范佳民， 石先陽， 晏紹飛， 許仁鑫， 高 毅

（安徽大學(xué)a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.生態(tài)與環(huán)境國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，合肥 230601）

0 引 言

提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展的目標(biāo)［1-2］，因此，全國(guó)各高校都在積極開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作，必將對(duì)我國(guó)高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極作用［3］。生態(tài)環(huán)境類實(shí)驗(yàn)課程具有綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間、對(duì)象、季節(jié)、儀器臺(tái)套數(shù)和物理空間的制約，甚至有些實(shí)驗(yàn)還涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，存在部分實(shí)驗(yàn)必須開展但無法開展或無法有效開展的問題［4-7］。這些特點(diǎn)及問題嚴(yán)重制約了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，也嚴(yán)重影響了學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境相關(guān)專業(yè)的發(fā)展和高素質(zhì)人才的培養(yǎng)的弊端越來越突出。因此，必須要對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合運(yùn)用信息與通信技術(shù)，在信息空間中構(gòu)建高度仿真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，提供類似于實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體驗(yàn)與效果，具有近似、抽象和間接的特點(diǎn)，并在可視性、交互性、安全性、可擴(kuò)展性與可共享性等方面具備優(yōu)勢(shì)，是對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充與完善［6-8］?；诖耍倚Ｔ凇吧鷳B(tài)與環(huán)境國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”和數(shù)字校園的基礎(chǔ)上，整合已有資源，依托多種平臺(tái)，組建了“生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（以下簡(jiǎn)稱“中心”）。

1 生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建

生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心以全面增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力、提高本科教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)社會(huì)服務(wù)為宗旨，注重仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相融合、教學(xué)與科研相互動(dòng)、校內(nèi)與企業(yè)相銜接，按照“虛實(shí)載體結(jié)合、虛實(shí)對(duì)象結(jié)合、虛實(shí)手段結(jié)合”的建設(shè)思路［8-10］，對(duì)環(huán)境與生態(tài)學(xué)專業(yè)相關(guān)課程中現(xiàn)實(shí)條件不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相融合的教學(xué)體系［11-12］。

1.1 中心主體框架

學(xué)校校園網(wǎng)的建設(shè)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與教學(xué)提供了良好的平臺(tái)，學(xué)校設(shè)置了專用的服務(wù)器用于網(wǎng)絡(luò)課程、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使用。圖1 為中心主體框架。生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和支撐平臺(tái)兩大模塊。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源主要包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)資源、專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)資源、大型儀器虛擬仿真教學(xué)資源、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)資源和生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)資源5個(gè)方面。為了實(shí)現(xiàn)虛擬仿真對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的促進(jìn)和輔助作用，依托生態(tài)與環(huán)境國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、環(huán)境污染控制與生物修復(fù)技術(shù)財(cái)政部特色學(xué)科實(shí)驗(yàn)室、生物資源保護(hù)與利用財(cái)政部特色學(xué)科實(shí)驗(yàn)室、濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和安徽大學(xué)礦區(qū)環(huán)境修復(fù)與濕地生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心等實(shí)體平臺(tái)，確保學(xué)生在進(jìn)入相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)對(duì)儀器設(shè)備能夠了解充分，減小儀器設(shè)備的損壞率和保護(hù)學(xué)生自身安全。同時(shí)，學(xué)生在實(shí)際操作時(shí)有新的靈感也可以先從仿真中心進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行實(shí)際操作，真正實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”。

圖1 生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心總體框架

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

已建和在建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源包括5 大類，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目60 個(gè)。具有逼真的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備、逼真的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、逼真的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、簡(jiǎn)易的操作、雙向交互的指導(dǎo)功能，逼真的數(shù)據(jù)記錄和處理等功能和特點(diǎn)［13］，其具體情況見表1 和圖2。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源分類

圖2 AAO工藝流程和污水處理廠3D仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

為推進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，充分發(fā)揮信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的作用，中心以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代教育技術(shù)為手段，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支撐，以虛擬實(shí)驗(yàn)室為核心，通過實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約的方式，構(gòu)建了開放實(shí)驗(yàn)室模式下的學(xué)生實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支撐系統(tǒng)。通過中心網(wǎng)站，學(xué)生可以了解中心的日常動(dòng)態(tài)、實(shí)驗(yàn)安排和當(dāng)前儀器設(shè)備閑置情況。通過登錄大型儀器共享平臺(tái)，全面實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)共享，便于查詢?cè)O(shè)備使用狀態(tài)和預(yù)約，極大提高大型儀器設(shè)備的利用率。

1.4 教學(xué)管理平臺(tái)建設(shè)

以中心網(wǎng)站為載體，建立開放式教學(xué)管理平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果的強(qiáng)化、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果的評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)管理的網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)代化，進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和內(nèi)容改革的深化效果。

（1）平臺(tái)整體構(gòu)架（見圖3）。

圖3 生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真中心教學(xué)管理平臺(tái)

（2）學(xué)生。學(xué)生使用系統(tǒng)初始賬號(hào)student、密碼123 登錄學(xué)生中心頁面，也可以由老師建立的學(xué)生賬號(hào)登錄。學(xué)生頁面菜單模塊有個(gè)人中心，資源中心，課程中心，考試中心，費(fèi)用統(tǒng)計(jì)和寬帶測(cè)試6 大模塊，其中個(gè)人中心、資源中心、課程中心和考試中心是學(xué)生在線學(xué)習(xí)的核心模塊。學(xué)生個(gè)人中心可以完善個(gè)人信息和課程歷史學(xué)習(xí)，資源中心可以完成課件的在線預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，仿真軟件的學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)題庫(kù)的學(xué)習(xí)等，通過課程中心可以查看學(xué)生個(gè)人課表，上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告和仿真實(shí)驗(yàn)的在線學(xué)習(xí)，同時(shí)還可以與實(shí)驗(yàn)老師進(jìn)行線上交流與討論。學(xué)生在考試中心模塊可以完成實(shí)驗(yàn)理論考試和仿真考試等。

（3）教師。教師賬號(hào)登錄到教師頁面，教師頁面菜單模塊有資源管理，課程管理，班級(jí)管理和考試管理4 個(gè)模塊，默認(rèn)登錄模塊是資源管理。資源中心包含仿真軟件、2D 動(dòng)畫、3D 動(dòng)畫、視頻資源。這些資源是老師創(chuàng)建的，只有該老師管理的班級(jí)里的學(xué)生才能夠使用。

（4）管理員。管理員登錄頁面主要包括機(jī)構(gòu)管理、人員管理、權(quán)限管理和日志管理四大模塊。系統(tǒng)管理員主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的日常管理，人員的導(dǎo)入導(dǎo)出，權(quán)限管理和分配等功能。管理員是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)安全高效運(yùn)行的有力保證。

1.5 實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)

仿真中心實(shí)行主任負(fù)責(zé)制，設(shè)主任1 名，副主任2名。中心現(xiàn)有教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和其他人員共74名，其中，教授15 人，副教授23 人，具有博士學(xué)位的講師29 人；教師隊(duì)伍中現(xiàn)有國(guó)家級(jí)教學(xué)名師1 人，百千萬人才工程入選者1 名，安徽省教學(xué)名師3 人，安徽省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人及后備人選5 人。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)，采取在職培養(yǎng)與引進(jìn)相結(jié)合，教師中教學(xué)名師、學(xué)術(shù)帶頭人等高層次人員不斷增加，形成了以知名教授為核心、以中青年教師為骨干，結(jié)構(gòu)合理、年富力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高、責(zé)任心強(qiáng)、勇于改革創(chuàng)新的高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、管理和技術(shù)隊(duì)伍。其中青年教師已成為本中心實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的中堅(jiān)力量，為深化教學(xué)改革、落實(shí)教改措施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.6 校企合作

中心與淮南創(chuàng)大實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司、煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、哈希水質(zhì)分析儀器有限公司、安徽沃特星水處理運(yùn)營(yíng)有限公司、合肥市濱湖新區(qū)北澇圩污水處理廠等企業(yè)簽訂了實(shí)習(xí)基地協(xié)議和實(shí)習(xí)合同，建立了穩(wěn)定的校外實(shí)習(xí)基地，實(shí)習(xí)基地與本中心有密切的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系。由于實(shí)習(xí)學(xué)時(shí)受限，實(shí)習(xí)學(xué)生多，為強(qiáng)化實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)效果，使學(xué)生更牢固掌握全流程實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)際動(dòng)手能力，仿真中心與北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司、北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司等軟件開發(fā)公司展開深度合作，將實(shí)習(xí)中遇到的設(shè)備工藝進(jìn)行仿真開發(fā)，能夠使每位學(xué)生在實(shí)習(xí)前就能接觸和操作儀器設(shè)備，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決工程實(shí)際問題能力，使學(xué)生在實(shí)際實(shí)踐訓(xùn)練中掌握更多的經(jīng)驗(yàn)技能，為將來畢業(yè)后工作奠定良好基礎(chǔ)。

1.7 開放共享

大力進(jìn)行校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源的整合與共享，繼續(xù)完善和拓展優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)室與科研項(xiàng)目三位一體的全方位開放模式。通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)管理中心資源，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、儀器設(shè)備、規(guī)章制度網(wǎng)上公布，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共享和開放［14-16］。學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自主進(jìn)行選擇和預(yù)約，實(shí)驗(yàn)中心老師負(fù)責(zé)提供必要的培訓(xùn)和指導(dǎo)。通過信息化管理和門禁系統(tǒng)實(shí)行對(duì)學(xué)生全天候開放，自主管理。

中心充分利用學(xué)校在安徽省的影響力，充分發(fā)揮我院生態(tài)環(huán)境學(xué)科優(yōu)勢(shì)，與其他院校開展廣泛的交流與合作。定期接受外校學(xué)生和教師的訪問研究。通過有特色的技能大賽，例如“安徽省普通高校大學(xué)生動(dòng)植物標(biāo)本制作大賽”“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“全國(guó)環(huán)境實(shí)踐虛擬仿真創(chuàng)新大賽”“北控水務(wù)杯大學(xué)生職業(yè)技能大賽”等密切與全國(guó)高校間交流與合作。

2 結(jié) 語

中心始終堅(jiān)持以學(xué)生為主體，把培養(yǎng)安徽生態(tài)強(qiáng)省建設(shè)和環(huán)境保護(hù)亟須的高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才作為目標(biāo)，堅(jiān)持仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相融合、教學(xué)與科研相互動(dòng)、校內(nèi)與企業(yè)相銜接的教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)造力，使學(xué)生在基礎(chǔ)理論、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)方面獲得提升。在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)中，注重校企合作與學(xué)科交融，形成學(xué)科群實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在整合校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上，中心充分發(fā)揮生態(tài)與環(huán)境專業(yè)特色與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)加強(qiáng)與兄弟院校的教學(xué)互動(dòng)聯(lián)系，對(duì)不同教學(xué)資源分類共享，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與中心的示范輻射作用。

·名人名言·

想像力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說，想像力是科學(xué)研究的實(shí)在因素。

——愛恩施坦