虚拟仿真实验室：实验教学的深度拓展

本文转自：青岛日报

驻青高校获评多个虚拟仿真实验教学创新实验室，形成各自教学特色——

虚拟仿真实验室：实验教学的深度拓展

□青岛日报/观海新闻记者 王世锋

日前，教育部教育技术与资源发展中心（中央电化教育馆）公布了首批高等学校虚拟仿真教学创新实验室项目学校及案例团队名单，全国173所高等学校、325个教学团队入选。驻青高校中，有7所高校的12个实验室团队入选。

虚拟仿真实验是高等教育信息化的重要内容和实验教学的重要组成部分。自2013年教育部推动全国高校探索建设虚拟仿真实验教学资源以来，驻青高校依照“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则做了多方面的探索，形成了涵盖海洋科学、水产科学、医学、智能制造、油气储运、化工、植物保护等领域的特色虚拟仿真实验室教学资源。虚拟仿真教学实验室项目、课程资源的建设极大地拓展了实验教学的内容深度和广度，延伸了实践教学的时间和空间，推动了教师理论教学与实践教学目标的实现。

电脑上完成高难度实验

中国海洋大学海洋地球科学虚拟仿真实验教学实验室机房内，学校地质学专业学生巴旗登录海洋地质和地球物理海上综合实习虚拟仿真平台，进入海底调查与取样模块，“东方红2号”船甲板上的作业装置便以第一视角画面显示在眼前，他要利用该系统模拟完成海底沉积物采样实习实践。巴旗用鼠标操作设备布放仪器，采集海底表层沉积物，查看、分析采样效果，一气呵成。操作完成后，系统不仅会给出评分，还会提醒违规操作行为。“海上实习实践机会有限，这样利用虚拟仿真软件熟悉流程和设备特点后，在真正登船操作时才会游刃有余。”巴旗说。

青岛科技大学化工过程与装备虚拟仿真教学创新实验室内，青科大化工学院化学工程与技术专业博二学生李哲正在模拟化学链气化工艺实验操作。她操作鼠标和键盘，打开3D显示效果的气瓶以及气体流量计开关，检查气路气密性，调节气体流量，加热反应器。达到目标温度后，她把煤炭等反应物质放入反应器，将集气袋接入气路管道末端收集气体……一个涉及加热、催化作用以及物质分解过程的复杂实验就完成了。“通常情况下，这个实验需要的设备体积大，成本高、时间长，还要在高温高压环境下进行，安全性要求高。在虚拟仿真条件下，实验物质、时间成本会大幅降低，安全性更高，更重要的是可以详细了解化学反应的各个细节，可以帮助我们更好地理解化学链气化工艺的原理。”李哲介绍。

有高校相关负责人表示，现实中有些实验对象太过宏观或微观，学生难以理解，实验室也不能提供合适的实验条件；有些实验过程太危险，学校不敢“放手”让学生做；有些实验仪器与材料价格昂贵，实验室很难搭建这样的实验场景。而虚拟仿真实验则可以摆脱物理现实的限制，拓展实验教学的广度和深度。“考虑到化学物料的易燃易爆和毒性特点，以及高压低温设备的应力强度问题，许多与实践结合十分紧密的实验项目无法开设，我们的化工过程与装备虚拟仿真教学创新实验室就构建了高度仿真的虚拟实验环境，可以提供可靠、安全和经济的实验项目。”青科大环境学院院长、化工过程与装备虚拟仿真实验教学中心主任田文德介绍。

教学资源各具特色

虚拟仿真实验室是解决真实实验项目困难的重要途径。教育部自2013年开始推动全国高校探索虚拟仿真实验教学资源建设，评选国家级虚拟仿真实验教学示范中心、示范性虚拟仿真实验教学项目，认定了一批虚拟仿真实验教学一流课程。中国海洋大学、中国石油大学（华东）、山东科技大学、青岛科技大学等4所驻青高校的7个虚拟仿真实验教学中心获评为“国家级”中心。海大的鱼糜及其制品工业生产全流程仿真实验、石大的油田地质实习虚拟仿真实验、山科大的煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验等项目入选“示范性虚拟仿真实验教学项目”。驻青高校多门课程获评教育部虚拟仿真实验教学一流课程。

此次教育部教育技术与资源发展中心评选“项目学校”“案例团队”则是对以往虚拟仿真实验教学的进一步总结和推进。驻青高校共有12个案例团队入选，在全省占比超1/3，包括中国海洋大学海洋地球科学虚拟仿真实验教学实验室、中石大油气储运工程虚拟仿真教学创新实验室、青大医学虚拟仿真实验中心、青科大化工过程与装备虚拟仿真教学创新实验室、青岛理工大学土建工程理实一体化虚拟仿真教学实验室、青岛农大植物保护虚拟仿真实验创新教学中心等。入选的实验室涵盖海洋、水产、地质、食品、医学、智能制造、植物保护、油气储运、化工等领域，与高校特色优势学科结合紧密。

“我们自2000年前后便在实验教学中尝试利用三维可视化技术开展数字化多媒体实验教学，目前已构建了室内特色实验课程、地球科学野外实习、海洋调查技术等3大模块，涵盖海底构造虚拟仿真实验系统、多波束测深实习虚拟仿真系统、山东桃村地质和地球物理综合实习虚拟仿真系统等20余个项目的虚拟仿真实验教学平台。”海大海洋地球科学虚拟仿真实验教学实验室副主任刘明介绍。

青岛大学医学虚拟仿真实验中心与传统的优势医学学科结合紧密。该中心主要承担临床医学、预防医学、医学影像学、口腔医学、护理学、药学、医学检验技术等7个国家一流本科专业的医学实验教学任务，开设实验课程30门，年接纳医学本科生人数3000余人。“我们还自主研发了《单纯疱疹病毒的分离与鉴定》《心肌再灌注损伤探究》等虚拟仿真实验项目，应用于本科实验教学及大学生科研训练、创新创业训练项目，并获批国家级和省级一流课程。”青岛大学医学部副部长、遗传学与细胞生物学系主任李冰介绍。

实验教学赋能产业发展

记者注意到，部分高校的虚拟仿真实验教学实验室在服务于本校师生的同时，还依托资源优势服务于其他高校、科研院所、企业等单位，推动了虚拟仿真实验教学资源的最大化利用。

山东是能源化工、规模化工、轻工造纸大省，而化工是青科大传统优势学科，该校化工过程与装备虚拟仿真实验教学中心以此为背景，融合化工、轻工、生物、制药和材料学科群专业内容，逐步形成了独具特色的“一体化、多层次、模块化、重开放”虚拟仿真实验教学体系。该中心以自主研发的动态模拟分析系统（DSAS）为平台，集成化工设计和仿真软件43种，其中自制软件高达35种；开设了计算机仿真有关的5门实验课程和5个实验教学模块，共计40余个实验项目，有力支撑了学校的实验教学。

值得一提的是，青科大自主研发的DSAS仿真系统已被合肥工业大学、山东第一医科大学、聊城大学等9所省内外兄弟院校采用。学校专门开发了50余套炼油和化工装置的仿真软件系统，在企业员工培训和工艺改造中发挥了重要的作用。“我们在DSAS仿真系统设置了很多沉浸式场景，企业员工在上岗前，可以在系统内进行沉浸式基础技能、安全应急培训，从而大大提高对设备的熟悉程度，提高操作的安全性。”田文德介绍。近年来，他们已开发50余套炼油和化工装置的仿真软件系统，服务企业30余家。

在用好现有资源的同时，各高校还在不断升级虚拟仿真实验教学实验室的硬件和软件设备。“未来，我们计划在不断充实虚仿实践课程资源的基础上，进一步引入虚拟现实技术，配备虚拟现实头盔、操作手柄等设备，以持续提升实验教学的真实感，更好赋能教育。”刘明告诉记者。