优质实验资源共享环境下的虚拟仿真教学实践

王志华，张继红，曹广胜

优质实验资源共享环境下的虚拟仿真教学实践

王志华，张继红，曹广胜

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆， 163318)

结合启动虚拟仿真实验教学中心建设的背景，针对东北石油大学油气储运工程虚拟仿真实验室的发展历程和建设现状，从共享可能性、共享模式及共享成效出发，阐述了该实验室优质资源的开放与共享状况，进而对优质实验资源共享背景下的专业虚拟仿真教学进行了展示。教学实践表明，基于专业综合虚拟仿真训练和学科前沿虚拟仿真认知两个层次的教学模式，初步形成了教学过程的设计与管理举措，构建了教学效果评价与质量监控的方法，提高了学生的创新精神和实践能力，也使实验教学示范中心的内涵建设取得成效，学科专业间资源布局的科学性进一步得到了彰显。

实验资源；开放共享；仿真教学；人才培养

虚拟仿真实验教学作为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，主要依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，以期学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果和人才培养目标[1]。教育部为贯彻落实 《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高(2012)4号)及 《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》的文件精神，在2013年8月就研究决定分年度建设一批具有示范引领作用的虚拟仿真实验教学中心，截至目前，全国已建成200个国家级虚拟仿真实验教学中心。作为学科专业与信息技术深度融合的产物，虚拟仿真实验教学旨在推动高等学校实验教学改革与创新、全面提高高校人才培养质量，但其核心仍在于共享优质实验教学资源[2]。优质实验教学资源的共享能够将有限的资源用于无限的客体，既可以避免资源浪费，而且还可以使资源的效用达到最优，促成高等教育教学的良性发展，从而为实现高校人才培养、科学研究及服务社会3大根本任务提供有益保障[3]。众所周知，近年来，一大批国家级实验教学示范中心的建设与发展有力促成了实验教学资源的共享，尤其是校内实验教学资源的普遍开放与共享。因此，在此背景下，继续坚持 “科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，推进虚拟仿真实验教学中心的建设与发展，多元化开展虚实结合、相互补充的虚拟仿真实验教学，对于拓展实践领域、丰富教学内容、降低教学成本和风险、全面提高学生的创新精神和实践能力均具有重要意义。

1 虚拟仿真实验室概况

东北石油大学石油与天然气工程虚拟仿真实验教学中心入选为2013年首批国家级虚拟仿真实验教学中心，该中心依托东北石油大学石油工程与地质国家级实验教学示范中心，建设有油气井工程虚拟仿真实验室、油气藏工程虚拟仿真实验室、采油采气工程虚拟仿真实验室和油气储运工程虚拟仿真实验室。其中，油气储运工程虚拟仿真实验室建设之初是原油管道系统仿真和油库流程仿真两部分实验教学资源的开发与应用[4]。石油与天然气在储存与运输过程，发生在数万立方米的储罐和数千米长的密闭油气管道中，许多现象无法直接观察和描述，参数难以全部获取，大部分操作又是在高温高压、有毒有害的危险环境下进行，且系统复杂、操作规模庞大、操作成本高。因此，在构建科学化教育教学体系的背景下，鉴于在传统教学中这些环节因受场地、资源限制而无法用真实的实验来实现，学生只能凭想象去理解，缺少感性认识，在一定程度上制约学生创新能力的培养，达不到应有的教学效果，东北石油大学石油工程学院在已有这两部分实验教学资源的基础上，针对石油与天然气集输、净化处理及储存、输运等各项工程，通过不断引入虚拟现实技术，探索解决上述问题的有效途径，力求学生的视野能够穿透工艺设备、管道和时空，直观再现油气储运过程中的存在状态和现象。

目前，油气储运工程虚拟仿真实验室结合本专业所研究和从事的行业领域，以实际工程为背景，初步建成了油气集输环节的 “油气水分离”和“原油脱水”虚拟仿真教学资源、油品储存环节的“油库工艺运行”虚拟仿真教学资源、油气输运环节的 “油品装卸过程”虚拟仿真教学资源、“输油站泵机组切换工艺”虚拟仿真教学资源、“长距离输油管道运行”虚拟仿真教学资源和 “天然气输送工艺”虚拟仿真教学资源，形成了软硬件充分结合、信息化较为完备、资源开放共享的虚拟仿真实验教学平台，有效推进了信息技术与实验教学的深度融合，在本专业学生实践能力、创新能力培养方面发挥着重要作用。

2 实验室资源的开放与共享

开放共享主要是指不同主体对于资源在不同程度上的开放式共同享有、享受和使用[5]。实验室资源的开放与共享包括校内资源的开放共享和校际资源的开放共享。本文主要介绍校内优质实验资源，特别是相关专业实验室资源的共享及其对虚拟仿真实验教学平台搭建所发挥的作用。

2.1 实验教学资源共享的可能性

除了共享的需求外，现代网络技术支持以其特有的交互性、开放性和流动性为优质实验教学资源共享提供了技术上的支持，使得高校内部有了共享优质资源的可能，专业之间的空间位置已不再是资源共享不可逾越的鸿沟。于是，有条件充分利用其他专业各种适合的网络平台或信息资源库，在共享环境下搭建相关教学实践平台。

2.2 实验教学资源共享的模式

借鉴国外学术共同市场、组建联盟及开放网络课程 “慕课”等一些比较成功的共享模式范例[6]，对于优质教学资源的共享，在顶层规划方面，国内主要形成了高校与地方共建的联盟模式，旨在实现资源共享、提高学术水平、抑制过度竞争，以战略联盟的形式推动高校的快速发展[7-9]。不过，在具体运行中，仍然以校内资源共享模式为主，且相对比较成熟，如其特色学科建设成果的共享、优质课程的共享、实验室高端仪器设备的共享等。面对信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法改革的需要，我们结合油气储运工程专业特点和软硬件条件实际情况，以扩展建设操作控制台、投影系统等硬件设施和系统整合相关专业间的信息化实验教学资源为出发点，从网络平台及信息资源库的开放共享入手，进一步拓展这种共享模式，将石油与天然气工程类专业实验教学的运行与管理网络平台及开放性、创新性实验综合信息资源库等教学资源进行开放，并针对本专业所设计的各类虚拟仿真实验教学资源，在拓展接口上进行开发，使不同的仿真教学资源运行在同一台服务器上，共享其中部分软硬件的同时，以低的成本促成了虚拟仿真实验教学平台的搭建，进而形成持续服务实验教学，保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。

2.3 实验教学资源共享的成效

1)以网络通信、信息资源为主的共享体制机制基本形成。虽然在自主权缺乏、管理模式相对封闭、管理理念相对滞后的大环境下，校内资源共享仍然不够完善，但缘于示范中心发展、虚拟仿真实验教学中心建设以及信息渠道更为公开的合力作用，以同一一级学科内专业间网络通信、信息资源为主的共享体制机制基本形成。

2)专业实验室间资源共享意识得以提升，共享制度日趋完善。虚拟仿真实验室建设中虚实结合、相互补充、能实不虚的原则要求，使得资源共享意识普遍提高，尤其是对相关性专业实验室之间。同时，由于信息技术资源对时空没有过多的依赖性，制定的共享制度执行顺畅、可操作性强，且在教学运行及管理中发挥着积极作用，有效保证了实验教学资源开放共享的质量。

3)推动了虚拟仿真实验教学平台的搭建，丰富了虚拟仿真教学资源，提升了优质实验教学资源的使用效益。虚拟仿真实验教学以共享优质资源为核心，因此，这种开放共享又同步会促进虚拟仿真实验教学平台的构建，并丰富教学内容。同时，通过这种开放共享，一方面使资源和经费投入不足的专业可以充分利用本学科其他相关性专业的资源继续完成培养学生的目标；另一方面使优质资源拥有专业充分发挥资源使用效益，避免因使用不足导致的闲置或浪费，从而有效缓解专业建设投入不足、资源分布欠均衡的矛盾。

4)促进了实验教学示范中心的内涵建设，使学科专业间资源布局更具科学性，更为明显的辐射引领效应逐步彰显。通过优质资源的开放共享，使得专业实验教学内容更具层次化、教学方法更加多样化、开设实验更为自主化、对本专业学生的培养更加个性化、教与学的时间进一步自由化、教学管理也更加信息化、学生的综合能力也更向多维化发展，而这正是国家级实验教学示范中心内涵建设的核心与关键。

3 虚拟仿真教学案例

3.1 教学层次和内容的划分

基于实验室现有的虚拟仿真教学资源和平台，按照 “油气集输”“油库设计与管理” “输油管道设计与管理”及 “输气管道设计与管理”等不同的课程及其教学大纲，着眼于学科专业与信息技术的深度融合及学生创新精神与实践能力的培养训练，同时把握以实为本、虚实结合的原则，划分了专业综合虚拟仿真训练、学科前沿虚拟仿真认知两个层次的虚拟仿真实验教学模式。在具体教学内容上，按照油气储运工程背景，依次划分为油气集输工艺与设备虚拟仿真训练、油品储存与装卸工艺虚拟仿真训练、原油管道系统运行虚拟仿真训练和天然气输送虚拟仿真认知。

3.2 教学过程的设计与管理

在教学过程设计中，除了积极探索各种类型实验的优势互补，将动画模拟、虚拟仿真和实物实验进行优化组合外，基于网上构建的实验教学环境，学生访问获取实验相关信息、开展虚拟实验、提交实验报告并与教师和其他学生交流。如图1所示，对于所设计的教学过程，学生可以方便地修正、重组、查验和尝试，既满足了实验的灵活性和有效性的要求，又极大地减少了实验成本和资源消耗。

图1 单体设备与主体工艺的虚拟重组

在教学过程管理中，力求流程化，使学生在最短的时间内进入实验状态，也就是通过对实验课程管理、实验教学设计、实验教学安排、实验前预习、实验过程指导，到最后实验结果的批改、实验成绩的分析等，实现对整个虚拟仿真实验教学过程的全流程跟踪。特别是东北石油大学借鉴其他高校的做法[10-12]，正探索基于网络的流程化管理来有效促进包括虚拟仿真实验在内的专业实验的统一安排、优化组合，以提高实验教学工作的效率和规范，尤其为开放共享虚拟仿真实验资源奠定良好基础。

3.3 教学效果的评价与质量监控

在虚拟仿真教学效果的评价中，对于学生能力的培养，我们目前从两个层面进行评估和反馈。首先是针对教学过程本身，包括学生的操作能力、分析和诊断能力、设计能力及创新能力，在单次实验项目评价的基础上，专业课程结束时举行所有层次仿真的搭建与应用考核，一方面巩固虚拟仿真实验教学内容，另一方面也是对教学效果的整体评价；其次，东北石油大学以与实践环节培养极具关联性的中国石油工程设计大赛为背景和契机，对学生完成的单项与综合方案设计作品进行展示、答辩和评定，全方位监控虚拟仿真教学的效果和质量。

4 认识与展望

总之，在优质实验资源的开放共享下，虚拟仿真实验教学有利于学生实现从知识学习到实验动手的跨越，这种虚实结合、相互辅助的实验教学形式更能够激发学生的学习兴趣，有效提升实验教学的质量。教学实践表明，对工程背景较强的学科专业的学生来说，虚拟仿真实验室的操作环境和实验对象虽然是虚拟的，但都很逼真。在开放、自主、交互的虚拟环境中可以开展更高效、安全，且经济的实验，尤其是对于那些涉及高压力、易燃易爆的高危或极端环境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目，学生的创新精神和实践能力取得明显提高。当然，丰富的虚拟仿真实验教学资源和全新的虚拟仿真实验教学管理共享平台依然是虚拟仿真实验室建设的重要内容，在现有虚拟仿真实验教学环境中进一步重视相关课程和相应实验的扩展，继续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，是实现高层次实验室建设、高质量实验教学和高水平人才培养的一项长期任务。

[1]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8.

[2]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30(12):101-104.

[3]崔媛，武艳君，孙萌萌，等.依托虚拟仿真实验教学中心，培养工程实践能力[J].实验科学与技术，2015，13(2):142-144.

[4]王志华，龙安厚，王利生.仿真系统在油气储运工程实验教学中的开发与应用[J].实验技术与管理，2010，27(10):116-118.

[5]朱飞燕，熊梦辉，周增桓.实验教学示范中心优质资源共享的探讨[J].实验技术与管理，2009，26(12):101-103.

[6]柯森.大学城内高校校际合作办学探究[J].高教探索，2003(4):8-11.

[7]赵树恩，屈贤.工科院校跨域交融实践教学运行模式研究与实践[J].实验科学与技术，2014，12(1):117-121.

[8]吕孝敏，阚绪平，朱华炳.“发现式”实践教学模式探究[J].实验技术与管理，2015，32(1):41-44.

[9]刘景艳，张伟，李玉东.基于开放实验室的大学生创新能力培养[J].实验科学与技术，2015，13(6):166-168.

[10]周洪，刘超，何珊，等.电力生产过程虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31(8):1-8.

[11]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32(12):26-29.

[12]胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015，34(2):140-144.

The Teaching Practice of Virtual Simulation Under The Environment of High Quality Experiment Resources Sharing

WANG Zhihua， ZHANG Jihong， CAO Guangsheng
(College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China)

Combined with the background of starting the virtual simulation experiment teaching center construction，this paper introduces the development course and construction status of virtual simulation laboratory of oil and gas storage and transportation engineering in our university.From the sharing the possibility， sharing mode and sharing effect， this paper expounds the opening and sharing of quality resources of the laboratory，and then displays the professional virtual simulation teaching under the background of the high quality experimental resources sharing.Teaching practice shows that based on the two levels'teaching mode of the professional comprehensive virtual simulation training and frontier virtual simulation cognition，it has formed the design and management initiatives of the teaching process， constructed the method of teaching effect evaluation and quality control， improved the students'innovative spirit and practical ability.The connotation construction of the experimental teaching demonstration center gets result，scientific of the resource layout of the subject major has been further demonstrated.

experimental resources； open sharing； simulation teaching； personnel training

G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.018

2016-02-29；修改日期:2016-10-11

黑龙江省高等教育教学改革项目 “教育信息化视角下石油与天然气工程虚拟仿真实验资源建设与实践”资助。

王志华(1981-)，男，博士，副教授，主要从事油气储运工程专业实验教学与研究工作。