生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心構建與管理

范佳民， 石先陽， 晏紹飛， 許仁鑫， 高 毅

（安徽大學a.資源與環(huán)境工程學院；b.生態(tài)與環(huán)境國家級實驗教學示范中心，合肥 230601）

0 引 言

提高高校學生創(chuàng)新精神和實踐能力，建設信息化實驗教學資源，共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，是高校實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發(fā)展的目標［1-2］，因此，全國各高校都在積極開展虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，必將對我國高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極作用［3］。生態(tài)環(huán)境類實驗課程具有綜合性、實踐性強的特點，而傳統(tǒng)實驗受到實驗時間、對象、季節(jié)、儀器臺套數(shù)和物理空間的制約，甚至有些實驗還涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，存在部分實驗必須開展但無法開展或無法有效開展的問題［4-7］。這些特點及問題嚴重制約了學生對實驗現(xiàn)象和本質(zhì)的認識，也嚴重影響了學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，對生態(tài)環(huán)境相關專業(yè)的發(fā)展和高素質(zhì)人才的培養(yǎng)的弊端越來越突出。因此，必須要對傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容和方法進行改革。

虛擬仿真實驗教學綜合運用信息與通信技術，在信息空間中構建高度仿真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，提供類似于實體實驗教學的體驗與效果，具有近似、抽象和間接的特點，并在可視性、交互性、安全性、可擴展性與可共享性等方面具備優(yōu)勢，是對實體實驗教學的有益補充與完善［6-8］。基于此，我校在“生態(tài)與環(huán)境國家級實驗教學示范中心”和數(shù)字校園的基礎上，整合已有資源，依托多種平臺，組建了“生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心”（以下簡稱“中心”）。

1 生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心構建

生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實驗中心以全面增強學生實踐和創(chuàng)新能力、提高本科教學質(zhì)量、增強社會服務為宗旨，注重仿真實驗與實物實驗相融合、教學與科研相互動、校內(nèi)與企業(yè)相銜接，按照“虛實載體結合、虛實對象結合、虛實手段結合”的建設思路［8-10］，對環(huán)境與生態(tài)學專業(yè)相關課程中現(xiàn)實條件不具備或難以完成的實驗，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信技術，形成虛擬仿真實驗與實物實驗相融合的教學體系［11-12］。

1.1 中心主體框架

學校校園網(wǎng)的建設為虛擬仿真實驗的建設與教學提供了良好的平臺，學校設置了專用的服務器用于網(wǎng)絡課程、虛擬仿真實驗使用。圖1 為中心主體框架。生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心包含虛擬仿真實驗教學資源和支撐平臺兩大模塊。虛擬仿真實驗教學資源主要包括基礎實驗虛擬仿真教學資源、專業(yè)實驗虛擬仿真教學資源、大型儀器虛擬仿真教學資源、實習實訓虛擬仿真教學資源和生產(chǎn)實習虛擬仿真教學資源5個方面。為了實現(xiàn)虛擬仿真對實體實驗的促進和輔助作用，依托生態(tài)與環(huán)境國家級實驗教學示范中心、環(huán)境污染控制與生物修復技術財政部特色學科實驗室、生物資源保護與利用財政部特色學科實驗室、濕地生態(tài)保護與修復安徽省重點實驗室和安徽大學礦區(qū)環(huán)境修復與濕地生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心等實體平臺，確保學生在進入相關實驗室進行實際操作時對儀器設備能夠了解充分，減小儀器設備的損壞率和保護學生自身安全。同時，學生在實際操作時有新的靈感也可以先從仿真中心進行模擬實驗，再進行實際操作，真正實現(xiàn)“虛實結合”。

圖1 生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實驗教學中心總體框架

1.2 實驗項目建設

已建和在建的虛擬仿真實驗教學資源包括5 大類，實驗項目60 個。具有逼真的實驗儀器和設備、逼真的實驗室環(huán)境、逼真的實驗現(xiàn)象、簡易的操作、雙向交互的指導功能，逼真的數(shù)據(jù)記錄和處理等功能和特點［13］，其具體情況見表1 和圖2。

表1 虛擬仿真實驗教學資源分類

圖2 AAO工藝流程和污水處理廠3D仿真實驗系統(tǒng)

1.3 實驗教學平臺建設

為推進信息技術與實驗教學深度融合，充分發(fā)揮信息技術在實驗教學過程中的作用，中心以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為指導，以現(xiàn)代教育技術為手段，以計算機網(wǎng)絡為支撐，以虛擬實驗室為核心，通過實驗網(wǎng)絡預約的方式，構建了開放實驗室模式下的學生實驗計算機網(wǎng)絡支撐系統(tǒng)。通過中心網(wǎng)站，學生可以了解中心的日常動態(tài)、實驗安排和當前儀器設備閑置情況。通過登錄大型儀器共享平臺，全面實現(xiàn)大型儀器設備網(wǎng)絡共享，便于查詢設備使用狀態(tài)和預約，極大提高大型儀器設備的利用率。

1.4 教學管理平臺建設

以中心網(wǎng)站為載體，建立開放式教學管理平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗預習效果的強化、實驗預習效果的評價和實驗管理的網(wǎng)絡化、現(xiàn)代化，進一步推動實驗教學方式和內(nèi)容改革的深化效果。

（1）平臺整體構架（見圖3）。

圖3 生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真中心教學管理平臺

（2）學生。學生使用系統(tǒng)初始賬號student、密碼123 登錄學生中心頁面，也可以由老師建立的學生賬號登錄。學生頁面菜單模塊有個人中心，資源中心，課程中心，考試中心，費用統(tǒng)計和寬帶測試6 大模塊，其中個人中心、資源中心、課程中心和考試中心是學生在線學習的核心模塊。學生個人中心可以完善個人信息和課程歷史學習，資源中心可以完成課件的在線預習和復習，仿真軟件的學習以及實驗題庫的學習等，通過課程中心可以查看學生個人課表，上傳實驗報告和仿真實驗的在線學習，同時還可以與實驗老師進行線上交流與討論。學生在考試中心模塊可以完成實驗理論考試和仿真考試等。

（3）教師。教師賬號登錄到教師頁面，教師頁面菜單模塊有資源管理，課程管理，班級管理和考試管理4 個模塊，默認登錄模塊是資源管理。資源中心包含仿真軟件、2D 動畫、3D 動畫、視頻資源。這些資源是老師創(chuàng)建的，只有該老師管理的班級里的學生才能夠使用。

（4）管理員。管理員登錄頁面主要包括機構管理、人員管理、權限管理和日志管理四大模塊。系統(tǒng)管理員主要負責系統(tǒng)的日常管理，人員的導入導出，權限管理和分配等功能。管理員是虛擬仿真實驗教學管理平臺安全高效運行的有力保證。

1.5 實驗教師隊伍建設

仿真中心實行主任負責制，設主任1 名，副主任2名。中心現(xiàn)有教師、實驗技術人員和其他人員共74名，其中，教授15 人，副教授23 人，具有博士學位的講師29 人；教師隊伍中現(xiàn)有國家級教學名師1 人，百千萬人才工程入選者1 名，安徽省教學名師3 人，安徽省學術與技術帶頭人及后備人選5 人。為了加強實驗教師隊伍建設，采取在職培養(yǎng)與引進相結合，教師中教學名師、學術帶頭人等高層次人員不斷增加，形成了以知名教授為核心、以中青年教師為骨干，結構合理、年富力強、綜合素質(zhì)高、責任心強、勇于改革創(chuàng)新的高素質(zhì)實驗教學、管理和技術隊伍。其中青年教師已成為本中心實驗課程教學的中堅力量，為深化教學改革、落實教改措施打下了堅實的基礎。

1.6 校企合作

中心與淮南創(chuàng)大實業(yè)有限責任公司、煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室、哈希水質(zhì)分析儀器有限公司、安徽沃特星水處理運營有限公司、合肥市濱湖新區(qū)北澇圩污水處理廠等企業(yè)簽訂了實習基地協(xié)議和實習合同，建立了穩(wěn)定的校外實習基地，實習基地與本中心有密切的產(chǎn)學研合作關系。由于實習學時受限，實習學生多，為強化實習實訓效果，使學生更牢固掌握全流程實驗過程及實際動手能力，仿真中心與北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司、北京東方仿真軟件技術有限公司等軟件開發(fā)公司展開深度合作，將實習中遇到的設備工藝進行仿真開發(fā)，能夠使每位學生在實習前就能接觸和操作儀器設備，提高了學生的動手能力和解決工程實際問題能力，使學生在實際實踐訓練中掌握更多的經(jīng)驗技能，為將來畢業(yè)后工作奠定良好基礎。

1.7 開放共享

大力進行校內(nèi)實驗資源的整合與共享，繼續(xù)完善和拓展優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學資源，實現(xiàn)實驗內(nèi)容、實驗室與科研項目三位一體的全方位開放模式。通過網(wǎng)絡信息平臺管理中心資源，將實驗內(nèi)容、儀器設備、規(guī)章制度網(wǎng)上公布，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的共享和開放［14-16］。學生可通過網(wǎng)絡系統(tǒng)自主進行選擇和預約，實驗中心老師負責提供必要的培訓和指導。通過信息化管理和門禁系統(tǒng)實行對學生全天候開放，自主管理。

中心充分利用學校在安徽省的影響力，充分發(fā)揮我院生態(tài)環(huán)境學科優(yōu)勢，與其他院校開展廣泛的交流與合作。定期接受外校學生和教師的訪問研究。通過有特色的技能大賽，例如“安徽省普通高校大學生動植物標本制作大賽”“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“全國環(huán)境實踐虛擬仿真創(chuàng)新大賽”“北控水務杯大學生職業(yè)技能大賽”等密切與全國高校間交流與合作。

2 結 語

中心始終堅持以學生為主體，把培養(yǎng)安徽生態(tài)強省建設和環(huán)境保護亟須的高素質(zhì)復合型創(chuàng)新人才作為目標，堅持仿真實驗與實物實驗相融合、教學與科研相互動、校內(nèi)與企業(yè)相銜接的教學模式，充分調(diào)動學生的能動性和創(chuàng)造力，使學生在基礎理論、實踐能力和創(chuàng)新意識方面獲得提升。在虛擬實驗項目建設中，注重校企合作與學科交融，形成學科群實驗教學平臺。在整合校內(nèi)實驗資源的基礎上，中心充分發(fā)揮生態(tài)與環(huán)境專業(yè)特色與虛擬仿真實驗教學優(yōu)勢，繼續(xù)加強與兄弟院校的教學互動聯(lián)系，對不同教學資源分類共享，提高虛擬仿真實驗教學效果與中心的示范輻射作用。

·名人名言·

想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。嚴格地說，想像力是科學研究的實在因素。

——愛恩施坦