虚拟仿真教学依托虚拟现实-辐射安全课件.ppt

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1、,2014年8月4日,面向创新的国家级虚拟仿真实验教学中心建设国家级实验教学示范中心联席会北京大学郝永胜,目 录,一、建设意义二、指导思想 三、建设任务和核心内容 四、建设过程五、案例六、展望未来,教育部加强了对实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导，先后出台了强有力的政策。,2012年3月13日，教育部印发了教育信息化十年发展规划（2011-2020）,2012年3月16日，教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见（教高20124号）,教育信息化十年发展规划（2011-2020）明确了发展规划及目标,1,2,3,4,推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式,明确了建设各级各类优质

2、数字教育资源的工作目标,进一步提出了建立数字教育资源共建共享机制的重要途径,教育信息化 十年发展规划（2011-2020）,明确提出了创新优质数字教育资源共建共享机制、实现教育信息化可持续发展的新思路,教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见也明确提出，要强化实践育人环节，提升实验教学水平,教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见提出明确要求,2.重点建设一批国家级实验教学示范中心、国家大学生校外实践教育基地、高职实训基地,3.要求加强实践教学管理，提高实验、实习实训、实践和毕业设计（论文）质量,1.要求加强实验室、实习实训基地、实践教学共享平台建设,5.建立高校与相关部门、科研院所、行业企业

3、的共建平台，促进合作办学、合作育人、合作发展,4.要建设优质教育资源共享体系,6.加强信息化资源共享平台建设，向高校和社会开放,国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作是高等教育信息化的组成部分,高等教育信息化的基本内涵,硬件支撑平台,软件资源环境,信息人才队伍,目标,我们就是要鲜明地举起教育信息化的旗帜，把建设工作纳入教育信息化工作的总体布局之中，与教育改革发展的总体要求相一致，持续不断地将国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作开展下去。,国家级虚拟仿真实验中心建设工作也是实验教学示范中心建设工作的重要内容，其指导思想为国家级虚拟仿真实验教学中心的遴选条件打下了伏笔,是实验教学示范中心的重要组成部分，

4、也是实验教学示范中心建设的延伸，这将为实验教学示范中心建设注入新的活力和新的内容；持续调动省市教育行政部门、高等学校建设实验教学示范中心的工作积极性，也促进已经拿到国家级和省级实验教学示范中心称号的学校和单位继续投入，持续建设；将高教司实验室处工作的有机结合，形成以实验教学示范中心建设为核心的工作格局,国家级虚拟仿真实验教学中心,虚拟仿真实验教学是学科专业与信息技术深度融合的产物,做好做实虚拟仿真实验教学工作,虚拟仿真实验教学中心,要充分反映出学科的要求和特点,要与信息技术紧密结合,要求是省级或国家级的实验教学中心,要有资源共享的良好基础和广泛的共享可能性,要建成持续发展的机制和必要的人员保证

5、,目 录,一、建设意义二、指导思想 三、建设任务和核心内容 四、建设过程五、案例六、展望未来,为确立指导思想，我们开展了广泛深入的调查研究；20字指导思想所含内容丰富,指导思想,共享资源,突出重点,提高效益,持续发展,科学规划,科学规划,突出学校、学科、地域、专业特色考虑持续发展和支持服务问题,科学规划,自发,计划,主动,激励,从上至下,从下而上,共享资源是此次建设工作的核心，若无法实现教学资源的共享，仍只能为少数学生开展教学服务，将无法参与申报工作,过去,现在/未来,少数学生,多个专业多个学校多个地区,自己用,大家用,服务对象,资源共享,共享不是简单鼓励大家无偿贡献，而是推动高校建立一种机制

6、,通过遴选，授予“国家级虚拟仿真实验教学中心”称号，使各级教育行政部门和高校知道，我们已经建成和拥有了一批优质的实验教学资源,引导大家选择使用，使用后支付相应的费用，补偿产品开发支出和服务支出外，产生合理的利润，形成良性循环,最终产生良好的社会效益和经济效益，使资源共享可持续,1,2,3,了解与推广,引导与实施,资源可持续性共享,突出重点：实验教学信息化包括教学资源的信息化、教学管理的信息化和支持服务的信息化,实验教学信息化,教学资源的信息化,教学管理的信息化,支持服务的信息化,提高效益：要强调社会效益和经济效益并举，引进社会企业机制,进一步强化国家级和省级实验教学中心的示范和引领作用,要全面

7、提高高校学生的创新精神和实践能力,提高优质实验教学资源的使用率,推动高校实验教学改革与创新,提高高等教育实验教学质量,持续发展：就是稳步走、不断线,+,坚持宁缺勿滥的原则，完善发展阶梯,2013年,2014年,第一年的工作重点：理清思路，摸索经验,2015年.,今后若干年仍将保持规模，持续开展建设工作,建立起与相关司局的合作模式，对省级教育行政部门和学校发出一个重要的信号，鼓励省级教育行政部门和高校重视实验教学信息化工作，筹措经费，制订政策，开展本地区的建设工作,目 录,一、建设意义二、指导思想 三、建设任务和核心内容 四、建设过程五、案例六、展望未来,在筹划国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作

8、初期，一直存在四大方面的困惑；为此，我们通过实地考察、专家座谈和学术研讨等多种方式对这四个方面问题进行了分析研究,虚拟仿真实验教学中心是什么，干什么用,通知,关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函201394号）,文件描述了虚拟仿真实验教学一些最重要的技术特征：即要利用信息化的重要技术，如虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等。当然也可以包含其他的一些重要技术。这是帮助我们判别虚拟仿真实验的主要指标。,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。,虚拟仿真实验教学除了具有重要的技术特征外，还有两点非常重要

9、,要构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生可以在这个环境中开展实验,虚拟仿真实验是为本科教学而设计和实现的，它要满足教学大纲的要求,信息化技术特征、高度仿真的实验环境和对象以及满足本科教学要求这三个方面构成了国家级虚拟仿真实验教学中心的本质特征,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，达到教学大纲所要求的教学效果,虚拟现实,多媒体,人机交互,数据库,网络通讯,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效果,虚拟仿真实验教学中心的建设任务进一步界定了它的

10、功能作用，也明确了今年的建设重点，即实现真实实验不具备或难以完成的教学功能,在涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆的操作,高成本,高能耗,大型或综合训练,实现真实实验不具备或难以完成的教学功能,为了避免片面机械理解实验教学信息化，发挥虚拟仿真实验教学独特、不可替代的作用，切实实现提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容的要求,虚实结合,能实不虚,相互补充,建设原则,此次对虚拟仿真实验教学中心建设工作内容归纳为四个方面：虚拟仿真实验教学资源、虚拟仿真实验教学的管理和共享平台、教学和管理队伍和管理体系等方面的建设,四个方面构成虚拟仿真实验教学中心的整体，保证中心的建设和正常运行，缺少哪一方面或哪一

11、方面达不到要求都会出现无法持续发展的问题,教学资源,管理和共享平台,教学和管理队伍,1,2,3,管理体系,4,教学资源：总体上来说，可分为三类,软件共享虚拟实验,仪器共享虚拟实验,远程控制虚拟实验,高水平的教学资源,管理和共享平台：可以是自己创新性开发的，也可以是引进后二次开发的,扩展性,兼容性,前瞻性,管理和共享平台应具特征,教学和管理队伍，与示范中心的队伍是一体的，但也提出了新的要求对它的结构、水平和经验有新要求，要能够胜任虚拟仿真实验教学的需要,知识结构,.,.,.,示范中心,虚拟仿真实验教学,教学水平,教学经验,知识结构,教学水平,教学经验,管理体系：虚拟仿真实验教学中心应依托相应的国

12、家级实验教学示范中心，建立健全人员、组织、制度保障，推进虚拟仿真实验教学中心规范、高效地运转。,运行管理,制度保障,管理体系,组织保障,通过规范、高效的运转管理体系，最终构建“虚拟仿真实验+真实物理实验”、“虚拟仿真实验+校外现场实践”、“虚拟仿真实验+课外创新实验”三结合的模式，从而实现虚拟仿真实验教学的目的,有效克服了真实环境中的诸多限制有效激发了学生自主学习的积极性形成基于产学研良性互动的虚拟仿真实验资源建设模式，丰富虚拟实验教学资源,课程在线实验之基本概念,课程在线实验,基本概念,五大考虑要素,实验的基本设计、调试能力是必须的，关键怎么解决,对实验的直观感受必不可少，虚实结合是实验类课

13、程在线实验的主要方式,在线实验有多种实验方式：模拟器、仿真器、实物在线,课程在线实验，不是完全取代实际现场实验，反过来是补充，改变的实验模式，并不变实验本来的内容,传统的教学资源如何和在线实验的结合，需要什么？实验教学信息化,在线实验之必要性,课程在线实验,必要性,7.实验质量管理（MOOC课程+在线实验=实验MOOC？）,8.实验资源的共享（设备、教学资源、师资、实验模式等）,9.激发实验队伍建设（可以突破，可有成果，可有服务）,6.传统实验：独立、无跟踪、不系统、无重现、无共享等,10.科研成果转化为实验内容（形式和成果可多样化）,2.不受场地限制（在宿舍就可以实验，开放实验室）,3.实验

14、类实验的连续性和系统观建立（有关系，整体平台）,4.实验预习以及实验准备，提高实验效果（自学 自实验）,1.实验设备维护、更新、资源利用问题（是否需多套设备)）,5.实验过程管理（答疑库、师生、生生交互、实验过程）,在线实验之方式,软件设计模拟仿真,远程下载调试,虚,实,真实,+,+,（现场 实验）,有些实验内容可以是模拟器上纯仿真但是这些实验最后一定必须在实际实验台上运行,说明,在 线 实 验 方 式,实验类课程在线实验实验MOOC,MOOC课程,基本要素（课件、视频、交互等）,在线试验,模拟、仿真、在线，可共享,实验环境,模拟器、仿真器、在线实验平台,实验管理,实验过程跟踪、实验评测、实验

15、步骤分析、实验错误分析、实验结果分析、实验效果分析,在线实验,目前工作总结：各类实验方式，基本覆盖了实验类课程；虚拟仿真、虚实结合、云实验、在线实验种类多,通过模拟仿真解决知识掌握和基本能力训练 模拟仿真更适合个性化、创新实验 真实环境实验必不可少在线实验可系统化、远程共享云平台更加关注资源整合、系列实验、实验管理实验设备支持在线实验,注重,进一步工作建议（1）实验设置：着重选择一门或多门课程，设计各层次实验,模拟器类实验,-深化理论知识，掌握功能设计能力,仿真类实验,-深化实验概念理解，掌握时序概念,在线类实验,-支持共享、并发用户使用,在线实验设备的研发,-（远程操作和控制，信号捕获和分析

16、，性能）,现场实验,-实验整体概念，性能分析,实验设计：系列化层次化系统化,进一步工作建议（2）研究MOOC教学模式，改革实验教学模式,研究MOOC教学模式，改革实验教学模式,泛在实验,自主实验,团队实验,个性化实验,进一步工作建议（3）建立本专业实验课程云平台,云平台,建立本专业实验课程云平台,实验环节管理、实验步骤控制，实验效果分析、实验过程追溯、实验交互形式，实验评价综合,支持实验资源整合：课程、实验（构建主义）,支撑跨课程系列实验、学科融合实验,支持多种实验模式（模拟、仿真、在线、真实）,支持在线、并发、共享,支持实验过程控制（行为主义思想）,实验课程云平台,云实验中心特点,建设模式,

17、开放共享,资源效率,实践体系,实验方法,虚拟仿真、虚实结合、虚实互补,远程实验、课堂内外、时空不限,集中建设、配置部署、升级迁移,整体构建、学科交叉、深度融合,自主实验、团队实验、设计创新,进一步工作建议（4）具体功能模块,MOOCs教学平台,虚拟仿真系统平台,1、工具资源多元化：MOOC课程整合多种社交网络工具和多种形式的数字化资源，形成多元化的学习工具和丰富的课程资源。2、课程易于使用：突破传统课程时间、空间的限制，依托互联网世界各地的学习者在家即可学到国内外著名高校课程。3、课程受众面广：突破传统课程人数限制，能够满足大规模课程学习者学习。4、课程参与自主性：MOOC课程具有较高的入学率

18、，同时也具有较高的辍学率，这就需要学习者具有较强的自主学习能力才能按时完成课程学习内容。,1、解决MOOCs课程的实验部分，特别是工科动手操作部分。2、以课程而不是知识点来组织实验体系，以及检验课程学习成果的评估体系。3、建立以行业和岗位为特色，而不是限于本专业的有创新的实验项目集合。拓展学生和教师的知识面。4、引进企业先进的培训体系，以先进的信息技术为社会提供丰富的共享教学资源和教学方法。5、建立没有实验室的实验体系，突破空间和时间限制为学生提供创新性实验教学方法。,目 录,一、建设意义二、指导思想 三、建设任务和核心内容 四、建设过程五、案例六、展望未来,教育资源 建设,教学资源,教学队伍

19、,学校信息平台,管理机制,创新和特色,资源建设,平台建设,教学内容,校企合作,教学资源的创新性、先进性；真实实验平台无法开展或高危险的实验教学资源；或大型、综合的虚拟实训资源；或模拟真实实验教学中成本高、资源消耗大、污染严重的实验教学资源；其他虚拟仿真实验教学资源,可通过配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备进行实验；根据平台提供的仪器设备自由搭建合理的典型实验项目具有信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等功能。,科研设备用于虚拟仿真实验教学科研成果拓展虚拟仿真实验教学范围、丰富虚拟仿真实验教学内容；科研成果开拓学生视野、提升知识结构、培养综合设计和创新能力。,校企共建共管的合

20、作模式、途经和成果；虚拟仿真实验教学可持续发展思路和办法的可操作性。,资源共享,虚拟仿真实验教学资源的共享状况；进一步实现共享的计划与安排。,教学队伍建设,教学资源,教学队伍,学校信息平台,管理机制,创新和特色,教师水平与实验教学水平,队伍结构与素质,中心负责人与骨干教师的学术水平高；教学能力强，实验教学经验丰富，教学特色鲜明。培训教师的信息化水平。,学科专业教师与信息技术研发人员配置合理；青年教师的培养计划科学合理，并取得实际效果；有企业背景的人员参与教学中心建设。,信息平台 建设,教学资源,教学队伍,信息平台,管理机制,创新和特色,校园网络及教学信息化平台水平,网络管理与安全,有大型存储设

21、备，能够保障学校的网络应用；校园网覆盖学校教学、科研、管理与建筑的比例达100%；校园门户网站对校内外公布虚拟仿真实验教学信息，提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。,有用户身份管理、认证和计费管理系统，提供用户认证和权限等级识别；实现网络的安全运行、管理和维护；具有网络防病毒、信息过滤和入侵检测功能。校园卡（一卡通）的多方面应用。,管理机制建设,教学资源,教学队伍,信息平台,管理机制,创新和特色,组织保障,管理规范,资金保障,有虚拟仿真实验教学建设、技术支持和运行维护的专职队伍,有教学中心专职队伍的管理办法,有设备运行、维护、更新和管理的相关规范,创新和特色建设,教学资源,教学队伍,信息平

22、台,管理机制,创新和特色,虚拟仿真实验教学中心建设中的创新举措或特色应用。发挥教师和学生的主观创造性。提高学生对本专业的认识和兴趣。,目 录,一、建设意义二、指导思想 三、建设任务和核心内容 四、建设过程五、案例虚拟实验平台分析六、展望未来,虚拟实验平台现状国外现状,（1）TN MVA微软虚拟学院,(http:/,学习资源,在线学习,虚拟实验室,实时活动,认证,虚拟实验室，TechNet 虚拟实验室，通过一系列可在 90 分钟或更少时间内完成的引导式动手实验，帮助您快速评估与测试一些最新的 Microsoft 服务器产品与技术。,主要以软件实验为主,主要以软件实验为主,Analog CMOS

23、VLSI Circuit DesignFPGA&Embedded systems labComputer Architecture&organizationAdvanced Network TechnologiesComputer OrganizationDigital Logic DesignComputer GraphicsData StructuresComputer Programming Problem SolvingSoftware EngineeringPrinciples of Programming LanguagesData MiningDatabasesImage Pro

24、cessingLinux Lab,（2）印度理工大学虚拟实验系统,印度理工大学（IIT）各分校建立的虚拟实验系统，12个分校进行分工，完成不同的实验项目。实验平台涵盖了计算机科学领域绝大多数的课程实验。实验采用动画演示方式，利用网页脚本实现虚拟器件，基于Java实现。,(http:/www.vlab.co.in）,印度理工大学虚拟实验系统,（2）印度理工大学虚拟实验系统,（3）约翰霍普金斯大学的虚拟实验系统,（http:/www.jhu.edu/virtlab/virtlab.html）,（4）美国奥多明尼昂大学的虚拟实验系统,（http:/system.cs.odu.edu/?page=se

25、rvices-vclab）,这个系统是让用户以远程桌面的方式与实验室中的机器建立一对一的连接，进行实验得到结果。,虚拟实验平台现状国内现状,（1）北邮和北京润尼尔网络科技有限公司,(http:/）,计算机网络、计算机通信网、Linux操作系统、数字电路、电路分析等课程实验。,（2）中南大学虚拟实验平台,(http:/）,目前有：数字图像处理、计算机组成原理、数字通信原理、数字信号处理、密码学、C语言程序设计、操作系统等多个虚拟实验。,计算机组成原理虚拟实验系统采用Sun公司的JavaBean技术设计，每个虚拟设备都封装在以JavaBean开发的组件中。每个组件作为一个独立的计算单元，具有其自身

26、的内部状态并提供了一组操作来完成其具体的功能，用户可以利用它们灵活地搭建不同的实验。,使用课程：计算机原理课程设计计算机体系结构数字系统课程设计,（3）国防科技大学云平台实验,（3）国防科技大学云平台实验,远程在线实验的硬件支撑,(4)杭州电子科技大学,云平台实验,杭电实验实训教学平台系统架构图,云平台实验 杭州电子科技大学：实验云平台,杭电实验实训教学平台功能图,支持课程软件工程C#程序设计 数据库技术海量数据处理Flash软件开发.net软件开发软件项目实践单片机原理与应用数字电路”等20余门课程,(5)浙江大学：虚实融合硬件云实验平台,支持课程 计算机系统观建立的系列课程目标搭建一个基于

27、大数据和云平台的在线Verilog开发平台，使用分时方式充分利用开发板搭建一个能真正基于底层硬件的、能实时反馈硬件运行状态及数据的开发调试系统兼顾系统的易用性和可扩展性,目前所做的工作,目前所做的工作,云平台云开发云调试大数据存储历史数据方便学生回溯利于教师检查任务调度算法服务器节点容错,目前所做的工作,云开发Web端代码编辑器项目管理，文件管理代码高亮Web端代码共享公用模块共享源代码级共享/网表级共享调用ISE命令行工具进行代码综合，布局布线，生成.bit文件，下载执行,目前所做的工作,云调试类似于Chipscope的实时调试功能可自由指定待调试信号，调试周期和触发时钟超越Chipscop

28、e的调试功能自由指定调试模块运行状态始终运行仅调试时运行外部触发时钟运行支持外部信号的输入（按钮，开关等）使用嵌入IP核的方式进行用户模块的调试调试数据通过串口输出（考虑使用JTAG）,(6)清华大学：计算机硬件实验统一平台,支持课程数字逻辑计算机组成原理计算机系统结构等硬件课先进的实用技术(解决落后)采用大规模集成电路FPGA为实验核心芯片以FPGA和CPLD为控制手段免插线以通用USB接口和JTAG接口相结合的通信方法采用统一实验平台(建立系统)支持数字逻辑、计算机组成原理、计算机系统结构等硬件课一次学习平台使用后，建立自己的计算机系统,目前所做的工作,在线实验平台 清华大学：计算机硬件实

29、验统一平台,目前所做的工作,远程计算机硬件实验统一平台,目 录,一、建设意义二、指导思想 三、建设任务和核心内容 四、建设过程五、案例五、展望未来,“十三五”“高等学校本科教学质量与教学改革工程”,整合各类实验实践教学资源遴选建设一批成效显著、受益面大、影响面宽的实验教学示范中心重在加强内涵建设、成果共享与示范引领实验室建设的企业化和社会化,合作,创新,支持高等学校与科研院所、行业、企业、社会有关部门合作共建,资助大学生开展创新创业训练,2013年，批复100家国际级虚拟仿真示范中心；在未来5年，将吸取成功经验，辐射示范全国高校的实验教学，加强与企业、行业或社会团体合作，引领在各行各业各学科的人才培养,20个公共基础实验教学示范中心/年,30个学科大类基础实验教学示范中心/年,30个国家和省重点学科专业领域/年,100个 企业级校外和海外实习基地,企业,高校,行业/社会团体,加强责任感、使命感引领方向抓住机遇，加快建设率先突破出理念、思路、经验、成果示范辐射加强交流、研讨、培训全面发展,74,希望,祝本次研讨会圆满举行感谢各位的聆听！,