虚拟仿真实验教学课程建设指南.pptx

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,虚拟仿真实验教学创新联盟技术工作委员会,2017年，教育部决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作，计划在2017-2020年认定涵盖60个专业类的1000个国家级虚拟仿真实验教学项目。

2019年，教育部发布关于一流本科课程建设的实施意见（教高20198号），将国家虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设，计划到2021年建设1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程，明确推荐认定办法继续按有关文件实施。

前言,01,基本原则,要能够激发学生的学习兴趣要体现基本要求基础上的研究与探索，凸显高阶性、创新性与挑战度提高学生自主学习与探究的能力，培养学生发现问题和解决问题的能力要突出学科专业特色，发挥虚拟仿真技术优势，符合学校的定位及专业人才培养特点要符合客观规律，有明确的科学依据仿真模型有科学性、推演性和交互性要体现探究知识和解决问题，要有生生、师生互动的教学机制实验考核要突出对实验核心知识和能力要素的过程考核,选题必要性,虚拟仿真实验教学项目建设的必要性首先强调实验教学的必要性，进一步体现出实体实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等物理或实体实验做不了、做不好的实验。

选题粒度,选题粒度要适当，既不能过大，直接对应一门课程或一个工具，也不能过小，不能支撑一定的实验教学目标。

基础要求：

2个学时，10个步骤。

实验设计层次及内容要求,综合设计型实验要包含多门课程原理、方法和技术，培养学生融会贯通专业课程、应用相关知识通过自主设计解决实际问题的能力；研究探索型实验以学科或行业发展前沿问题为选题，以学生自主设计为基本要求，面向前沿领域开设窗口，增加学生兴趣选择的灵活性，引导学生洞悉、探索学科前沿；虚拟仿真实验环节构成要完整，各个环节占比要合理，既要体现学生知识、能力、素质训练的基础性，又要体现提升项目的高阶性、突出教学的创新性、增加学生的挑战度。

实验设计需注重实验过程中的总结和反思，在操作过程中，系统会给予不同程度提示和反馈，对进一步理解实验、深化实验、完善实验起着重要的作用、达到在虚拟环境下做真实验的要求。

实验内容构成要素,实验简介：

能够清晰说明实验的基本情况；实验指南：

要详细展示实验的操作步骤，学生可以在线随时查看，指导学生完成实验；实验对象：

要以符合实验教学要求的客观运动规律，必要的要建设相应的仪器设备和材料库；实验操作：

要有结构完整、逻辑严密、层层递进的有机体系，要有灵活可变、内涵明确的操作内容，要有及时有效、客观真实的反馈输出；知识提示：

在实验过程中，要有对主要实验操作步骤、过程以及算法、公式的原理的解释说明；实验提示：

实验环节和步骤要能够在操作界面中进行详细展示，正确引导用户进行实验操作；实验数据：

实验数据要真实，有记录，可评判，可回溯，并支持用户随时查看；实验考核：

考核点设置需结合实验的操作步骤及实验内容，且能够与实验操作步骤相关联，能对学生的实验操作和知识学习起到考核作用；要能够支持生成考核报告；实验报告：

实验报告需展现学生实验的主要过程、简要的实验结果和成绩，学生也可以在线编辑实验总结；实验评价：

要支持学生对本实验进行在线评价；在线讨论：

要支持学生针对本实验进行线上交流、沟通。

02,以虚仿实，以实为基,仿真模型可以自主开发，也可以利用已有模型进行二次开发或者修改。

科学真实性、推进推演性、开放可控性、过程可溯性、健壮可靠性、趣味友好、简易高效性调试修改：

比较虚拟仿真输出与实际系统或对象信息，对已有的虚拟仿真模型进行迭代改进,03,沉浸场景呈现要求,模型的制作要求模型的面片制作要求材质、贴图制作要求展UVW规范要求模型的动画与特效,沉浸场景呈现要求,场景呈现的要求多个场景宜采用关卡式加载方式模型替代遵从客观规律光照渲染应采取主体光、环境光、轮廓光,04,实验过程设计,实验交互操作交互操作方式：

键盘、鼠标、语音平板/手机、VR手柄。

实验过程现象虚拟的是真实的场景，所以不能过度失真，力求提高实验者的沉浸性。

实验结果对实验过程和结果给予客观、真实、正确的评价。

操作指引引导用户对实验的重要功能按钮进行熟悉。

实验过程设计,图：

实验操作指引,实验过程设计,图：

虚拟场景真实，沉浸度高,实验过程设计,图：

虚拟场景真实，沉浸度高,实验过程设计,图：

虚拟场景真实，沉浸度高,05,实验考核设计,考核方式与方法考核方式：

过程型考核、总结型考核和综合型考核。

考核方法：

操作考核、答题考核。

实验考核设计,考核内容实验操作评价、实验观察与记录评价、实验思维与创新评价、实验结果评价及实验报告评价。

考核结果评分系统应提供实验过程和结果的详细记录，并允许教师进行人工评分。

06,实验考核设计,考核方式与方法考核方式：

过程型考核、总结型考核和综合型考核。

考核方法：

操作考核、答题考核。

07,实验记录与分析,输入信息交互操作输入的信息（含语音识别的结果）、设置的参数等。

输出结果由交互输入操作直接产生的反馈结果，包括数值、对错、分值、等级等方面。

实验记录与分析,操作记录记录每一步操作的过程信息，包括操作次数、操作的经过等（存档）。

结果保存与恢复实验最终结果保存的具体内容，及其保存输出的形式。

08,实验报告,实验报告实验报告由实验报告基本信息、学生实验报告（PDF格式）、实验评价报告三部分组成。

09,教学支持与服务,教学支持与服务为大力推进虚拟仿真实验教学项目的共享应用，解决虚拟仿真实验教学项目在实际教学中遇到的学生实验操作难、教师教学指导难、实验环境运行难等问题,教学支持与服务,10,共享应用与用户体验,系统性能要求C/S、B/S型系统应支持不少于100人同时使用，云VR型系统应支持不少于30人同时使用。

连通访问要求每半年中断服务次数不超过10次，每次中断时长不超过4小时。

共享应用与用户体验,用户体验要求用户体验要求主要包括易用性、便利性和友好性等几个方面,技术接口接入按照国家虚拟仿真实验教学项目技术接口规范最新版的规范完成接,教学应用规范明确使用方式、使用人数及使用频率等基本信息按照班级组织教学活动对实验系统回传的实验数据进行统计、分类和应用的能力,共享应用评价应用的强度、广度、效度和保障机制等四个维度进行考量,11,共享应用与用户体验,网络安全要求应符合信息安全等级保护管理办法中二级等保的相关要求。

知识产权要求需具有原创性；项目所属学校须对本实验项目全部内容独有或共有著作权，并确保项目内容及使用项目内容的行为不侵犯任何第三方的合法权益。

社会开放承诺要确保项目被认定后5年内面向高校和社会免费开放并提供教学服务。

软件著作权登记证书,12,研发技术规范,技术特征主要包括仿真沉浸感、快速推演性、实时交互性和仿真可信性多个方面,系统组成,系统组成包含但不限于运行虚拟仿真实验应用的服务器、保存实验资源及相关数据的数据库、相关网络环境、客户端运行设备、显示设备、实验交互设备、其他相关设备，以及虚拟仿真教学软件和相关接口软件。

显示设备主要包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）等头盔型显示终端，以及立体显示器、投影球幕、环幕、透明屏、互动式LED大屏幕、立体投影等等,研发流程主要分为四个阶段：

项目立项、方案设计、系统研发以及测试部署。

C/S架构,需要安装第三方应用软件支持虚拟仿真实验软件运行，并且第三方应用软件无法实现B/S部署或B/S对接的教学需求。

虚拟仿真实验软件资源包大于500MB，在实验过程中需要5分钟以上下载时间的教学业务。

同时在线人数较多的教学环境，特别是并发超300以上的教学业务。

上课前有充分的时间下载并安装客户端环境，在校内局域网络上可以有效解决各类资源接入，不需要广域网络资源的教学业务。

B/S架构,虚拟仿真实验教学软件的所有功能和效果都能浏览器中实现，无需安装第三方支撑软件或插件的教学业务。

虚拟仿真实验教学软件资源包小于500MB以下，在实验过程中能够在5分钟以内完成下载的情况。

分布在不同地点的同时在线人数较多的教学业务，一般可以支持100以上并发。

轻量化教学业务，对教学规模和运行效率的限制主要在于主机和网络的性能。

云VR型,网络：

对于桌面级虚拟仿真实验教学系统：

网络时延低于60毫秒，网络带宽不低于10M；对于头戴式虚拟仿真实验教学系统：

网络时延低于20毫秒，网络带宽不低于30M。

适合在云渲染环境部署的、使用终端包括桌面级PC、移动端及VR一体机等各类终端的虚拟仿真实验教学系统。

支持规模化部署、弹性伸缩，同时在线人数取决于云资源环境的建设。

研发工具,系统运行要求,首次运行等待时长：

最低要求不超过5分钟。

/推荐要求不宜超过60秒。

再次运行等待时长：

最低要求不超过90秒。

/推荐要求不宜超过20秒。

实验中单次推演过程等待时长：

最低要求不超过10秒。

/推荐要求不宜超过1秒。

人机交互响应速度：

最低要求不超过1秒。

/推荐要求不超过0.5秒。

并发数：

最低并发30。

/推荐并发100。

系统运行要求,并发访问排队提示：

系统能给出排队提示。

/推荐要求系统能给出排队提示及队列人数。

共享必备条件:

最低要求满足互联网访问，正常情况下，每半年中断服务次数不超过10次，每次中断时长不超过24小时。

/推荐要求：

满足互联网访问，正常情况下，每半年中断服务次数不超过5次，每次中断时长不超过24小时。

系统运行环境,中央处理器：

最低配置IntelCorei5-7400/推荐配置IntelCorei7-9700k图形处理器：

最低配置：

NVIDIAGeForceGTX960/AMDRadeonR9290。

/推荐配置VIDIAGeForceGTX1060/AMDRadeonRX480。

内存：

最低配置8GB。

/推荐配置16GB。

硬盘：

最低剩余空间10GB。

/推荐剩余空间40GB及以上。

显示设备：

最低配置分辨率1024*768。

/推荐配置：

分辨率1920*1080。

系统运行环境,客户端连接带宽：

最低配置20Mb/s。

/推荐配置50Mb/s。

服务器带宽：

最低配置1Gb/s（局域网）；100Mb/s（广域网）。

/推荐配置1Gb/s（局域网）；200Mb/s（广域网）。

浏览器：

IE、Chrome、Firefox,实验资源开发,资源包大小：

最低要求500MB以内。

/推荐要求100MB以内。

显示刷新率：

最低刷新率16帧/秒。

/推荐刷新率30帧/秒。

实验环境逼真度：

最低要求：

要求实验环境符合实际情况和公共常识。

/推荐要求实验环境在符合实际情况和公共常识的基础上，高度还原设计脚本所述的真实实验周边环境。

实验结果输出：

最低要求虚拟仿真实验产生的实验结果必须符合设计者的预期，结果必须能够正确无误的显示。

/推荐要求在保证实验结果正确的基础上，使用颜色、音效、文字等方法体现实验结果；对于实验过程出现的严重错误要给予明显的警告。

虚拟仿真实验教学管理,用户登录：

最低要求能够通过账号密码登录进行身份识别。

/推荐要求：

手机等移动端能够通过生物特征及账号密码进行身份识别。

实验结果的保存和恢复：

最低要求实验结果能够保存、恢复。

/实验结果能够保存到服务器，并可恢复。

在线指导：

最低要求系统支持教师在线指导。

/系统能够实时智能指导，有条件的可实现教师可在线指导。

实验报告：

系统提供在线实验报告编辑功能。

/系统能够自动生成实验报告中的关键数据，并提供在线实验报告编辑功能，以及上传、查看或下载实验报告功能。

虚拟仿真实验教学管理,实验评分：

最低要求系统支持教师在线人工评分，并能提供后续成绩单查询。

/推荐要求：

系统能够自动评分，同时支持教师在线人工评分，并能提供后续成绩单查询。

后台管理：

最低要求在线查看学生的仿真实验操作时间、结果、成绩，可以对成绩进行统计及分析。

/推荐要求：

在线维护虚拟仿真资源、实时查看学生在线学习、仿真操作的时间、过程、结果、成绩。

可根据教师、管理人员的不同权限，查询不同范围的统计及报表信息。

外部设备,-完-,