虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校中的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校中的應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于計(jì)算機(jī)模仿技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，建立虛擬模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)、真實(shí)模擬大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的虛擬體驗(yàn)。讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行體驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和軟件，并與模擬環(huán)境一起完成各種預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這是虛擬模擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和專業(yè)理論的結(jié)合結(jié)晶。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的目的是實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能,在涉及高危或極端的環(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)練以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件不足或?qū)W生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新訓(xùn)練等情況時(shí),提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,達(dá)到教學(xué)互動(dòng)、資源共享、不受時(shí)空限制、全天候的信息化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。一、“核工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”,南華大學(xué)是一所地方綜合類高校,已建成了很多虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),如核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、機(jī)能學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、有機(jī)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室等。以核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心為例,南華大學(xué)是一所覆蓋核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈核學(xué)科專業(yè)的高校,在“核科學(xué)與技術(shù)”“鈾礦開(kāi)采”和“安全工程”等學(xué)科領(lǐng)域具有鮮明特色與優(yōu)勢(shì),學(xué)校連續(xù)被中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司授予“為核工業(yè)培養(yǎng)和輸送人才突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。學(xué)校擁有核工程類國(guó)家級(jí)“核工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”和湖南省“核工程與核技術(shù)實(shí)踐教學(xué)示范中心”,可以保障全校核類學(xué)科專業(yè)的教學(xué)科研基本需求。同時(shí)在“核工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”下設(shè)有“核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。中心擁有大型存儲(chǔ)設(shè)備,能夠保障網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,校園網(wǎng)100%覆蓋學(xué)校教學(xué)、科研、管理部門所在的建筑物,校園門戶網(wǎng)站對(duì)校內(nèi)外公布虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息,提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)鏈接等相關(guān)服務(wù),已開(kāi)設(shè)基于Internet的互動(dòng)性和演示性虛擬仿真實(shí)驗(yàn),基于校園局域網(wǎng)的互動(dòng)性、設(shè)計(jì)性核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程10余門,涉及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目62項(xiàng)。目前,南華大學(xué)的“核工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”面向全校核物理、核工程與核技術(shù)、核技術(shù)、輻射防護(hù)與環(huán)境工程、核反應(yīng)堆工程、核化工與核燃料工程、放射醫(yī)學(xué)、鈾礦采冶工程等相關(guān)學(xué)科專業(yè),每學(xué)年開(kāi)設(shè)必修或選修核能與核技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)課程達(dá)112000人時(shí)數(shù)/年,且逐年增加。核能與核技術(shù)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)具有特殊性,一些實(shí)驗(yàn)需要在加速器、反應(yīng)堆和大型輻照裝置上才能開(kāi)設(shè),而目前只有中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、輻照中心等單位才具有這些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)是不現(xiàn)實(shí)、不可能的。核物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、輻射屏蔽實(shí)驗(yàn)、放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)、鈾資源提取實(shí)驗(yàn)和磁約束等離子體物理實(shí)驗(yàn)等專業(yè)實(shí)驗(yàn),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(diǎn),依靠通常意義上的“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”無(wú)法開(kāi)展;或是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、臺(tái)套數(shù)不足,影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。針對(duì)上述問(wèn)題,學(xué)校在進(jìn)一步加強(qiáng)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)上,已開(kāi)展建設(shè)“核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。二、管理和運(yùn)營(yíng)1.學(xué)校管理模式學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室實(shí)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、分級(jí)與歸口管理的體制。學(xué)校由一名校長(zhǎng)分管全校實(shí)驗(yàn)室工作,教務(wù)處是南華大學(xué)主管實(shí)驗(yàn)室工作的機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室實(shí)行主任負(fù)責(zé)制,實(shí)驗(yàn)室主任負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的全面工作。2.實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)章制度為保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室規(guī)范、有序運(yùn)行,學(xué)校制定了系列管理規(guī)章制度。現(xiàn)有的規(guī)章制度涵蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室使用管理、儀器設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室安全管理、中心實(shí)驗(yàn)室考核管理等方面。這些制度體現(xiàn)了以學(xué)生為本的宗旨,既嚴(yán)格規(guī)范,又充滿人文關(guān)懷,營(yíng)造了有序、有效、寬松、愉悅的制度氛圍。3.強(qiáng)化中心管理《南華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作人員崗位職責(zé)》和《南華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作人員考核辦法》對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的職責(zé)與考評(píng)作出了明確規(guī)定:教學(xué)一線的教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員與其他職稱系列的人員相比,同級(jí)的崗位津貼每年要高2000~3000元。在職稱評(píng)聘、進(jìn)修學(xué)習(xí)與出國(guó)深造人員選派等方面,都注意向一線的教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員傾斜。中心嚴(yán)格執(zhí)行,并結(jié)合實(shí)際,認(rèn)真抓好德、能、勤、績(jī)?nèi)婵己?考核結(jié)果與崗位津貼、職稱評(píng)定、評(píng)選評(píng)優(yōu)掛鉤。一是德:主要看實(shí)驗(yàn)教師和技術(shù)人員的政治思想表現(xiàn)、道德品質(zhì)和工作態(tài)度,考核其是否熱愛(ài)本職工作,努力鉆研業(yè)務(wù),服從組織安排,遵紀(jì)守法,顧全大局和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。二是能:主要看實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平、管理水平、獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神。三是勤:主要看是否認(rèn)真執(zhí)行上下班制度,并接受檢查和監(jiān)督,要求每位實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員每天進(jìn)行考勤登記,出勤率與個(gè)人的崗位津貼掛鉤。四是績(jī):主要看教師完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量(包括理論課與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)、指導(dǎo)本科生或研究生畢業(yè)設(shè)計(jì)或畢業(yè)論文)、參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新及完成科研、論文、成果情況。4.院校兩級(jí)督導(dǎo)學(xué)校針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立了比較完善的教學(xué)質(zhì)量保證體系,監(jiān)控機(jī)構(gòu)健全、制度科學(xué)、運(yùn)行有效。實(shí)行院、校兩級(jí)督導(dǎo),由具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的專家教授組成,主要對(duì)中心教學(xué)各環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)檢查,對(duì)教師和技術(shù)人員的教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展全面系統(tǒng)的督查,對(duì)教師教學(xué)效果和技術(shù)人員實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況進(jìn)行評(píng)議,對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案提出建議。5.儀器設(shè)備管理學(xué)校制定了完備的儀器設(shè)備管理制度,涵蓋儀器設(shè)備申請(qǐng)采購(gòu)管理、貴重儀器設(shè)備管理、儀器設(shè)備損壞丟失賠償管理、儀器設(shè)備維修管理、儀器設(shè)備報(bào)廢管理等方面。國(guó)有資產(chǎn)管理處負(fù)責(zé)全校儀器設(shè)備的采購(gòu)、入賬、維修、報(bào)廢等組織工作,設(shè)備從申請(qǐng)、購(gòu)置到安裝、驗(yàn)收各環(huán)節(jié)程序完整。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備總帳由實(shí)驗(yàn)室主任指定專人管理,定期進(jìn)行檢查核對(duì),確保儀器設(shè)備的帳、卡、物相符,帳、物相符率達(dá)到100%。三、虛擬模擬實(shí)驗(yàn)的教育效果1.模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)隨著高校的擴(kuò)招,學(xué)生人數(shù)增加與實(shí)驗(yàn)室條件不足的矛盾日益突出,特別是部分專業(yè)的實(shí)驗(yàn)多數(shù)具有實(shí)驗(yàn)儀器成本高、實(shí)驗(yàn)涉及放射性、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)格、部分實(shí)驗(yàn)不可及或不可逆等特點(diǎn),因此常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)容易受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制。通過(guò)充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì),真實(shí)模擬大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,使學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互的方式在模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和軟件中開(kāi)展實(shí)驗(yàn),達(dá)到在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的,提供與實(shí)際操作相類似的實(shí)踐體驗(yàn),從而彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)條件下無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,達(dá)到教學(xué)互動(dòng)、資源共享、不受時(shí)空限制、全天候的信息化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),可以部分彌補(bǔ)在開(kāi)展學(xué)生實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中普遍存在的學(xué)生人數(shù)偏多、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)偏少、實(shí)踐深度不夠、范圍狹窄等問(wèn)題,另外可以大幅提高實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的使用效率,節(jié)約實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)。2.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)開(kāi)放性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了對(duì)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器資源要求較高外,對(duì)硬件設(shè)備的要求相對(duì)較低,因此便于提高實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放程度和開(kāi)展全天候虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)行多層次、多目的的開(kāi)放運(yùn)行機(jī)制。實(shí)驗(yàn)室面向全校所有的本科生、碩士、博士、教師開(kāi)放,既服務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目,又服務(wù)師生自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)放。充分滿足必做項(xiàng)目需求,同時(shí)提供選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以供學(xué)生自主選擇,支持學(xué)生利用課余時(shí)間來(lái)實(shí)驗(yàn)室完成必做或選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)室配備所需實(shí)驗(yàn)材料。(3)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和課外科技活動(dòng)開(kāi)放。實(shí)驗(yàn)室在完成全校各專業(yè)、各層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí),還為課外科技活動(dòng)小組、參加各級(jí)學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境,支持學(xué)生利用假期或課余時(shí)間,在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行項(xiàng)目研究和開(kāi)發(fā)。(4)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)放。針對(duì)學(xué)生完成畢業(yè)論文時(shí)間長(zhǎng)(一個(gè)學(xué)期)、開(kāi)放任務(wù)重的特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)室采取多種開(kāi)放措施:一是設(shè)置專門的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全天候開(kāi)放,包括星期六、星期天和晚上;二是其他實(shí)驗(yàn)室在完成各自實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)后,其空余時(shí)間為畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生開(kāi)放;三是大型精密儀器采取預(yù)約開(kāi)放。(5)教師科研開(kāi)放:實(shí)驗(yàn)室在確保本科教學(xué)的前提下統(tǒng)一協(xié)調(diào)、安排實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)教師的科研項(xiàng)目開(kāi)放。3.以設(shè)計(jì)形式承擔(dān)的任務(wù)學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源參與教師的科研項(xiàng)目,并以畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的方式承擔(dān)了相關(guān)課題中的理論計(jì)算、軟件仿真、模擬計(jì)算等任務(wù)。通過(guò)這些課題的訓(xùn)練,增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力,收到了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。4.支持科研程序的實(shí)現(xiàn)以南華大學(xué)核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心為例,中心依托學(xué)校在核能與核技術(shù)工程方面已有的先進(jìn)科研實(shí)驗(yàn)設(shè)備和豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,實(shí)現(xiàn)二者有機(jī)結(jié)合。一方面將MCNP、NJOY、CITATION、SCALE、DRAGON等核能與核技術(shù)工程方面的專業(yè)軟件用于教學(xué),讓學(xué)生掌握最為實(shí)用的科研程序;另一方面在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,又自主開(kāi)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(wàn)居里級(jí)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(shí)現(xiàn)了教學(xué)科研相輔相成,達(dá)到了科教相長(zhǎng)的有益互補(bǔ)。5.提供了學(xué)校的教學(xué)資源和仿真軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn),同時(shí)也是一個(gè)可以進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)人才實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)與相關(guān)專業(yè)課題研究的綜合性實(shí)踐基地。在為本科生提供教學(xué)資源的同時(shí),實(shí)驗(yàn)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(xué)歷教育提供充分的科研條件,發(fā)揮他們的創(chuàng)新意識(shí)和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。另外,借助該教學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)展聯(lián)合辦學(xué)、發(fā)揮潛藏價(jià)值、整合