礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心“四位一體”建設模式的探索與實踐

鐘 宏，韓響玲，劉有才，陳國輝，張居華，尹 翔

（中南大學 化學化工學院，湖南 長沙 410083）

虛擬仿真實驗教學是國家教育信息化戰略的重要實踐內容［1－5］，也是中南大學在新時期探索與創新實驗教學的重要組成部分。礦冶材料類專業作為中南大學傳統優勢工學學科，實踐性是其人才培養的顯著特點，對學生的實驗技能具有較高的要求，但是在實際的本科實驗教學過程中，由于受實驗條件、安全等方面的因素制約，礦冶工程化學過程中一些環節的實驗無法在實驗室開展，因此，開展礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學的探索具有重要的意義。

1 礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心建設目標

礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心（下稱中心）以全面提高礦冶工程化學類學生創新精神和實踐能力為宗旨，立足學科特點，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象［6］；建立以教學隊伍為核心的可持續發展的保障體系；探索校內、行業、國際優質實驗教學資源的“三級”共享機制，從而強化化學化工基礎實驗教學與工業過程化學的教學效果，加強學生對實際的復雜體系中的化學反應規律以及工業化學過程的學習，培養出具有鮮明的行業特色、能夠解決實際問題能力的拔尖創新人才。

2 礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心建設思路

中心按照“科學規劃、突出特色、虛實結合、開放共享、提高效益、持續發展”的建設原則，構建“四位一體”礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心。所謂“四位一體”是指以強化礦冶工程化學類學生的實驗技能為主體，以虛擬仿真實驗教學資源的開發體系、虛擬仿真實驗平臺的共享體系、管理運行體系以及保障體系4個維度為著力點，深入探索虛擬仿真實驗教學培養礦冶工程化學類拔尖創新人才的建設思路，見圖1。

圖1 “四位一體”礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心建設思路

3 “四位一體”礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心的構建

“四位一體”虛擬仿真實驗教學中心的建設是根據教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的內涵與要求，結合中南大學礦冶工程化學類人才培養的實際情況，在新時期對虛擬仿真實驗教學的有益探索。

3.1 虛擬仿真實驗教學資源開發體系的建設

中心現建設有3個虛擬仿真實驗教學平臺，包括17個虛擬仿真實驗，基本構建了從基礎化學到專業化學的實驗教學資源體系。中南大學虛擬仿真實驗教學資源的開發呈現出以下幾個特點：

（1）“層次化、模塊化”的開發模式。現代礦冶工程化學類人才培養，要求學生具有寬厚的化學理論基礎與較強的專業實踐能力，因此，中心對虛擬仿真實驗教學資源的開發按照知識分類的特點，遵循“層次化、模塊化”的思路。

中南大學礦冶材料類專業人才的化學化工本科實驗教學主要涉及3個層次：工科基礎化學實驗教學課程和工程化學專業實驗課程，后者根據化學工業過程的特點，又分為溶液體系和高溫體系兩大類。因此，中心按照“層次化、模塊化”的原則，建設了3個虛擬仿真實驗教學平臺：以儀器分析和化工原理實驗構筑工科基礎化學虛擬仿真實驗平臺；以復雜溶液浸出體系為對象構筑礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實驗平臺；以高溫冶金過程為對象構筑高溫冶金與節能虛擬仿真實驗平臺，見圖2。

圖2 礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學資源的層次化、模塊化開發

工科基礎化學虛擬仿真實驗平臺對涉及礦冶領域的化學基本反應按照“多尺度復雜化學系統模型”思想構筑模型，重點仿真基元化學反應、分子設計、化學反應的熱力學效應和反應動力學的影響因素，并對經典化工過程模擬進行優化，重點虛擬仿真礦業、冶金過程的基本化工原理實驗。礦物分離與濕法冶金虛擬仿真實驗平臺就不同礦冶過程的化學浸出進行虛擬仿真實驗設計，通過實驗室小試與虛擬仿真結合的建設模式來開展實驗教學。高溫冶金與節能虛擬仿真實驗平臺主要針對經典的冶金過程涉及的高溫環境的化學化工過程，甚至一些極端的真空高溫過程進行虛擬仿真實驗設計，不僅可以滿足教學和人才培養的需要，還能為探索極端條件下的冶金、材料研究提供新方法。

（2）“科教結合”的開發模式。傳統理論課和實驗課教學相對于社會人才需求的新要求有一定的滯后性，而礦冶材料類工科專業由于學科特點往往需要學生有最新的技術和工程知識，因此，中心一直鼓勵和吸引科研一線教師將其成果引入教學內容。“電解鋁生產過程仿真實驗”就是將獲得國家科技進步一等獎的項目——“鋁資源高效利用與高性能鋁材制備的理論與技術”的成果轉化為虛擬仿真教學實驗。

（3）“校企合作”的開發模式。中心教師在專業層面具有扎實的基礎，而在信息化方面往往欠缺較大。廠礦企業在技術和管理層面往往具有其鮮明特點。礦冶材料專業人才培養是一個復雜的系統工程。虛擬仿真實驗教學要達到教學效果，僅僅靠學校方面的努力往往效果有限。中心為加強項目建設的效果，聯合了長沙迪邁數碼科技股份有限公司、北京東方仿真軟件技術有限公司進行信息技術合作。中心還聯合中國長城鋁業公司、北京礦冶研究總院等6家合作單位，產學研研發氧化鋁生產工藝設計開發“選礦－拜耳法”虛擬仿真實驗項目。

3.2 虛擬仿真實驗教學平臺“三級”共享體系的建設

虛擬仿真實驗教學的核心精神在于共享［7－11］。中心分3步實現化學虛擬仿真實驗資源共享。首先是加強中南大學礦冶材料類學科群的資源共享，形成校內共享平臺；其次是與湖南省有關高校和有色金屬企業，科研單位共同構筑，形成省內校企合作共享平臺；第三是與國內外同行業高校合作與交流，形成具有礦冶材料特色教育的化學虛擬仿真共享網絡。

（1）校內資源共享平臺。中心以國家級化學實驗教學示范中心為主要依托建設單位，聯合資源加工與生物工程學院、冶金與環境學院、資源與安全工程學院、材料科學與工程學院、粉末冶金研究院、能源科學與工程學院、信息與網絡中心等共同建設礦冶材料類化學虛擬仿真實驗教學資源，形成了校內共享平臺，以化學化工學科為基礎，模擬化學、化工、礦冶、材料、資源、能源、環境及醫學等領域真實實驗難以完成或者高危險、高溫度、高壓力、昂貴儀器設備等進行虛擬仿真模擬平臺建設，面向全校28個本科專業開放，年開出實驗項目近7.2萬人時。

（2）湖南省內資源共享平臺。湖南省內有不少從事有色金屬領域教學和研究的院校和研究所，更有眾多廠礦企業。中心虛擬仿真實驗教學實現了省內資源共享，通過網絡，省內合作機構可以運用中心資源實現培訓教學等，如我校與某礦山企業聯合開發的礦業過程仿真系統實驗，實現了礦山生產系統的三維仿真，不但服務于教學，而且為采礦生產提供先進的試驗手段，廣泛應用于方案論證、設計和生產管理等各階段，并且可以為礦山安全評價、人員培訓提供高效的工具。

（3）國內資源共享平臺。中南大學作為有色金屬學科最全的高校，與全國有色金屬行業的高校和各類企業和科研院有廣泛深入的聯系，如中國礦業大學、北京科技大學、東北大學和有關企業的研究所等，為其使用我中心創建的虛擬仿真實驗資源共享平臺提供便利，共同促進行業發展。

3.3 虛擬仿真實驗教學平臺管理運行體系的建設

礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心是在國家級化學實驗教學示范中心的基礎上逐步建立起來的，中心的管理運行體系借鑒了國家化學實驗教學示范中心的成功經驗，并綜合考慮了虛擬實驗教學與管理的特點。

（1）堅持規范管理。中心實行主任負責制，主任由學校任免。中心人員實行公開招聘、競爭上崗、定期考核的管理體制。中心在承擔學校本科虛擬仿真實驗教學工作的同時，積極開展實驗教學課程體系、內容、理論和技術方法、手段的研究。中心向校內外開放，負責人員培訓，建立資源共享平臺和運行機制。中心實行計算機網絡化管理，并貫徹《高等學校實驗室工作規程》、《高等學校儀器設備管理辦法》等相關文件規定。

（2）堅持以人為本。中心制定了實驗室師資隊伍建設規劃，出臺了師資選拔、培養、引進與使用的辦法，包括“實驗室師資選拔標準”、“高層次實驗技術人才引進工作實施方案”等文件。同時，將教師隊伍與實驗技術隊伍的建設相結合，造就了一支觀念新、素質高、流動競爭的實驗教學隊伍。此外，注重人才激勵，出臺了“教學成果獎勵實施辦法”、“實驗室先進工作者評選辦法”和“實驗技術成果獎評選辦法”等文件，對教學工作和實驗教學工作給予鼓勵和傾斜。

（3）堅持開放服務。除完成計劃內的教學任務之外，中心面向全校化學類的本科生創新實驗項目和研究生的科研開放服務，在校內、省內和國內3個層次實行開放共享服務。在運行中，針對儀器設備特別是大型儀器的資源共享與開放給管理和維護帶來的不便，實驗中心改“守業”為“創業”，對大型儀器變“被動維護”為“主動服務”，通過開展宣傳、定期培訓、資質認定、預約登記、制度保障等措施，確保提供優質高效的開放服務。

（4）堅持“四個統一”。在運行管理過程中，加強以下的管理：①實驗人員統一管理。實驗中心統一負責中心人員的培訓、工作分配、考核評優，并與有關部門協調兼職教師的工作安排，從而構成一支理論教學與實驗教學互通的開放式的實驗教師隊伍。②實驗教學統一安排。實驗中心統一組織實驗大綱的制定和實驗新項目的開發，統一設計、實施實驗教學。③實驗場地統一使用。實驗中心對所屬的所有實驗間具有使用權和調配權，可根據實際情況，適時調整。④實驗儀器設備統一購置。通過統一規劃，保證經費的投入用于實驗教學，保證資源的合理配置和利用。

3.4 虛擬仿真實驗教學平臺保障體系的建設

（1）制度保障先行。中心制定了“礦冶工程化學虛擬實驗教學中心網絡化管理規定”、“礦冶工程化學虛擬實驗教學中心校企合作指導意見”、“礦冶工程化學虛擬實驗教學中心主任崗位職責”等21項管理規章制度，覆蓋了規劃發展、隊伍建設、人才培養、運行管理、開放共享等各個方面的內容，形成了較完備的管理制度體系。

（2）隊伍保障立本。中心實行主任負責制，實驗教學隊伍中教授28人，其中博士生導師14人；副教授（含高工）16人，講師（中級）9人；有40人獲得博士學位，3人為海外引進人才；平均年齡44歲，形成了一支業務能力強、教學和學術水平高、愛崗敬業的年富力強的優秀教學團隊。在建設的隊伍中，有青年教師，尤其是既懂化學化工專業知識、又懂網絡技術和虛擬仿真技術開發的40歲以下青年教師10余位，為中心的建設和發展奠定了堅實的基礎。

（3）條件保障行道。首先在經費上，中南大學高度重視虛擬仿真實驗教學中心的建設，每年投入230余萬元于實驗室和實驗項目建設，運行經費的投入制度化、經費的使用程序化，確保了運行經費的及時足額到位與合理使用，使化學實驗教學及開放管理各環節均能得到有效的保障。其次在硬件環境上，虛擬仿真實驗室配備實驗用房500m2，實行24小時的安全監控措施，保障虛擬仿真實驗全方位的開放。中心配備有高性能主機服務器、大型存儲設備等，保證虛擬仿真實驗的網絡應用。校園網絡全面覆蓋了學校的教學、科研、管理與建筑，比例達100%。

4 “四位一體”礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心的建設效果

（1）提高了礦冶材料類人才培養的水平。中心通過3D設計虛擬實驗過程，學生通過虛擬操作，實現對高溫過程的學習了解，進而掌握高溫過程有色金屬冶煉和材料制備的相關原理和技術，配合實際教學過程，人才培養效果顯著。自2007年以來，中心學生參加全國化工設計大賽，近4年連續取得了一等獎；化工類競賽獲全國獎25項；獲省部獎學生總人數達到800余人。

（2）促進復合型新型教師隊伍的建設。虛擬仿真實驗教學中心建設培養了一批既懂化學化工專業知識，又懂現代網絡信息技術的教師。這些教師具備了傳統化學化工教師所不具備的新的技能，促進了信息科學在化學中的應用，該項目獲得湖南省現代教育技術教學競賽一等獎等榮譽。

（3）建設了適應礦冶材料類人才培養要求的虛擬仿真實驗課程體系。中心根據學科特點，形成了虛擬實驗與實驗室實驗良性互補的實驗課程體系，培養了學生處理復雜和特殊條件下化學化工問題的能力。

5 結束語

教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》第20章中，提出了“優質數字教育資源建設與共享行動”的規劃，要求“整合師生需要的生成性資源，建成與各學科門類相配套、動態更新的數字教育資源體系”［12］。中南大學礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心從教學資源的開發、開放共享機制、管理運行機制以及保障體系的建設4個維度，探索了虛擬仿真實驗教學中心的建設、運營途徑，在人才培養、隊伍建設、機制建立等方面都取得了良好的效果，具有一定的示范作用以及現實指導意義。

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［1］廖輝.仿真軟件在電工學中輔助教學探討［J］.實驗技術與管理，2013，31（4）：102－105.

［2］陳萍，周會超，周虛.構建虛擬仿真實驗平臺，探索創新人才培養模式［J］.實驗技術與管理，2011，28（3）：277－280.

［3］王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議［J］.實驗室研究與探索，2013，32（12）：5－8.

［4］李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，提高高校實驗教學信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：5－8.

［5］張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究［J］.實驗技術與管理，2013，30（12）：101－104.

［6］中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知［Z］.2013.

［7］許秀云，張玉梁.依托現代信息技術提高實驗教學質量［J］.實驗室研究與探索，2011，30（5）：130－132.

［8］鄧小玲.化學仿真實驗探究活動中學生學習遷移的研究［D］.成都：四川師范大學，2012.

［9］蒲丹，周舟，任安杰.多層次綜合性虛擬仿真實驗教學中心建設經驗初探［J］.實驗技術與管理，2014，31（3）：5－8.

［10］蔡丁友.優課虛擬仿真實驗室在化學實驗教學中的應用［J］.教育信息技術，2013（6）：13－15.

［11］周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用［J］.上海師范大學學報，2008（5）：56－59.

［12］教育部.教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）［EB／OL］.http：／／www.edu.cn／html／info／10plan／ghfb.shtml.