依托虚拟仿真实验教学中心，培养工程实践能力

崔 媛 ,武艳君 ,孙萌萌,常洪艳 ,马福秋

(哈尔滨工程大学 a.核科学与技术学院；b.组织部；c.图书馆；d.外语系 哈尔滨 150001)

依托虚拟仿真实验教学中心，培养工程实践能力

崔 媛a,武艳君b,孙萌萌c,常洪艳d,马福秋a

(哈尔滨工程大学 a.核科学与技术学院；b.组织部；c.图书馆；d.外语系 哈尔滨 150001)

通过分析虚拟仿真技术对核工程与核技术专业实践教学的促进作用，阐述了虚拟实验室建设的必要性。结合核科学与技术虚拟仿真实验教学中心建设实际，探讨虚拟实验教学体系对提高实践教学有效性的作用。

虚拟仿真；实践教学；有效性；探索

1 虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容

教育信息化是信息时代教育改革发展的必然，也是教育现代化的核心特征。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》指出:“信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视。”[1]近年来，教育部加强了对实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导。2013年3月教育部颁布的《教育信息化十年发展规划( 2011～2020 年) 》从顶层设计入手，从宏观战略的高度提出了建立具有中国特色的教育信息化体系，建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境，建设学习型社会的信息化支撑服务体系的中长期目标、任务和措施，并分别制定了基础教育、职业教育、高等教育、继续教育和教育管理信息化发展水平框架[2]。

国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作是高等教育信息化的组成部分[3]。虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，尤其对于那些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目，虚拟仿真实验教学具有明显的优势，并对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生了意义深远的颠覆性影响[4]。可以说，虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，体现出信息技术与教育教学融合发展和与学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新。

2 虚拟仿真技术对核工程专业实践教学改革的促进作用

2.1 虚拟仿真教学有利于激发学生的专业学习兴趣

作为一门技术复杂、设备众多的学科，核工程与核技术专业教学的一个重要要求就是直观、形象、生动，但在目前国内广大院校的实际教学中往往难以直接展示系统的结构、作用原理及工作流程等教学内容，这对学生更好地掌握专业知识极为不利[5]。通过虚拟仿真方法建立的核电站系统与设备模型，可以使学生通过人机交互的方式对核电模型进行浏览，在模型内部自由“漫游”，使他们能非常直观地学习核电站系统与设备结构。这样不仅将复杂、抽象的内容具体化、形象化，提高了教学质量，而且还可以调动了学生的学习兴趣。

核工程与核技术是一门实践性很强的学科，实验和实习应贯穿于整个教学过程。实践教学环境的好坏对掌握专业知识至关重要。三维虚拟软件和多媒体系统的开发与应用，可对专业教育起到很好的促进作用。三维虚拟软件与多媒体系统相结合，打破了时间、空间、经费等方面的局限性，为学生提供了真正的“开放性教学环境”，提高了学生的自主动手能力和创新能力[6]。相对于传统的“板书+挂图”或纯PPT播放等教学形式而言，虚拟仿真教学形式新颖，能够充分调动学生的学习兴趣，激发他们的求知欲望，有利于提高教学效果。虚拟技术改善了教育、教学环境，扩大了学生学习的空间和时间，培养了学生的实践能力和学习能力。

2.2 虚拟仿真教学有助于提高学生的空间想象能力

利用虚拟仿真的方法能形象、生动地描绘出传统课堂上无法准确、细致表达的复杂图形、图像等。借助虚拟现实、计算机仿真、计算机辅助设计软件等模拟出核电站复杂系统和设备的结构、原理、工作流程、空间位置布局、立体图形的生成过程等。通过对这些过程的模拟可以实现由点、线、面到体的全程模拟，帮助提高学生的空间想象能力和形象思维能力。通过虚拟仿真技术可以使对系统的理解更形象、直观且全面，也克服了专业教学中教师难讲，学生难学的弊端。

2.3 虚拟仿真教学有利于保障学生的实践教学安全

由于专业的特殊性，核工程与核技术专业的教学和实习存在着极大的局限性，基础实验就要涉及放射性，学生有惧怕心理。在虚拟环境中进行教学和实践具有很好的安全性和可重复操作性，因而利用虚拟仿真系统对学生进行教学是非常好的选择。虚拟仿真系统可以有效降低对操作人员的辐射剂量、节省经费，而且还可以通过生动逼真的视觉、听觉和触觉等感受，使操作人员如同在真实的系统和环境中操作一样。此外，通过更深入的虚拟仿真，可以实现在操作人员发生错误操作时及时发出报警信息和操作建议的功能，甚至可以刻意模拟某些在现实中不大出现但是必须掌握的事故操作，加深学生对这类事故的认识，提高他们处理事故的能力。

3 虚拟仿真实验教学中心在核专业实践教学中的应用

哈尔滨工程大学是国内最早设置核专业的高校之一，专门为我国培养核动力领域从事科学研究、设计开发的专门人才。学校根据国家和教育部有关文件精神，组织开展核科学与技术虚拟仿真实验教学中心建设。2014年，核科学与技术虚拟仿真实验教学中心成功成为首批100个“国家级虚拟仿真实验教学中心”之一，是国内高校中首个建成、具有国际一流水平的核科学与技术虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验教学平台包括“核动力装置虚拟教学系统”“核动力装置实时仿真系统”如图1所示，“核动力装置辅助设计系统”如图2所示三个虚拟仿真实验教学模块[7]，构成教学平台的硬件系统和工具软件均来自于学科和科研建设与积累。

图1 压水堆核电站实时仿真系统的硬件环境

图2 核动力装置概念设计软件用户界面

戴上3D眼镜，投影屏幕上显示的核电站厂房立刻以三维形式呈现在眼前，反应堆、蒸汽发生器、主泵等核设备清晰可见；轻点鼠标，可以对感兴趣的设备进行“拆解”，了解其内部结构，还可将其一一装配，了解设备的装配过程……核科学与技术虚拟仿真实验教学中心依托先进的计算机技术、仿真建模技术和虚拟现实技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生可以在虚拟环境中开展实验；通过仿真模拟的系统来了解整个系统的原理、组成、相互间关系、运行参数变化、设备间动态响应等，加深对所学知识的理解。虚拟仿真实验教学平台以实验教学为基础，与实验课程教学紧密结合，支持本科生入学教育、通识教育、专业课程教学、专业实践环节教学(包括专业实验、专业实习、课程设计、毕业设计)、大学生科技创新活动，以及研究生专业课程教学、专业实践环节教学，在人才培养中发挥了重要作用[8]。同时，还为中广核集团、中核集团、中电投、国核技所属核电站培训新员工约1 000人次，获得了良好的经济效益和社会声誉，对国内相关技术领域和地区的人才培养产生了较大的带动和辐射作用。

4 结束语

核科学与技术虚拟仿真实验教学中心自建立以来，突破了原有核工程与核技术类专业教学受实验条件的制约，以现代化的教学手段拓展了实践领域，丰富了实践教学内容，开展绿色实验教学，出色地完成了本科生、研究生的实践教学工作。提高了实践教学效果，为传统核工程与核技术类专业实践教学注入了新活力[9]，在提高教学效率以及学生实践能力的培养方面起到了积极的促进作用。中心将以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，发挥学校核科学与技术学科专业优势，进一步开发核化工、辐射探测的虚拟仿真教学资源，搭建全面的、可视化的虚拟仿真实验教学平台，更好地服务于专业实践教学。

[1]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设 提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013，32(11)：6-8.

[2] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013，32(12)：5-8.

[3]关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函[2013]94号)[S].2013.

[4]吕守林.以虚拟实验室建设为契机,推进实验教学改革[J].实验技术与管理,2009，26(11)：157-159.

[5] 郭江华,聂矗,谢诞梅.虚拟仿真技术在核工程与核技术专业教学中的应用探讨[J].中国电力教育，2011(9)：37-38.

[6] 冯其红,胡伟,王增宝.改革实验教学模式培养大学生的工程实践能力[J]实验室研究与探索,2013，32(2)：130-132.

[7] 李亮亮,赵玉珍.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理,2014，31(2)：5-8.

[8] 蒲丹,周舟.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理,2014，31(3)：5-8.

[9] 李玉东,刘景艳,阎有运.依托实验教学示范中心培养工程实践能力的探索和实践[J].实验室研究与探索,2012，31(3)：105-108.

Cultivate Engineering Practice Ability Based on Virtual Simulation Experiment Teaching Center

CUI Yuana, WU Yanjunb, SUN Mengmengc, CHANG Hongyand, MA Fuqiua

(a. College of Nuclear Science and Technology; b. Department of Organization; c. Library; d. Department of Foreign Languages, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

This paper analyzed the promotion of virtual simulation technology to the practice of nuclear engineering and technology specialty teaching, and discussed the necessity of virtual laboratory construction. Combined with the actual construction of nuclear science and technology of virtual simulation experimental teaching center, we investigated the role of virtual experiment teaching system for improving practice teaching validity.

virtual simulation; experiment teaching; engineering education; exploration

2014-04-21；修改日期: 2014-05-16

黑龙江省高等教育学会“十二五”教育科学研究规划课题基金资助项目(HGJXHB2110365)。

崔 媛(1979-)，女，硕士，助理研究员，从事高等教育教学管理研究。

G642.423；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.047