力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗室建設(shè)的探討

雷 冬，朱飛鵬，殷德順，武清璽

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及高等學(xué)校對實驗教學(xué)要求的不斷提高，虛擬仿真實驗教學(xué)在高等學(xué)校的應(yīng)用日益增多。它可以彌補真實實驗在實驗條件、實驗成本、交互性和安全性等方面的不足［1－7］，與真實實驗教學(xué)結(jié)合，相互補充，可以有效促進高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的提高［8－10］。2013年，教育部正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，通過建設(shè)具有示范引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心，持續(xù)推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新。

河海大學(xué)力學(xué)與水工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心是首批入選的100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心之一。本文以該中心力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗室的建設(shè)實踐為例，總結(jié)和探討建設(shè)經(jīng)驗、存在問題和發(fā)展思路，并提出針對力學(xué)這樣覆蓋面廣的工科基礎(chǔ)學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)實驗室建設(shè)的一些看法。

1 虛擬仿真教學(xué)實驗室的基本情況

河海大學(xué)力學(xué)實驗教學(xué)中心是國家級實驗教學(xué)示范中心，面向全校16個專業(yè)，每年服務(wù)約1 800名本科生和約300名研究生的12門力學(xué)實驗課程的教學(xué)，年實驗人時數(shù)超過80 000人時。按照國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)要求，中心組建了力學(xué)虛擬仿真實驗室，搭建了網(wǎng)絡(luò)信息化管理平臺，開發(fā)了大量虛擬實驗項目和教學(xué)資源，逐漸形成了校內(nèi)全部開放、校外預(yù)約開放的虛擬仿真實驗教學(xué)模式。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)的經(jīng)驗和成效

2.1 科學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)籌實驗室建設(shè)

學(xué)校對力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗室的建設(shè)進行了科學(xué)規(guī)劃，按照“重組基礎(chǔ)、反映特色、融入前沿、綜合交叉”的原則，以理論課教學(xué)為基礎(chǔ)，融入最新的工程技術(shù)和科研成果，開發(fā)分層次、多樣化的虛擬仿真實驗項目。在實驗室的規(guī)劃中，充分考慮了力學(xué)學(xué)科作為工科基礎(chǔ)學(xué)科以及河海大學(xué)水利專業(yè)的特色和優(yōu)勢，通過融入河海大學(xué)力學(xué)學(xué)科支撐的專業(yè)前沿，進行綜合交叉的實驗項目開發(fā)，讓學(xué)生在掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識的同時提升實際應(yīng)用能力。

經(jīng)過幾年的建設(shè)，該實驗室形成了基礎(chǔ)擴展型、綜合研究型等近20個虛擬仿真實驗項目和超過20GB的與實驗課程有關(guān)的多媒體課件、課堂錄像、影像資料等實驗教學(xué)資源［11－14］，體現(xiàn)了基礎(chǔ)知識拓展和綜合應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合、科學(xué)研究和仿真實驗資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合、實驗項目建設(shè)與教學(xué)資源建設(shè)相結(jié)合的鮮明特色。

（1）基礎(chǔ)知識拓展和綜合應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合。力學(xué)是工程學(xué)科的基礎(chǔ)，而在各門力學(xué)課程知識的學(xué)習(xí)中，真實實驗項目畢竟有限。學(xué)生通過完成基礎(chǔ)擴展型虛擬仿真實驗項目，可以很好地彌補這樣的局限。水利工程是河海大學(xué)的特色學(xué)科，學(xué)生通過各個專業(yè)的綜合研究型虛擬仿真實驗項目，不但將各門力學(xué)知識綜合應(yīng)用，而且能夠在綜合應(yīng)用中增強創(chuàng)新意識和能力。

（2）科學(xué)研究和仿真實驗資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合。一線科研成果反映了當(dāng)前最前沿、最重大的工程問題，通過對科研成果的解析與實驗認(rèn)知，可大大拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的科研興趣和學(xué)習(xí)動力，顯著提升學(xué)生理論聯(lián)系實際、學(xué)以致用的能力，引導(dǎo)學(xué)生進行知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前中心已經(jīng)有6個典型研究項目轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學(xué)項目，實現(xiàn)了已有大型科研設(shè)備的產(chǎn)出成果向優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的直接轉(zhuǎn)化，為虛擬仿真實驗教學(xué)的開展提供了豐富的內(nèi)容和資源補充，拓寬了虛擬仿真實驗教學(xué)的范圍，同時也提升了設(shè)備的使用效益、挖掘了設(shè)備的潛在價值。

（3）實驗項目建設(shè)與教學(xué)資源建設(shè)相結(jié)合。力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的設(shè)計往往是綜合多種工程背景抽象出來的基本力學(xué)問題。教學(xué)實踐表明，如果能讓學(xué)生在進行抽象力學(xué)實驗的時候輔以大量的背景教學(xué)資源，不僅可以增強學(xué)生對實驗項目和相關(guān)知識的理解，而且可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維的主動性。實驗室充分發(fā)揮河海大學(xué)國家級力學(xué)教學(xué)團隊和相關(guān)的4門國家級精品課程、4門國家級精品資源共享課的力量，開發(fā)了超過20GB與實驗課程有關(guān)的多媒體課件、課堂錄像、影像資料等教學(xué)資源。這些資源的使用有效提高了實驗項目的教學(xué)效果。

2.2 多元化配置實驗室的建設(shè)隊伍

人才隊伍是實驗室建設(shè)的基礎(chǔ)，虛擬仿真實驗室的建設(shè)對人才的要求更高，需要進行多元化的人才隊伍配置。為了達到最好的建設(shè)成效，河海大學(xué)力學(xué)虛擬仿真實驗室人才隊伍配置的做法是：由國家級教學(xué)名師擔(dān)當(dāng)實驗室主任，以具有多年實驗教學(xué)經(jīng)驗的一線骨干教師為實驗室建設(shè)的主要力量，邀請多位國家精品課程負(fù)責(zé)人參加實驗教學(xué)資源的建設(shè)，邀請國家杰出青年基金項目和國家重大科研項目的負(fù)責(zé)人參加實驗資源轉(zhuǎn)化和綜合研究型實驗項目的建設(shè)，與高性能計算中心和技術(shù)領(lǐng)先的科技信息公司合作，作為主要的技術(shù)支撐。

2.3 積極實現(xiàn)教學(xué)資源的物化與推廣

河海大學(xué)虛擬仿真實驗項目已經(jīng)面向全校學(xué)生開放。多年的教學(xué)實踐證明這種新型實驗課程模式的教學(xué)效果明顯，深受學(xué)生喜愛。經(jīng)過反復(fù)應(yīng)用、修訂，中心編著的《材料力學(xué)模擬實驗》和《力學(xué)創(chuàng)新與妙用——開發(fā)創(chuàng)造力》等教學(xué)資源已由高等教育出版社和高等教育電子音像出版社正式出版發(fā)行，并被20多所學(xué)校采用。部分綜合研究型虛擬仿真實驗項目除面向本校學(xué)生開放外，已開始對外部高校和行業(yè)企業(yè)進行有償共享。

虛擬仿真實驗教學(xué)模式在河海大學(xué)對口支援的學(xué)校得到了很好的推廣，取得了良好的效果。優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源的共享有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，成為課堂教學(xué)和理論教學(xué)的有效補充，對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)具有明顯的效果，得到了國內(nèi)眾多高校的認(rèn)可，也使得虛擬仿真實驗教學(xué)中心在區(qū)域乃至全國發(fā)揮了示范和引領(lǐng)作用，擴大了中心的影響。

3 建設(shè)中存在的問題

3.1 多種信息技術(shù)整合不夠

由于實驗室和實驗項目是多年分階段、分模塊逐步建設(shè)積累的，因此，不同階段、不同實驗項目所采用的技術(shù)各有差異。早期開發(fā)的基礎(chǔ)擴展類實驗項目多建立于Director、Flash和Matlab等通用開發(fā)平臺之上；而后期的綜合研究型實驗項目，專業(yè)性和技術(shù)性的要求更高，采用的技術(shù)更加專業(yè)，除了增加展示的3D效果外，在計算方面也嵌入了專業(yè)的分析模塊。這使得將其整合在同一平臺上的工作就變得比較復(fù)雜。更重要的是，各個實驗項目大多基于單機操作環(huán)境，需要花費相當(dāng)多的人力、物力進行網(wǎng)絡(luò)版的改造，才能更方便地通過互聯(lián)網(wǎng)平臺進行更有效、更廣泛的示范推廣。

3.2 教學(xué)資源開放共享程度有待擴展

實驗室目前的虛擬仿真實驗教學(xué)項目和實驗教學(xué)資源主要是面向河海大學(xué)在校學(xué)生開放共享，部分資源通過出版多媒體發(fā)行物和定點推廣進行共享。按照國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)要求，實驗教學(xué)項目和教學(xué)資源的開放共享程度需要進一步擴大，推廣到更多的高校和單位，在更大的范圍發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用。

4 虛擬仿真實驗室的發(fā)展思路

4.1 進一步加強組織保障和制度建設(shè)

實驗室要保持長期高效的發(fā)展，政策和制度的建設(shè)是重要的保障。

（1）進一步制定和優(yōu)化政策，鼓勵學(xué)科帶頭人和高水平教師積極投身虛擬仿真實驗教學(xué)，引進高層次人才，提高實驗教學(xué)層次和水平。

（2）推行理論課教師從事實驗教學(xué)、實驗課教師兼任理論教學(xué)，促進實驗教學(xué)與理論教學(xué)的融會貫通，保證有一支高水平虛擬仿真實驗教學(xué)隊伍。

（3）從人員職責(zé)、實驗室開放、儀器設(shè)備使用保管、實驗室安全、平臺網(wǎng)絡(luò)管理與權(quán)限管理等方面制定更全面、更嚴(yán)格的管理制度和規(guī)章規(guī)范，保證實驗中心運行的高效性和穩(wěn)定性。

4.2 高性能技術(shù)平臺的有效融合

力學(xué)作為工科基礎(chǔ)學(xué)科，其實驗教學(xué)要貼近工程、反映實際，力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)也要不斷采用先進的技術(shù)，采用可以進行更復(fù)雜數(shù)值模擬的高性能計算系統(tǒng)和具有更真實表現(xiàn)力的三維互動呈現(xiàn)技術(shù)，在更大范圍共享互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將這些技術(shù)進行有效融合，打造先進的高性能虛擬仿真實驗教學(xué)項目開發(fā)平臺。

4.3 開發(fā)精品項目，推動全面開放共享

在強大的組織制度保障和技術(shù)先進的開發(fā)平臺支撐下，有效整合教學(xué)、科研、技術(shù)支撐等方面人才隊伍，充分發(fā)揮人才隊伍的特長和優(yōu)勢，圍繞科技前沿和工程實際，開發(fā)更多的精品實驗項目。在國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工程的支持下，推動虛擬仿真教學(xué)深入和全面的開放共享，實現(xiàn)共享、共贏和教學(xué)示范效果的最大化。

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