房川琳， 李俊玲， 熊 慶

（四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院，成都610065）

0 引 言

化學(xué)實驗是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，然而部分化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的更新會受到時間、場地、有毒有害試劑、設(shè)備費用、環(huán)境安全等多方面的限制。近年來，化學(xué)實驗教學(xué)緊跟社會與學(xué)科發(fā)展，從難以進行實際操作、昂貴大型儀器臺套數(shù)限制使用人數(shù)、實驗費用高、涉及有毒有害的化學(xué)物質(zhì)、重大影響力的科研成果難以轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)等多方面出發(fā)，有針對性地采用虛擬仿真技術(shù)對存在的問題進行改進，對實驗教學(xué)模式進行了完善和創(chuàng)新［1-5］。

2016年學(xué)校成立了“化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，開啟了虛擬仿真實驗項目的系統(tǒng)化建設(shè)。中心始終以“三個結(jié)合”，即真實與虛擬相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)理念為指導(dǎo)，堅持“資源共享”理念，即師資、信息、設(shè)備共享，著力將化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建成集“教、學(xué)、做”為一體的綜合性實驗教學(xué)中心，使其具備更完備的虛擬仿真項目和更強的培訓(xùn)能力，滿足不斷增長的本科化學(xué)實驗課程的實踐教學(xué)與虛擬教學(xué)相結(jié)合的需求，實現(xiàn)學(xué)生化學(xué)專業(yè)基本能力、核心能力和創(chuàng)新能力的提升，適應(yīng)現(xiàn)代化學(xué)培養(yǎng)復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求［6-8］。

1 建設(shè)歷程

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》的文件精神，在教育網(wǎng)絡(luò)化的時代大背景下，更新實驗教學(xué)理念，積極進行化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)改革與探索成為高?；瘜W(xué)教育推進的方向，國內(nèi)各類高校充分利用虛擬仿真技術(shù)的多項功能不斷開創(chuàng)實驗教學(xué)的新局面［9-12］。我?；瘜W(xué)實驗教學(xué)中心在不斷學(xué)習(xí)與領(lǐng)會信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)改革的同時，根據(jù)學(xué)科特色，利用自身資源，不斷進行虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)與完善。具體建設(shè)歷程如圖1所示。

1.1 基礎(chǔ)積累

2012～2015年，化學(xué)實驗教學(xué)中心在實體教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，建成了100余項化學(xué)實驗教學(xué)電子課件、40余項基礎(chǔ)實驗虛擬仿真操作以及化學(xué)實驗安全在線考試系統(tǒng)等多種教學(xué)資源。

1.2 資源引進

2016～2017年，虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)與運用在全國各類教育中發(fā)展得如火如荼，隨著《教育部辦公廳關(guān)于2017～2020年開展示范性虛擬仿真實驗教育項目建設(shè)的通知》的下達，國內(nèi)多所高校，如大連理工大學(xué)、山東大學(xué)等化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的項目建設(shè)已漸成規(guī)模。2016年，學(xué)校正式成立了“化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，依托省級化學(xué)實驗教學(xué)中心、化學(xué)學(xué)院人才和硬軟件資源，大力推進實驗教學(xué)改革、更新教學(xué)理念，持續(xù)發(fā)展信息化輔助實驗的教學(xué)手段，積極實踐線上與線下相結(jié)合的實驗教學(xué)手段和多元化的實驗考核方法［13］。中心首先通過高校資源共享的方式，逐年引進國內(nèi)高校開發(fā)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源共計87項，涵蓋了實驗安全、基礎(chǔ)操作、有機化學(xué)、物理化學(xué)、無機化學(xué)、分析化學(xué)、儀器分析、大型儀器、綜合實驗9個實驗類別。

1.3 自主研發(fā)

2018～2020年，“化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”教師在學(xué)習(xí)與使用虛擬仿真實驗教學(xué)資源的過程中不斷積累經(jīng)驗與提升能力，規(guī)劃并啟動了具有學(xué)科特色的化學(xué)虛擬仿真實驗項目建設(shè)。在學(xué)校設(shè)備處、教務(wù)處及化學(xué)學(xué)院的支持與領(lǐng)導(dǎo)下，中心教師結(jié)合教學(xué)與科研的實踐，從科研轉(zhuǎn)化、校企合作等多方面出發(fā)，申報虛擬仿真項目20余項，獲準并建成具有中心自主知識產(chǎn)權(quán)的高水平的虛擬仿真實驗項目共計7項。

1.4 平臺建設(shè)

歷年來，中心積極籌建用于化學(xué)虛擬仿真實驗項目的教學(xué)平臺。2012年化學(xué)實驗教學(xué)中心開設(shè)了化學(xué)“虛擬仿真實驗教學(xué)專欄”。2016年隨著“化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”的建立，中心通過校企合作建設(shè)了化學(xué)“虛擬仿真實驗教學(xué)平臺”。2019年，通過進一步完善，中心建成了四川大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站（http：//scu-xnfz.dlvrtec.com/）。并由專職人員負責(zé)管理與進一步建設(shè)工作。目前，網(wǎng)站上共計94項虛擬仿真實驗項目，包含了10個實驗類別，共開設(shè)出8門實驗課程，涉及無機化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、有機化學(xué)、高分子化學(xué)、生物化學(xué)、放射化學(xué)、有機生物學(xué)科交叉、有機高分子學(xué)科交叉等多個領(lǐng)域，形成了順應(yīng)時代發(fā)展的化學(xué)實驗教學(xué)的虛實結(jié)合、多元化發(fā)展模式［14］。學(xué)生可在中心虛擬仿真實驗網(wǎng)站上通過用戶名與密碼登錄進行學(xué)習(xí)及網(wǎng)上考試自測，也可以通過答疑平臺接受來自老師的指導(dǎo)等。管理員和教師用戶則可以通過后臺，進行班級的增加、班級基本信息的輸入和編輯，指定班主任，指定班級學(xué)生，設(shè)置分類順序，上傳分類圖標，發(fā)布考試信息，擬定考試內(nèi)容等。

2 管理體制

中心實行校院兩級管理和主任負責(zé)制（見圖2）。學(xué)校對中心的發(fā)展方向與建設(shè)目標、人事及財物等進行統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)管理。學(xué)院建立以主任負責(zé)的中心工作指導(dǎo)小組，對中心虛擬項目建設(shè)及具體的教學(xué)內(nèi)容進行指導(dǎo)，并在政策措施、人力、財力、物力等多方面為中心的發(fā)展提供配套支持等。

圖2 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心管理機制

同時，中心建立了規(guī)范化與人性化的管理制度，如“四川大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與管理辦法”與“四川大學(xué)虛擬大型設(shè)備管理中心運行管理辦法”，以及科學(xué)合理的虛擬實驗教學(xué)評價制度與激勵機制，如“四川大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心教學(xué)管理辦法”。另外，學(xué)生評教以校督導(dǎo)與院督導(dǎo)小組不定期的對中心虛擬實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)進行檢查與監(jiān)督，確保了虛擬實驗教學(xué)的質(zhì)量。

3 資源配置

3.1 環(huán)境資源

化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心與化學(xué)實驗教學(xué)中心在建設(shè)中，堅持能實不虛、虛實結(jié)合，資源共建共享的原則。為了進一步確保虛擬仿真實驗項目教學(xué)工作的順利開展，提高安全性與便利性，化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心在實驗室安全標準的基礎(chǔ)上，配置了防爆插座和UPS不間斷電源等設(shè)備，安裝了煙感報警裝置和防雷設(shè)施等。中心平臺實驗室在學(xué)校制定的安全管理制度的要求下，建立了具體的操作規(guī)程，基礎(chǔ)實驗、無機化學(xué)、有機化學(xué)等10大虛擬仿真試驗教學(xué)板塊均有專職人員管理，明確職責(zé)，落實到人，很好的實現(xiàn)了平臺的長期不間斷運行，提高了使用效率。

3.2 設(shè)備資源

化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心已建成設(shè)備先進、資源豐富、具有廣泛輻射作用和影響力的實驗教學(xué)中心。中心虛擬教學(xué)項目依托學(xué)?；瘜W(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站，具備用戶（學(xué)生/教師）身份進行管理、認證管理的系統(tǒng)已開發(fā)完成并投入使用，網(wǎng)站虛擬仿真實驗教學(xué)信息化運行平臺如圖3所示。另外，川大校園網(wǎng)條件良好，經(jīng)過多年的積累與發(fā)展，學(xué)校已建成了以萬兆以太網(wǎng)為骨干的、支持IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)雙協(xié)議的校園計算機網(wǎng)絡(luò)；校園網(wǎng)覆蓋學(xué)校教學(xué)、科研、管理系統(tǒng)，覆蓋率100%，無線網(wǎng)絡(luò)隨處可得，這也為中心虛擬仿真實驗項目教學(xué)的開展提供了強有力的支撐。

圖3 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)信息化平臺

3.3 教學(xué)資源

化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心在“真實與虛擬相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合”的“三個結(jié)合”先進教學(xué)理念的指導(dǎo)下，立足于培養(yǎng)創(chuàng)新復(fù)合型實踐人才，通過不斷引進與開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，形成不斷提升學(xué)生教學(xué)質(zhì)量的實踐教學(xué)新模式。

（1）教學(xué)資源高校共享。中心與國內(nèi)多所高校，如山東大學(xué)、西北大學(xué)等互通有無，逐年引進國內(nèi)高校開發(fā)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源共計87個項目，涵蓋了9個實驗類別。這些項目拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野，創(chuàng)造了良好的自主學(xué)習(xí)與交互式學(xué)習(xí)的氛圍，有效提升了學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了課件、虛擬實驗操作、在線測試等多種教學(xué)資源的優(yōu)化整合。

（2）教學(xué)資源校企共建。中心根據(jù)專業(yè)特色將高科技成果、教師改革成果與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相融合，采取與多所企業(yè)協(xié)作的模式，將高校的科技力量與企業(yè)的技術(shù)支持相結(jié)合，進行創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學(xué)資源的研發(fā)。目前，中心已建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真實驗項目7項（見表1）。該類實驗項目將隨著學(xué)科發(fā)展與科技創(chuàng)新逐年遞增，且將作為共享資源應(yīng)用于其他高校的虛擬實驗教學(xué)之中，進而保障了中心教學(xué)資源的有效運行與發(fā)展進步。

表1 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目（自主特色創(chuàng)新）

其中，“Roskamp-Feng反應(yīng)及應(yīng)用虛擬仿真實驗”是基于“以科研促進教學(xué)、教學(xué)帶動科研”的理念，將我院具有代表性的科研成果--馮氏催化劑及其在不對稱合成中的應(yīng)用引入基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)，是中國科學(xué)家（馮小明院士）在中國本土所做的工作被國際人名反應(yīng)專著冠以中國人名的有機化學(xué)反應(yīng)［15］。這對深化本科實驗教學(xué)內(nèi)容，提升本科實驗的創(chuàng)新性、高階性與挑戰(zhàn)度，有著重要作用與價值。該項虛擬仿真實驗面向全校本科生及研究生開放，為本科基礎(chǔ)或創(chuàng)新實驗課程提供多學(xué)科交叉的教學(xué)資源，極大地開闊了學(xué)生研究創(chuàng)新視野。同時也讓本科生充分了解第一個中國科學(xué)家在中國本土所做的工作被冠以中國人名的有機化學(xué)反應(yīng)，樹立為國爭光的目標。

3.4 師資資源

化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心以“專職與兼職結(jié)合，引進與培養(yǎng)互補，激勵與競爭并舉”的建設(shè)指導(dǎo)思想，實施各項師資建設(shè)與管理政策，將實驗師資隊伍建設(shè)作為提高實驗教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵部分。近年來，通過學(xué)校與學(xué)院的重點建設(shè)與培養(yǎng)，已經(jīng)初步形成了一支結(jié)構(gòu)合理，骨干力量相對穩(wěn)定的實踐教學(xué)隊伍。目前，中心共有47人，全體在職人員平均年齡為41歲，具有博士學(xué)位的比例達83%（見表2）。

表2 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心師資信息

（1）中心負責(zé)人全面負責(zé)中心管理與運行工作。中心主任全面負責(zé)落實學(xué)校、學(xué)院對中心的整體建設(shè)發(fā)展規(guī)劃。中心主任楊成教授具有高水平的教學(xué)與管理能力，入選青年千人計劃，現(xiàn)任中國化學(xué)快報等國際雜志副主編或編委，亞洲環(huán)糊精協(xié)會主席等。曾獲亞洲大洋洲光化學(xué)協(xié)會青年科學(xué)家獎，四川大學(xué)唐立新優(yōu)秀學(xué)者獎。

（2）中心實驗教學(xué)隊伍分工負責(zé)建設(shè)管理與教學(xué)工作。中心實驗教學(xué)隊伍堅持立德樹人，理論與實踐相通，結(jié)構(gòu)合理，骨干力量相對穩(wěn)定。以中心為平臺，中心實驗教師實驗教學(xué)成果顯著，在歷屆全國各類化學(xué)實驗競賽中獲得特等獎、二等獎等獎項。每年中心教師指導(dǎo)本科生在核心、SCI期刊發(fā)表論文20余篇，指導(dǎo)學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃40余項，教師參與實驗技術(shù)立項、教育教學(xué)改革研究項目年均10余項，參與科研項目年均30余項，發(fā)表教改論文年均20余篇，發(fā)表SCI論文年均50余篇。

3.5 企業(yè)資源

化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心與軟件技術(shù)企業(yè)聯(lián)合建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，并實現(xiàn)共建、共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)雙贏。企業(yè)積極參與虛擬中心建設(shè)的教學(xué)改革、課程設(shè)計、平臺建設(shè)、軟件開發(fā)、專人授課與指導(dǎo)教師提升信息化管理水平等工作。

4 人才培養(yǎng)

通過中心網(wǎng)站的教學(xué)實踐與資源共享，中心虛擬仿真實驗教學(xué)每年可服務(wù)全校15個學(xué)院，60個專業(yè)，約5 000名學(xué)生，13.65萬人學(xué)時（見表3）。

表3 化學(xué)虛擬仿真實驗項目人才培養(yǎng)學(xué)時數(shù)與支撐專業(yè)

4.1 人才培養(yǎng)途徑

化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，通過與化學(xué)實驗教學(xué)中心建設(shè)的相互融合，注重過程培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高綜合能力，培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才?；瘜W(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心在面向全校展開實驗教學(xué)的同時，還將虛擬仿真實驗項目應(yīng)用于多個校內(nèi)外的教學(xué)活動中，如圖4所示。

圖4 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心人才培養(yǎng)途徑

4.2 人才培養(yǎng)成效

中心在面向校內(nèi)外開放，人才培養(yǎng)的各項工作中，獲得了多項榮譽及社會各界的一致好評。中心近3年取得的成果詳見圖5。

圖5 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心人才培養(yǎng)成效

5 特色創(chuàng)新

化學(xué)虛擬仿真實驗中心秉承服務(wù)學(xué)校與服務(wù)社會的宗旨，通過高校資源共享、項目自主研發(fā)、校企聯(lián)合共建等多途徑，集中優(yōu)勢力量，從自身特色出發(fā)進行創(chuàng)新性建設(shè)，實現(xiàn)了中心資源的豐富性、分層化與共享性。具體特色創(chuàng)新詳見圖6。

圖6 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心特色創(chuàng)新

6 規(guī)劃與展望

在未來的建設(shè)中，中心將秉承學(xué)科特色，緊跟時代發(fā)展的步伐，加強多元化優(yōu)質(zhì)虛擬教學(xué)資源的建設(shè)，為創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)不斷研發(fā)與實踐線下實驗平臺無法開展的多項虛擬實驗（如：微觀實驗，高危實驗，科技成果轉(zhuǎn)化實驗，大型儀器工作流程培訓(xùn)實驗等）。同時，持續(xù)完善與拓展虛擬仿真實驗中心網(wǎng)站功能，實現(xiàn)資源基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合，模擬與創(chuàng)新分層化，力爭建成集學(xué)習(xí)與交流，練習(xí)與測試為一體的廣受益、規(guī)范性的管理平臺。另外，從“提升虛擬教學(xué)資源對高校與社會的共享程度”出發(fā)，以全國化學(xué)仿真實驗建設(shè)數(shù)據(jù)庫為載體，與更多的高校共建共享，著力加強虛擬仿真實驗先進教學(xué)資源的交流及合作，增加全國化學(xué)虛擬實驗資源共享的數(shù)量與范圍，最終實現(xiàn)高校之間以及校企之間虛擬教學(xué)資源的大共享［16-17］，發(fā)揮中心的示范引領(lǐng)和輻射帶動作用。