生態與環境虛擬仿真實驗教學中心構建與管理

范佳民， 石先陽， 晏紹飛， 許仁鑫， 高 毅

（安徽大學a.資源與環境工程學院；b.生態與環境國家級實驗教學示范中心，合肥 230601）

0 引 言

提高高校學生創新精神和實踐能力，建設信息化實驗教學資源，共享優質實驗教學資源，是高校實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發展的目標［1-2］，因此，全國各高校都在積極開展虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，必將對我國高等教育質量的提高產生積極作用［3］。生態環境類實驗課程具有綜合性、實踐性強的特點，而傳統實驗受到實驗時間、對象、季節、儀器臺套數和物理空間的制約，甚至有些實驗還涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，存在部分實驗必須開展但無法開展或無法有效開展的問題［4-7］。這些特點及問題嚴重制約了學生對實驗現象和本質的認識，也嚴重影響了學生創新精神和創造能力的培養，對生態環境相關專業的發展和高素質人才的培養的弊端越來越突出。因此，必須要對傳統實驗教學內容和方法進行改革。

虛擬仿真實驗教學綜合運用信息與通信技術，在信息空間中構建高度仿真的實驗操作環境和實驗對象，提供類似于實體實驗教學的體驗與效果，具有近似、抽象和間接的特點，并在可視性、交互性、安全性、可擴展性與可共享性等方面具備優勢，是對實體實驗教學的有益補充與完善［6-8］。基于此，我校在“生態與環境國家級實驗教學示范中心”和數字校園的基礎上，整合已有資源，依托多種平臺，組建了“生態與環境虛擬仿真實驗教學中心”（以下簡稱“中心”）。

1 生態與環境虛擬仿真實驗教學中心構建

生態與環境虛擬仿真實驗中心以全面增強學生實踐和創新能力、提高本科教學質量、增強社會服務為宗旨，注重仿真實驗與實物實驗相融合、教學與科研相互動、校內與企業相銜接，按照“虛實載體結合、虛實對象結合、虛實手段結合”的建設思路［8-10］，對環境與生態學專業相關課程中現實條件不具備或難以完成的實驗，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信技術，形成虛擬仿真實驗與實物實驗相融合的教學體系［11-12］。

1.1 中心主體框架

學校校園網的建設為虛擬仿真實驗的建設與教學提供了良好的平臺，學校設置了專用的服務器用于網絡課程、虛擬仿真實驗使用。圖1 為中心主體框架。生態與環境虛擬仿真實驗教學中心包含虛擬仿真實驗教學資源和支撐平臺兩大模塊。虛擬仿真實驗教學資源主要包括基礎實驗虛擬仿真教學資源、專業實驗虛擬仿真教學資源、大型儀器虛擬仿真教學資源、實習實訓虛擬仿真教學資源和生產實習虛擬仿真教學資源5個方面。為了實現虛擬仿真對實體實驗的促進和輔助作用，依托生態與環境國家級實驗教學示范中心、環境污染控制與生物修復技術財政部特色學科實驗室、生物資源保護與利用財政部特色學科實驗室、濕地生態保護與修復安徽省重點實驗室和安徽大學礦區環境修復與濕地生態安全協同創新中心等實體平臺，確保學生在進入相關實驗室進行實際操作時對儀器設備能夠了解充分，減小儀器設備的損壞率和保護學生自身安全。同時，學生在實際操作時有新的靈感也可以先從仿真中心進行模擬實驗，再進行實際操作，真正實現“虛實結合”。

圖1 生態與環境虛擬仿真實驗教學中心總體框架

1.2 實驗項目建設

已建和在建的虛擬仿真實驗教學資源包括5 大類，實驗項目60 個。具有逼真的實驗儀器和設備、逼真的實驗室環境、逼真的實驗現象、簡易的操作、雙向交互的指導功能，逼真的數據記錄和處理等功能和特點［13］，其具體情況見表1 和圖2。

表1 虛擬仿真實驗教學資源分類

圖2 AAO工藝流程和污水處理廠3D仿真實驗系統

1.3 實驗教學平臺建設

為推進信息技術與實驗教學深度融合，充分發揮信息技術在實驗教學過程中的作用，中心以創新人才培養為指導，以現代教育技術為手段，以計算機網絡為支撐，以虛擬實驗室為核心，通過實驗網絡預約的方式，構建了開放實驗室模式下的學生實驗計算機網絡支撐系統。通過中心網站，學生可以了解中心的日常動態、實驗安排和當前儀器設備閑置情況。通過登錄大型儀器共享平臺，全面實現大型儀器設備網絡共享，便于查詢設備使用狀態和預約，極大提高大型儀器設備的利用率。

1.4 教學管理平臺建設

以中心網站為載體，建立開放式教學管理平臺系統，實現實驗預習效果的強化、實驗預習效果的評價和實驗管理的網絡化、現代化，進一步推動實驗教學方式和內容改革的深化效果。

（1）平臺整體構架（見圖3）。

圖3 生態與環境虛擬仿真中心教學管理平臺

（2）學生。學生使用系統初始賬號student、密碼123 登錄學生中心頁面，也可以由老師建立的學生賬號登錄。學生頁面菜單模塊有個人中心，資源中心，課程中心，考試中心，費用統計和寬帶測試6 大模塊，其中個人中心、資源中心、課程中心和考試中心是學生在線學習的核心模塊。學生個人中心可以完善個人信息和課程歷史學習，資源中心可以完成課件的在線預習和復習，仿真軟件的學習以及實驗題庫的學習等，通過課程中心可以查看學生個人課表，上傳實驗報告和仿真實驗的在線學習，同時還可以與實驗老師進行線上交流與討論。學生在考試中心模塊可以完成實驗理論考試和仿真考試等。

（3）教師。教師賬號登錄到教師頁面，教師頁面菜單模塊有資源管理，課程管理，班級管理和考試管理4 個模塊，默認登錄模塊是資源管理。資源中心包含仿真軟件、2D 動畫、3D 動畫、視頻資源。這些資源是老師創建的，只有該老師管理的班級里的學生才能夠使用。

（4）管理員。管理員登錄頁面主要包括機構管理、人員管理、權限管理和日志管理四大模塊。系統管理員主要負責系統的日常管理，人員的導入導出，權限管理和分配等功能。管理員是虛擬仿真實驗教學管理平臺安全高效運行的有力保證。

1.5 實驗教師隊伍建設

仿真中心實行主任負責制，設主任1 名，副主任2名。中心現有教師、實驗技術人員和其他人員共74名，其中，教授15 人，副教授23 人，具有博士學位的講師29 人；教師隊伍中現有國家級教學名師1 人，百千萬人才工程入選者1 名，安徽省教學名師3 人，安徽省學術與技術帶頭人及后備人選5 人。為了加強實驗教師隊伍建設，采取在職培養與引進相結合，教師中教學名師、學術帶頭人等高層次人員不斷增加，形成了以知名教授為核心、以中青年教師為骨干，結構合理、年富力強、綜合素質高、責任心強、勇于改革創新的高素質實驗教學、管理和技術隊伍。其中青年教師已成為本中心實驗課程教學的中堅力量，為深化教學改革、落實教改措施打下了堅實的基礎。

1.6 校企合作

中心與淮南創大實業有限責任公司、煤礦生態環境保護國家工程實驗室、哈希水質分析儀器有限公司、安徽沃特星水處理運營有限公司、合肥市濱湖新區北澇圩污水處理廠等企業簽訂了實習基地協議和實習合同，建立了穩定的校外實習基地，實習基地與本中心有密切的產學研合作關系。由于實習學時受限，實習學生多，為強化實習實訓效果，使學生更牢固掌握全流程實驗過程及實際動手能力，仿真中心與北京歐倍爾軟件技術開發有限公司、北京東方仿真軟件技術有限公司等軟件開發公司展開深度合作，將實習中遇到的設備工藝進行仿真開發，能夠使每位學生在實習前就能接觸和操作儀器設備，提高了學生的動手能力和解決工程實際問題能力，使學生在實際實踐訓練中掌握更多的經驗技能，為將來畢業后工作奠定良好基礎。

1.7 開放共享

大力進行校內實驗資源的整合與共享，繼續完善和拓展優質虛擬仿真教學資源，實現實驗內容、實驗室與科研項目三位一體的全方位開放模式。通過網絡信息平臺管理中心資源，將實驗內容、儀器設備、規章制度網上公布，實現優質資源的共享和開放［14-16］。學生可通過網絡系統自主進行選擇和預約，實驗中心老師負責提供必要的培訓和指導。通過信息化管理和門禁系統實行對學生全天候開放，自主管理。

中心充分利用學校在安徽省的影響力，充分發揮我院生態環境學科優勢，與其他院校開展廣泛的交流與合作。定期接受外校學生和教師的訪問研究。通過有特色的技能大賽，例如“安徽省普通高校大學生動植物標本制作大賽”“大學生創新創業大賽”“全國環境實踐虛擬仿真創新大賽”“北控水務杯大學生職業技能大賽”等密切與全國高校間交流與合作。

2 結 語

中心始終堅持以學生為主體，把培養安徽生態強省建設和環境保護亟須的高素質復合型創新人才作為目標，堅持仿真實驗與實物實驗相融合、教學與科研相互動、校內與企業相銜接的教學模式，充分調動學生的能動性和創造力，使學生在基礎理論、實踐能力和創新意識方面獲得提升。在虛擬實驗項目建設中，注重校企合作與學科交融，形成學科群實驗教學平臺。在整合校內實驗資源的基礎上，中心充分發揮生態與環境專業特色與虛擬仿真實驗教學優勢，繼續加強與兄弟院校的教學互動聯系，對不同教學資源分類共享，提高虛擬仿真實驗教學效果與中心的示范輻射作用。

·名人名言·

想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。嚴格地說，想像力是科學研究的實在因素。

——愛恩施坦