材料虚拟仿真实验中心建设及共享的思考与实践

贠 冰, 孙建林, 熊小涛, 毛璟红

(北京科技大学 材料国家级实验教学示范中心, 北京 100083)

教育部于2005年起,在全国范围的高等学校中开展了国家级实验教学示范中心建设和评审工作,实验教学示范中心的建设,极大地推动了我国高等学校实验教学改革和实验室建设,促进了高校优质教学资源的整合和共享。随着我国高校实验教学示范中心建设工作的深入进行,虚拟仿真实验中心的建设为实验教学示范中心建设工作引入了新的内容。2013年起,教育部又开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作,虚拟仿真实验教学中心建设工作中优质实验教学资源的共享及其辐射效果占有重要的地位,既要具备能体现自身学科优势和专业特色的虚拟仿真实验教学资源,同时还要建设便捷高效的虚拟仿真实验教学资源开放共享机制[1-2]。

1 虚拟仿真实验教学资源建设

1.1 建设的必要性

在高等学校的教育和教学改革中,为了达到提高学生自主学习能力及创新能力的目的,借助于网络及数字技术,教师采用了多种新型教学手段进行授课,如开放课程、大规模在线开放课堂(MOOC慕课)等,这些开放性的交互在线学习方式,充分调动了学生的学习兴趣,符合个性化自主学习的要求,彻底改变了以往的教学方式,使各地的不同人群可以不受时间空间的限制共享优质教育资源。进行虚拟仿真实验资源建设,可以构建适应自主学习需求的实验教学平台,建立能够远程访问的虚拟实验环境,便于学生能够及时、灵活地获取优质虚拟仿真实验资源,同时通过虚拟仿真实验教学平台的交流互动及评价功能,加深学生对知识的理解和掌握,获得良好的教学效果[3]。

此外,在高校本科的实验教学中,一些实验项目在开设时往往面临着困难,如:因场地限制,某些必要的大型综合教学实验无法开展；因实验所需时间过长,某些教学实验难以在规定的课时内观察到实验结果；某些需要在超高温、超低温、超高压等特殊极端环境中进行的实验；某些需要观察微观变化的实验；某些实验内容和方法存在着较大危险性的涉及到诸如放射性物质或有毒、易燃、易爆化学品的实验[4-8]。另外,传统实验室搭建环境相对复杂,实验成本高,实验设备和环境需要持续的人力和经费投入进行维护,传统实验设备的老化对于实验内容的及时更新造成了瓶颈。虚拟仿真实验教学方式对于上述问题提供了良好的解决方案。

1.2 虚拟仿真实验教学资源建设的指导思想

教育部在相关文件中指出,虚拟仿真实验教学中心建设的指导思想是坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”[1],因此,在虚拟仿真实验教学资源建设时要以特色的优质实验教学资源为依托,科学地规划虚拟仿真实验教学资源建设的内容,同时把实验教学资源的充分共享作为建设工作的核心,以富有特色的代表性实验教学资源作为信息化建设重点,从而进一步提高实验教学资源的使用效益,为实验教学资源信息化建设持续进行打下坚实基础。

1.3 虚拟仿真实验资源建设的要点

虚拟仿真实验教学资源建设应充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则[1],虚拟实验应该具备真实实验没有或难以完成的教学功能,是实验教学的补充手段和扩展,从而提高实验教学的效果。

材料科学的学科特点决定其对学生的实验、实践能力有较高的要求,实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节。我校材料国家级实验教学示范中心在进行虚拟仿真实验教学资源建设时,考虑到要充分体现本学科实验教学的要求,建设材料虚拟实验教学资源是依托材料学、材料物理化学、材料加工工程3个专业,根据教学计划,结合专业课程教学实际需要,科学规划建设内容,凝练出最具代表性的实验项目,包括将抽象微观的实验过程、科研成果转化为实验教学项目以及校内无法开展、可以进行生产线搭建的工程综合实验,作为实验教学内容的组成或作为实践教学的一部分。

进行材料虚拟仿真实验资源建设时,要精心选择先进的数字信息技术对规划出的实验项目进行数字可视化处理,在满足经济性原则的基础上追求最佳的视听效果,从而增强虚拟实验的浸入感和对学生的吸引力,同时,引入大量的人机交互操作。我校材料虚拟仿真实验教学平台具有选择、反馈、提示等功能,通过多种交流手段促进学生获得满意的自主学习成果。

进行材料虚拟仿真实验资源建设时,还要坚持“虚实结合”的原则,对于具备现实条件的实验只进行实体实验室实验,材料虚拟仿真实验针对:某些无法观察微观变化的实验,如“Fe-Fe3C相图与显微组织观察”等；因实验课学时、实验场地的限制,实验课学生的样品及实验次数有限,达不到全面自主实验的要求的实验,如“结构钢的成分、工艺、组织与性能综合热处理实验”；要在完成一次实验测试需要10多个小时的大型仪器设备上进行的实验,如“气体吸附BET法测定固态物质的比表面积”。通过虚拟实验资源建设可以弥补现实实验资源的不足,帮助学生熟练地掌握大型仪器设备的原理与实验操作过程,同时提升实验教学效果。

2 虚拟仿真实验资源共享

2.1 虚拟仿真实验资源共享的意义

传统实验室受限于场地和时间的制约无法实现广泛资源共享,而虚拟仿真实验可以打破时间、空间的限制,使用者能够随时、多次反复访问虚拟仿真实验教学资源,虚拟实验资源共享不仅提高共享度和受益面,极大地节约了实验教学的成本,也是未来远程教学、自主学习的必要条件。

虚拟仿真实验教学中心建设的另一个主要工作是虚拟仿真实验教学资源的有效共享。这就要求相关高校在建成优质虚拟仿真实验教学资源之后,建立一个合理可行的机制,制定资源使用费用标准和支付渠道；充分宣传,扩大影响,引导用户选择使用,拓展使用范围。收取的使用费用,可以用来支撑开发新的虚拟仿真实验教学资源和相关服务支出,产生合理、应得的利润,形成实验教学资源使用、推广、研发的良性循环,促进虚拟仿真实验教学资源共享的可持续发展。同时鼓励校企合作,探索校企共建共管的新模式和新途径,以虚拟仿真实验教学资源的充分使用和更大范围开放共享为目标,建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系[7]。

2.2 虚拟仿真实验资源共享面临的问题

目前,从各高校开展虚拟仿真实验教学中心建设的情况来看,虚拟仿真实验教学资源的共享工作仍然处于起步阶段,存在着许多问题和阻碍,比如不同高校所拥有的实验资源不均衡,而且拥有的大部分资源没有自主知识产权、没有统一的技术标准和规范等,尤其是在制度层面,亟待建立起有利于资源开放共享的管理体制和运行机制[7-10]。

2.3 虚拟仿真实验资源共享的要点

虚拟仿真实验教学中心建设中，材料虚拟仿真实验教学资源的共享主要是从材料学科的实验教学需要出发,要服务于多个专业、多个学校、多个地区。以我校材料国家级虚拟仿真实验教学中心为例,建设虚拟仿真实验平台时即为共享材料虚拟仿真实验资源提供了多种途径,除了通过校园网络访问之外,为了便于在不具备网络条件的环境中运行,还根据不同的使用需求开发可以在单机运行或光盘运行的版本,方便材料虚拟实验在不同条件下使用。

为了服务多个学校、多个地区,需要建设一个实验教学资源开放共享的信息平台,提供各类优质实验教学资源的信息,便于有需求的用户查找、了解及使用资源,为实验教学资源共享提供一个沟通的桥梁,同时通过该平台的检索也可以避免重复建设,提高教学资源的使用效益,为此,我校材料虚拟仿真实验教学中心专门建立了一个公共的虚拟实验共建共享平台(见图1),目前已有19所国内材料学科相关高校加入了该平台,资源共享效果显著。

图1 材料虚拟实验光盘版及材料虚拟实验共享网站

此外,在材料虚拟仿真实验教学中心的建设工作中发现,通过与高新技术企业紧密合作,将虚拟仿真实验教学资源的开发更新和虚拟仿真实验平台的保障环节剥离出来,由专业化的企业提供更优质的服务,将企业的效益观念与高校的教学需要结合起来,采用市场化的方式广泛推广虚拟仿真实验资源的应用,也是虚拟仿真实验教学资源共享的有效方法。

3 结语

通过材料虚拟仿真实验中心的建设实践发现:

(1) 取得虚拟仿真实验建设成果必须首先要充分反映学科的要求和特点,科学规划建设内容；

(2) 要与信息技术紧密结合,把优质实验资源数字化、网络化、智能化；

(3) 要坚持虚实结合的原则,提升实验教学效果。

虚拟仿真实验教学资源的共享也是材料虚拟仿真实验中心建设的重要内容:

(1) 可以避免重复建设,提高教学资源的使用效益；

(2) 提供多种访问途径,创建开放的共建共享信息平台；

(3) 与高新技术企业紧密合作广泛推广应用等都是虚拟仿真实验教学资源共享的有效方法。