、所属学校代码、所属中心名称、项目负责人、资源分类、建立年份、是否计费、计费标准、计费支付方式、项目简介、面向专业等信息。 2.项目预习信息。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、预习文件名称、文件类型、文件访问地址。其中文件类型支持文本（doc，pdf）、图片（bmp，jpg）、动画（flv）、视频（avi）等多种类型和格式。 3.项目自测信息。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、自测成绩、自测时间、自测内容访问地址。 4.项目实验操作。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、实验操作地址路径。 5.项目资源计费。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、计费类型、计费系数。 6.项目实验记录。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、实验记录内容、记录添加时间。 7.项目实验报告。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、报告名称、报告内容、报告添加时间、报告审核
国家级虚拟仿真实验教学中心入选名单 申报学校中心名称学校所属北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心教育部中国人民大学基于大数据文科综合训练虚拟仿真实验教学中心教育部清华大学材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心教育部北京交通大学交通运输国家级虚拟仿真实验教学中心教育部北京化工大学化工过程虚拟仿真实验教学中心教育部北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心教育部中国农业大学机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心教育部中央美术学院艺术、设计与建筑虚拟仿真实验教学中心教育部华北电力大学电力工业全过程仿真实验教学中心教育部南开大学经济虚拟仿真实验教学中心教育部天津大学化学化工虚拟仿真实验教学中心教育部大连理工大学化学虚拟仿真实验教学中心教育部东北大学机械装备虚拟仿真实验教学中心教育部吉林大学地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心教育部东北师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心教育部东北林业大学森林工程虚拟仿真实验教学中心教育部同济大学力学虚拟仿真实验教学中心教育部上海交通大学机电学科虚拟仿真实验教学中心教育部华东理工大学石油和化工过程控制工程虚拟仿真实验教学中心教育部东华大学管理决策虚拟仿真实验教学中心教育部南京大学社会经济环境系统虚拟仿真实验教学中心教育部东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心教育部河海大学力学与水工程虚拟仿真实验教学中心教育部南京农业大学农业生物学虚拟仿真实验教学中心教育部中国药科大学药学虚拟仿真实验教学中心教育部浙江大学化工类虚拟仿真实验中心教育部厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心教育部山东大学医学虚拟仿真实验教学中心教育部武汉大学电力生产过程虚拟仿真实验教学中心教育部武汉理工大学水路交通虚拟仿真实验教学中心教育部华中师范大学心理与行为虚拟实验教学中心教育部
一ＩＳＳＮ１６７２－４３０５ＣＮ１２－１３５２／Ｎ实一一验一一室一一科一一学ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ一ＳＣＩＥＮＣＥ第２０卷一第１期一２０１７年２月Ｖｏｌ ２０一Ｎｏ １一Ｆｅｂ ２０１７ 虚拟仿真实验教学系统通用模型研究 王一艳１，刘一昕１，丁雪梅２，曹一晨３ （吉林大学一１．药学院；２．动物学院；３．计算机科学与技术学院，吉林长春１３００１２） 摘一要：为解决虚拟仿真实验教学系统重复设计和资源利用率低的问题，提出了一种基于统一平台与插件技术相结合的系统通用模型设计方法三首先，采用统一建模语言对系统通用性功能需求进行了分析与描述三然后，构建了基于云存储的系统统一平台框架结构三最后，给出了基于 模型－视图－控制器 设计模式的实验插件技术开发方案三该方法可以有效地提升系统的可扩展性与可维护性，对实验教学资源的开放共享与用户间的协同创新也能够起到一定的推动作用三 关键词：虚拟仿真；实验教学；通用模型 中图分类号：ＴＰ３９１一一文献标识码：Ａ一一ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４３０５．２０１７．０１．０１９Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＷＡＮＧＹａｎ１，ＬＩＵＸｉｎ１，ＤＩＮＧＸｕｅ－ｍｅｉ２，ＣＡＯＣｈｅｎ３（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈａｒｍａｃｙ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｎｉｍａｌＳｃｉｅｎｃｅ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌ?ｏｇｙ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｖｉｒｔｕａｌｓｉｍ?ｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｌｏｗｒｅｓｏｕｒｃｅｓｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ，ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｙｓ?ｔｅｍｇｅｎｅｒａｌｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｕｎｉｆｉｅｄｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｐｌｕｇ－ｉｎｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂａｓｅｄｕｎｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇｌａｎ?ｇｕａｇｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｕｎｉｆｉｅｄｐｌａｔｆｏｒｍｆｒａｍｅｗｏｒｋａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｓｙｓｔｅｍｗａｓｂｕｉｌｄｂａｓｅｄｃｌｏｕｄｓｔｏｒａｇｅ．Ｆｉ?ｎａｌｌｙ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌｕｇ－ｉｎｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂａｓｅｄｍｏｄｅｌ－ｖｉｅｗ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆｓｙｓｔｅｍｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｐｒｏ?ｍｏｔｉｎｇｔｈｅｏｐｅｎｓｈａｒｉｎｇｏｆｔｅａｃｈｉｎｇｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｕｓｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇ；ｇｅｎｅｒａｌｍｏｄｅｌ 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一基金项目：吉林省科技发展计划资助项目（项目编号：２０１５０３０９００２ＧＸ）三一一虚拟仿真实验教学依托虚拟现实二多媒体二人机交互二数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚 拟实验教学环境，参与者可以在虚拟环境中开展相 关实验活动［１－２］三目前大多虚拟仿真实验教学系统都是基于某一门课程或者某一个实验室的设计与实 现，系统开发技术种类繁多且趋于成熟［３－５］三如何设计针对某一学科专业的通用虚拟仿真实验教学系 统模型，实现基于此模型的二次开发与资源共享二避 免重复性劳动并提高工作效率，对于现阶段虚拟仿 真实验教学的建设与发展显得尤为重要［６－７］三本文通过对虚拟仿真实验教学系统业务需求的分析，提出了一种基于统一平台与插件技术相结合的系统通用模型设计方法，构建了基于 模型－视图－控制器（ＭｏｄｅｌＶｉｅｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＭＶＣ） 设计模式的虚拟仿真实验建模云平台，给出了基于该平台的Ｆｌｅｘ插件技术开发实现方案，为用户提供了一个资源开放共享二协作创新研究的实验环境三１一系统功能需求分析为了满足虚拟仿真实验教学系统业务需求，同时保证系统资源信息可维护性及系统功能的可扩展性，将系统用户角色划分为教师二学生二系统管理员 和插件管理员四类参与者三不同的角色有不同的操
采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践 摘要：随着我国教育改革不断深化，我国关于采矿工程的教育紧跟改革的脚步，在虚拟仿真实验教学这一方面不断进取，取得了有目共睹的成绩。他们不断优化 升级自身资源的，建立了一支教学理念先进、科研水平一流、教学能力强大的高 质量、高素养的教学团队。同时，他们也推动着采矿工程虚拟仿真教学体系向模 块化、层次化、多元化发展。以往，学生的实验时间及教学内容都是由学校统一 安排，制定详细的计划，学生和老师按计划进行教学环节，实验仪器也是由实验 老师在实验课上统一发放，这样做给采矿工程的教学带来极大的限制，而采矿工 程虚拟仿真实验教学体系的建设，优化了教学资源的共享，使学生能够灵活选择 相关的教学实验活动，教学和实验不在局限于课堂，提高资源的利用率，同时也 提高了教学的针对性，从而加强锻炼学生的实践能力，培养学生的创新能力。 关键词：采矿工程；教学体系；虚拟仿真实验教学 随着社会的发展，我们对能源的需求越来越大，而煤矿行业在其中占了很大 一部分比重，随着许多问题的暴露，现在的煤矿行业在注重效益的同时，坚持科 学发展观，使得煤矿行业得以长期平稳的发展，而这一成果离不开大量的从事采 矿行业的优秀人才，为了保持采矿行业的活力，对于相关专业的大学生的培养尤 为重要。 一、简述采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设的必要性 目前，我国高校对采矿相关专业的教学环节与实践环节严重脱离，造成这现 象的主要原因有以下三点，第一，煤矿企业生产任务重，生产风险大，无暇与学 校合作；第二，对于学校来说，煤矿行业中进行生产的设备过于昂贵，教学成本 太高，学校无力承担；第三，煤矿行业的生产风险大，容易出现安全事故，在矿 地进行实验时，学生的人身安全无法得到有效保证。以上的种种原因使得采矿工 程专业的传统实验方式受到极大的限制，在这种情况下，采矿工程虚拟仿真实验 教学体系的建设可以解决高额的实验成本、危险的实验环境等问题，能有效促进 采矿相关专业的教学。 二、虚拟仿真实验教学平台的具体建设 采矿工程虚拟仿真教学实验平台由实验教学资源开放平台，数值模拟与仿真 实验平台和工程实训与安全培训平台构成，这种合理的模块化设置对推动整个平 台的综合效果具有重大意义。 2．1简述采矿工程实验教学资源开放平台 在采矿工程实验教学资源开发平台中，学生们可以在线观看“采矿概论”、“矿 山岩石力学”等专业相关的教学录像和其他教学资源，以多媒体的方式，便于学生学习。同时，该平台模拟仿真了矿井生产系统及装备、矿井开采方法及工艺、设 备工作原理及使用过程，灾害演变过程、矿压观测原理与测试技术。平台上丰富 的教学资源面向全体师生，可供同学们自由学习。在学生学习的同时，他们可以 手动配置、连接、调节和使用这些虚拟仿真设备，模拟真实的采矿环境，将知识 与实践相结合。该平台在校园网面向所有用户开放，学生可以自由灵活的利用平 台上丰富的资源自行开展相关学习及实验。除此之外，此虚拟仿真平台还具有相 关专业信息发布、实验数据收集整合、学生成果展示交流、成绩评定等功能。该 平台设有专人进行日常的管理及维护，确保该平台正常运行。 2．2采矿工程数值模拟与仿真实验平台 数据能向我们反映所需要信息，对于采矿工程专业，数值模拟与仿真是重要
一、概述 （一）建设意义 1、现有实训条件分析 机电技术应用专业现有基础实验室、专业实训室共计9个，可开设《维修电工》、《电工电子技术与技能》、《电气及PLC控制技术》、《车工工艺》等课程的相关实训项目。为满足机电专业人才培养目标和社会培训的需要，需进一步加强专业建设，拓展专业领域，增加实训开出项目，提升实习实训教学环境条件。 2、必要性和可行性 （1）必要性 通过对多家电气自动化企业及IT企业进行了职业群与岗位群调研，确定其培养目标：从事机电一体化产品及自动生产系统的设计制造与开发，从事处理重要数据、熟练应用各种专业设计软件。并根据对机电技术专业岗位群的职业能力和知识技能要求的分析，构建了“阶梯递进式工学交替”的人才培养模式，搭建了基于工作过程导向的“模块化”专业课程体系，增加《虚拟仿真》课程。这就需要新建虚拟仿真实训室，使其具备在虚拟终端对自动化设备及生产线调试与维护、维修电工等虚拟实训项目的条件，所以需采购虚拟化服务器1台，虚拟化桌面终端48台，虚拟化软件Citrix48套，满足一个班的实训需求。 （2）可行性 天津市基础能力建设校实训基地投资中的部分资金将用于虚拟仿真实训室的建设，建设后的实训室集教、学、做为一体，新增虚拟
仿真终端实训设备，可以满足56人的《虚拟仿真》课程的实训教学的需求。实现了学生专业基本能力、专业核心能力和职业行为能力的提升。 3、建设依据 依据确定的“阶梯递进式工学交替”的人才培养模式，校实训应贴近企业的实际生产，有助于提升学生的专业基本能力、专业核心能力和职业行为能力，便于学生在校学习与企业岗位实践能够顺利衔接。 （二）建设思路和建设目标 1、建设思路 虚拟仿真实训室的建设本着建成集“教、学、做”为一体的教学环境和专业综合性实训基地的理念，从演示实践教学、基本技能实训教学和项目综合实训教学三个层面，为《虚拟仿真》课程的实践教学提供保障。 虚拟仿真实训室需要符合以下要求： （1）满足于综合性实践教学的要求 建成后的实训室可以实现四种形式的教学与培训方式，极大丰 富了教学容和教法。“实物模拟仿真设备培训方式”，“实物虚拟操 作培训方式”，“软件及仿真软件培训方法”和“新产品新技术展示 与介绍的培训方式”，这四种培训方式的综合应用，为社会培养高 素质的技术人才奠定了基础。 本实训室采用模拟仿真的实训手段，实现由单一基础技术的虚 拟仿真实训训练到各种技术综合应用的虚拟仿真实训训练。力求体 现虚拟化、仿真化、机电一体化方面的技术特色和行业应用及发展 的趋势，力求体现先进性、前瞻性、实用性、可操作性及示性。切
2014年国家级虚拟仿真实验教学中心名单 序号学校名称中心名称 1 清华大学数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心 2 北京交通大学轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心 3 北京航空航天大学空天电子信息虚拟仿真实验教学中心 4 北京理工大学大学计算机虚拟仿真实验教学中心 5 北京科技大学材料虚拟仿真实验教学中心 6 北京化工大学化工安全与装备虚拟仿真实验教学中心 7 北京邮电大学通信与网络虚拟仿真实验教学中心 8 北京建筑大学智慧城市虚拟仿真实验教学中心 9 中国农业大学食品科学与工程虚拟仿真实验教学中心 10 北京林业大学农林业经营管理虚拟仿真实验教学中心 11 北京协和医学院医学虚拟仿真实验教学中心 12 北京师范大学化学虚拟仿真实验教学中心 13 中国政法大学法学虚拟仿真实验教学中心 14 华北电力大学电力经济管理虚拟仿真实验教学中心 15 中国石油大学（北京）油气储运虚拟仿真实验教学中心 16 中国地质大学（北京）能源地质与评价虚拟仿真实验教学中心 17 北京联合大学文化遗产传承应用虚拟仿真实验教学中心 18 天津大学精密仪器与光电子虚拟仿真实验教学中心 19 河北经贸大学企业运营虚拟仿真实验教学中心 20 中北大学计算机及应用虚拟仿真实验教学中心 21 内蒙古医科大学蒙医学虚拟仿真实验教学中心 22 大连理工大学电工电子虚拟仿真实验教学中心 23 辽宁石油化工大学石油化工虚拟仿真实验教学中心 24 吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心 25 东北电力大学电力工业生产过程虚拟仿真实验教学中心 26 哈尔滨工业大学建筑虚拟仿真实验教学中心 27 哈尔滨工程大学船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心 28 东北林业大学野生动物虚拟实验教学中心 29 哈尔滨医科大学医学虚拟仿真实验教学中心 30 复旦大学环境科学虚拟仿真实验教学中心 31 同济大学建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心
虚拟实验实训中心整体解决方案（面向工科类本科院校）国家级虚拟仿真实验中心——仿真软件资源建设典型案例 东方仿真最新解决方案
典型实习教学环节中对仿真软件的应用方式： 1）首先是老师使用3D认识实习软件进行工艺及设备的讲解，学生使用3D认识实习软件进行对工厂装置的感性了解和学习。（在这之前，建议额外安排时间让学生先使用化工基本过程单元软件熟悉单元操作。） 2）学生使用2D的工艺仿真软件，熟悉大型化工装置的开停车，单机培训模式。 3）学生使用3D的操作实习仿真软件，进一步熟悉大型化工装置的开停车，单机培训模式。4）学生使用3D的操作实习仿真软件，熟悉大型化工装置的事故处理和班组团队操作，配合培训模式。 5）学生使用3D的操作实习仿真软件，进行安全方面的应急预案训练，单人/班组团队模式。东方仿真最新解决方案——网络精品课+ 在线仿真系统SIMNET的整合应用 （在线理论培训）（在线交互操作的虚拟实训中心）
1）下载统一客户端，实现仿真软件的在线应用。 2）老师可以在线组织培训和考核。 3）东方仿真的在线仿真系统从2004年起就已经上线投用，支持了多次全国级技能大赛和超过100家学校/企业的在线仿真软件应用服务。 4）在线仿真软件的内容形式包括：虚拟仪器仿真、实验装置仿真、单元级装置仿真、大型工艺流程仿真。 6）在线体验网址：https://www.doczj.com/doc/db795884.html, 典型应用方式： 1）和精品课程整合，形成包括应知理论内容+应会操作内容的完整在线学习体系，建立学校自己的在线交互操作虚拟实验/实训仿真中心。 2）满足学校教学改革学生自学的需要：也课程相关的仿真软件网络化部署，可以方便学生在教室、图书馆、宿舍、家里等其它地点方便的访问应用，并自行或根据教学计划要求安排学习内容。服务器自动统计学员的登录学习信息和培训/自测成绩信息。 3）满足学校临时承办面向企业和社会的培训或技能鉴定任务。学校在没有购买东方仿真某个具体仿真软件产品的情况下，如果有了面向工业企业或社会的临时性培训任务，可以方便地在线租用东方仿真的SIMNET仿真软件。东方仿真还可以协助学校组织相关在线培训任务/在线考核任务。
虚拟仿真实验教案项目 年度培育项目申请书 申报单位名称 项目名称 所属课程名称 所属专业名称 项目负责人姓名 项目负责人电话 项目负责人邮箱 浙江大学教务处制 二〇一九年四月
.实验教案项目教案团队情况 实验教案项目负责人情况 姓名性别出生年月 学历学位电话 专业技术职务行政职务手机 学部电子邮箱 学院（系） 通讯地址邮编 实验教案项目教案团队情况 投入时序号姓名所在单位职称研究领域承担任务 间（周） … .实验教案项目描述 名称： 实验目的
面向学生要求 （1）专业与年级要求 （）基本知识和能力要求等 实验原理（或对应的知识点） （） （） （） ...... 培育项目预计功能的描述和创新点（若市场上已有类似虚拟仿真解决方案，比如已有程序版虚拟仿真软件等，请列举并指出与该培育项目预计功能的区别） 预计的实验方法与步骤要求（学生操作步骤应不少于步） 建设方式（自主研发校企合作研发）（如果有，请注明合作企业名称） 预期的实验结果与结论要求
预期的实验考核要求 预期的服务课程（给出课程名称和课程编号，或申请新开课程） .实验教案项目预计访问要求 用户操作系统要求（如、、、等） （）计算机操作系统和版本要求 （）其它计算终端操作系统和版本要求 用户非操作系统软件配置要求（如浏览器、特定软件等） （）计算机非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）（）其它计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务） 用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等） （）计算机硬件配置要求（如无特殊要求，可不填） （）其它计算终端硬件配置要求（如无特殊要求，可不填） 用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等） （）计算机特殊外置硬件要求（如无特殊要求，可不填） （）其它计算终端特殊外置硬件要求（如无特殊要求，可不填） .实验教案项目计划使用的技术架构及主要研发技术
序号学校名称实验教学项目名称负责人备注1哈尔滨工业大学紫丁香卫星对地观测任务虚拟仿真实验曹喜滨 2哈尔滨工业大学钢结构单层厂房设计与建造虚拟仿真实验武岳 3哈尔滨工业大学燃气涡轮三维弯扭叶片性能仿真实验帅永 4哈尔滨工业大学化学实验室安全虚拟仿真实验项目李欣 5哈尔滨工业大学流域水环境决策支持系统虚拟仿真实验教学项目南军 6哈尔滨工程大学复杂海洋环境中的声纳探测性能分析实验殷敬伟 7哈尔滨工程大学压水堆虚拟拆解仿真实验项目薛若军 8哈尔滨工程大学电力传输特性与传输稳定极限虚拟实验刘宏达 9哈尔滨工程大学燃气轮机动力装置虚拟性能仿真实验王志涛 10哈尔滨工程大学机械电子线路工程实践虚拟仿真平台王革思 11哈尔滨工程大学机电系统控制实验王岚 12东北林业大学催化反再3D实训工厂虚拟仿真实验施连旭 13东北林业大学道路桥梁工程实训虚拟仿真实验王立峰 14东北林业大学驾驶特性与行驶安全仿真实验裴玉龙 15东北林业大学植物景观设计实验与虚拟仿真岳莉然 16东北林业大学森林燃烧蔓延模拟及灭火机具仿真实验杨光 17东北林业大学苯胺生产装置3D综合实训仿真项目任世学 18东北农业大学作物育种杂交过程虚拟仿真实验教学项目宁海龙 19东北农业大学基于HPLC-MS-NMR技术对土壤中农药噻吩磺隆残 留检测分析的虚拟仿真实验项目 付颖 20东北农业大学奶牛人工授精虚拟仿真实习张忠远21黑龙江大学硬胶囊剂生产3D虚拟仿真实验教学项目秦川丽22哈尔滨医科大学基于模拟腹腔镜下胆囊切除手术训练项目吴德全23哈尔滨医科大学宫腔镜手术模拟系统在妇科手术教学中的应用卢美松2018年度省级虚拟仿真实验教学项目拟认定汇总表 第 1 页，共 2 页