吳元周 呂恒林 姜 濤

（中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院 江蘇·徐州 221116）

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是高校的使命和初心，而本科生作為接觸學(xué)科前沿知識(shí)的高素質(zhì)人才，是國家科技創(chuàng)新的后備軍，因而高校必須注重加強(qiáng)本科生的科研創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。無論是理工科還是管理學(xué)科，試驗(yàn)研究都是本科生培養(yǎng)和科學(xué)研究的重要手段，是培養(yǎng)學(xué)生科研精神和創(chuàng)新實(shí)踐的重要手段。近年來，隨著科技手段的快速發(fā)展，本科生試驗(yàn)已經(jīng)由原來的物理模型試驗(yàn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ驮囼?yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)并重，因而實(shí)體實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)都是高校實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的重心。尤其是近年來，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)因其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)得以快速發(fā)展，漸有超越的勢(shì)頭。但物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何有效融合兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)培養(yǎng)高素質(zhì)本科生，對(duì)高校試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)提出了的新要求。

1 物理模型試驗(yàn)的重要性和不足

物理模型試驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、提升其創(chuàng)新思維、檢驗(yàn)其理論水平的重要手段，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)試驗(yàn)過程和結(jié)果的直觀印象，且能真實(shí)反映各類研究因素的作用效果，因而國內(nèi)外高校都在積極創(chuàng)建各類國家級(jí)、省部級(jí)以及廳局級(jí)平臺(tái)。以中國礦業(yè)大學(xué)為例，先后建成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等5個(gè)國家級(jí)平臺(tái)、23個(gè)省部級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。高層次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提供學(xué)生科研試驗(yàn)、探索實(shí)踐的相關(guān)條件，包括設(shè)備、人員、經(jīng)費(fèi)以及系統(tǒng)的試驗(yàn)教學(xué)體系，從而滿足本科生教育不斷試驗(yàn)探索的過程需求。為有效開展物理模型試驗(yàn)，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室在以下幾方面的作用必不可少：

（1）充足的試驗(yàn)場(chǎng)地和儀器設(shè)備等硬件設(shè)施。試驗(yàn)條件、過程以及結(jié)果是相輔相成的，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室可以提供試驗(yàn)開展所需的試驗(yàn)場(chǎng)地和儀器設(shè)備等硬件條件，使得學(xué)生的科研構(gòu)思得以實(shí)體化，既能檢驗(yàn)其理論水平，還能鍛煉其實(shí)踐能力，從而在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)重要現(xiàn)象，提煉研究的創(chuàng)新點(diǎn)，所謂創(chuàng)新點(diǎn)，就是基于試驗(yàn)過程的試驗(yàn)結(jié)果解釋，即試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)闡釋。

（2）經(jīng)驗(yàn)豐富的指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)。長期的建設(shè)過程，使得本科生導(dǎo)師和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員都具有了豐富的試驗(yàn)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，能夠在本科生試驗(yàn)過程中給予充分的指導(dǎo)，包括對(duì)試驗(yàn)的充分準(zhǔn)備、試驗(yàn)現(xiàn)象的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果的有效分析，加深學(xué)生對(duì)于科研試驗(yàn)的理解和掌握，提高其試驗(yàn)水平和能力。而且，國家級(jí)等高層次的實(shí)驗(yàn)室，能夠吸引高素質(zhì)的科研人員加盟，從而進(jìn)一步優(yōu)化指導(dǎo)隊(duì)伍。

（3）充分的經(jīng)費(fèi)和項(xiàng)目支持。實(shí)驗(yàn)室通過開放運(yùn)行、建立訪問學(xué)者制度或提供開放課題，能夠吸引優(yōu)秀人才開展合作研究，與國內(nèi)外高水平研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)開展穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)性合作或聯(lián)合開展重大國際科技合作計(jì)劃，從而給本科生提供更高的學(xué)術(shù)平臺(tái)和學(xué)術(shù)交流機(jī)會(huì)，接觸學(xué)科前沿理論和技術(shù)。并基于實(shí)驗(yàn)室的科研設(shè)施和儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)庫和樣本庫等科技資源，開展設(shè)計(jì)性、綜合性的自主創(chuàng)新試驗(yàn)研究，從而提高本科生對(duì)于理論知識(shí)的理解程度和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

但隨著本科生數(shù)量增加以及更高層次試驗(yàn)開展的需求，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要進(jìn)一步升級(jí)和拓展提出了更高的要求，但受試驗(yàn)場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)等諸多方面因素的影響，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程緩慢且難度較大。主要存在如下幾方面問題：

（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地需求過大、運(yùn)營成本需求過高。隨著科學(xué)研究的逐漸深入，對(duì)于大型試驗(yàn)的需求日益強(qiáng)烈，逐漸從縮比模型試驗(yàn)向足尺模型試驗(yàn)轉(zhuǎn)變、從構(gòu)件試驗(yàn)向結(jié)構(gòu)試驗(yàn)發(fā)展。大型試驗(yàn)開展必然對(duì)于試驗(yàn)場(chǎng)地和配套的試驗(yàn)設(shè)備都提出了更高的要求，相應(yīng)的運(yùn)營成本也水漲船高。為此，需要對(duì)原有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行更高程度的升級(jí)，造成高校的發(fā)展壓力增加。

（2）試驗(yàn)周期超長。本科生試驗(yàn)從構(gòu)思、設(shè)計(jì)到試驗(yàn)開展，是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要認(rèn)真謀劃和實(shí)施，尤其是試驗(yàn)對(duì)象的制作、試驗(yàn)開展、數(shù)據(jù)分析處理等試驗(yàn)過程。一旦試驗(yàn)結(jié)果不理想，勢(shì)必要完善試驗(yàn)方案并重新開展試驗(yàn)，進(jìn)一步延長試驗(yàn)周期，對(duì)于本科生的心理會(huì)產(chǎn)生一定程度的打擊。而且，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室是共享平臺(tái)，當(dāng)一個(gè)人試驗(yàn)周期延長，勢(shì)必會(huì)對(duì)計(jì)劃使用相同場(chǎng)地或設(shè)備的其他人員造成影響。若多個(gè)試驗(yàn)周期延長，影響將不可估量。

（3）試驗(yàn)設(shè)備維護(hù)難度大。通常情況下，高校實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員主要側(cè)重于儀器設(shè)備的使用和常規(guī)維護(hù)，對(duì)于設(shè)備的定期檢修和專業(yè)維護(hù)卻很難落實(shí)到位，因而通常是聘請(qǐng)生產(chǎn)廠家到校完成，時(shí)間和資金成本較高。尤其是設(shè)備種類繁多，需要投入大量的人力和財(cái)力，導(dǎo)致部分院校存在試驗(yàn)設(shè)備維護(hù)不到位現(xiàn)象。

（4）實(shí)驗(yàn)室安全問題不好保障。部分試驗(yàn)過程中存在一定的安全隱患，如碰撞、易燃易爆物品使用等，對(duì)于試驗(yàn)人員、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室都有會(huì)產(chǎn)生一定的事故風(fēng)險(xiǎn)。近年來，國內(nèi)外高校實(shí)驗(yàn)室先后發(fā)生各類試驗(yàn)事故，造成的各方面損失不可估量。因而，各高校日益加大實(shí)驗(yàn)室安全管理，有時(shí)甚至為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)而不贊同學(xué)生開展某些探究性研究試驗(yàn)。

2 虛擬仿真試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和不足

物理模型試驗(yàn)所面臨的問題，為虛擬仿真試驗(yàn)開展提供了發(fā)展的空間。所謂虛擬仿真試驗(yàn)，是指借助于信息技術(shù)，通過軟硬件的配合，在實(shí)驗(yàn)室將現(xiàn)實(shí)情境進(jìn)行仿真模擬的一種虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)方法。該方法始于上世紀(jì)末，基于VRML虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)、基于Flash的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)、基于Active技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)、基于Java技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)和基于QuickTime VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)等。目前，國內(nèi)外較為成熟的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有TN MVA微軟虛擬學(xué)院的虛擬實(shí)驗(yàn)室、美國奧多明尼昂大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程群、中南大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、國防科技大學(xué)云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。

相比物理模型試驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具體如下幾方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）試驗(yàn)條件設(shè)置靈活，有利于拓寬學(xué)生的自主空間。（2）試驗(yàn)成本相對(duì)低廉，有利于及時(shí)完善試驗(yàn)需求。（3）可復(fù)制性較強(qiáng)，有利于校驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性。（4）年輕教師參與便利，有利于提升實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)隊(duì)伍的綜合素質(zhì)。

雖然虛擬仿真試驗(yàn)具有上述諸多優(yōu)勢(shì)，但試驗(yàn)過程中，如果學(xué)生操作不到位或者實(shí)驗(yàn)室更新不及時(shí)，則難免呈現(xiàn)出如下不足：

（1）對(duì)于軟件的依賴性過多。（2）真實(shí)性差，沒有做實(shí)驗(yàn)的感覺。（3）過于理想化，難以發(fā)現(xiàn)過程中出現(xiàn)的問題。

3 虛實(shí)結(jié)合培養(yǎng)本科生綜合能力

針對(duì)物理模型試驗(yàn)和虛擬仿真試驗(yàn)的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，我們可以物理模型試驗(yàn)為依托，將其與虛擬仿真試驗(yàn)結(jié)合，相互取長補(bǔ)短，利用虛擬仿真試驗(yàn)作為教師輔助教學(xué)的工具、情景創(chuàng)設(shè)的工具和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的工具，做到“實(shí)”中有“虛”，虛實(shí)結(jié)合，從而達(dá)到形象、生動(dòng)、高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，在培養(yǎng)學(xué)生理論水平的同時(shí)增強(qiáng)其實(shí)踐能力，從而培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型本科生。

（1）基于物理模型試驗(yàn)獲取數(shù)值仿真試驗(yàn)參數(shù)。以土木工程專業(yè)試驗(yàn)為例，通過詳細(xì)設(shè)計(jì)并規(guī)范制作物理模型試驗(yàn)所需的試件，并嚴(yán)格按照規(guī)程開展試驗(yàn)研究，獲取原材料和試件性能參數(shù)、約束邊界條件等。在數(shù)值仿真試驗(yàn)時(shí)，采用物理模型試驗(yàn)獲取的參數(shù)替代規(guī)范中的相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果更真實(shí)，而且更好反映物理模型試驗(yàn)的規(guī)律和結(jié)果，避免了兩者間的脫節(jié)。

（2）基于數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)物理模型試驗(yàn)。在開展物理模型試驗(yàn)前，可以先參照規(guī)范規(guī)程進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，初步探究試驗(yàn)規(guī)律和結(jié)果，獲得物理模擬試驗(yàn)所需要的試件幾何尺寸、材料性能、力學(xué)指標(biāo)等參數(shù)，提升試驗(yàn)試件制作的準(zhǔn)確性，并給出試驗(yàn)過程需要注意的變化規(guī)律，提醒學(xué)生在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)注意觀察。

（3）虛實(shí)結(jié)合，有利于提煉試驗(yàn)規(guī)律和分析試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)開展前，指導(dǎo)教師可以將基于規(guī)范規(guī)程的虛擬仿真試驗(yàn)教給學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，一方面可以更好地學(xué)習(xí)數(shù)值仿真試驗(yàn)方法，另一方面有利于學(xué)生直觀了解實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟，提前做好試驗(yàn)準(zhǔn)備。而且，數(shù)值仿真試驗(yàn)可以彌補(bǔ)物理模型試驗(yàn)數(shù)量少的缺陷，虛實(shí)結(jié)合更好反映試驗(yàn)規(guī)律，擴(kuò)大試驗(yàn)結(jié)果量，從而為學(xué)生理解和掌握相關(guān)理論知識(shí)夯實(shí)基礎(chǔ)。

4 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的思考

為有效實(shí)現(xiàn)虛實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合，在加強(qiáng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)同時(shí)，應(yīng)注重從以下幾方面加強(qiáng)虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)：

（1）系統(tǒng)規(guī)劃虛擬仿真平臺(tái)的功能。虛擬仿真平臺(tái)涉及試驗(yàn)需求的軟硬件，為某個(gè)專業(yè)或多個(gè)專業(yè)人才培養(yǎng)服務(wù)，因而平臺(tái)建設(shè)應(yīng)緊密結(jié)合相關(guān)專業(yè)教學(xué)試驗(yàn)要求，構(gòu)建試驗(yàn)開展所需的龐大數(shù)據(jù)庫，包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)開展和結(jié)果分析等多個(gè)層面。平臺(tái)應(yīng)具有物理模型試驗(yàn)結(jié)果錄入對(duì)比端口，為數(shù)值模擬提供初始參數(shù)和結(jié)果對(duì)比。此外，平臺(tái)應(yīng)能通用的設(shè)計(jì)和計(jì)算軟件相匹配，實(shí)現(xiàn)數(shù)值化工程設(shè)計(jì)和虛擬建造，從而增強(qiáng)學(xué)生試驗(yàn)的真實(shí)感。而且，平臺(tái)還應(yīng)提供交流答疑等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同教學(xué)。

（2）注重加強(qiáng)虛擬仿真平臺(tái)的二次開發(fā)。現(xiàn)代科技尤其是新媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)虛擬仿真平臺(tái)提出了新要求，因而需要針對(duì)性的進(jìn)行二次開發(fā)。通過開發(fā)APP等，在手機(jī)、平板電腦等媒體行實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信息瀏覽，如物理模型試驗(yàn)和虛擬仿真試驗(yàn)的項(xiàng)目名稱、場(chǎng)地（虛擬場(chǎng)所）、指導(dǎo)教師介紹，需要提前預(yù)習(xí)的理論知識(shí)或?qū)W習(xí)掌握的軟件，試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇和準(zhǔn)備等。新媒體提供了全方面的開放，便于學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行訪問。

（3）及時(shí)進(jìn)行虛擬平臺(tái)的維護(hù)和更新。隨著專業(yè)知識(shí)和物理試驗(yàn)手段的更新和完善，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)和更新，包括軟件的升級(jí)維護(hù)、配套硬件設(shè)施的增補(bǔ)、指導(dǎo)教師隊(duì)伍的培訓(xùn)和建設(shè)等，真正實(shí)現(xiàn)虛擬仿真平臺(tái)的前沿和創(chuàng)新功能。

5 結(jié)束語

科學(xué)試驗(yàn)是培養(yǎng)本科生的重要手段，包括物理模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真試驗(yàn)兩類，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型本科生，需要有效發(fā)揮科學(xué)試驗(yàn)的作用，虛實(shí)結(jié)合，在夯實(shí)本科生理論基礎(chǔ)的同時(shí)增強(qiáng)其實(shí)踐能力和分析處理試驗(yàn)結(jié)果的能力。為此，需要高校注重實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，有目的地加強(qiáng)兩者間的融合，實(shí)現(xiàn)以人為本的育人理念。