虚拟仿真实验教学在高校中的应用

虚拟仿真实验教学在高校中的应用

虚拟实验室是基于计算机模仿技术、信息技术和网络技术的开发，建立虚拟模拟实验技术、真实模拟大型实验设备和实验场景的虚拟体验。让学生通过计算机进行体验设备、实验场景和软件，并与模拟环境一起完成各种预测实验项目。这是虚拟模拟技术、计算机科学和专业理论的结合结晶。虚拟仿真实验教学中心建设的目的是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能,在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练以及现有实验实训条件不足或学生自主开展实验与创新训练等情况时,提供可靠、安全和经济的实验项目,达到教学互动、资源共享、不受时空限制、全天候的信息化实验的教学目的。一、“核工程国家级实验教学示范中心”,南华大学是一所地方综合类高校,已建成了很多虚拟实验教学平台,如核能与核技术工程虚拟仿真实验中心、机能学虚拟仿真实验室、有机化学仿真实验室等。以核能与核技术工程虚拟仿真实验中心为例,南华大学是一所覆盖核燃料循环产业链核学科专业的高校,在“核科学与技术”“铀矿开采”和“安全工程”等学科领域具有鲜明特色与优势,学校连续被中国核工业集团公司授予“为核工业培养和输送人才突出贡献奖”。学校拥有核工程类国家级“核工程实验教学中心”和湖南省“核工程与核技术实践教学示范中心”,可以保障全校核类学科专业的教学科研基本需求。同时在“核工程实验教学中心”下设有“核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心”。中心拥有大型存储设备,能够保障网络应用,校园网100%覆盖学校教学、科研、管理部门所在的建筑物,校园门户网站对校内外公布虚拟仿真实验教学信息,提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务,已开设基于Internet的互动性和演示性虚拟仿真实验,基于校园局域网的互动性、设计性核能与核技术工程虚拟仿真实验课程10余门,涉及实验项目62项。目前,南华大学的“核工程国家级实验教学示范中心”面向全校核物理、核工程与核技术、核技术、辐射防护与环境工程、核反应堆工程、核化工与核燃料工程、放射医学、铀矿采冶工程等相关学科专业,每学年开设必修或选修核能与核技术工程实验课程达112000人时数/年,且逐年增加。核能与核技术工程专业实验具有特殊性,一些实验需要在加速器、反应堆和大型辐照装置上才能开设,而目前只有中国原子能科学研究院、中国核动力研究设计院、辐照中心等单位才具有这些实验装置。仅仅依靠这些单位完成较大规模的核类人才培养实验教学任务是不现实、不可能的。核物理基础实验、辐射屏蔽实验、放射化学实验、铀资源提取实验和磁约束等离子体物理实验等专业实验,涉及高危、高成本、高消耗或极端环境,具有不可及或不可逆的操作特点,依靠通常意义上的“物理实验教学空间”无法开展;或是由于实验设备价格昂贵、台套数不足,影响了实验教学效果。针对上述问题,学校在进一步加强现有实验室建设的基础上,已开展建设“核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心”。二、管理和运营1.学校管理模式学校虚拟仿真实验室实行统一领导、分级与归口管理的体制。学校由一名校长分管全校实验室工作,教务处是南华大学主管实验室工作的机构。实验室实行主任负责制,实验室主任负责实验室的全面工作。2.实验室管理规章制度为保证虚拟仿真实验室规范、有序运行,学校制定了系列管理规章制度。现有的规章制度涵盖实验教学管理、实验室使用管理、仪器设备管理、实验室安全管理、中心实验室考核管理等方面。这些制度体现了以学生为本的宗旨,既严格规范,又充满人文关怀,营造了有序、有效、宽松、愉悦的制度氛围。3.强化中心管理《南华大学实验室工作人员岗位职责》和《南华大学实验室工作人员考核办法》对实验教学人员的职责与考评作出了明确规定:教学一线的教师和实验技术人员与其他职称系列的人员相比,同级的岗位津贴每年要高2000~3000元。在职称评聘、进修学习与出国深造人员选派等方面,都注意向一线的教师和实验技术人员倾斜。中心严格执行,并结合实际,认真抓好德、能、勤、绩全面考核,考核结果与岗位津贴、职称评定、评选评优挂钩。一是德:主要看实验教师和技术人员的政治思想表现、道德品质和工作态度,考核其是否热爱本职工作,努力钻研业务,服从组织安排,遵纪守法,顾全大局和团结协作精神。二是能:主要看实验技术水平、管理水平、独立工作能力和创新精神。三是勤:主要看是否认真执行上下班制度,并接受检查和监督,要求每位实验教师和实验技术人员每天进行考勤登记,出勤率与个人的岗位津贴挂钩。四是绩:主要看教师完成实验教学工作量(包括理论课与实验课教学、指导本科生或研究生毕业设计或毕业论文)、参与实验教学改革与创新及完成科研、论文、成果情况。4.院校两级督导学校针对实验教学建立了比较完善的教学质量保证体系,监控机构健全、制度科学、运行有效。实行院、校两级督导,由具有丰富教学经验的专家教授组成,主要对中心教学各环节进行教学检查,对教师和技术人员的教学活动开展全面系统的督查,对教师教学效果和技术人员实验准备情况进行评议,对实验室建设和实验教学改革方案提出建议。5.仪器设备管理学校制定了完备的仪器设备管理制度,涵盖仪器设备申请采购管理、贵重仪器设备管理、仪器设备损坏丢失赔偿管理、仪器设备维修管理、仪器设备报废管理等方面。国有资产管理处负责全校仪器设备的采购、入账、维修、报废等组织工作,设备从申请、购置到安装、验收各环节程序完整。实验室仪器设备总帐由实验室主任指定专人管理,定期进行检查核对,确保仪器设备的帐、卡、物相符,帐、物相符率达到100%。三、虚拟模拟实验的教育效果1.模拟实验教学随着高校的扩招,学生人数增加与实验室条件不足的矛盾日益突出,特别是部分专业的实验多数具有实验仪器成本高、实验涉及放射性、实验环境要求严格、部分实验不可及或不可逆等特点,因此常规实验教学容易受实验设备、实验空间、实验时间、实验内容的限制。通过充分发挥虚拟仿真技术在实验教学的优势,真实模拟大型实验设备和实验场景,使学生通过人机交互的方式在模拟的实验设备、实验场景和软件中开展实验,达到在虚拟现实环境中实现各种预定实验项目的目的,提供与实际操作相类似的实践体验,从而弥补现实条件下无法开展的实验教学工作,达到教学互动、资源共享、不受时空限制、全天候的信息化实验的教学目的。通过虚拟仿真实验教学,可以部分弥补在开展学生实践教学过程中普遍存在的学生人数偏多、实验经费偏少、实践深度不够、范围狭窄等问题,另外可以大幅提高实践教学经费的使用效率,节约实践教学经费。2.实验室建设开放性虚拟仿真实验教学除了对计算机和服务器资源要求较高外,对硬件设备的要求相对较低,因此便于提高实验室的开放程度和开展全天候虚拟仿真实验教学。(1)对实验教学实行多层次、多目的的开放运行机制。实验室面向全校所有的本科生、硕士、博士、教师开放,既服务实验教学计划项目,又服务师生自主设计的创新性实验项目。(2)实验内容开放。充分满足必做项目需求,同时提供选做实验项目以供学生自主选择,支持学生利用课余时间来实验室完成必做或选做实验项目,实验室配备所需实验材料。(3)创新性实验和课外科技活动开放。实验室在完成全校各专业、各层次的实验教学任务的同时,还为课外科技活动小组、参加各级学科竞赛的学生提供实验条件和环境,支持学生利用假期或课余时间,在开放实验室进行项目研究和开发。(4)毕业设计开放。针对学生完成毕业论文时间长(一个学期)、开放任务重的特点,实验室采取多种开放措施:一是设置专门的开放实验室实行全天候开放,包括星期六、星期天和晚上;二是其他实验室在完成各自实验教学任务后,其空余时间为毕业设计学生开放;三是大型精密仪器采取预约开放。(5)教师科研开放:实验室在确保本科教学的前提下统一协调、安排实验场地和实验设备,对教师的科研项目开放。3.以设计形式承担的任务学生利用虚拟仿真实验教学资源参与教师的科研项目,并以毕业设计(论文)的方式承担了相关课题中的理论计算、软件仿真、模拟计算等任务。通过这些课题的训练,增强了学生的实践创新能力,收到了良好的实践教学效果。4.支持科研程序的实现以南华大学核能与核技术工程虚拟仿真实验中心为例,中心依托学校在核能与核技术工程方面已有的先进科研实验设备和丰富的虚拟仿真实验教学软件,实现二者有机结合。一方面将MCNP、NJOY、CITATION、SCALE、DRAGON等核能与核技术工程方面的专业软件用于教学,让学生掌握最为实用的科研程序;另一方面在实验教学中,又自主开发了基于三角剖分的二维特征线程序TSMOC、可求解次临界系统高次Alpha本征函值HARMONY程序、可用于百万居里级大型钴源辐照装置快速优化排源程序SPA等软件系统。实现了教学科研相辅相成,达到了科教相长的有益互补。5.提供了学校的教学资源和仿真软件虚拟仿真实验室具有多学科交叉的特点,同时也是一个可以进行虚拟现实人才实训培养与相关专业课题研究的综合性实践基地。在为本科生提供教学资源的同时,实验室所提供的大量科研仿真软件资源,可为硕士、博士研究生的学历教育提供充分的科研条件,发挥他们的创新意识和分析问题、解决问题的能力。另外,借助该教学实验室可以开展联合办学、发挥潜藏价值、整合