中心概况

中北大学前身是1941年八路军总司令部在太行抗日根据地创办的我党我军第一所兵工学校——太行工业学校，历经抗日战争和解放战争的战斗洗礼，几经变迁，饱经沧桑。1949年学校迁入现址，更名为华北兵工职业学校，1958年升格为太原机械学院。1993年更名为华北工学院，隶属于兵器工业总公司。 1999年该校成为由国防科工委与山西省人民政府共建，以地方管理为主的高校，2004年6月经教育部批准，学校更名为中北大学。拥有兵器科学与技术国家一级学科，武器系统与工程、武器发射工程、弹药工程与爆炸技术、探测制导与控制技术、装甲车辆工程、特种能源技术与工程、信息对抗技术七个军工专业，其中弹药工程与爆炸技术、特种能源技术是国家级特色专业、国家卓越工程师计划专业，具有地下目标毁伤技术国防重点学科实验室。

中北大学是一所以国防尖端科技为优势的工科大学，主要开展轻武器、火炮、弹药、引信、军用车辆、火炸药相关国防科技人才的培养，在本科教学过程中涉及大量兵器类实验项目，诸如火炸药的静爆实验等属于高危险性的实验项目；枪炮发射、内外弹道测试实验属于高成本、高危、实验场地也受限，很多无法在校内开展的实验项目；由于武器管制，大量新型武器未购入，无法满足部分真实实验教学需要。近十几年来，许多兵器类实验无法开展，严重影响了本科教学实验工作的开展，问题亟待解决。

随着教育信息化改革的推进，实验室各位教师在教学实践过程中，从1998年开始利用虚拟手段模拟仿真兵器作用原理、兵器虚拟拆装等方面的探索，研究室人员尝试将虚拟现实技术应用于教学实践，解决教学中的高危试验不便开展、试验成本高、大型试验设备有限的问题，良好的实践教学效果开始显现。在2003年就开始建立了计算机教学实验室，开展部分虚拟仿真实验，如兵器结构强度有限元仿真实验、兵器作用机理的仿真、计算机辅助设计等。

中心建设经历了三个阶段：

第一阶段：以真实实验为主、发展兵器虚拟仿真技术（1995-2005年）

在九十年代，学生人数少，学校有兵器陈列室、爆炸洞等实验场所，在本科实验教学中开展真实的枪械拆装、内外弹道、战斗部静爆、密闭爆发器等实验项目。1999年以后，全国本科生大规模扩招，导致实验台套数有限，实验成本增加，再加上武器限制，部分实验无法开展。因此，随着计算机技术发展， 1998年教师们开发了《枪械结构CAI课件》获教育部组织的全国课件大赛高校组三等奖、省级教学成果二等奖，2004年开发了“自动武器教学资源网”获山西省教委组织的课件大赛二等奖，利用三维动画技术展示了兵器的作用过程、结构原理，解决了火药燃烧，机构动作等语言无法描述清楚的问题。但一些作用机理类实验无法通过真实实验进行展示，建立了网络教学实验室开展兵器CAD、CAE方面的实验，重点利用数值模拟仿真技术开展兵器作用机理的实验，如用有限元模拟枪械结构强度、弹丸在空气中的飞行模态等，开发了枪械作用机理仿真拆装原理演示等课件，弥补了本科教学真实实验的不足，实现了虚实结合。

第二阶段：虚实并进、数值仿真为主、兼顾虚拟仿真设计（2006-2010年）

2006年，兵器专业相继成立了四个虚拟仿真实验室：王志军教授负责的高效毁伤弹箭技术实验室、曹红松教授负责的弹箭模拟仿真实验室、高跃飞教授负责的火炮动力学与控制实验室、姚养无教授负责的自动武器仿真技术实验室。基本涵盖了兵器各方面的仿真技术研究，2009年学院投入学科建设经费及科研经费，购买了部分高性能仿真计算机，ANSYS、LS-dyna 等相关仿真软件，结合科研合作开展了兵器相关作用机理方面的仿真，如转管武器的多刚体动力学仿真、弹药终点毁伤效应的仿真、弹箭飞行空气动力学等各类仿真，在仿真技术方面取得了较大的进展，同时将科研成果应用于教学，逐步开展本科的自动武器动力学仿真、火炮机构动力学仿真、弹药穿甲效应仿真等10余门实验课程，每年受益学生达3000余人。

2010年5月正式成立兵器工程虚拟仿真实验教学中心，主要实验教师有曹红松、李强、高跃飞、张亚等12位教师。投入150余万元，建立了虚拟仿真教学实验室，购置了80余台高性能微机及Autodyn, Solidworks, VC++，Matlab等虚拟仿真类软件。

在这个阶段，中心教师取得了较大的成绩，2008年获山西省精品课程一门，《火炮自动武器与弹药工程专业教学资源网》获“第八届全国多媒体课件大赛”中荣获高教理科组三等奖，并获校级教学成果二等奖，《兵器概论》课程获校级教学成果一等奖。

第三阶段：以虚拟仿真为主、注重虚实结合（2011-2014年）

2013年，中心被评为山西省虚拟仿真实验教学中心后，学校投入300万对中心进行了重点建设（目前已完成300万元经费的使用）,成立了兵器创新设计与验证实验室、扩建了虚拟现实视景仿真实验室，新增仪器设备254台（套）、主要购置了环幕立体显示与交互系统、数据手套、音响、功放、工作站、发射器、网络交换机、立体眼镜、高性能计算工作站，以沉浸式显示和实时交互为主要功能的虚拟现实实验教学环境，同时大量购买了二维姿态模拟转台、卫星信号模拟器、兵器发射的力学环境模拟器、冲击过载模拟实验机、高速离心环境模拟实验系统、高低温拉力实验机、兵器振动模拟实验台、转管武器动力学模拟实验系统、火炮及车载武器的振动与噪声实验系统、自动机运动模拟实验系统、发射过程的热成像模拟实验系统等半实物仿真实验设备，开展虚实结合半实物仿真实验，解决校内无法开展的大型高危高成本实验问题。开发了虚拟仿真实验系统28套（10套自研）、拥有自主知识产权的软件有10套，《兵器概论》第三届兵工高校优秀教材二等奖，支持机电工程学院7个本科专业的兵器虚拟拆装、作用机理的
数值模拟及兵器作战效果的综合设计性实验项目62项等，为兵器专业学生的课程实验提供了优质的共享教学资源。

中心多年来注重与科研院所、企业的合作，与学校有产学研合作的企业有十余家，与企业合作的项目为企业的科研既解决了科研难题，合作产生的科研成果极大地丰富了教学资源，将其转化为教学课件后，学生进行相关仿真技术、虚拟兵器设计、虚拟兵器测试均可以真实体会企业所需先进技术，解决实际的问题，拓展学生的思路，锻炼学生的动手能力及创新能力。

兵器虚拟仿真实验室经过多年的建设，目前拥有兵器CAD/CAE教学实验室、视景仿真实验室、创新设计与验证实验室、弹箭半实物仿真实验室、引信环境模拟实验室、自动武器动力学模拟实验室，建设了大型三维显示环幕系统、弹箭运动姿态模拟、转管自动机动力学模拟等半实物仿真仪器设备100余台套，实验室面积1200平方米，价值4500万余元，ANSYS、LS-dyna、AutoDyn、Fluent等各类商用仿真软件10余套、自主开发枪械虚拟拆装演示课件、火炮虚拟样机设计、破甲弹设计等实验教学课件100余套，教学网站4个，该中心的基础条件，满足开展兵器虚拟仿真实验教学的要求。

中心借助兵器学科特有的技术优势和良好的产学研合作平台，规划了虚拟演示类、作用机理仿真类、兵器设计类、兵器测试类等四类实验教学资源，搭建了兵器虚拟原理演示、兵器作用机理仿真、兵器半实物仿真、兵器创新设计四个实验平台，提供了一个虚实结合的兵器虚拟观摩、拆装练习、兵器作用过程中各类虚拟仿真、半实物仿真与验证、先进虚拟样机设计的学习平台，主要承担教学计划内的兵器概论、自动武器动力学、火炮设计、弹药设计、弹丸终点效应、兵器测试等30门课程的实验，62个实验教学项目的任务，涵盖了本科生专业基础课、综合类、研究类、专业设计类课程的全部内容，形成了完整的体系。目前授课对象主要是兵器类7个专业的本科学生，每学年受益学生达3000人次,加上大一新生的军事理论课程，每学年受益学生达9000人。初步形成了兵器基础综合类实验虚实结合、兵器作用机理类实验纯虚拟仿真方式、兵器创新性设计实验采用虚拟设计、兵器测试类实验虚实结合的虚拟仿真实验教学的特色和优势。

在虚拟仿真实验教学队伍建设方面，主要组织培养专业教师开发兵器专业教学资源，协助教授将科研成果转化为教学课件，培训专业实验人员掌握相关知识，同时组织专业教师指导复杂的仿真实验。从事虚拟仿真实验教学的教师，由最早的12人发展到目前的33余人，有专职人员28人，兼职人员5人，其中副高以上19人，有博士学位的20人。特别是曹红松、王志军、李强、高跃飞等教授在虚拟仿真实验教学方面，做出了突出贡献，获得省教改成果1等奖1项，二等奖3项，省精品课程1项，全国多媒体课件大赛三等奖4项，省科技进步二等奖2项，国防科技进步三等奖1项，软件著作权登记10项。

为了促进虚拟仿真实验教学的应用和更高层次的发展，2014年学校投入建设经费300万元，并保证今后建设经费将不低于500万元。中心将逐步在实验教学中，因地制宜使用虚拟仿真技术开展教学，本着能实不虚、虚实结合、优化资源和深化校企合作的原则，开展一系列实验教学改革和实践，研发更多优质计算机及应用虚拟仿真实验教学资源，拓宽虚拟仿真实验教学的应用领域与共享范围，力争建设成“实验教学—系统研发—社会服务”为一体的虚拟仿真实验教学中心。