雷 冬，朱飛鵬，殷德順，武清璽

（河海大學 力學與材料學院，江蘇 南京 210098）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及高等學校對實驗教學要求的不斷提高，虛擬仿真實驗教學在高等學校的應(yīng)用日益增多。它可以彌補真實實驗在實驗條件、實驗成本、交互性和安全性等方面的不足［1－7］，與真實實驗教學結(jié)合，相互補充，可以有效促進高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力的提高［8－10］。2013年，教育部正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作，通過建設(shè)具有示范引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續(xù)推進實驗教學信息化建設(shè)，推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新。

河海大學力學與水工程虛擬仿真實驗教學中心是首批入選的100個國家級虛擬仿真實驗教學中心之一。本文以該中心力學虛擬仿真教學實驗室的建設(shè)實踐為例，總結(jié)和探討建設(shè)經(jīng)驗、存在問題和發(fā)展思路，并提出針對力學這樣覆蓋面廣的工科基礎(chǔ)學科的虛擬仿真教學實驗室建設(shè)的一些看法。

1 虛擬仿真教學實驗室的基本情況

河海大學力學實驗教學中心是國家級實驗教學示范中心，面向全校16個專業(yè)，每年服務(wù)約1 800名本科生和約300名研究生的12門力學實驗課程的教學，年實驗人時數(shù)超過80 000人時。按照國家級實驗教學示范中心的建設(shè)要求，中心組建了力學虛擬仿真實驗室，搭建了網(wǎng)絡(luò)信息化管理平臺，開發(fā)了大量虛擬實驗項目和教學資源，逐漸形成了校內(nèi)全部開放、校外預(yù)約開放的虛擬仿真實驗教學模式。

2 虛擬仿真實驗教學的經(jīng)驗和成效

2.1 科學規(guī)劃和統(tǒng)籌實驗室建設(shè)

學校對力學虛擬仿真教學實驗室的建設(shè)進行了科學規(guī)劃，按照“重組基礎(chǔ)、反映特色、融入前沿、綜合交叉”的原則，以理論課教學為基礎(chǔ)，融入最新的工程技術(shù)和科研成果，開發(fā)分層次、多樣化的虛擬仿真實驗項目。在實驗室的規(guī)劃中，充分考慮了力學學科作為工科基礎(chǔ)學科以及河海大學水利專業(yè)的特色和優(yōu)勢，通過融入河海大學力學學科支撐的專業(yè)前沿，進行綜合交叉的實驗項目開發(fā)，讓學生在掌握力學基礎(chǔ)知識的同時提升實際應(yīng)用能力。

經(jīng)過幾年的建設(shè)，該實驗室形成了基礎(chǔ)擴展型、綜合研究型等近20個虛擬仿真實驗項目和超過20GB的與實驗課程有關(guān)的多媒體課件、課堂錄像、影像資料等實驗教學資源［11－14］，體現(xiàn)了基礎(chǔ)知識拓展和綜合應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合、科學研究和仿真實驗資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合、實驗項目建設(shè)與教學資源建設(shè)相結(jié)合的鮮明特色。

（1）基礎(chǔ)知識拓展和綜合應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合。力學是工程學科的基礎(chǔ)，而在各門力學課程知識的學習中，真實實驗項目畢竟有限。學生通過完成基礎(chǔ)擴展型虛擬仿真實驗項目，可以很好地彌補這樣的局限。水利工程是河海大學的特色學科，學生通過各個專業(yè)的綜合研究型虛擬仿真實驗項目，不但將各門力學知識綜合應(yīng)用，而且能夠在綜合應(yīng)用中增強創(chuàng)新意識和能力。

（2）科學研究和仿真實驗資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合。一線科研成果反映了當前最前沿、最重大的工程問題，通過對科研成果的解析與實驗認知，可大大拓寬學生的視野，激發(fā)學生的科研興趣和學習動力，顯著提升學生理論聯(lián)系實際、學以致用的能力，引導學生進行知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。目前中心已經(jīng)有6個典型研究項目轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學項目，實現(xiàn)了已有大型科研設(shè)備的產(chǎn)出成果向優(yōu)質(zhì)教學資源的直接轉(zhuǎn)化，為虛擬仿真實驗教學的開展提供了豐富的內(nèi)容和資源補充，拓寬了虛擬仿真實驗教學的范圍，同時也提升了設(shè)備的使用效益、挖掘了設(shè)備的潛在價值。

（3）實驗項目建設(shè)與教學資源建設(shè)相結(jié)合。力學虛擬仿真實驗教學項目的設(shè)計往往是綜合多種工程背景抽象出來的基本力學問題。教學實踐表明，如果能讓學生在進行抽象力學實驗的時候輔以大量的背景教學資源，不僅可以增強學生對實驗項目和相關(guān)知識的理解，而且可以大大提高學生的學習興趣和創(chuàng)新思維的主動性。實驗室充分發(fā)揮河海大學國家級力學教學團隊和相關(guān)的4門國家級精品課程、4門國家級精品資源共享課的力量，開發(fā)了超過20GB與實驗課程有關(guān)的多媒體課件、課堂錄像、影像資料等教學資源。這些資源的使用有效提高了實驗項目的教學效果。

2.2 多元化配置實驗室的建設(shè)隊伍

人才隊伍是實驗室建設(shè)的基礎(chǔ)，虛擬仿真實驗室的建設(shè)對人才的要求更高，需要進行多元化的人才隊伍配置。為了達到最好的建設(shè)成效，河海大學力學虛擬仿真實驗室人才隊伍配置的做法是：由國家級教學名師擔當實驗室主任，以具有多年實驗教學經(jīng)驗的一線骨干教師為實驗室建設(shè)的主要力量，邀請多位國家精品課程負責人參加實驗教學資源的建設(shè)，邀請國家杰出青年基金項目和國家重大科研項目的負責人參加實驗資源轉(zhuǎn)化和綜合研究型實驗項目的建設(shè)，與高性能計算中心和技術(shù)領(lǐng)先的科技信息公司合作，作為主要的技術(shù)支撐。

2.3 積極實現(xiàn)教學資源的物化與推廣

河海大學虛擬仿真實驗項目已經(jīng)面向全校學生開放。多年的教學實踐證明這種新型實驗課程模式的教學效果明顯，深受學生喜愛。經(jīng)過反復應(yīng)用、修訂，中心編著的《材料力學模擬實驗》和《力學創(chuàng)新與妙用——開發(fā)創(chuàng)造力》等教學資源已由高等教育出版社和高等教育電子音像出版社正式出版發(fā)行，并被20多所學校采用。部分綜合研究型虛擬仿真實驗項目除面向本校學生開放外，已開始對外部高校和行業(yè)企業(yè)進行有償共享。

虛擬仿真實驗教學模式在河海大學對口支援的學校得到了很好的推廣，取得了良好的效果。優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學資源的共享有效提高了學生的學習興趣和熱情，成為課堂教學和理論教學的有效補充，對提高學生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)具有明顯的效果，得到了國內(nèi)眾多高校的認可，也使得虛擬仿真實驗教學中心在區(qū)域乃至全國發(fā)揮了示范和引領(lǐng)作用，擴大了中心的影響。

3 建設(shè)中存在的問題

3.1 多種信息技術(shù)整合不夠

由于實驗室和實驗項目是多年分階段、分模塊逐步建設(shè)積累的，因此，不同階段、不同實驗項目所采用的技術(shù)各有差異。早期開發(fā)的基礎(chǔ)擴展類實驗項目多建立于Director、Flash和Matlab等通用開發(fā)平臺之上；而后期的綜合研究型實驗項目，專業(yè)性和技術(shù)性的要求更高，采用的技術(shù)更加專業(yè)，除了增加展示的3D效果外，在計算方面也嵌入了專業(yè)的分析模塊。這使得將其整合在同一平臺上的工作就變得比較復雜。更重要的是，各個實驗項目大多基于單機操作環(huán)境，需要花費相當多的人力、物力進行網(wǎng)絡(luò)版的改造，才能更方便地通過互聯(lián)網(wǎng)平臺進行更有效、更廣泛的示范推廣。

3.2 教學資源開放共享程度有待擴展

實驗室目前的虛擬仿真實驗教學項目和實驗教學資源主要是面向河海大學在校學生開放共享，部分資源通過出版多媒體發(fā)行物和定點推廣進行共享。按照國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)要求，實驗教學項目和教學資源的開放共享程度需要進一步擴大，推廣到更多的高校和單位，在更大的范圍發(fā)揮示范和引領(lǐng)作用。

4 虛擬仿真實驗室的發(fā)展思路

4.1 進一步加強組織保障和制度建設(shè)

實驗室要保持長期高效的發(fā)展，政策和制度的建設(shè)是重要的保障。

（1）進一步制定和優(yōu)化政策，鼓勵學科帶頭人和高水平教師積極投身虛擬仿真實驗教學，引進高層次人才，提高實驗教學層次和水平。

（2）推行理論課教師從事實驗教學、實驗課教師兼任理論教學，促進實驗教學與理論教學的融會貫通，保證有一支高水平虛擬仿真實驗教學隊伍。

（3）從人員職責、實驗室開放、儀器設(shè)備使用保管、實驗室安全、平臺網(wǎng)絡(luò)管理與權(quán)限管理等方面制定更全面、更嚴格的管理制度和規(guī)章規(guī)范，保證實驗中心運行的高效性和穩(wěn)定性。

4.2 高性能技術(shù)平臺的有效融合

力學作為工科基礎(chǔ)學科，其實驗教學要貼近工程、反映實際，力學虛擬仿真實驗教學也要不斷采用先進的技術(shù)，采用可以進行更復雜數(shù)值模擬的高性能計算系統(tǒng)和具有更真實表現(xiàn)力的三維互動呈現(xiàn)技術(shù)，在更大范圍共享互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并將這些技術(shù)進行有效融合，打造先進的高性能虛擬仿真實驗教學項目開發(fā)平臺。

4.3 開發(fā)精品項目，推動全面開放共享

在強大的組織制度保障和技術(shù)先進的開發(fā)平臺支撐下，有效整合教學、科研、技術(shù)支撐等方面人才隊伍，充分發(fā)揮人才隊伍的特長和優(yōu)勢，圍繞科技前沿和工程實際，開發(fā)更多的精品實驗項目。在國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工程的支持下，推動虛擬仿真教學深入和全面的開放共享，實現(xiàn)共享、共贏和教學示范效果的最大化。

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