文福安教授（左二）组织召开虚拟实验科研工作会议



高频电子线路课程—电感反馈振荡电路实验

        近几年，随着高校不断扩招、实验教学压力不断增加，传统实验教学的弊端逐渐显现出来。首先，传统的实验教学主要依赖昂贵的实验设备，前期投入大、后期维护费用高，实验开展受时间、空间、人力、物力等条件限制；其次，教师指导难以到位，有限的教师很难在有限的时间内顾及到每个学生，设计性和探究性较强的实验更是很难开展；最后，教学目标难以落实，目前学生主要依据实验指导书进行验证性实验，有些实验操作训练不足，学生动手能力、设计能力和创新能力很难得到提高。
        针对传统实验教学中存在的成本高、教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离、学生缺乏主动性和创造性等问题，北京邮电大学文福安教授提出了开放式虚拟实验教学系统的解决方案。在国家科技支撑计划项目的支持下，北京邮电大学和北京润尼尔网络科技有限公司通力合作，开发出了能够配合教学并在网上开展的基于B/S架构的虚拟实验教学系统，对我国实验教学的改革具有重要意义。

        分工有序 各司其责

        虚拟实验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟现实实验的计算机教学软件。它采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供分立的可自主操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近现实的人机交互界面完成实验，同时提供网络实验教学的一体化管理功能。
        文福安介绍说：“虚拟实验教学系统分为虚拟实验平台、虚拟实验教学管理、辅助教学三个部分，可以支持跨学科的多门课程。通过这个系统，学生既可以动手操作实验，也可以学习相关理论知识，还能方便地与教师、同学交流。系统对学生的学习过程提供引导、控制、管理和帮助。”
        那么，学生在学习中具体是怎样操作的呢？文福安给我们做了演示。学生点击某实验任务，就会出现相应的实验要求和报告表格。学生可以在器材栏中选择实验需要的器材和设备，自己动手连接、调节，使用它们在实验区进行实验。文福安比喻说：“虚拟实验室就像一个没有围墙的现实实验室。”除实验任务外，系统允许学生根据平台上提供的器材自由搭建任意合理的实验系统，这一点是其区别于一般实验教学课件的重要特征。
        文福安还介绍说：“在实验之前，学生可以先学习与本次实验相关的预备知识，实验过程中如果遇到困难可以看指导、看课件或者问老师，实验完成后提交实验结果和报告，实验后还可以进行复习。教师负责搭建典型实验或调取实验案例，给学生制定预习计划、布置实验任务，提供实验指导和帮助，在实验结束后查看学生的实验结果，对实验报告进行批改，给出实验成绩和评价。”
        要开展虚拟实验教学，还需要网上实验教学管理功能。在文福安及其团队开发的虚拟实验教学管理系统中，老师和学生可以通过答疑交流系统，采用语言、文字和图形图像进行实时的或非实时的互动交流。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息，以便调整实验教学的进度和深度。与国际上同类学科的仿真软件相比，虚拟实验教学系统具有面向教学、易于管理等特点。

        突破关键技术 成功应用推广

        面对虚拟实验教学系统取得的成功，文福安及其团队的每一个人心里都很欣慰，可是在成功背后，他们付出的艰辛是常人想象不到的。他说：“想要做出一套能够模拟接近现实实验室环境的虚拟实验教学系统，那么虚拟的实验仪器设备的物理特性就必须与现实的器材相一致，同时还要具备很强的交互性、实时反馈特性以及较高的智能化特性。”突破这些关键技术是不小的挑战。
        文福安说：“构建这套虚拟实验教学系统需要运用到的关键技术包括：仿真技术、Web应用技术、设计模式和图形绘制的优化，虚拟实验教学系统对其中任何一种技术都要求精益求精。”
        虚拟实验系统在应用推广上可谓是捷报频传，而北邮自然就是文福安的第一块“试验田”。2006年底，在北邮网络教育学院河南工程硕士班进行了应用，86名学生参加了首次教学体验，取得了理想效果，推广第一站完美收官。2008年秋季学期在北邮网络教育学院“计算机网络”、“Linux操作系统”等多门课程上成功应用；2009年秋季学期在大连理工大学继续教育学院“电路分析”等课程应用中赢得赞赏。

文福安教授（左二）与参加研讨会的老师讨论实验教学问题

        目前虚拟实验教学系统支持的课程已经涵盖了计算机网络、Linux操作系统、模拟电路、电路分析、高频电子线路、数字电路、信号与系统、通信原理等多门课程。使用虚拟实验系统的教学站点多达264个，覆盖了北京、石家庄、大连、上海、广州和贵州、广西、山西等地的多个城市。系统应用于北京邮电大学、大连理工大学、中国石油大学、武汉理工大学、解放军理工大学等20余所院校。文福安及其研究团队也获得多项奖励证书，《科技日报》、《科学中国人》等媒体纷纷对此进行了专题报道。

        完善技术 推进教育创新下一浪潮

        实践教学是国家实施素质教育和高等教育质量工程、全面提高教育质量的重要内容。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中提到要在2010年至2020年间加快教育信息化进程，加强优质教育资源开发与应用，加强网络教学资源体系建设，引进国际优质化数字教学资源，开放网络学习课程，建立数字图书馆和虚拟实验室的规划。虚拟实教学也已经得到了全国实验室建设指导委员会等相关单位的高度重视。2008年，“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用推广示范”项目被确定为“十一五”国家科技支撑计划重点项目。
        尽管虚拟实验室的发展得到了国家相关措施的支持，在各地推广中也取得了相当不错的成绩，但文福安教授认为当前虚拟实验教学系统仍然存在有待进一步完善的地方，并指出如何在教学中更好地发挥虚拟实验的作用、如何把实验动手和知识学习有机融合、如何增强学生的学习兴趣和信心、如何将实验教育和实际应用相结合、如何减少教师和管理人员的工作量、如何通过信息技术规范实验教学的管理等问题将逐步研究并解决，实验增强的教学环境将是团队下一步的研究方向。
        开放式的虚拟实验教学系统突破了时间、空间和设备数量的限制，培养了学生的创新意识、创新能力和动手操作能力；同时还具有实验过程中易获得相关学科知识，实验结果便于保存，实验教学过程容易控制，实验教学指导更有效、容易与其他教学相结合等优势。文福安激动地说：“这将会是教育创新的下一个浪潮。”提起对虚拟实验教学系统未来的展望，文福安希望学生进入实验室的门槛更低、得到的指导更快捷；期待未来实验教学管理更加规范，实验教学的效果评价更加科学。
        在文福安心中还有一个远大的设想，那就是携手各大高校共同探讨实验教学新模式，他希望在学校精品课程建设中把虚拟实验教学系统作为“利器”，把虚拟实验教学的方法作为实践教学教改项目的基础，在开放实验室建设中采用先进的Web信息管理技术，提升管理水平；在国家级、省级示范中心建设和重点实验室建设中采用虚拟实验教学系统完善实验教学体系，共同协作，快速推进高校实验教学改革。