王彬 王曉琳

摘 要：文章以黑龍江大學為例，從化學化工虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的意義，闡述了化學化工虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的路徑，并提出了化學化工虛擬仿真實驗教學中心的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：化學化工；虛擬仿真；實驗教學中心

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）10-0038-02

1989年，美國弗吉尼亞大學威廉沃爾夫教授首次提出虛擬實驗室的概念[1]，由于其強大的應用前景，各國均在大力開發(fā)，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，取得了喜人的進展。在發(fā)達國家虛擬實驗室建設(shè)已經(jīng)普及，特別是科研實力雄厚的美國，在該領(lǐng)域的研究已占據(jù)領(lǐng)先地位。目前，世界各大院校和科研機構(gòu)爭先開展虛擬實驗室的建設(shè)，也將其應用到教學、科研工作中，如墨爾本大學建立的化工3D虛擬實踐教學系統(tǒng)，是國際上一致認同的化工工程教育的典范。在國內(nèi)，特別是高校，虛擬實驗室建設(shè)越來越受到重視。目前，大部分高校已經(jīng)開發(fā)虛擬仿真技術(shù)，并將其應用到教學和科研中，尤其是在實驗教學方面其發(fā)揮越來越重要的作用[2-5]。例如清華大學、復旦大學、上海交通大學、陜西師范大學、常州大學、中國科學技術(shù)大學等[6]。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，教育信息化受到了國家的高度重視，教育部在建設(shè)國家級實驗教學示范中心加強實驗教學基礎(chǔ)上，進一步提出建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學中心的建議。黑龍江大學化學化工與材料學院以省級實驗教學示范中心為依托，建立了化學化工虛擬仿真實驗教學中心，對虛擬仿真實驗教學資源、管理、平臺、教學和管理隊伍、管理體系進行了初步的建設(shè)和探索。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的意義

為貫徹落實《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號）精神[7]，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[8]，教育部自2013年將開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作作為高等教育信息化建設(shè)和實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容?；瘜W作為材料科學、納米科技、生物化學等科學的重要核心，被稱為“中心科學”。化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，實驗教學在化學類專業(yè)學生培養(yǎng)中起重要作用。但某些實驗我們無法在真實的實驗室為學生開展，例如某些化學反應速度很快，物質(zhì)間微觀作用機理，微觀結(jié)構(gòu)的影響機制無法用常規(guī)宏觀實驗直接獲得，學生無法直接感知，學習抽象，不易理解，嚴重影響實驗教學效果和質(zhì)量。某些化學反應需要在高溫高壓等苛刻條件下完成，也有些化學實驗會生成危害性物質(zhì)，容易產(chǎn)生環(huán)境污染和危害學生身體健康，都無法在實驗室中正常開展。再如隨著化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，設(shè)備趨于巨大復雜化、高度密集化、控制自動化，同時，化工生產(chǎn)過程存在高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等高危險性。而在化工實驗教學中很難達到實際化工企業(yè)的規(guī)模和效果，在一定程度上降低了實驗教學效能和影響了創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。開展虛擬仿真實驗可以解決傳統(tǒng)化學無法或者難以實現(xiàn)的過程，彌補真實實驗教學的不足，提高實驗教學效能和學生創(chuàng)新能力。

二、化學化工虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)路徑

黑龍江大學化學實驗教學中心高度重視實驗教學的信息化建設(shè)，積極探索實驗信息化教學改革與創(chuàng)新。早在1998年，以化學工程學科、“黑龍江省普通高校轉(zhuǎn)化的化工過程與技術(shù)重點實驗室”、中俄聯(lián)合國家級科技創(chuàng)新平臺和中俄聯(lián)合本科實驗室等資源為依托，以學院網(wǎng)絡(luò)信息化平臺為基礎(chǔ)，與北京東方仿真公司合作開發(fā)了8個工藝流程仿真實驗項目，用于化學工程與工藝專業(yè)本科教學。經(jīng)過多年的建設(shè)，開發(fā)了一批虛擬仿真實驗項目。近年來，黑龍江大學利用校內(nèi)信息科學與技術(shù)學院、信息與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)管理中心和信息現(xiàn)代教育技術(shù)中心等資源，充分發(fā)揮化學、教育技術(shù)、信息技術(shù)等學科的優(yōu)勢，2014年成立了化學化工虛擬仿真實驗教學中心，內(nèi)設(shè)化學虛擬仿真實驗室和化工虛擬仿真實驗室，在基礎(chǔ)化學實驗和化工原理實驗方面開展了虛擬仿真實驗教學。目前的中心已初具規(guī)模，擁有專門的百余臺高性能計算機組成的虛擬仿真實驗室和虛擬仿真實驗教學平臺，專門用于虛擬仿真實驗教學工作，服務(wù)于化學工程與工藝、化學、環(huán)境科學、高分子材料與工程、材料化學、應用化學、制藥工程、生物工程、生物技術(shù)、食品科學與工程、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、植物保護、土木工程等7個二級學院的13個專業(yè)。

（一）加強虛擬仿真實驗教學中心教學平臺建設(shè)

化學基礎(chǔ)虛擬仿真實驗教學平臺擁有9個三維和2個二維虛擬仿真實驗項目，實驗內(nèi)容仿真效果逼真、交互功能強、可情景化參與、可實施評價。將化學實驗中無法觀察的微觀作用機制和現(xiàn)象，通過虛實結(jié)合的形式展現(xiàn)給學生。構(gòu)建的大型科學儀器虛擬仿真實驗操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗對實體儀器操作和訓練的有效補充和動態(tài)化展示，消除了學生對科學研究的神秘感，提升了學生對科學研究過程的理解力，突破了傳統(tǒng)實驗的限制，實現(xiàn)了化學實驗的綠色化、手段現(xiàn)代化和結(jié)論科學化，讓學生在安全、環(huán)保、節(jié)能的實驗環(huán)境中獲得與真實實驗相近的體驗，使教師獲得事半功倍的教學效果。

化工虛擬仿真實驗平臺現(xiàn)擁有一套化工單元實習仿真實驗，其中包括15個基本單元操作；結(jié)合我省工業(yè)產(chǎn)業(yè)特點，開發(fā)了常減壓虛擬現(xiàn)實仿真石油化工類和甲醇工藝仿真煤化工2個仿真實驗；與北京歐貝爾公司合作開發(fā)了合成氨三維虛擬仿真軟件。形成了虛擬現(xiàn)實實驗環(huán)境、實時交互、遠程網(wǎng)絡(luò)運化、沉浸感和趣味性強的化工虛擬仿真實驗平臺。采用三維動態(tài)過程高度模擬工廠實驗設(shè)備，所有操作站都實時模擬各種控制儀表的參數(shù)?？朔顺Ｒ?guī)操作危險性、功能單一、人機聯(lián)系差的缺點，彌補了實驗教學學生動手操作受限的不足，滿足了學生對工藝原理、操作環(huán)境、控制系統(tǒng)、故障處理的理解。

（二）注重虛擬仿真實驗教學中心師資隊伍建設(shè)

中心實行主任負責制，由主任、秘書、專職、兼職實驗教師和專職實驗技術(shù)人員組成一支相對穩(wěn)定的實驗教學和實驗室管理隊伍。經(jīng)過幾年來的教學運行，中心已經(jīng)形成了由專職教師、專職實驗技術(shù)管理人員、技術(shù)支持人員以及兼職教師所組成的，能覆蓋多個專業(yè)的教學、管理及開發(fā)的師資隊伍。管理人員相對固定，以保證實驗教學中心的正常運行。專職、兼職教師共同負責實驗課程的設(shè)計與全程教學，教學人員將會隨著以后課程項目的增加、變動而改變，實行動態(tài)管理，擇優(yōu)選擇。實驗技術(shù)人員負責實驗課程的準備與安排，實驗的日常管理，耗材的管理，小型實驗儀器的維護工作。

三、化學化工虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)展望

教育部相繼批準的國家級虛擬仿真實驗教學中心中理工類占70%，化學化工類約7%，理工教育集中了大批優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學資源，這也與理工類學科一直以來重視實驗實踐教學密不可分[9]。隨著虛擬仿真實驗教學資源共享機制的建立和地方高校對虛擬仿真實驗教學的不斷投入，預計在今后幾年的建設(shè)工作中，批準建設(shè)的部署和地方高校的比例將會增加到近1：1。黑龍江大學作為黑龍江省人民政府共建的有特色、高水平、現(xiàn)代化地方綜合性大學，應該抓住發(fā)展機遇，利用現(xiàn)有化學學科優(yōu)勢，加大對化學化工類虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)力度，學習先進理念，早日進入國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的行列。應大力解決以下待解決的問題：（1）應充分利用化學一級學科強大的科研優(yōu)勢，以及功能無機材料化學教育部重點實驗室先進的科研成果，將其科研成果轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。（2）加大與虛擬仿真實驗開發(fā)公司以及黑龍江省化工企業(yè)的合作，自主和合作開發(fā)符合學校自身和我省實際需求的虛擬仿真實驗教學平臺。（3）加強網(wǎng)絡(luò)化和信息化建設(shè)，優(yōu)化共享資源配置，健全合作機制，實現(xiàn)平臺資源共享，加大中心的輻射作用。

經(jīng)過多年建設(shè)，化學化工虛擬仿真實驗教學中心已成為黑龍江大學化學實驗教學中心的重要建設(shè)組成部分，堅持能實不虛的大方向，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力化學化工人才為建設(shè)目標，按照“資源共享、學科融合、虛實結(jié)合”的建設(shè)理念，搭建了化學虛擬仿真實驗室和化工虛擬仿真實驗室，建立了虛實交融、開放共享、綜合性的虛擬仿真實驗教學體系，制定和完善了中心管理體系和規(guī)章制度，建設(shè)了虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)信息平臺，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗教學資源的智能化和網(wǎng)絡(luò)化管理。中心將不斷完善虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)，為國家建設(shè)培養(yǎng)優(yōu)秀的化學化工人才做出更大的貢獻。

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[9]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作

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