雷 冬，朱飛鵬，殷德順，武清璽

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及高等學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的不斷提高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等學(xué)校的應(yīng)用日益增多。它可以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本、交互性和安全性等方面的不足［1－7］，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，相互補(bǔ)充，可以有效促進(jìn)高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的提高［8－10］。2013年，教育部正式啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，通過(guò)建設(shè)具有示范引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

河海大學(xué)力學(xué)與水工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是首批入選的100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一。本文以該中心力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)實(shí)踐為例，總結(jié)和探討建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、存在問(wèn)題和發(fā)展思路，并提出針對(duì)力學(xué)這樣覆蓋面廣的工科基礎(chǔ)學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一些看法。

1 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本情況

河海大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，面向全校16個(gè)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(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，年實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)超過(guò)80 000人時(shí)。按照國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)要求，中心組建了力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，搭建了網(wǎng)絡(luò)信息化管理平臺(tái)，開發(fā)了大量虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和成效

2.1 科學(xué)規(guī)劃和統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

學(xué)校對(duì)力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)行了科學(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃中，充分考慮了力學(xué)學(xué)科作為工科基礎(chǔ)學(xué)科以及河海大學(xué)水利專業(yè)的特色和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)融入河海大學(xué)力學(xué)學(xué)科支撐的專業(yè)前沿，進(jìn)行綜合交叉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)，讓學(xué)生在掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)提升實(shí)際應(yīng)用能力。

經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)，該實(shí)驗(yàn)室形成了基礎(chǔ)擴(kuò)展型、綜合研究型等近20個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和超過(guò)20GB的與實(shí)驗(yàn)課程有關(guān)的多媒體課件、課堂錄像、影像資料等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源［11－14］，體現(xiàn)了基礎(chǔ)知識(shí)拓展和綜合應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合、科學(xué)研究和仿真實(shí)驗(yàn)資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與教學(xué)資源建設(shè)相結(jié)合的鮮明特色。

（1）基礎(chǔ)知識(shí)拓展和綜合應(yīng)用創(chuàng)新相結(jié)合。力學(xué)是工程學(xué)科的基礎(chǔ)，而在各門力學(xué)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)中，真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目畢竟有限。學(xué)生通過(guò)完成基礎(chǔ)擴(kuò)展型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以很好地彌補(bǔ)這樣的局限。水利工程是河海大學(xué)的特色學(xué)科，學(xué)生通過(guò)各個(gè)專業(yè)的綜合研究型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不但將各門力學(xué)知識(shí)綜合應(yīng)用，而且能夠在綜合應(yīng)用中增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。

（2）科學(xué)研究和仿真實(shí)驗(yàn)資源轉(zhuǎn)化相結(jié)合。一線科研成果反映了當(dāng)前最前沿、最重大的工程問(wèn)題，通過(guò)對(duì)科研成果的解析與實(shí)驗(yàn)認(rèn)知，可大大拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的科研興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，顯著提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的能力，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前中心已經(jīng)有6個(gè)典型研究項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)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(xué)資源的直接轉(zhuǎn)化，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了豐富的內(nèi)容和資源補(bǔ)充，拓寬了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范圍，同時(shí)也提升了設(shè)備的使用效益、挖掘了設(shè)備的潛在價(jià)值。

（3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與教學(xué)資源建設(shè)相結(jié)合。力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)往往是綜合多種工程背景抽象出來(lái)的基本力學(xué)問(wèn)題。教學(xué)實(shí)踐表明，如果能讓學(xué)生在進(jìn)行抽象力學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候輔以大量的背景教學(xué)資源，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和相關(guān)知識(shí)的理解，而且可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維的主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)室充分發(fā)揮河海大學(xué)國(guó)家級(jí)力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)和相關(guān)的4門國(guó)家級(jí)精品課程、4門國(guó)家級(jí)精品資源共享課的力量，開發(fā)了超過(guò)20GB與實(shí)驗(yàn)課程有關(guān)的多媒體課件、課堂錄像、影像資料等教學(xué)資源。這些資源的使用有效提高了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)效果。

2.2 多元化配置實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)隊(duì)伍

人才隊(duì)伍是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對(duì)人才的要求更高，需要進(jìn)行多元化的人才隊(duì)伍配置。為了達(dá)到最好的建設(shè)成效，河海大學(xué)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室人才隊(duì)伍配置的做法是：由國(guó)家級(jí)教學(xué)名師擔(dān)當(dāng)實(shí)驗(yàn)室主任，以具有多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的一線骨干教師為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要力量，邀請(qǐng)多位國(guó)家精品課程負(fù)責(zé)人參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，邀請(qǐng)國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目和國(guó)家重大科研項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人參加實(shí)驗(yàn)資源轉(zhuǎn)化和綜合研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，與高性能計(jì)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(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的物化與推廣

河海大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)面向全校學(xué)生開放。多年的教學(xué)實(shí)踐證明這種新型實(shí)驗(yàn)課程模式的教學(xué)效果明顯，深受學(xué)生喜愛。經(jīng)過(guò)反復(fù)應(yīng)用、修訂，中心編著的《材料力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)》和《力學(xué)創(chuàng)新與妙用——開發(fā)創(chuàng)造力》等教學(xué)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(xué)校采用。部分綜合研究型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目除面向本校學(xué)生開放外，已開始對(duì)外部高校和行業(yè)企業(yè)進(jìn)行有償共享。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在河海大學(xué)對(duì)口支援的學(xué)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(xué)資源的共享有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，成為課堂教學(xué)和理論教學(xué)的有效補(bǔ)充，對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)具有明顯的效果，得到了國(guó)內(nèi)眾多高校的認(rèn)可，也使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在區(qū)域乃至全國(guó)發(fā)揮了示范和引領(lǐng)作用，擴(kuò)大了中心的影響。

3 建設(shè)中存在的問(wèn)題

3.1 多種信息技術(shù)整合不夠

由于實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所采用的技術(shù)各有差異。早期開發(fā)的基礎(chǔ)擴(kuò)展類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多建立于Director、Flash和Matlab等通用開發(fā)平臺(tái)之上；而后期的綜合研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jì)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(tái)上的工作就變得比較復(fù)雜。更重要的是，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多基于單機(jī)操作環(huán)境，需要花費(fèi)相當(dāng)多的人力、物力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)版的改造，才能更方便地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行更有效、更廣泛的示范推廣。

3.2 教學(xué)資源開放共享程度有待擴(kuò)展

實(shí)驗(yàn)室目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源主要是面向河海大學(xué)在校學(xué)生開放共享，部分資源通過(guò)出版多媒體發(fā)行物和定點(diǎn)推廣進(jìn)行共享。按照國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和教學(xué)資源的開放共享程度需要進(jìn)一步擴(kuò)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(shí)驗(yàn)室的發(fā)展思路

4.1 進(jìn)一步加強(qiáng)組織保障和制度建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室要保持長(zhǎng)期高效的發(fā)展，政策和制度的建設(shè)是重要的保障。

（1）進(jìn)一步制定和優(yōu)化政策，鼓勵(lì)學(xué)科帶頭人和高水平教師積極投身虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引進(jìn)高層次人才，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次和水平。

（2）推行理論課教師從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課教師兼任理論教學(xué)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的融會(huì)貫通，保證有一支高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。

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

4.2 高性能技術(shù)平臺(tái)的有效融合

力學(xué)作為工科基礎(chǔ)學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)要貼近工程、反映實(shí)際，力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要不斷采用先進(jìn)的技術(shù)，采用可以進(jìn)行更復(fù)雜數(shù)值模擬的高性能計(jì)算系統(tǒng)和具有更真實(shí)表現(xiàn)力的三維互動(dòng)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(jìn)行有效融合，打造先進(jìn)的高性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)平臺(tái)。

4.3 開發(fā)精品項(xiàng)目，推動(dòng)全面開放共享

在強(qiáng)大的組織制度保障和技術(shù)先進(jìn)的開發(fā)平臺(tái)支撐下，有效整合教學(xué)、科研、技術(shù)支撐等方面人才隊(duì)伍，充分發(fā)揮人才隊(duì)伍的特長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)，圍繞科技前沿和工程實(shí)際，開發(fā)更多的精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工程的支持下，推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)深入和全面的開放共享，實(shí)現(xiàn)共享、共贏和教學(xué)示范效果的最大化。

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