高校虛擬仿真實驗室建設(shè)總結(jié)

摘要：虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)、高校實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革的重要內(nèi)容。以南華大學(xué)為例，介紹了虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)中的典型應(yīng)用，指出了該類實驗的優(yōu)越性，以期進一步推動高校實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實驗教學(xué)；實驗室

中圖分類號：G482#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）18-0080-02

虛擬實驗室，即以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，建立虛擬仿真實驗技術(shù)、真實模擬大型實驗設(shè)備和實驗場景，使學(xué)生通過人機交互的方式在模擬的實驗設(shè)備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中完成各種預(yù)定實驗項目的目的，它是虛擬仿真技術(shù)、計算機技術(shù)和專業(yè)理論知識多方面結(jié)合的結(jié)晶。[1]虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的目的是實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練以及現(xiàn)有實驗實訓(xùn)條件不足或?qū)W生自主開展實驗與創(chuàng)新訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，達到教學(xué)互動、資源共享、不受時空限制、全天候的信息化實驗的教學(xué)目的。

一、建設(shè)的必要性與可行性

南華大學(xué)是一所地方綜合類高校，已建成了很多虛擬實驗教學(xué)平臺，如核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗中心、機能學(xué)虛擬仿真實驗室、有機化學(xué)仿真實驗室等。以核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗中心為例，南華大學(xué)是一所覆蓋核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈核學(xué)科專業(yè)的高校，在“核科學(xué)與技術(shù)”“鈾礦開采”和“安全工程”等學(xué)科領(lǐng)域具有鮮明特色與優(yōu)勢，學(xué)校連續(xù)被中國核工業(yè)集團公司授予“為核工業(yè)培養(yǎng)和輸送人才突出貢獻獎”。學(xué)校擁有核工程類國家級“核工程實驗教學(xué)中心”和湖南省“核工程與核技術(shù)實踐教學(xué)示范中心”，可以保障全校核類學(xué)科專業(yè)的教學(xué)科研基本需求。同時在“核工程實驗教學(xué)中心”下設(shè)有“核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。中心擁有大型存儲設(shè)備，能夠保障網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，校園網(wǎng)100%覆蓋學(xué)校教學(xué)、科研、管理部門所在的建筑物，校園門戶網(wǎng)站對校內(nèi)外公布虛擬仿真實驗教學(xué)信息，提供虛擬仿真實驗教學(xué)平臺鏈接等相關(guān)服務(wù)，已開設(shè)基于Internet的互動性和演示性虛擬仿真實驗，基于校園局域網(wǎng)的互動性、設(shè)計性核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗課程10余門，涉及實驗項目62項。

目前，南華大學(xué)的“核工程國家級實驗教學(xué)示范中心”面向全校核物理、核工程與核技術(shù)、核技術(shù)、輻射防護與環(huán)境工程、核反應(yīng)堆工程、核化工與核燃料工程、放射醫(yī)學(xué)、鈾礦采冶工程等相關(guān)學(xué)科專業(yè)，每學(xué)年開設(shè)必修或選修核能與核技術(shù)工程實驗課程達112000人時數(shù)/年，且逐年增加。

核能與核技術(shù)工程專業(yè)實驗具有特殊性，一些實驗需要在加速器、反應(yīng)堆和大型輻照裝置上才能開設(shè)，而目前只有中國原子能科學(xué)研究院、中國核動力研究設(shè)計院、輻照中心等單位才具有這些實驗裝置。僅僅依靠這些單位完成較大規(guī)模的核類人才培養(yǎng)實驗教學(xué)任務(wù)是不現(xiàn)實、不可能的。

核物理基礎(chǔ)實驗、輻射屏蔽實驗、放射化學(xué)實驗、鈾資源提取實驗和磁約束等離子體物理實驗等專業(yè)實驗，涉及高危、高成本、高消耗或極端環(huán)境，具有不可及或不可逆的操作特點，依靠通常意義上的“物理實驗教學(xué)空間”無法開展；或是由于實驗設(shè)備價格昂貴、臺套數(shù)不足，影響了實驗教學(xué)效果。

針對上述問題，學(xué)校在進一步加強現(xiàn)有實驗室建設(shè)的基礎(chǔ)上，已開展建設(shè)“核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。

二、管理運行

1.管理體制

學(xué)校虛擬仿真實驗室實行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、分級與歸口管理的體制。學(xué)校由一名校長分管全校實驗室工作，教務(wù)處是南華大學(xué)主管實驗室工作的機構(gòu)。實驗室實行主任負責(zé)制，實驗室主任負責(zé)實驗室的全面工作。

2.保障制度

為保證虛擬仿真實驗室規(guī)范、有序運行，學(xué)校制定了系列管理規(guī)章制度。現(xiàn)有的規(guī)章制度涵蓋實驗教學(xué)管理、實驗室使用管理、儀器設(shè)備管理、實驗室安全管理、中心實驗室考核管理等方面。這些制度體現(xiàn)了以學(xué)生為本的宗旨，既嚴格規(guī)范，又充滿人文關(guān)懷，營造了有序、有效、寬松、愉悅的制度氛圍。

3.教師的考核管理

《南華大學(xué)實驗室工作人員崗位職責(zé)》和《南華大學(xué)實驗室工作人員考核辦法》對實驗教學(xué)人員的職責(zé)與考評作出了明確規(guī)定：教學(xué)一線的教師和實驗技術(shù)人員與其他職稱系列的人員相比，同級的崗位津貼每年要高2000～3000元。在職稱評聘、進修學(xué)習(xí)與出國深造人員選派等方面，都注意向一線的教師和實驗技術(shù)人員傾斜。中心嚴格執(zhí)行，并結(jié)合實際，認真抓好德、能、勤、績?nèi)婵己耍己私Y(jié)果與崗位津貼、職稱評定、評選評優(yōu)掛鉤。一是德：主要看實驗教師和技術(shù)人員的政治思想表現(xiàn)、道德品質(zhì)和工作態(tài)度，考核其是否熱愛本職工作，努力鉆研業(yè)務(wù)，服從組織安排，遵紀守法，顧全大局和團結(jié)協(xié)作精神。二是能：主要看實驗技術(shù)水平、管理水平、獨立工作能力和創(chuàng)新精神。三是勤：主要看是否認真執(zhí)行上下班制度，并接受檢查和監(jiān)督，要求每位實驗教師和實驗技術(shù)人員每天進行考勤登記，出勤率與個人的崗位津貼掛鉤。四是績：主要看教師完成實驗教學(xué)工作量（包括理論課與實驗課教學(xué)、指導(dǎo)本科生或研究生畢業(yè)設(shè)計或畢業(yè)論文）、參與實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新及完成科研、論文、成果情況。

4.實驗教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

學(xué)校針對實驗教學(xué)建立了比較完善的教學(xué)質(zhì)量保證體系，監(jiān)控機構(gòu)健全、制度科學(xué)、運行有效。實行院、校兩級督導(dǎo)，由具有豐富教學(xué)經(jīng)驗的專家教授組成，主要對中心教學(xué)各環(huán)節(jié)進行教學(xué)檢查，對教師和技術(shù)人員的教學(xué)活動開展全面系統(tǒng)的督查，對教師教學(xué)效果和技術(shù)人員實驗準備情況進行評議，對實驗室建設(shè)和實驗教學(xué)改革方案提出建議。

5.運行維護

學(xué)校制定了完備的儀器設(shè)備管理制度，涵蓋儀器設(shè)備申請采購管理、貴重儀器設(shè)備管理、儀器設(shè)備損壞丟失賠償管理、儀器設(shè)備維修管理、儀器設(shè)備報廢管理等方面。國有資產(chǎn)管理處負責(zé)全校儀器設(shè)備的采購、入賬、維修、報廢等組織工作，設(shè)備從申請、購置到安裝、驗收各環(huán)節(jié)程序完整。實驗室儀器設(shè)備總帳由實驗室主任指定專人管理，定期進行檢查核對，確保儀器設(shè)備的帳、卡、物相符，帳、物相符率達到100%。

三、虛擬仿真實驗的教學(xué)效果

1.緩解了實驗室的條件限制

隨著高校的擴招，學(xué)生人數(shù)增加與實驗室條件不足的矛盾日益突出，特別是部分專業(yè)的實驗多數(shù)具有實驗儀器成本高、實驗涉及放射性、實驗環(huán)境要求嚴格、部分實驗不可及或不可逆等特點，因此常規(guī)實驗教學(xué)容易受實驗設(shè)備、實驗空間、實驗時間、實驗內(nèi)容的限制。通過充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)的優(yōu)勢，真實模擬大型實驗設(shè)備和實驗場景，使學(xué)生通過人機交互的方式在模擬的實驗設(shè)備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)各種預(yù)定實驗項目的目的，提供與實際操作相類似的實踐體驗，從而彌補現(xiàn)實條件下無法開展的實驗教學(xué)工作，達到教學(xué)互動、資源共享、不受時空限制、全天候的信息化實驗的教學(xué)目的。[2]通過虛擬仿真實驗教學(xué)，可以部分彌補在開展學(xué)生實踐教學(xué)過程中普遍存在的學(xué)生人數(shù)偏多、實驗經(jīng)費偏少、實踐深度不夠、范圍狹窄等問題，另外可以大幅提高實踐教學(xué)經(jīng)費的使用效率，節(jié)約實踐教學(xué)經(jīng)費。

2.有效地提升了實驗室的開放程度

虛擬仿真實驗教學(xué)除了對計算機和服務(wù)器資源要求較高外，對硬件設(shè)備的要求相對較低，因此便于提高實驗室的開放程度和開展全天候虛擬仿真實驗教學(xué)。

（1）對實驗教學(xué)實行多層次、多目的的開放運行機制。實驗室面向全校所有的本科生、碩士、博士、教師開放，既服務(wù)實驗教學(xué)計劃項目，又服務(wù)師生自主設(shè)計的創(chuàng)新性實驗項目。

（2）實驗內(nèi)容開放。充分滿足必做項目需求，同時提供選做實驗項目以供學(xué)生自主選擇，支持學(xué)生利用課余時間來實驗室完成必做或選做實驗項目，實驗室配備所需實驗材料。

（3）創(chuàng)新性實驗和課外科技活動開放。實驗室在完成全校各專業(yè)、各層次的實驗教學(xué)任務(wù)的同時，還為課外科技活動小組、參加各級學(xué)科競賽的學(xué)生提供實驗條件和環(huán)境，支持學(xué)生利用假期或課余時間，在開放實驗室進行項目研究和開發(fā)。

（4）畢業(yè)設(shè)計開放。針對學(xué)生完成畢業(yè)論文時間長（一個學(xué)期）、開放任務(wù)重的特點，實驗室采取多種開放措施：一是設(shè)置專門的開放實驗室實行全天候開放，包括星期六、星期天和晚上；二是其他實驗室在完成各自實驗教學(xué)任務(wù)后，其空余時間為畢業(yè)設(shè)計學(xué)生開放；三是大型精密儀器采取預(yù)約開放。

（5）教師科研開放：實驗室在確保本科教學(xué)的前提下統(tǒng)一協(xié)調(diào)、安排實驗場地和實驗設(shè)備，對教師的科研項目開放。

3.增強了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

學(xué)生利用虛擬仿真實驗教學(xué)資源參與教師的科研項目，并以畢業(yè)設(shè)計（論文）的方式承擔(dān)了相關(guān)課題中的理論計算、軟件仿真、模擬計算等任務(wù)。通過這些課題的訓(xùn)練，增強了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，收到了良好的實踐教學(xué)效果。

4.教學(xué)、科研相輔相成，科教相長

以南華大學(xué)核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗中心為例，中心依托學(xué)校在核能與核技術(shù)工程方面已有的先進科研實驗設(shè)備和豐富的虛擬仿真實驗教學(xué)軟件，實現(xiàn)二者有機結(jié)合。一方面將MCNP、NJOY、CITATION、SCALE、DRAGON等核能與核技術(shù)工程方面的專業(yè)軟件用于教學(xué)，讓學(xué)生掌握最為實用的科研程序；另一方面在實驗教學(xué)中，又自主開發(fā)了基于三角剖分的二維特征線程序TSMOC、可求解次臨界系統(tǒng)高次Alpha本征函值HARMONY程序、可用于百萬居里級大型鈷源輻照裝置快速優(yōu)化排源程序SPA等軟件系統(tǒng)。實現(xiàn)了教學(xué)科研相輔相成，達到了科教相長的有益互補。

5.多學(xué)科交叉，受益面廣

虛擬仿真實驗室具有多學(xué)科交叉的特點，同時也是一個可以進行虛擬現(xiàn)實人才實訓(xùn)培養(yǎng)與相關(guān)專業(yè)課題研究的綜合性實踐基地。[3]在為本科生提供教學(xué)資源的同時，實驗室所提供的大量科研仿真軟件資源，可為碩士、博士研究生的學(xué)歷教育提供充分的科研條件，發(fā)揮他們的創(chuàng)新意識和分析問題、解決問題的能力。另外，借助該教學(xué)實驗室可以開展聯(lián)合辦學(xué)、發(fā)揮潛藏價值、整合資源優(yōu)勢，具體包括學(xué)生培訓(xùn)與實踐、培訓(xùn)課程安排、培養(yǎng)目標與就業(yè)、項目合作，大大提高了教育的受益面。

四、結(jié)束語

虛擬實驗室作為高校實驗教學(xué)的一個發(fā)展方向，具備傳統(tǒng)實驗室所沒有的優(yōu)勢：建設(shè)維護成本低，平臺擴展性好，利用效率高。但它并不能完全取代傳統(tǒng)實驗室，只能作為傳統(tǒng)實驗室的補充。在實驗室建設(shè)工程中，只有做到“虛”“實”結(jié)合，相輔相成，能實不虛，才能為實驗室的建設(shè)帶來更大的效益。

參考文獻：

[1]田杰，張民.探究網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2011，31(4):262-270.

[2]周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，22(5):106-109.

[3]黃劍玲，鄒輝.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學(xué)系統(tǒng)及其特點[J].中國電化教育，2009，(4):108-111.

（責(zé)任編輯：孫晴）