高校實驗教學中心可持續發展探索

田華 姜萍 孫榮霞 馬蕾 張雷

摘要：高校實驗教學中心的可持續發展對深化本科教學、提升教學質量、推動創新人才培養具有重要的推動作用。本文結合具體實踐內容，重點探討了虛擬仿真實驗教學和項目驅動的實驗室開放在實驗中心可持續發展中的建設思路、措施和效果。

關鍵詞：實驗教學中心；虛擬仿真實驗；實驗室開放；可持續發展

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）16-0044-02

實驗教學是本科教學工作的重要組成部分，是培養學生實踐能力的重要一環。高校實驗教學中心的發展建設涉及政策、經費、教學體系、人員隊伍和規章制度等諸多方面，關系錯綜復雜，能否完善實驗教學資源、提升實驗手段進而提升學生的實踐創新能力，成為實驗中心持續發展需要解決的根本問題，也是衡量實驗教學改革是否可行的標準。本文結合實際工作，從以下兩個方面探討了在實驗教學中心發展中所做的嘗試及取得的效果。

一、虛擬仿真實驗教學對實驗中心建設的補充及推動作用

虛擬仿真實驗是利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度逼真、信息開放的虛擬仿真實驗環境和實驗對象，使學生在虛擬環境中開展真實實驗難以完成的實驗項目。虛擬仿真實驗不是傳統實物實驗的虛擬化和重復，而是其有益的補充。下面介紹我院虛擬仿真實驗教學的建設思路。

1.起步階段——整合資源。針對一些真實實驗存在的成本高、不可逆、大型實踐操作無法實現等問題，我院在2004年獲批的河北省“電子實驗教學示范中心”基礎上，依托電子信息工程學院和臨床醫學院，以3個一級學科碩士點、3個專業學位碩士點以及教育部引智創新基地、醫工交叉省重點實驗室為支撐，以本科教學為著眼點，整合現有本科虛擬仿真教學資源，并通過發掘科研項目和科研成果為實驗教學服務，利用現代信息技術，建設了醫工交叉、現代通信網、集成電路設計、自動化、專業基礎5個虛擬仿真實驗平臺，2013年首批獲得河北省“電氣信息虛擬仿真實驗教學中心”。中心虛擬仿真實驗資源架構如圖1所示。

經過持續建設，中心初步構建起包括實驗、實訓、實習以及畢業設計與創新實踐活動相結合的多層次、模塊化、全過程的虛擬實驗教學體系，提升了實驗手段，豐富了實驗內容，提高了學生的專業理論水平，增強了學生的科技創新能力。

2.提升階段——挖掘特色。河北大學位于“中國電谷”——河北省保定市，近幾年隨著光伏技術和電力電子技術的迅猛發展，保定市形成了以光伏發電為特色的高新技術產業集群優勢，聚集了一批在國內外有重要影響的企業和研究機構。河北大學充分利用京津冀地區光伏產業龍頭聚集優勢，與英利集團、天威集團和巨力集團等光伏骨干企業單位建立了長期人才培養及科研開發合作關系。針對本科實驗教學中，光伏技術相關實驗存在高耗能、高污染、微觀機理過程無法展示、與企業結合的大型綜合工程實訓難以開展等難題，學校依托英利集團“國家能源光伏技術重點實驗室”、“光伏材料與技術國家重點實驗室”，利用“中西部綜合實力提升計劃”等經費，對中心建設給予持續支持，將校內教學資源與光伏技術人才需求緊密結合起來，成立了“光伏技術虛擬仿真實驗教學中心”。實驗中心按照教學大綱的要求，以學生為主體，圍繞光伏技術教學內容與目標，結合企業生產與虛擬仿真技術，制定翔實的設計需求，通過自主開發和合作開發等方式，建設了光伏材料、太陽電池制備、光伏發電和專業基礎四個虛擬仿真實驗資源平臺，覆蓋了從材料到發電的所有光伏相關知識，形成了鮮明的特色。硅基薄膜太陽電池制備虛擬仿真實驗系統如圖2所示。

光伏技術虛擬仿真實驗克服了傳統實驗高污染、高能耗、高危險、大型實驗難以開展等缺點，提供了安全、可靠和經濟的虛擬實驗環境，解決了設備昂貴和臺套數受限等問題。學生通過虛擬仿真實驗與大型儀器設備虛實互補的實驗方式，進一步深化了理論知識的理解，提升了實踐能力。

二、規范高效的實驗室開放對實踐教學內容和質量的提升

目前高校實驗教學中普遍存在課內實驗課時數偏少、創新性和綜合性實驗比例偏小的問題。針對此問題，學校及學院逐年加大對實驗室開放的支持力度，開展多種級別的開放和創新項目，逐漸形成“項目驅動”的實驗室開放模式，成為實踐訓練的有效補充。特別是專項經費支持的“河北大學實驗室開放項目”，需要經過選題、申報、評審、中期檢查、結題及驗收，對研究內容和流程管理都經過嚴格把關，這就保證了開放內容的豐富、優質和實驗室開放運行的高效、穩定。下面以嵌入式實驗室開放項目“智能消防物聯網模擬系統”為例，說明實驗室開放在提升實踐教學內容和質量上的作用及效果。

1.開放項目研究內容。本項目主要研究智能消防物聯網系統的組成及具體功能的實現。以基于Cortex A8架構的AM335X處理器為核心，在嵌入式Linux操作系統下編寫相應程序，開發一套嵌入式智能消防物聯網模擬系統。重點實現基于RS485、ZigBee和CAN通信方式的多點信號量的采集、傳輸、顯示以及控制信號的輸出。項目綜合性強，涉及到嵌入式開發多個重要知識點。系統采用四塊335xS開發板，其中一塊設置為主機（中央控制子系統），三塊設置為節點從機（兩個采集系統、一個控制系統）。軟件部分基于Linux操作系統，用C語言編寫驅動程序和通信等應用程序，用C++編寫QT人機界面程序。系統構成及運行結果如圖3所示。

2.開放項目實施方式及效果。學生在項目實施過程中占主體地位，研究內容的分配、實驗室的管理、開放日志等資料的記錄和整理學生全程參與，校內教師及校外科技公司技術人員定期進行指導。以實驗室開放項目為平臺，課題組的同學通過協同合作、認真鉆研，掌握了嵌入式工程項目的開發流程，提升了專業知識，培養了科研意識和團隊精神，獲得了更為工程化的知識和經驗，為今后順利步入工作崗位從事科學研究工作奠定了基礎。科學、穩定、高效的實驗室開放工作能夠豐富實踐教學內容、提高教師的實踐教學經驗、增強學生的開拓創新能力，這是推動實驗中心持續發展的重要工作內容。

高校實驗教學中心的可持續發展對深化本科教學、提升教學質量、推動創新人才培養具有重要作用。本文通過實際工作案例，探討了虛擬仿真實驗教學和項目驅動的實驗室開放模式在實驗中心可持續發展中的作用及實施過程。實踐結果表明，規范、穩定的實驗室開放是發掘和培養學生創新能力的重要途徑，先進信息技術的引入是實踐教學持續發展的重要推動力量。

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