高校虛擬仿真實驗室建設總結

摘要：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設、高校實驗室建設與實驗教學改革的重要內容。以南華大學為例，介紹了虛擬仿真實驗在實驗教學中的典型應用，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的改革與創(chuàng)新。

關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；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、多媒體技術和網絡技術為依托，建立虛擬仿真實驗技術、真實模擬大型實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗設備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中完成各種預定實驗項目的目的，它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業(yè)理論知識多方面結合的結晶。[1]虛擬仿真實驗教學中心建設的目的是實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練以及現(xiàn)有實驗實訓條件不足或學生自主開展實驗與創(chuàng)新訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目，達到教學互動、資源共享、不受時空限制、全天候的信息化實驗的教學目的。

一、建設的必要性與可行性

南華大學是一所地方綜合類高校，已建成了很多虛擬實驗教學平臺，如核能與核技術工程虛擬仿真實驗中心、機能學虛擬仿真實驗室、有機化學仿真實驗室等。以核能與核技術工程虛擬仿真實驗中心為例，南華大學是一所覆蓋核燃料循環(huán)產業(yè)鏈核學科專業(yè)的高校，在“核科學與技術”“鈾礦開采”和“安全工程”等學科領域具有鮮明特色與優(yōu)勢，學校連續(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”。學校擁有核工程類國家級“核工程實驗教學中心”和湖南省“核工程與核技術實踐教學示范中心”，可以保障全校核類學科專業(yè)的教學科研基本需求。同時在“核工程實驗教學中心”下設有“核能與核技術工程虛擬仿真實驗教學中心”。中心擁有大型存儲設備，能夠保障網絡應用，校園網100%覆蓋學校教學、科研、管理部門所在的建筑物，校園門戶網站對校內外公布虛擬仿真實驗教學信息，提供虛擬仿真實驗教學平臺鏈接等相關服務，已開設基于Internet的互動性和演示性虛擬仿真實驗，基于校園局域網的互動性、設計性核能與核技術工程虛擬仿真實驗課程10余門，涉及實驗項目62項。

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

核能與核技術工程專業(yè)實驗具有特殊性，一些實驗需要在加速器、反應堆和大型輻照裝置上才能開設，而目前只有中國原子能科學研究院、中國核動力研究設計院、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)實驗教學任務是不現(xiàn)實、不可能的。

核物理基礎實驗、輻射屏蔽實驗、放射化學實驗、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“物理實驗教學空間”無法開展；或是由于實驗設備價格昂貴、臺套數不足，影響了實驗教學效果。

針對上述問題，學校在進一步加強現(xiàn)有實驗室建設的基礎上，已開展建設“核能與核技術工程虛擬仿真實驗教學中心”。

二、管理運行

1.管理體制

學校虛擬仿真實驗室實行統(tǒng)一領導、分級與歸口管理的體制。學校由一名校長分管全校實驗室工作，教務處是南華大學主管實驗室工作的機構。實驗室實行主任負責制，實驗室主任負責實驗室的全面工作。

2.保障制度

為保證虛擬仿真實驗室規(guī)范、有序運行，學校制定了系列管理規(guī)章制度?，F(xiàn)有的規(guī)章制度涵蓋實驗教學管理、實驗室使用管理、儀器設備管理、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)了以學生為本的宗旨，既嚴格規(guī)范，又充滿人文關懷，營造了有序、有效、寬松、愉悅的制度氛圍。

3.教師的考核管理

《南華大學實驗室工作人員崗位職責》和《南華大學實驗室工作人員考核辦法》對實驗教學人員的職責與考評作出了明確規(guī)定：教學一線的教師和實驗技術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、進修學習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人員傾斜。中心嚴格執(zhí)行，并結合實際，認真抓好德、能、勤、績全面考核，考核結果與崗位津貼、職稱評定、評選評優(yōu)掛鉤。一是德：主要看實驗教師和技術人員的政治思想表現(xiàn)、道德品質和工作態(tài)度，考核其是否熱愛本職工作，努力鉆研業(yè)務，服從組織安排，遵紀守法，顧全大局和團結協(xié)作精神。二是能：主要看實驗技術水平、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工作量（包括理論課與實驗課教學、指導本科生或研究生畢業(yè)設計或畢業(yè)論文）、參與實驗教學改革與創(chuàng)新及完成科研、論文、成果情況。

4.實驗教學質量監(jiān)控

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

5.運行維護

學校制定了完備的儀器設備管理制度，涵蓋儀器設備申請采購管理、貴重儀器設備管理、儀器設備損壞丟失賠償管理、儀器設備維修管理、儀器設備報廢管理等方面。國有資產管理處負責全校儀器設備的采購、入賬、維修、報廢等組織工作，設備從申請、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效果

1.緩解了實驗室的條件限制

隨著高校的擴招，學生人數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)實驗教學容易受實驗設備、實驗空間、實驗時間、實驗內容的限制。通過充分發(fā)揮虛擬仿真技術在實驗教學的優(yōu)勢，真實模擬大型實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗設備、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工作，達到教學互動、資源共享、不受時空限制、全天候的信息化實驗的教學目的。[2]通過虛擬仿真實驗教學，可以部分彌補在開展學生實踐教學過程中普遍存在的學生人數偏多、實驗經費偏少、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經費的使用效率，節(jié)約實踐教學經費。

2.有效地提升了實驗室的開放程度

虛擬仿真實驗教學除了對計算機和服務器資源要求較高外，對硬件設備的要求相對較低，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。

（1）對實驗教學實行多層次、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，既服務實驗教學計劃項目，又服務師生自主設計的創(chuàng)新性實驗項目。

（2）實驗內容開放。充分滿足必做項目需求，同時提供選做實驗項目以供學生自主選擇，支持學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)、各層次的實驗教學任務的同時，還為課外科技活動小組、參加各級學科競賽的學生提供實驗條件和環(huán)境，支持學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)設計開放。針對學生完成畢業(yè)論文時間長（一個學期）、開放任務重的特點，實驗室采取多種開放措施：一是設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任務后，其空余時間為畢業(yè)設計學生開放；三是大型精密儀器采取預約開放。

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

3.增強了學生的實踐創(chuàng)新能力

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

4.教學、科研相輔相成，科教相長

以南華大學核能與核技術工程虛擬仿真實驗中心為例，中心依托學校在核能與核技術工程方面已有的先進科研實驗設備和豐富的虛擬仿真實驗教學軟件，實現(xiàn)二者有機結合。一方面將MCNP、NJOY、CITATION、SCALE、DRAGON等核能與核技術工程方面的專業(yè)軟件用于教學，讓學生掌握最為實用的科研程序；另一方面在實驗教學中，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)了教學科研相輔相成，達到了科教相長的有益互補。

5.多學科交叉，受益面廣

虛擬仿真實驗室具有多學科交叉的特點，同時也是一個可以進行虛擬現(xiàn)實人才實訓培養(yǎng)與相關專業(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，借助該教學實驗室可以開展聯(lián)合辦學、發(fā)揮潛藏價值、整合資源優(yōu)勢，具體包括學生培訓與實踐、培訓課程安排、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、結束語

虛擬實驗室作為高校實驗教學的一個發(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。在實驗室建設工程中，只有做到“虛”“實”結合，相輔相成，能實不虛，才能為實驗室的建設帶來更大的效益。

參考文獻：

[1]田杰，張民.探究網絡虛擬實驗室的構建[J].實驗室研究與探索，2011，31(4):262-270.

[2]周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用[J].合肥工業(yè)大學學報，2008，22(5):106-109.

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

（責任編輯：孫晴）