化学仿真虚拟建设项目

PAGEPAGE26项目申报书项目现状（一）项目背景及概述化工行业飞速发展，实验室经费、空间的限制无法真实展现现代企业生产线的真实生产环境，无法满足学生应对复杂环境、解决复杂工程问题的需求，难以实现创新性复合型人才的培养目标。为此，利用现代信息技术等发展成果，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建出高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，进而开展虚拟仿真实验教学。虚拟仿真实验实训中心在职业教育中具有高质高效的效果,也因此受到了教育建设的重视。（二）项目建设必要性分析1.建设化学虚拟仿真实训中心，是学科实验/实训特殊性的需要化学实验/实训运行过程中存在较多问题，受多种因素制约,主要体现在以下几个方面:（1）时间和空间的限制化学实验课专业性强，所需仪器设备多，使实验教学必须在实验室进行，由于实验资源有限，学校一般只在指定的时间为学生提供实验操作训练。实验条件特殊性化学部分实验涉及高危试剂或特殊管理物质,实验材料难以获得对实验条件要求非常高，教师和学生在实验过程中面临较大风险且实验成本过高。（3）实验结果的偶然性化学的很多实验是不可复制的,是不可逆的,存在很大的偶然性。有些实验成功率非常的低，会导致学生的实验兴趣降低以及认知上的误区。2.建设化学虚拟仿真实训中心，是化学职业教育改革的一个重要趋势化学虚拟仿真实训系统以标准规范的化学实验室为背景，通过三维立体的模型效果，全面展示现代化学实验室内不同操作的工作规范与内容，各操作流程、岗位之间关系，以及各类化学实验设备的操作极其内部结构等，尽可能与化学实验真实环境接近，使“仿真性实训”成为可能。技能考核培训系统建立还将有助于改革传统考核方法，全面实施利用客观结构化的考试模式。上述改革将有助于培养学生动手能力、创新能力、信息处理能力等综合能力提高。3.建设化学虚拟仿真实训中心，符合我校现状及发展需要自2017年开始招收大专学生,其中临床医学、药学专业、检验等专业是学校发展规划中重点建设专业。学校在专业建设中投入大量资金，建成了一定规模的供专业实践教学的实验实训室，其中包括无机化学、有机化学和分析化学实验室建设。但是由于一些化学实训设备需要场地大、前期投入大、后期维护费用高以及建设周期长，配备有一定的困难；或者实践教学中学生操作一定的危险性。同时由于设备的专属性强，设备购置的台套数与学生数存在无法解决的矛盾，致使一些实训教学无法有效开展。综上所述，化学3D虚拟仿真实验教学中心按照“虚实结合、互为补充、综合运用、注重创新”的实验教学理念建设，在已有实验室的基础上，利用虚拟实验室完成实际操作的训练、开始实际不易开展的高危实验或训练、展示实验，能作为传统实验的有效补充，有效缓解实践教学资源紧张和课时安排有限的问题，丰富了学生的实践机会，增加了学生实验操作训练强度，为提高学生实际操作能力奠定了基础。（三）项目建设可行性分析1.项目建设具备一定的基础“化学虚拟仿真实训中心”项目的实施，是教学部经历了多年化学学科实验实训建设发展基础上的后续建设，是对现有实验室建设的补充和完善，建成后将弥补有机合成危险实验和无机化学复杂实验的实践教学空白，师生受益明显。2.项目建设的人员保障本项目由我校优秀师资、行业领域专家、化学3D模拟教育领域权威企业组成的建设团队共同建设，有力地保障了项目的建设和实施。项目建设聘请院校与行业的专家为技术团队顾问，我校公共教学部主任全程跟进，国内化学三维仿真教学软件权威企业负责实施，具有强劲的后续建设能力，为项目建设的各个环节提供了保障。3.项目建设的制度保障学校党委、领导班子高度重视项目建设，建立项目建设办公室，设在药学系，具体负责建设项目的日常管理，组织实施项目计划建设内容，研究制订保证建设顺利实施的各项制度与措施，监督、检查项目建设的执行情况，按照有关程序申请项目竣工验收工作等。二、指导思想为深入贯彻党的十九大和全国、全省教育大会精神，全面落实《教育信息化2.0行动计划》《中国教育现代化2035》《加快推进教育现代化实施方案(2018－2022年)》《河南省教育厅等八部门关于加快推进“互联网+教育”的实施意见》等有关文件精神，深入推进“十三五”教育信息化工作，依据服务平台建设大幅提升学校信息化服务教育教学与管理的能力，规范数据的采集、存储、处理、使用、共享等全生命周期管理，保证数据的真实、完整、准确、安全及可用。推进基于大数据的教育治理方式变革，通过挖掘学习者的行为和环境信息，以复杂、多样的分析方式为教育决策与管理呈现精准、可视化的分析结果，进一步提升对教育数据质量的要求。三、总体目标（一）引进优质教学资源，构建教学新模式建成集教学、培训、考核为一体高水平化学教育平台，引进优质核心技能学习资源，满足无机化学、有机化学的实践教学，构建信息化环境下的教学新模式。（二）全面提高学生实践操作能力和化学专业素养依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，有效提高学生学习的积极性和学习效果，填补了学生化学实验操作技能训练的缺失，提高创新精神和实践能力，提高学生化学专业素养，为学生后学医学基础课、专业课的学习奠定坚实基础。（三）培养化学专业教师业务实践逼真的虚拟对象与环境有利于化学教师加强业务实践，提高自身专业操作技能及实践教学水平，将有力推进教师专业技能教学水平的提高；有利于教师在授课过程中，充分利用丰富课程资源及虚拟仿真的现代化实验教学手段，促进学生开展自主学习、探究学习，提高学习积极性和目的性，锻炼和培养学生分析问题、解决问题的能力。（四）示范引领，提升社会服务能力化学虚拟仿真实训室建设，将成为豫北地区医学专科学校化学教学的标杆实训室，将为其它兄弟院校的专业建设起到引领、示范和辐射作用。同时我校还可以依托该实训室向其它院系、兄弟院校、社会企业开展培训，实现资源共享，提高实训室的利用率，充分发挥其使用效益和经济效益。以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以建设信息化实验教学资源为重点，以共享优质实验教学资源为核心，以深化实训教学改革为突破，最终建设成为省内先进、省内同类院校中领先的化学虚拟仿真实验实践教学与化学新技术、新方法培训基地，培养更多高素质的综合性医学人才。建设内容（一）项目总体性介绍通过开设虚拟仿真教学实验室，配备60台计算机，专门用于开展化学虚拟仿真实验教学工作。通过采购及合作开发的方式，建设一系列化学虚拟仿真软件。虚拟仿真软件建设包含有机化学（熔点的测定、萃取和洗涤、常压蒸馏及沸点的测定、水蒸气蒸馏、葡萄糖比旋光度的测定、乙酰水杨酸的制备、茶叶中咖啡因的提取、乙酰苯胺的制备、乙酸乙酯的制备、有机化合物的性质等），无机化学（常见金属离子、非金属离子分离和的鉴定、硫酸亚铁铵的制备、醋酸解离常数的测定、化学反应速率与活化能的测定、氧化还原反应、酸度计的使用、配合物的生产和性质、非金属元素、溶液和缓冲溶液的配置、溶胶的制备及其性质、药用氯化钠的精制等）。所有虚拟仿真软件集成于一个软件平台内，平台建设包含知识点模块、模拟仿真模块、考核模块和教师管理模块。（二）项目具体建设内容1.化学检测实验室构建依据实验室实际布局搭建化学检测实验室模型，模拟整个化学检测实验室场景，包括试验台操作区、通风橱等，房间内放置相应的设备，场景高度仿真，包括设备标识等内容与真实场景完全一致。实验室局部展示实验室场景展示实验室设备展示2.化学检测设备及使用化学检验常用设备的使用方法模拟，如恒温干燥箱、水浴锅、称量天平等设备的模拟操作，让学员在操作模拟的过程中掌握仪器使用方法。电热恒温干燥箱天平称量过程展示数显恒温水浴锅3.化学合成实验流程仿真学员沉浸在场景中，通过与仪器试剂等的交互，模拟常见有机实验，实验过程中可自主选择实验仪器药品、自由搭建实验装置。自主搭建实验装置软件启动（1）知识点讲解软件中含有对实验相关知识点的讲解，包含实验目的、实验原理、实验仪器及药品、实验步骤等。知识点讲解（2）仪器器材库软件包括仪器器件库、药品库和辅助器材库，里面涵盖有所有实验用到的仪器和药品，供学生自由选择使用。仪器器材库（3）自由操作模式软件操作采用FPS（First-personShooter）操作方式，学生以第一视角进入实验室进行操作，便于学生快速进入角色。学生可以在高度仿真的实验室场景中进行场景漫游，并可以根据实验要求，任意选择仪器和和药品，自由组合实验装置进行实验，在虚拟实验室中自主完成所有的实验操作。实验过程展示（4）反应过程监控软件具有药品库和反应库，可查看容器内药品属性，并能动态监测装置内环境状态及反应过程。反应过程动态监控（5）操作指导与评价具备先进、完善的操作评价模型，能针对每个实验项目的操作过程进行自动的客观评价，记录模型变量和用户操作，写入到本地配置文件。辅助评分软件具有量化评价系统，可根据操作过程中的药品及试剂取用量、反应条件及反应产物、产物产量等进行打分评价。3.虚拟仿真实验平台智慧教学管理平台依托校园网络，借助物联网、虚拟仿真技术、云计算、移动互联网等技术进行搭建，切实满足高校实验资源、教学团队、实验教学等智能化管理需求，通过科学精益的管理方式提高实验室的运行效率和质量。根据实际教学工作管理模式，平台设置了科学合理的功能模块，为高校师生营造一个智能高效的实验教学环境。其中预约共享系统：实验室管理、在线预约、预约审批管理。智能安全监管系统：硬件设备管理、实验室动态监控、实验室智能管理、门禁权限、温湿度气体监控、智能电源管理。智慧教学系统：虚拟仿真资源管理、知识点资源管理、理论题库管理。智慧实验课程中心：实验课程管理、智慧实验课堂、交流互动。系统管理：系统管理、角色管理、用户管理、资源管理、通知公告管理。（1）室预约共享系统预约共享系统有效整合学校实验室优质资源，建设学校实验资源统一网络化管理；实现实验虚拟仿真学习-预约-授权-上机操作一体化管理；实现教师对学生上机操作进行远程视频监督指导，实时在线交流。①实验资源管理基于学校实验资源复杂程度，平台提供多人和多种管理级别的管理负责方式，该模块实现对职能部门-实验室两级机构的实验资源汇总和管理，实现相关数据的自动化采集和展示。②实验室管理：实验室的创建、日常信息维护、分配管理员、设置开放状态等功能。基本信息管理：日常信息维护功能，可设置定期保养预警功能，到期自动提醒工作人员跟进。操作规范管理：编辑管理仪器设备操作流程、操作规范，实现上机操作有章可循，减少学生误操作。通知公告管理：编辑管理实验室相关通知公告，实现实验室状态公开化。③预约管理根据仪器设备状态及实验教学计划，合理设置设备预约时间，实现实验资源最优化利用。a.预约规则设置：实验室管理员可以根据实际实验资源情况设置可供用户预约使用的仪器设备和工位，设置不可预约时间等功能。b、预约审批：管理员在线查看学生预约申请并进行审核，管理员可根据实际情况修改预约时间或取消预约。④在线预约平台集中展示可预约实验室或设备信息，学生可方便获取仪器信息及预约情况，并进行在线预约。信息展示：展示实验室信息列表，快速查找所需信息；实验室门户展示详细信息，包括基本信息，操作规范、通知公告，帮助学生快速了解情况。在线预约：预约情况以日历形式直观展示，学生可以快速获得已预约时间段；学生直接以拖拽的方式选择预约时间，提交预约即形成预约记录，提交至管理员进行审核；审核前，可撤销预约申请。（2）智能安全监管系统平台借助多种智能传感装置实现对实验室环境进行全天候的监管；通过与实验室相关配套设备无缝对接，实现远程控制，从而提高实验室无人值守智能化管理，达到减少能耗及管理员工作量的目的。（3）实验教学系统实验教学系统实现对实验教学资源进行统一管理，并根据各教学单位实际需要进行资源分配，实现实验教学资源的整合和优化配置，不断加强学校实验教学资源管理的顶层设计与统筹规划。①虚拟仿真资源管理虚拟仿真资源管理实现管理员对虚拟仿真软件的统一管理和分配功能。分类管理：创建、编辑、删除软件分类；由管理员创建规范的软件分类目录。软件管理：上传、编辑、删除虚拟仿真软件，每个软件包括item文件、安装包、相关文档、相关视频、软件图片各部分文件。软件分配：包括以下两种实现方式（1）为组织机构添加需要的仿真软件；（2）将仿真软件分配到特定机构供教师进行教学应用。②理论题库资源管理理论题库管理实现管理员对理论试题的统一管理和分配功能。教师可以应用分配到机构的题库，可创建自己的理论题库并上传题目。题型管理：管理员用户管理平台理论试题题型，包括新增、编辑、删除题型；题库管理：用户创建管理题库集，为题库集添加、编辑、删除题目，批量导入导出题目；校/院级管理员和教师可以将题库分配给指定机构供教师进行教学应用。③知识点资源管理知识点资源管理实现校级和院级两级管理员对其他常用格式教学资源的统一管理和分配功能。教师和实验室管理员可以应用分配到机构的资源，也可创建自己的知识点资源。分类管理：创建、编辑、删除知识点分类；创建规范的知识点分类目录。知识点管理：上传、编辑、删除知识点资源，资源类型可包括视频、FLASH、PDF、WORD等。知识点分配：管理员和教师可以将知识点资源分配给指定机构供教师进行教学应用。④试卷管理理论试卷：涉及理论试卷、仿真试卷两种试卷类型，功能包括试卷分类、创建/编辑/删除试卷等。试卷分类：管理员用户可以添加、编辑、删除试卷分类。试卷管理：包括创建、编辑、删除、查看、停用/启用理论试卷。理论试卷管理内容包括基本信息、时间设置、试卷安全等基本设置，阅卷人、试卷题型等高级设置，抽题题库、知识点、题目数量、及格分数等试卷策略；查看试卷题目及解析，支持自动/手动两种方式更换试卷题目。仿真试卷管理：增删改查虚拟仿真试卷，包括设置试卷基本信息，添加培训项目，设置项目具体要求等内容。（4）智慧课程中心智慧实验课程中心能实现教师创建管理实验课程，实验室管理员根据课程安排进行实验室设备准备、学生在线选课、参加课程学习等功能。①课程管理教师根据实验教学要求利用虚拟仿真资源、视频、题库等线上教学资源以及实验室、实验仪器等线下教学资源创建实验课程。通过平台，教师可以将课程根据教学要求分配给对应班级，或者开放课程报名通道，实现学生在线选课。分类管理：创建、编辑、删除实验课程分类，方便课程管理。用户可以根据教学目标或教学任务创建课程，可以将课程概况、目标、大纲以及考核方式等内容通过课程基本信息呈现给学生用户，帮助学生用户快速了解该课程的大致概况以助于其快速掌握课程内容。课程内容编辑：课程内容以章节的形式进行编排，支持无限级目录结构的创建，可以更加形象、具体地展示课程内容结构，帮助用户快速建立完整的知识结构体系。章节内容支持以下形式：知识点：添加一个或多个知识点视频或文档作为该课程章节的学习内容，MP4或pdf文档支持在线浏览查看，其它类型支持下载到本地自行查看浏览理论题库：添加一个题库作为内容，该章节会要求用户刷题练习，系统会实时保存用户的答题情况，统计正确率、错题率等。理论试卷：添加一个理论试卷作为章节内容，该章节会要求用户对该试卷作答，系统会自动记录每一道题目的答题情况及最终成绩仿真软件：添加一个仿真软件工况作为章节内容，该章节会提示用户启动仿真软件进行操作，系统会记录其操作时间、时长及成绩仿真试卷：添加一个仿真试卷作为章节内容，该章节提示用户先后操作多个仿真软件进行操作，系统记录每个软件的操作成绩及总成绩。实验室预约：添加一个实验室作为章节内容，学习该章节时系统会提示用户预约实验室，系统会记录其预约的时间及时长；常用于过关模式下，前面章节的理论知识点学习通过后，预约实验室进行线下实验。仪器预约：同上（实验室预约）课程任务：添加一个课程任务作为章节内容，教师添加课程任务时填写任务内容及描述，学生学习该章节时按照任务描述线下完成，然后将任务结果以电子版的文档形式上传到该课程章节，最后教师下载查看学生上传的文档并线上评分作为学生的任务得分。课程证书：添加一个证书模板作为章节内容，用户查看该章节内容时系统会根据证书模板自动生成一个对应样式的证书，可以在线查看或下载。实验报告：添加一个实验报告模板作为章节内容，学生学习该章节时根据实验报告模板内容填写自己的实验报告，教师可以在线查看批改学生提交的实验报告并评分。课程管理：教师可以将课程分配给班级开展课程教学；查看、管理参加课程学生信息列表；查看学生课程学习日志信息；查看学生课程资源成绩信息；查看批改学生实验报告；设置课程证书。课程考核：支持设置考核规则闯关模式或综合成绩统计模式；考核通过可设置发放电子证书。②智慧实验课堂线上预习：在线学习线上实验教学资源，操作虚拟仿真软件，参加课程考核，成绩合格获得准入证书，获得实验资源预约资格。实验设备预约：在线预约设备；支持查看设备预约情况，设置预约时间、提交预约申请等操作；智能门禁系统：平台采集学生面部图像数据，传输至人脸识别设备，根据设备预约信息，实现设备智能开启。远程控制：实验过程中的设备数据或报警信号上传至平台，教师可以通过系统查看设备数据对学生进行有效指导，甚至强制实验设备停机。通过视频监控画面远程监控学生上机操作。在线视频答疑：学生端：通过设备端显示器，支持学生查看设备表盘数据，支持学生与教师进行视频通话，实现智能远程实验教学指导。教师端：提供在线答疑移动端APP，支持教师查看课程列表，实时查看上机操作学生信息，设备表盘数据，支持与学生进行视频通话，提供实验指导。提交试验结果：学生在线编辑实验报告内容并提交至教师端，支持学生上传实验报告文件，数据截图等实验结果相关文件。③交流互动管理通过websocket技术，课程内的学员和教师之间可以实时聊天，聊天内容支持文字、图片、文件等，讨论交流课程学习过程中遇到的问题，通过实时互动交流的方式不仅可以帮助学生快速解决问题，还可以激发学生的学习兴趣。学生可以对课程进行评分、评价，方便教师更好搜集学生意见，优化课程内容，提高课程质量，更好地实现教学任务。（5）系统管理系统管理主要包括角色管理、组织机构、用户管理、日志管理等模块，实现对系统的有效管理。组织机构管理：为方便管理员进行人员管理，系统提供了组织机构管理模块，通过该模块管理员可以进行添加、编辑、删除组织机构等操作，搭建管理框架。角色管理：根据实际实验教学需要，管理员可以创建角色，并为其分配权限和功能模块，满足学校实验教学特色化管理。用户管理：根据设置的角色，系统提供了用户管理模块，通过该模块管理员可以对管理员、教师、学生等角色的用户进行添加、编辑、删除、导入、导出等操作，完成对用户的管理。日志管理：管理员用户可以查看用户操作日志，方便管理。在线管理：查看在线用户，对异常登录的用户进行强制下线操作。系统功能框架图学生学习页面展示图五、资金预算及主要用途（一）项目预算筹措方案本项目计划投入X万元建设资金，资金主要来源于财政拨款和学校自筹，其中申请财政拨款X万元，学校自筹X万元。（二）项目预算明细表化学虚拟仿真实训中心项目预算明细表单位：万元设备名称／支出项目实验内容／支出用途概述单位单价数量金额基础化学实验中心虚拟仿真软件有机实验室3D仿真软件套3.31033无机实验室3D仿真软件套3.31033虚拟仿真实验平台套20120电脑台0.696142.09六、项目实施组织及进度安排（一）项目实施组织本项目由我校化学和计算机专业优秀师资、我市化学专业优秀教师组成的建设团队共同建设，有力地保障了项目的建设和实施。项目建设聘请专家为技术团队顾问，我校计算机中心老师全程跟进，国内3D模拟三维仿真教学软件权威企业配合实施，具有强劲的后续建设能力，为项目建设的各个环节提供了保障。（二）进度安排项目建设包括以下阶段：整体规划、立项阶段、设计阶段、实施阶段、评价阶段。第一阶段：整体规划（20日历天）。第二阶段：立项阶段（10日历天）。第三阶段：设计阶段（10日历天）。第四阶段：实施阶段（30日历天）。第五阶段：评价阶段（31日历天）。**年3月底完成项目最终的建设方案、再次论证和招标材料的准备；**年7月前完成招标；**年12月底以前完成项目建设。七、预期效益分析通过对化学虚拟仿真实训中心的建设和应用，最终实现学生、教师、学校、企业和社会多方受益，使职业教育的发展将更多地得到社会的关注与认可，形成优质办学条件和办学效益的良性循环。通过化学虚拟仿真实训中心建设及推广应用，引领卫生职业教育化学及相关公共课程教学改革，推动教学模式、学习模式的变革，促进技能型人才培养质量的整体提升。建成的实训中心最终将成为为自主学习、教学、科研、培训、咨询提供服务的学习、交流平台。化学仿真实训基地建成后，该系统完成后不仅为教师提供实训授课的良好工具，而且可以利用网络让学生开展自主学习，将原来繁复的现场讲解、演示委托给了计算机，利用虚拟仿真具有的可重复性与自动引导性，加强了学生的学习效率，较大地扩展了学生的视野。仿真系统的使用，使得整个实训过程可以在较少学时、较少师资、较少费用支出的情况下，达到理论教学与技能教学相统一的目标，让学生的自主学习、自主探索、反复训练与教师的引导良好地结合起来，整体