材料虛擬仿真實驗中心建設及共享的思考與實踐

贠 冰, 孫建林, 熊小濤, 毛璟紅

(北京科技大學 材料國家級實驗教學示范中心, 北京 100083)

教育部于2005年起,在全國范圍的高等學校中開展了國家級實驗教學示范中心建設和評審工作,實驗教學示范中心的建設,極大地推動了我國高等學校實驗教學改革和實驗室建設,促進了高校優質教學資源的整合和共享。隨著我國高校實驗教學示范中心建設工作的深入進行,虛擬仿真實驗中心的建設為實驗教學示范中心建設工作引入了新的內容。2013年起,教育部又開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作,虛擬仿真實驗教學中心建設工作中優質實驗教學資源的共享及其輻射效果占有重要的地位,既要具備能體現自身學科優勢和專業特色的虛擬仿真實驗教學資源,同時還要建設便捷高效的虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制[1-2]。

1 虛擬仿真實驗教學資源建設

1.1 建設的必要性

在高等學校的教育和教學改革中,為了達到提高學生自主學習能力及創新能力的目的,借助于網絡及數字技術,教師采用了多種新型教學手段進行授課,如開放課程、大規模在線開放課堂(MOOC慕課)等,這些開放性的交互在線學習方式,充分調動了學生的學習興趣,符合個性化自主學習的要求,徹底改變了以往的教學方式,使各地的不同人群可以不受時間空間的限制共享優質教育資源。進行虛擬仿真實驗資源建設,可以構建適應自主學習需求的實驗教學平臺,建立能夠遠程訪問的虛擬實驗環境,便于學生能夠及時、靈活地獲取優質虛擬仿真實驗資源,同時通過虛擬仿真實驗教學平臺的交流互動及評價功能,加深學生對知識的理解和掌握,獲得良好的教學效果[3]。

此外,在高校本科的實驗教學中,一些實驗項目在開設時往往面臨著困難,如:因場地限制,某些必要的大型綜合教學實驗無法開展；因實驗所需時間過長,某些教學實驗難以在規定的課時內觀察到實驗結果；某些需要在超高溫、超低溫、超高壓等特殊極端環境中進行的實驗；某些需要觀察微觀變化的實驗；某些實驗內容和方法存在著較大危險性的涉及到諸如放射性物質或有毒、易燃、易爆化學品的實驗[4-8]。另外,傳統實驗室搭建環境相對復雜,實驗成本高,實驗設備和環境需要持續的人力和經費投入進行維護,傳統實驗設備的老化對于實驗內容的及時更新造成了瓶頸。虛擬仿真實驗教學方式對于上述問題提供了良好的解決方案。

1.2 虛擬仿真實驗教學資源建設的指導思想

教育部在相關文件中指出,虛擬仿真實驗教學中心建設的指導思想是堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”[1],因此,在虛擬仿真實驗教學資源建設時要以特色的優質實驗教學資源為依托,科學地規劃虛擬仿真實驗教學資源建設的內容,同時把實驗教學資源的充分共享作為建設工作的核心,以富有特色的代表性實驗教學資源作為信息化建設重點,從而進一步提高實驗教學資源的使用效益,為實驗教學資源信息化建設持續進行打下堅實基礎。

1.3 虛擬仿真實驗資源建設的要點

虛擬仿真實驗教學資源建設應充分體現“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則[1],虛擬實驗應該具備真實實驗沒有或難以完成的教學功能,是實驗教學的補充手段和擴展,從而提高實驗教學的效果。

材料科學的學科特點決定其對學生的實驗、實踐能力有較高的要求,實驗教學是培養材料學科高素質人才的重要實踐性環節。我校材料國家級實驗教學示范中心在進行虛擬仿真實驗教學資源建設時,考慮到要充分體現本學科實驗教學的要求,建設材料虛擬實驗教學資源是依托材料學、材料物理化學、材料加工工程3個專業,根據教學計劃,結合專業課程教學實際需要,科學規劃建設內容,凝練出最具代表性的實驗項目,包括將抽象微觀的實驗過程、科研成果轉化為實驗教學項目以及校內無法開展、可以進行生產線搭建的工程綜合實驗,作為實驗教學內容的組成或作為實踐教學的一部分。

進行材料虛擬仿真實驗資源建設時,要精心選擇先進的數字信息技術對規劃出的實驗項目進行數字可視化處理,在滿足經濟性原則的基礎上追求最佳的視聽效果,從而增強虛擬實驗的浸入感和對學生的吸引力,同時,引入大量的人機交互操作。我校材料虛擬仿真實驗教學平臺具有選擇、反饋、提示等功能,通過多種交流手段促進學生獲得滿意的自主學習成果。

進行材料虛擬仿真實驗資源建設時,還要堅持“虛實結合”的原則,對于具備現實條件的實驗只進行實體實驗室實驗,材料虛擬仿真實驗針對:某些無法觀察微觀變化的實驗,如“Fe-Fe3C相圖與顯微組織觀察”等；因實驗課學時、實驗場地的限制,實驗課學生的樣品及實驗次數有限,達不到全面自主實驗的要求的實驗,如“結構鋼的成分、工藝、組織與性能綜合熱處理實驗”；要在完成一次實驗測試需要10多個小時的大型儀器設備上進行的實驗,如“氣體吸附BET法測定固態物質的比表面積”。通過虛擬實驗資源建設可以彌補現實實驗資源的不足,幫助學生熟練地掌握大型儀器設備的原理與實驗操作過程,同時提升實驗教學效果。

2 虛擬仿真實驗資源共享

2.1 虛擬仿真實驗資源共享的意義

傳統實驗室受限于場地和時間的制約無法實現廣泛資源共享,而虛擬仿真實驗可以打破時間、空間的限制,使用者能夠隨時、多次反復訪問虛擬仿真實驗教學資源,虛擬實驗資源共享不僅提高共享度和受益面,極大地節約了實驗教學的成本,也是未來遠程教學、自主學習的必要條件。

虛擬仿真實驗教學中心建設的另一個主要工作是虛擬仿真實驗教學資源的有效共享。這就要求相關高校在建成優質虛擬仿真實驗教學資源之后,建立一個合理可行的機制,制定資源使用費用標準和支付渠道；充分宣傳,擴大影響,引導用戶選擇使用,拓展使用范圍。收取的使用費用,可以用來支撐開發新的虛擬仿真實驗教學資源和相關服務支出,產生合理、應得的利潤,形成實驗教學資源使用、推廣、研發的良性循環,促進虛擬仿真實驗教學資源共享的可持續發展。同時鼓勵校企合作,探索校企共建共管的新模式和新途徑,以虛擬仿真實驗教學資源的充分使用和更大范圍開放共享為目標,建立可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系[7]。

2.2 虛擬仿真實驗資源共享面臨的問題

目前,從各高校開展虛擬仿真實驗教學中心建設的情況來看,虛擬仿真實驗教學資源的共享工作仍然處于起步階段,存在著許多問題和阻礙,比如不同高校所擁有的實驗資源不均衡,而且擁有的大部分資源沒有自主知識產權、沒有統一的技術標準和規范等,尤其是在制度層面,亟待建立起有利于資源開放共享的管理體制和運行機制[7-10]。

2.3 虛擬仿真實驗資源共享的要點

虛擬仿真實驗教學中心建設中，材料虛擬仿真實驗教學資源的共享主要是從材料學科的實驗教學需要出發,要服務于多個專業、多個學校、多個地區。以我校材料國家級虛擬仿真實驗教學中心為例,建設虛擬仿真實驗平臺時即為共享材料虛擬仿真實驗資源提供了多種途徑,除了通過校園網絡訪問之外,為了便于在不具備網絡條件的環境中運行,還根據不同的使用需求開發可以在單機運行或光盤運行的版本,方便材料虛擬實驗在不同條件下使用。

為了服務多個學校、多個地區,需要建設一個實驗教學資源開放共享的信息平臺,提供各類優質實驗教學資源的信息,便于有需求的用戶查找、了解及使用資源,為實驗教學資源共享提供一個溝通的橋梁,同時通過該平臺的檢索也可以避免重復建設,提高教學資源的使用效益,為此,我校材料虛擬仿真實驗教學中心專門建立了一個公共的虛擬實驗共建共享平臺(見圖1),目前已有19所國內材料學科相關高校加入了該平臺,資源共享效果顯著。

圖1 材料虛擬實驗光盤版及材料虛擬實驗共享網站

此外,在材料虛擬仿真實驗教學中心的建設工作中發現,通過與高新技術企業緊密合作,將虛擬仿真實驗教學資源的開發更新和虛擬仿真實驗平臺的保障環節剝離出來,由專業化的企業提供更優質的服務,將企業的效益觀念與高校的教學需要結合起來,采用市場化的方式廣泛推廣虛擬仿真實驗資源的應用,也是虛擬仿真實驗教學資源共享的有效方法。

3 結語

通過材料虛擬仿真實驗中心的建設實踐發現:

(1) 取得虛擬仿真實驗建設成果必須首先要充分反映學科的要求和特點,科學規劃建設內容；

(2) 要與信息技術緊密結合,把優質實驗資源數字化、網絡化、智能化；

(3) 要堅持虛實結合的原則,提升實驗教學效果。

虛擬仿真實驗教學資源的共享也是材料虛擬仿真實驗中心建設的重要內容:

(1) 可以避免重復建設,提高教學資源的使用效益；

(2) 提供多種訪問途徑,創建開放的共建共享信息平臺；

(3) 與高新技術企業緊密合作廣泛推廣應用等都是虛擬仿真實驗教學資源共享的有效方法。