理工科類物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行機(jī)制的實(shí)踐與探索

王丹丹 周鋒子 王曉飛 李立本 金秀娟 甄志強(qiáng) 李新忠

（河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院 河南·洛陽 471023）

0 引言

在真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于部分實(shí)驗(yàn)儀器的復(fù)雜、精密和昂貴，并存在高危、高成本、高消耗等因素，往往在真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)。許多精密科研實(shí)驗(yàn)儀器，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生難以接觸和了解實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計思想、運(yùn)行原理。另外，由于受到時間和空間等因素的影響，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生不能反復(fù)調(diào)整儀器、設(shè)計和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。存在著儀器越先進(jìn)，現(xiàn)代化技術(shù)越高，學(xué)生收獲越少的傾向。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源以虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、自動控制等技術(shù)，對物理實(shí)驗(yàn)和儀器建立了數(shù)字化和高度仿真的虛擬模型，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與平臺，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)報告評閱、實(shí)驗(yàn)考試評判等教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合為一體，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各項(xiàng)內(nèi)容，彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)存在的不足。

開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的有效手段，是實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”實(shí)驗(yàn)教學(xué)原則的有力體現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生可通過虛擬仿真教學(xué)資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)基本操作等內(nèi)容，還可擬定實(shí)驗(yàn)方案。再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生也可在做完真實(shí)實(shí)驗(yàn)后，再做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完成對真實(shí)實(shí)驗(yàn)的深入學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)、提高認(rèn)知。

優(yōu)質(zhì)資源的共享是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的保障，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)資源和環(huán)境。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的管理平臺，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外乃至更大范圍的共享開放，此舉不但使優(yōu)質(zhì)資源的利用率大大提高，更重要的是不受時間、空間的限制，為實(shí)現(xiàn)大面積的學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)探究、開展科技創(chuàng)新實(shí)踐活動提供了服務(wù)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理平臺，還可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報告、實(shí)驗(yàn)考試等教學(xué)環(huán)節(jié)。因此，物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，為創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共享，開展虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動起到了不可替代的重要作用。

1 現(xiàn)狀分析

以河南科技大學(xué)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例。我校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)與運(yùn)行情況，以實(shí)驗(yàn)室管理制度建設(shè)與落實(shí)為主線，嚴(yán)格設(shè)備管理和實(shí)驗(yàn)教師職責(zé)，以大學(xué)物理教學(xué)仿真軟件為基礎(chǔ)，服務(wù)于大學(xué)物理教學(xué)，取得了顯著成效。2000-2004年，以學(xué)生自主選課、實(shí)驗(yàn)室全面開放為主線，通過局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)學(xué)生網(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主性和主動性。每個實(shí)驗(yàn)室配有計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端，可通過中心局域網(wǎng)與校園網(wǎng)相連，進(jìn)而連接因特網(wǎng)。加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)化、信息化、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理，創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)中心獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站。

以教育部本科教學(xué)評估為契機(jī)，更新教學(xué)理念，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改善實(shí)驗(yàn)條件，加大師資引進(jìn)，建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。通過自研仿真軟件，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)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(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立了虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，教學(xué)效果日漸突出，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。

目前存在的問題：在物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源建設(shè)過程中，如何構(gòu)建適應(yīng)不同層次需要的學(xué)習(xí)需求？如何把最優(yōu)的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目融入到學(xué)生的創(chuàng)新培養(yǎng)體系？如何將現(xiàn)有省級以上虛擬仿真項(xiàng)目真正發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生的作用、融入培養(yǎng)方案及課程體系？

我們從以下方面進(jìn)行了改革探索：

1.1 改革內(nèi)容

1.1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

以能力培養(yǎng)為主線，建立科學(xué)、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，與理論教學(xué)既有機(jī)結(jié)合又相對獨(dú)立。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以開放式自主實(shí)踐為主要教學(xué)形式，以形式多樣、課內(nèi)外相結(jié)合的多層次多類型物理實(shí)踐教學(xué)體系為基礎(chǔ)，以優(yōu)良實(shí)驗(yàn)室硬件條件和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源為支撐，以制度化教學(xué)管理、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系為保障，構(gòu)建一個能為全校提供菜單式實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的綜合平臺，體現(xiàn)教學(xué)體系系統(tǒng)性、綜合性、層次化，教學(xué)模式自主式、開放式的特點(diǎn)。

在物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐過程中，重新審定和擴(kuò)展了物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，按照“興趣導(dǎo)入、開放自主、創(chuàng)新提高”的原則構(gòu)建了物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系。學(xué)生剛?cè)雽W(xué)時，針對多數(shù)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)具有畏難情緒，首先利用我們構(gòu)建的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)形式培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣；然后，通過開放自主的選課系統(tǒng)，以學(xué)生為本增加課程外的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，再通過虛擬高危與極端環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)，對其實(shí)驗(yàn)細(xì)心、耐心能力進(jìn)行培養(yǎng)；進(jìn)而通過高成本與高消耗的虛擬實(shí)驗(yàn)，激發(fā)其戰(zhàn)勝困難的意志和創(chuàng)新力。

1.1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

中心建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為核心，按照基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)。中心修訂執(zhí)行的《物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱》涉及5門實(shí)驗(yàn)課程，中心按照“注重基礎(chǔ)、綜合應(yīng)用、加強(qiáng)設(shè)計、提高創(chuàng)新”的指導(dǎo)方針組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。包括實(shí)驗(yàn)必修課、實(shí)驗(yàn)選修課、課程設(shè)計，還有實(shí)驗(yàn)室開放和其他形式實(shí)踐活動。如研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是以開放實(shí)驗(yàn)室活動為載體的、鼓勵優(yōu)秀學(xué)生參加的、部分結(jié)合科研生產(chǎn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究課題，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源集中、因材施教理念的充分體現(xiàn)。這類實(shí)驗(yàn)采用“集中講課、分散設(shè)計”方式，吸引部分有所專長的學(xué)生對其進(jìn)行全面培養(yǎng)。

1.2 改革目標(biāo)

1.2.1 依托學(xué)校校園網(wǎng)信息化平臺，保障資源共享

近幾年，我校數(shù)字化校園建設(shè)，改造升級了校區(qū)樓宇的網(wǎng)絡(luò)布線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。建立了校區(qū)虛擬信息化平臺和數(shù)據(jù)中心，構(gòu)架了校區(qū)校園專網(wǎng)，陣列間復(fù)制，實(shí)現(xiàn)300余臺虛擬服務(wù)器機(jī)群，及4臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)的系統(tǒng)。萬兆主干線，全校區(qū)建設(shè)了有線和無線網(wǎng)服務(wù)，覆蓋率達(dá)100%。

1.2.2 面向全校，實(shí)現(xiàn)資源共享

中心資源和管理平臺部署在學(xué)校校園服務(wù)器上，建立河南科技大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心門戶網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的校內(nèi)外共享。通過中心網(wǎng)站，學(xué)生可以在校園內(nèi)、外授權(quán)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。學(xué)生借助于臺式電腦、筆記本、Pad、智能手機(jī)等多種形式的終端設(shè)備，不受人數(shù)、時間和空間的限制，開展區(qū)域或在線的教、學(xué)、練、考，滿足了多學(xué)科、多專業(yè)，不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

目前，物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心負(fù)責(zé)12個學(xué)院46個專業(yè)的物理必修實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并面向全校開設(shè)物理選修實(shí)驗(yàn)課程。近兩年實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量達(dá)30余萬人時數(shù)。

1.2.3 面向社會，實(shí)現(xiàn)資源共享

注重校際、校企之間的資源共享。在物理實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建立了長期合作、交流、共享、共贏的模式。成功地將“物理演示實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)”應(yīng)用到洛陽市一高、河科大附中等中學(xué)物理課外興趣擴(kuò)展等方面。與洛陽市科技館合作，將多種虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)對社會開放，向少年兒童普及科技知識，引導(dǎo)少年兒童參與科技創(chuàng)新活動，培養(yǎng)少年兒童的科學(xué)意識和科學(xué)精神。校際之間的資源共享、交流，實(shí)現(xiàn)了共贏，帶來了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展中存在問題

1.3.1 開發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力不足問題

合作開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源：發(fā)揮我校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，教學(xué)隊(duì)伍優(yōu)勢，學(xué)校從學(xué)科、專業(yè)實(shí)踐教學(xué)需求出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容設(shè)計。企業(yè)提供虛擬仿真開發(fā)支持，并接受學(xué)校方面的學(xué)科內(nèi)容與知識指導(dǎo)。雙方共有開發(fā)成果的知識產(chǎn)權(quán)，雙方共享成果推廣與成果獎勵的收益。

1.3.2 建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺資金不足問題

共建共管中心實(shí)驗(yàn)平臺：合作開發(fā)的產(chǎn)品資源，通過在中心平臺上的應(yīng)用完成優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品更加成熟。同時，企業(yè)以共建、共管、共贏的合作方式，實(shí)現(xiàn)對中心持續(xù)的技術(shù)支持與投入，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺維護(hù)和軟件升級服務(wù)，對教師進(jìn)行信息化教學(xué)應(yīng)用能力的培訓(xùn)。保證中心的健康，持久的發(fā)展。

1.3.3 發(fā)揮人才培養(yǎng)優(yōu)勢

資源優(yōu)勢互補(bǔ)互惠互利：學(xué)校以知識、人才、設(shè)施等優(yōu)勢為企業(yè)提供多元化支持。主要包括：（1）合作企業(yè)優(yōu)先到校選聘優(yōu)秀畢業(yè)生；（2）根據(jù)企業(yè)需要，在各種專業(yè)領(lǐng)域配合企業(yè)響應(yīng)市場需求，提供相應(yīng)管理，創(chuàng)新與研發(fā)的支持，協(xié)助企業(yè)解決關(guān)鍵性技術(shù)問題；（3）根據(jù)企業(yè)發(fā)展需要，為其員工培訓(xùn)提供師資、場地及設(shè)施等方面的支持。

1.3.4 實(shí)現(xiàn)長期持續(xù)發(fā)展問題

探索與實(shí)踐如何把現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源納入培養(yǎng)方案、課程體系及“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”學(xué)分培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)，教師發(fā)展，平臺建設(shè)的共同長期持續(xù)性發(fā)展。

1.4 運(yùn)行機(jī)制的探索總結(jié)

1.4.1 要具有明確建設(shè)思路

物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心成立以來，按照“遵循物理教學(xué)規(guī)律、注重教學(xué)科研融合、加強(qiáng)校企合作、資源開放共享”的建設(shè)原則。通過自主開發(fā)、校企合作，創(chuàng)建了一批有專業(yè)特色的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，搭建了完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺。通過多年來的建設(shè)，中心在人才培養(yǎng)、教學(xué)與科研、服務(wù)社會等方面取得了豐碩的建設(shè)成果。

1.4.2 要不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)于學(xué)校12個學(xué)院，46個專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開設(shè)5門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置上，前期構(gòu)筑寬厚基礎(chǔ)，后期優(yōu)化專業(yè)教育，注重學(xué)科交叉培養(yǎng)，加強(qiáng)綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力。構(gòu)建了基礎(chǔ)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、專業(yè)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和開放選修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三個層次的實(shí)驗(yàn)課程體系。體現(xiàn)由專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練，到專業(yè)綜合技能提高，再到研究與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的物理教學(xué)規(guī)律。在基礎(chǔ)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中有大學(xué)物理的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)等；在專業(yè)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中有近代物理實(shí)驗(yàn)和光電信息類實(shí)驗(yàn)；在開放選修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中有演示物理實(shí)驗(yàn)和前沿物理實(shí)驗(yàn)。

1.4.3 要建立師生互動虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終本著人才培養(yǎng)、創(chuàng)新實(shí)踐和社會服務(wù)三大目標(biāo)來進(jìn)行。以“加強(qiáng)基礎(chǔ)、重視應(yīng)用、開拓思維、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念為核心，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以學(xué)生為中心，為學(xué)生營造更多自主學(xué)習(xí)，多元化發(fā)展空間的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要作用就是不受學(xué)生人數(shù)、時間、空間的限制。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和教學(xué)管理平臺，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的服務(wù)與共享。通過中心虛擬仿真教學(xué)網(wǎng)站，教師與學(xué)生可以在校園內(nèi)、外授權(quán)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

1.4.4 要探索把虛擬仿真教學(xué)資源融入培養(yǎng)方案

在保持現(xiàn)有物理各專業(yè)培養(yǎng)方案不變的情況下，首先探索將其在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)兩個學(xué)分情況下進(jìn)行改革，納入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分過程管理；其次，在物理學(xué)院高年級本科生的相關(guān)專業(yè)課程中加入2學(xué)時進(jìn)行試驗(yàn)和探究其培養(yǎng)效果；最后，將物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心資源體系與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教學(xué)體系相對接和融合；最終，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的線上、線下，全天候的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退仞B(yǎng)的培養(yǎng)。

2 結(jié)論

理工科類物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)與運(yùn)行機(jī)制的探索要符合新時期高等教育發(fā)展理念，將有望提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)性教學(xué)的興趣，具有較強(qiáng)的科學(xué)性、適用性、創(chuàng)新性和前瞻性。進(jìn)一步通過靈活豐富的實(shí)驗(yàn)方式，將前沿科技成果，實(shí)踐創(chuàng)新成果，引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用規(guī)范的監(jiān)控提升質(zhì)量，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)動手能力。必需將現(xiàn)有虛擬仿真資源融入教學(xué)體系，將創(chuàng)新現(xiàn)有教學(xué)方法和手段。且通過彈性式畢業(yè)課題的實(shí)施，高效利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)場所。通過建立制定校企合作機(jī)制，探索校企共贏。才能實(shí)現(xiàn)校校、校企資源共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)與運(yùn)行機(jī)制的良性發(fā)展。