虛擬仿真實驗在大型儀器設備開放共享中作用的探討

贠 冰, 孫建林, 熊小濤, 毛璟紅

(北京科技大學 材料科學與工程學院, 北京 100083)

虛擬仿真實驗在大型儀器設備開放共享中作用的探討

贠 冰, 孫建林, 熊小濤, 毛璟紅

(北京科技大學 材料科學與工程學院, 北京 100083)

分析了高校大型儀器設備開放共享中儀器設備數量不足、利用率低等問題。總結了虛擬仿真實驗在大型儀器設備的開放共享中所能發揮的積極作用:為大型儀器設備提供開放共享的信息窗口；培訓用戶的實驗操作技能,為大型儀器設備的開放創造條件；通過開發虛擬實驗,增加其在實驗教學中的開放應用；經過虛擬仿真實驗訓練,節約實體實驗時間,從而提高大型儀器設備的工作效率。

虛擬仿真實驗； 大型儀器設備； 開放； 共享

大型儀器設備是高校的優質資源,是培養高層次人才、發展高科技的重要工具,也是衡量高校實驗條件和科研環境的重要標志。充分發揮這些儀器設備的作用,推進大型儀器設備的開放與共享,不僅是高校儀器設備管理體制改革的重要內容,也是建設節約型社會、合理使用資金、充分利用資源、促進教學與科研工作健康發展的需要[1-3]。

近年來,很多高校已經從資金、制度、管理模式、人員配置、服務平臺等方面對大型儀器設備的開放與共享進行了探討和實踐[4-9]。隨著網絡信息技術的快速發展及在實驗教學中廣泛應用,虛擬仿真實驗平臺已經在越來越多的高校中用于實驗教學。充分發揮虛擬仿真實驗平臺的作用,是促進大型儀器設備開放共享的有效途徑。

1 大型儀器設備開放與共享中存在的問題

1.1 大型儀器設備的數量無法滿足使用需求

雖然近年來我國高校大型儀器設備數量每年都有增加,但相對于在校學生的人數來說,儀器設備人均臺數仍顯不足,實驗課只能對學生分組進行演示。一些學生甚至不能清楚地觀察到實驗的測試過程和測試結果,更無法人人動手進行實驗操作,難以達到相關實驗教學的目的和要求[10-11]。

大型儀器設備往往代表著高精尖的實驗測試技術。學校欲開設綜合性、設計性、創新性實驗,也常因大型儀器設備數量不足而使許多相關課程的實驗沒有條件實施,無法滿足學生自主實驗及創新實踐的需要。

1.2 某些大型儀器設備不適于廣泛開放

大型儀器設備的購置成本、使用成本和維護成本較高,對使用者專業化操作技術的要求也很高,對配套設施、運行環境要求嚴格,對防污染、防噪音、防振動、供電、溫濕度等有特殊要求[12],需要細心操作，定期檢測、調試、清潔、保養。如果廣泛開放使用,難以保證大型儀器設備的安全使用,可能對儀器的靈敏度、精密度、分辨率、信號的穩定性等性能指標產生影響,學校對此頗有顧慮。

1.3 大型儀器設備開放使用的安全隱患

大型儀器設備一般會涉及水、電、氣(包括有毒、易燃、易爆的危險氣體)的使用。儀器設備的開放,會使儀器設備的使用更加頻繁,設備的磨損會加速,如果使用或管理稍有疏漏,甚至會引發實驗室安全、設備安全、人員安全等方面的事故,造成嚴重后果。因此,大型儀器設備開放使用前的操作培訓顯得尤為重要。

1.4 開放共享的大型儀器設備利用率低

許多開放共享的大型儀器設備存在著利用率低的情況,我國高校大型儀器設備平均利用率不到25% ,而發達國家則高達170%～200%[13]。產生這種問題的原因,其一是部分大型儀器設備雖然已經開放使用,但是開放共享的信息發布不夠,共享渠道不暢通；其二是儀器設備的實驗時間資源分配不合理,造成時間上的浪費；其三是對用戶的操作培訓不夠,用戶在進行實驗時不能快速、高效、熟練地操作儀器設備,降低了大型儀器設備的使用效率。

2 虛擬仿真實驗平臺的功能特點

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容,是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學就是利用計算機創設各種虛擬環境來模擬真實環境,并根據真實環境中的理論和實際操作情況在虛擬仿真的環境中進行操作、驗證、設計、運行的教學方式[14-17]。目前在各類教育中,虛擬仿真實驗教學的應用越來越普遍。教育部已于2013年、2014年在我國高校中批準了兩批國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作,以全面提高高校學生的創新精神和實踐能力,建設和共享高校的優質信息化實驗教學資源,持續推進實驗教學信息化建設和實驗教學資源開放共享,推動高等學校的實驗教學改革與創新。

2.1 虛擬仿真實驗在實驗教學中的優勢

虛擬仿真實驗可以彌補教育設施的不足,可以展現實際生產中難以觀察到的細節、原理。對于涉及高危或極端的環境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況的實驗時,虛擬仿真能夠提供可靠、安全和經濟的實驗項目。

虛擬仿真實驗過程直觀、形象,利用三維、聲效、特技等多媒體技術,增強學生的臨場感、沉浸感和交互性,可以充分調動學生實驗學習的積極性,全面提高學生的實踐與創新綜合能力。

虛擬仿真實驗能夠科學、準確地表達相關實驗知識。虛擬仿真實驗的設計,通常是由專家編寫腳本,能夠科學、準確地表達實驗中的操作步驟與實驗結果。虛擬仿真實驗采用交互式、個性化的學習方式,學生自主確定實驗方案和實驗步驟,系統能夠提示出現的錯誤,幫助學生輕松規避操作錯誤,有利于正確完成實驗和深刻記憶實驗內容[16]。

虛擬仿真實驗不受時間、空間和實驗次數的限制,學生可以隨時通過網絡訪問和體驗,不斷強化實驗知識。此外,虛擬仿真實驗系統設計靈活,內容易于更新和擴展,能隨時提供最新的學科知識。

2.2 虛擬仿真實驗應用于實驗教學的不足之處

盡管虛擬仿真實驗在實驗教學中有很多優勢,但是無法完全代替大型儀器設備的實體實驗、實訓教學以及工廠生產實習。

(1) 盡管虛擬仿真實驗教學軟件可以實現高仿真,但是與實際情景還是有很大差別的,在實際儀器設備的使用中有很多經驗,也必須通過實際操作來獲得,虛擬仿真實驗無法替代。

(2) 虛擬仿真實驗教學情境理想化、簡單化、共性化,而實際工程中的情境往往是多種工程因素共同影響的結果,是動態的。此外,虛擬仿真實驗教學中經常簡化數據分析和操作過程,便于學生理解問題的實質；但理想化的實驗,其結果必然與實體實驗時的各種參數影響下的實驗結果存在差異。

3 發揮虛擬仿真實驗在大型儀器設備開放共享中的作用

3.1 虛擬仿真實驗平臺提供信息展示窗口

虛擬仿真實驗平臺本身就是一個基于網絡的開放共享信息平臺,借助其后臺管理功能,可以很方便地將開放共享服務的大型儀器設備資源進行有效分類、整合,向校內外公布開放共享大型儀器設備的基本資料、服務功能、服務項目、服務時間、收費標準等相關信息,從多個層面實現大型儀器設備的有效集成和共享,真正搭建起設備管理者與用戶溝通的橋梁,有效提高設備共享水平和效率,并增強其開放性和透明度。以北京科技大學材料虛擬仿真實驗平臺為例,在其門戶頁面可以按照實驗測試類型查看實驗中心開放共享的大型儀器設備(見圖1)；在每臺大型儀器設備詳細介紹頁面中有設備的名稱、廠商、型號、功能、用途、性能參數、實驗測試項目等信息,還有儀器設備放置地點、負責人及其聯系方式等(見圖2),供用戶查詢。

圖1 大型儀器設備分類展示頁面

圖2 大型儀器設備詳細介紹頁面

3.2 開放共享大型儀器設備的操作技能培訓

讓用戶掌握大型儀器設備的操作技能是大型儀器設備開放獨立操作的前提條件。如果集中進行此類培訓,需要消耗許多人力和財力資源；而個別培訓又極大地增加了設備管理員的工作量。

利用虛擬仿真實驗平臺,一方面可以提供儀器設備操作指南、相關的實驗室管理制度、安全注意事項、樣品的準備、實驗數據處理等各種相關文件,非常方便快捷；另一方面可以通過虛擬仿真實驗詳細、直觀地展示大型儀器設備的操作步驟,通過交互過程,提示可能出現的各種安全隱患以及不當操作可能造成的損害,使用戶如身臨其境,加深印象。此外,用戶可以隨時、多次訪問虛擬仿真實驗平臺，自主學習操作技能。用戶只要通過了操作技能測試，就可以操作相應的儀器設備,使大型儀器設備的開放共享更為便捷。

3.3 提高大型儀器設備在實驗教學中的開放度

大型儀器設備的開放包括時間、空間和內容上的開放。在實體實驗中,學生難以自主選擇實驗時間和實驗內容,而虛擬仿真實驗不受空間限制,在任何網絡覆蓋的地點都能夠訪問虛擬仿真實驗室,了解更多大型儀器設備的功能特點和實驗測試過程。

對于某些貴重、學校尚未配置或無法配置的大型儀器設備,可以通過虛實結合的實驗教學方式實現儀器設備的開放共享。例如“板材熱連軋生產”[16]是學校難以開設的實體實驗課程,學生即使在生產現場也無法近距離觀察,而采用虛擬實驗,就可以全方位、有針對性地展示生產過程、設備工作原理、工藝參數等多方面的知識,工程實踐教學效果更為顯著。

3.4 虛擬仿真實驗平臺有助于提高大型儀器設備的工作效率

利用虛擬仿真實驗平臺,學生可以在使用大型儀器設備之前預習實驗,在虛擬現實的環境中熟悉儀器設備的特點,掌握每個實驗操作步驟,了解注意事項,觀察可能出現的實驗現象,一旦進入實體實驗室,就可以熟練操作,減少實驗錯誤、節省實驗時間。

在大型儀器設備開放使用的時間安排上,也可以借助虛擬仿真實驗平臺的實驗預約功能進行統籌規劃。用戶可以方便地訪問虛擬仿真實驗門戶頁面,在實驗預約對話框提交自己使用某一儀器設備的申請以及幾個可選的實驗時段和計劃實驗機時；設備管理員則根據已有的實驗預約情況為申請人分配具體的實驗時間。這樣，有助于減少大型儀器設備的空閑時間,更適合學生開展自主實驗和創新實驗的需要,有效地提高大型儀器設備的工作效率。

4 結束語

隨著高校虛擬仿真實驗平臺的建設及應用推廣,它可以在大型儀器設備的開放共享中發揮更加積極的作用:(1)虛擬仿真實驗平臺可以為大型儀器設備的開放共享提供信息展示窗口；(2)利用虛擬仿真實驗培訓操作技能,為大型儀器設備開放共享創造條件；(3)通過虛實結合的教學方式開發虛擬實驗,提高大型儀器設備在實驗教學中的開放度；(4)利用虛擬仿真實驗平臺提高大型儀器設備的工作效率。

References)

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Discussion on role of virtual simulation experiments in opening and sharing of large-scale instruments and equipment

Yun Bing, Sun Jianlin, Xiong Xiaotao, Mao Jinghong

(School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

There are some problems existent in the opening and sharing of large-scale instruments and equipment in universities, such as that the number of instruments and equipment is far from enough for the needs of the experimental teaching, the application rate is low, etc. The virtual simulation experiment can play a positive role in the opening and sharing of large-scale instruments and equipment, provide a show window for this opening and sharing, and create conditions for their opening applications with the aid of skill training. The virtual experiments are developed according to a teaching approach that is combined the virtual experiments with the real experiment, which can increase the opening application in experimental teaching. Through the training of virtual simulation experiments, it can save the actual experimental time to improve the work efficiency of large-scale instruments and equipment.

virtual simulation experiment; large-scale instruments and equipment; opening; sharing

2015- 03- 15

北京科技大學2011年度校教育教學改革與研究重點項目(JG2011Z03)；2012年度北京市支持中央在京高校人才培養共建項目(GJ201204)；2014年度北京市人才培養共建項目(GJ201403)

贠冰(1968—),女,山西平陸,博士,高級工程師,主要研究方向為材料加工過程的數值模擬仿真及材料科學與工程虛擬仿真實驗建設.

G434

A

1002-4956(2015)10- 0119- 03