羅運鵬 王淵 賈永興 陳亮 王開華

摘要：信息化背景下，為了提高高校人才的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，實驗在人才培養(yǎng)過程中具有舉足輕重的作用。由于傳統(tǒng)實驗方式的種種局限性，構建網絡化虛擬仿真實驗中心成為當前越來越有價值的重要課題。實驗中心管理水平的高低對于實驗教學的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。本文在分析虛擬仿真實驗本質特征的基礎上，總結建設虛擬仿真實驗中心的必要性，給出了建設思路，并提出完善虛擬仿真實驗中心管理工作的建議，為虛擬仿真實驗中心的可持續(xù)、健康發(fā)展提供理論保障。

關鍵詞：虛擬仿真實驗中心;建設;管理

中圖分類號：G647 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）07-0220-03

當前，隨著信息技術、工程技術的飛速發(fā)展，全球經濟一體化進程加快，為了順應國際發(fā)展趨勢，適應國家發(fā)展需求，堅持走中國特色新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農業(yè)現(xiàn)代化道路，我國教育進入了前所未有的大發(fā)展時期。國家教育部確立教育信息化的戰(zhàn)略地位，于2012年印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》，要求推動信息技術與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提出要利用先進網絡和信息技術，整合資源，構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施，開發(fā)整合各類優(yōu)質教育教學資源，建立高等教育資源共建共享機制，推進教學實驗平臺等信息化建設。各類地方高校及軍隊院校紛紛轉變辦學思路，調整人才培養(yǎng)方向和定位，積極參與高等教育信息化建設。

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(yè)與信息技術深度融合的產物。為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號）精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》，教育部決定于2013年啟動開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。這種新的實驗教學方式采用開放的實驗教學模式，以信息化技術為標志，以充分反映學科特點和要求為出發(fā)點，為實驗教學注入新內容，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，是對傳統(tǒng)實驗教學的延伸和擴展。從實施的情況來看，虛擬實驗教學尤其對實驗室的管理水平和網絡化共享平臺要求甚高，因此迫切需要借助完善的實驗室管理辦法來維護。為了高效管理實驗教學資源，實現(xiàn)校內外、本地區(qū)及更廣范圍內的實驗資源共享，保證虛擬仿真實驗教學中心的可持續(xù)發(fā)展，本文圍繞虛擬仿真實驗中心的建設與管理進行探討，有利于更好地發(fā)揮虛擬仿真實驗在信息化背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用，為實驗教學的改革與創(chuàng)新提供參考。

一、虛擬仿真實驗概述

虛擬實驗（室）（Virtual Laboratory，VL），也稱合作實驗（Collaboratory Laboratory，CL），這個概念于1989年由美國William Wolf教授最早提出，Wolf教授形象的把虛擬實驗室稱為“沒有圍墻的研究中心”。虛擬實驗是指借助于圖形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術在計算機上所營造的，可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗操作各環(huán)節(jié)的相關軟硬件操作環(huán)境[1]。虛擬實驗是相對真實實驗而言的，它沒有以實物形態(tài)存在的實驗設備與實驗對象，實驗過程主要是利用鼠標的點擊、拖動來設置實驗條件，采集實驗數(shù)據(jù)，分析處理實驗結果，從而完成整個實驗。

虛擬仿真實驗實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，成功地解決了硬件條件與學生學習需求不斷提高之間的矛盾，利用計算機網絡的便捷及軟件模型的真實可靠，基于面向對象的思想，構建可視化的管理平臺，實現(xiàn)在線模擬實驗、虛擬設備實驗、遠程實驗及在線幫助等功能，通過在線提交實驗報告及在線幫助等模塊使教師與學生的交互性更強，突出學生的主體地位。

用于教學的虛擬實驗室大致可分為兩種類型。

1.基于虛擬儀器的實驗室。這是直接由各種虛擬儀器代替物理設備所構成的實驗室。構建該類實驗室較為簡單，易于實現(xiàn)，如虛擬示波器、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器等虛擬儀器構成的實驗室，成本低，易于管理。

2.基于網絡的遠程虛擬實驗室。這類實驗室構成相對復雜些，所需技術較多，但由于其有廣闊的應用前景，這種形式也是教育方式發(fā)展的一個趨勢，且現(xiàn)今計算機技術、網絡技術發(fā)展迅速為其提供了必要的物質技術條件。

二、虛擬仿真實驗的本質特征

長期以來，在全國普通本科高校實驗室數(shù)量、面積持續(xù)增長的前提下，實驗教學的現(xiàn)狀依然不能滿足當下各學院的學科專業(yè)發(fā)展和實驗教學質量的提高。虛擬實驗室打破了傳統(tǒng)實驗教學以教師為中心的局限，依托信息化技術，如虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網絡通訊等其他重要的信息化技術，填補了傳統(tǒng)實驗平臺不能實現(xiàn)的實驗內容。在虛擬實驗室內構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在這個環(huán)境中不必擔心損壞儀器設備，可大膽地嘗試各種設計性實驗、綜合性實驗和探索性實驗，并可將相應的網絡資源進行整合，開發(fā)出新的實驗內容。不但能開拓學生視野，提高學生興趣，而且拓展了學生的創(chuàng)新能力和想象能力。虛擬仿真實驗充分反映了各學科的要求和特點，形式靈活多樣。功能上與教學內容相契合，為本科教學服務，滿足教學大綱要求，既鞏固基本理論與操作，又能適應新形勢下人才培養(yǎng)的需要。信息化技術特征、高度仿真和滿足教學要求三個方面構成虛擬仿真實驗教學中心的本質特征。

三、虛擬仿真實驗中心建設的必要性

隨著信息化技術的迅猛發(fā)展和普及應用，高校實驗室建設得到了國家、各大高校的高度重視，通過近幾年的建設已經取得了大量卓越的成果。然而，在如何體現(xiàn)信息化核心教學理念方面仍缺少實質性的方案和實踐，特別是實驗內容和實驗手段，難以滿足實驗教學對于各學科支撐作用的需求。

虛擬仿真實驗教學資源作為整個高校教學資源的一部分，在高等教育實驗教學框架下系統(tǒng)運行，虛擬仿真實驗中心的建設彌補了傳統(tǒng)實驗不能實現(xiàn)的教學功能，為當下實驗教學質量的提高提供了一個有效的問題解決方案，其必要性在于：首先，網絡化虛擬實驗室比傳統(tǒng)實驗室更具有開放性，有效地打破了時間和空間的界限，學生可以靈活安排自己的實驗時間，也可以根據(jù)專業(yè)、興趣、愛好自主選擇實驗內容，對自己完成的綜合設計性實驗方案進行實驗，有效拓展了實踐渠道，豐富課外學習內容。其次，大大節(jié)省了實驗室建設中人力、物力、財力的投入，降低了實驗教學成本。實驗儀器、實驗耗材都是通過虛擬技術實現(xiàn)，實驗教學的改革、實驗項目的調整、實驗方案的優(yōu)化再也不受實驗設備性能的制約，有效解決了傳統(tǒng)實驗平臺建設周期長、投入大、設備功能缺乏、性能老化、更新補充不到位等問題，保障了教學的正常開展。再次，針對實踐性強的理工類學科，利用虛擬仿真技術可以做到緊跟科學技術的發(fā)展趨勢，通過課題研究、技術開發(fā)、工程實驗、成果轉化、產業(yè)化等產學研一體化的創(chuàng)新活動，將前沿技術融入教學，實現(xiàn)科研活動與教學活動、科技創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的完美結合。

同時，由于我國區(qū)域經濟發(fā)展的不平衡，導致教育資源分布差異很大，一些地區(qū)短時間內難以建立良好的實驗環(huán)境和優(yōu)質的教學資源。因此，依托互聯(lián)網的應用普及，虛實結合地開展虛擬仿真實驗，將會極大地拓展課程受益面，成為一種非常迅速、有效、值得推廣的教育資源輻射形式。

四、虛擬仿真實驗中心的建設思路

（一）定位明確，特色鮮明

科學和技術發(fā)展離不開先進的研究手段，人才的培養(yǎng)更離不開先進的實習和實驗條件。高等學校以培養(yǎng)人才為中心，同時承擔著知識產出和社會服務的重要任務。因此，高校實驗教學在人才培養(yǎng)中的地位和作用顯而易見。虛擬仿真實驗教學中心的建設以堅持信息化技術與教育教學深度融合為核心理念，以培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力和提高教學質量為宗旨，以實驗資源開放共享為目標，堅持特點建設，創(chuàng)新管理機制，推動教學改革，帶動實驗教學水平的總體提升。

（二）制定規(guī)劃，分期建設

首先對虛擬實驗教學體系總體規(guī)劃，對實驗中心建設、組織機構、管理體系進行總體設計，特別強調進行“頂層設計”。既要避免實驗室或某些實驗功能的重復建設，又要考慮與其他地方院校實驗室及研究機構、企業(yè)等組織上下、縱橫結合。其次是對教學內容、課程設置和培養(yǎng)目標進行整體設計，像設計理論教學那樣獨立設計實驗教學課程。各院系專業(yè)按自身教學結構設置實驗室體系，注意將綜合性實驗室與專業(yè)實驗室相結合。

要把虛擬實驗室建設與教學（訓練）基地建設統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一實施，把虛擬實驗教學與基地化實驗教學結合進行，并且要邊建設邊使用，邊使用邊完善。

（三）面向未來，開放發(fā)展

虛擬仿真實驗中心是基于網絡的全面開放發(fā)展的系統(tǒng)，具有較強的交互性。在前期整理思路、摸索經驗的基礎上，要建立起全方位的合作模式，產生良好的社會效益和經濟效益，使資源共享可持續(xù)。某校開發(fā)的軟件系統(tǒng)，既能為其他合作實驗室和院校機構所使用，其他科研機構開發(fā)的系統(tǒng)也能為該校提供依據(jù)和幫助。

五、虛擬仿真實驗中心的管理建設

（一）完善虛擬仿真實驗中心的管理機制

1.理順管理體制。從宏觀層面上看，學校集中管理的同時，各學院具有一定的獨立自主權。組織機構、設備管理、實驗教學、信息技術平臺、人員配置等機構各司其職，相互協(xié)作，建立信息化管理體制。各實驗室的建設與升級由各院各實驗教學中心統(tǒng)一時間節(jié)點，制定相應計劃，做好預算，統(tǒng)一進行建設與管理，這樣既有效地實現(xiàn)了有限資源的協(xié)調與共享，較好了節(jié)約資金，又能統(tǒng)一各實驗室建設的進度及管理辦法，全面推進各個學科虛擬實驗室的建設與使用。

2.制定全面的管理制度。從微觀層面上看，為了確保實驗教學的順利開展，制定一套統(tǒng)一的科學化的管理制度和工作規(guī)范，實現(xiàn)對虛擬實驗中心管理、實驗室資源分配、使用情況、實驗實踐教學及人員流動等全方位的管理。具體制度既包含傳統(tǒng)的實驗中心管理人員和教師崗位職責、實驗中心工作規(guī)程、實驗中心工作條例、實驗室開放實施辦法、實驗教學工作條例等管理措施，還包含虛擬仿真實驗特點的課題負責人責任制、登記實驗室開發(fā)人員和管理人員名單、針對不同職責人員的培訓計劃和大型精密儀器設備開放共享管理辦法。

3.建立項目申報常態(tài)機制，設立創(chuàng)新升級專項基金。從可持續(xù)發(fā)展層面上看，按照學科方向、課程內容應建立相應的實驗項目申報機制。特別是創(chuàng)新實驗建設，每學期組織一次項目申報，由每個教研中心按照課程實驗教學目標及內容要求設計一定數(shù)量、切實可行、具有創(chuàng)新意義的仿真實驗、設計性實驗，填寫《虛擬實驗室項目申請表》，由學校審批后，將項目列表公布在校園網上，供學生選擇。每個項目建立相應的項目情況登記表、項目進度表，由學院定期檢查項目進展。

學校和學院設立實驗中心創(chuàng)新升級專項基金，用于硬件設備的添置，軟件系統(tǒng)升級維護等費用。精簡行政審批手續(xù)，改變非專業(yè)人員決策的問題。組織專門的專家委員會定期評審，評審通過后由實驗室相關人員實施采購、升級或委托專門的采購部門直接采購。同時，作為一種激勵方式，為了鼓勵教師和學生積極參與創(chuàng)新實驗，基金可貼補津貼。

（二）建立虛擬仿真實驗教學新體系

1.設置相應的學分，鼓勵學生積極參加虛擬實驗的學習。隨著教學改革的進一步深化，課程總學時特別是專業(yè)基礎課程學時數(shù)大幅度壓縮，因此迫切需要課程體系進一步整合。在理論課時壓縮的背景下，實驗課程的比例需要適當?shù)脑黾?。根?jù)理論知識的要求，開設一定數(shù)量、難度的虛擬實驗，給予相應的學分，規(guī)定各專業(yè)本科生的最低實驗學分。這樣的學時安排給學生提供了更為充裕的時間發(fā)揮學習的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生的自我管理能力和動手操作能力，進一步促進理論知識的理解和應用。

2.優(yōu)化實驗教學資源，促進創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。按照信息化條件下對新型人才的培養(yǎng)要求，在傳統(tǒng)實驗的基礎上，刪減陳舊過時或與新專業(yè)特點不符的實驗內容，關注市場需求和學生興趣點，將產學研相結合，通過引進或自主研發(fā)等方式豐富虛擬仿真實驗教學資源，研討論證虛擬實驗內容，科學分配學時數(shù)。從內容上將實驗分為基礎實驗、設計性實驗和專題研究等幾個層次。從性質上分為必選、任選和限選實驗等。單獨制定虛擬實驗教學計劃和教學大綱。堅持以反映新技術、新知識，注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的，使實驗課程體系得到整合優(yōu)化，突出專業(yè)特點，保證實驗教學的系統(tǒng)、完整與科學。

（三）加強教師水平與實驗教學水平建設

為了保障實驗室的質量，各實驗室負責人要求教學水平與科研水平兼?zhèn)?。以核心技術隊伍建設為重點，帶動實驗技術隊伍綜合素質的整體提高。選拔骨干教師充實實驗教學、管理隊伍。根據(jù)工作需要和崗位規(guī)劃，吸引不同學歷、不同能力、不同技術特點的人才應聘不同崗位，優(yōu)化實驗教學中心人員組成結構。建立科學合理的青年教師培養(yǎng)計劃，發(fā)揚傳幫帶的優(yōu)良傳統(tǒng)。確保實驗室長期有序的建設與可持續(xù)發(fā)展。

（四）建立科學合理的虛擬仿真實驗中心評價機制

圍繞學生綜合素質發(fā)展和創(chuàng)新能力提高這一目標，制定包含實驗教學資源、信息平臺、實驗教學隊伍、實驗教學效果、管理保障的全方位、規(guī)范化的評價體系。實驗教學資源中教學平臺建設與信息平臺是構建虛擬實驗室的基礎，科研成果轉化為教學內容是特色建設及可持續(xù)發(fā)展的不竭動力。組織建設與規(guī)范管理是發(fā)展好實驗室建設的有力保障。在評價的過程中，既要兼顧全面，也要突出重點。

（五）完善教學管理與共享平臺

虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)是依托學校校園網的公共實驗教學平臺，要保證虛擬仿真實驗教學資源的開放共享和充分使用，必須堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導思想，結合學校辦學理念和培養(yǎng)目標的特點，采用引進或自制的方式打造適應現(xiàn)代教育新發(fā)展的教學平臺，建成包含實驗室資產、設備維護、課程體系管理、實驗室日常管理等內容的信息化管理平臺，構筑教育信息化體系。

依托虛擬實驗信息化管理平臺建立實驗室優(yōu)質資源共享系統(tǒng)，通過激勵機制，調動各級單位參與共享的積極性。一方面要推進區(qū)域內校際資源共享，另一方面要整合校內實驗資源，促進院系間實驗資源共享。

六、小結

總之，在傳統(tǒng)教學不能滿足信息化時代教學要求的背景下，建立基于計算機網絡資源的虛擬仿真實驗中心成為解決硬件設施不足、教學時空受限、實驗內容與實際脫節(jié)等現(xiàn)實問題，提高教學質量的重要選擇。目前虛擬仿真實驗中心的建設得到了國家的重視和大力支持，在各高校及科研機構等組織中得到了不同程度的發(fā)展。不斷推進虛擬仿真實驗中心管理建設，提升管理水平將在未來的實踐中證明是虛擬仿真實驗中心建設的重要內容和保障。

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