虚拟仿真实验教学资源建设与管理探讨

尹立孟，朱光俊，万新，张明远



虚拟仿真实验教学资源建设与管理探讨

尹立孟，朱光俊，万新，张明远

摘要：以重庆科技学院为例，阐述了校企合作共建虚拟仿真实验教学资源的建设思路，探讨了在合作共赢、互利互惠的基础上构建校企共建、共管和共享的建设与管理模式。为高校学生、企业员工的工程实践能力与创新能力提升创造平台，又为企业的科技服务与长远发展提供助推动力。

关键词：实验教学；虚拟仿真；校企合作；共建；共管；共享

为顺应教育信息化发展潮流，教育部从2013年开始陆续建设了一批具有示范、引领作用的国家级虚拟仿真实验教学中心。教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中指出，国家建设虚拟仿真实验教学中心的指导思想是坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”，以培养学生创新精神和全面提高实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学的改革与创新。重庆科技学院在重庆市冶金工程实验教学示范中心的基础上建设了钢铁制造虚拟仿真实验教学中心（以下简称“仿真中心”），成为首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心。

一、虚拟仿真实验概述

所谓虚拟仿真实验是指采用计算机、网络信息等先进技术，在数学理论、相似原理以及专业基础与理论的基础上，基于虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样，完成各种预定的实验项目，所取得的实验、训练效果等同或者优于在真实环境下取得的效果。虚拟仿真实验教学中心建设的关键是如何搭建科学可行的信息化教学平台和构建丰富合理的虚拟仿真实验教学资源，并对这些以虚拟仿真实验为核心的教学资源进行持续建设和高效可行的管理。一般来说，信息化教学平台的建设主要是“硬件”和“环境”建设，投入一定的人力、物力和财力就可以很快产生较好的效果。然而，优质的虚拟仿真实验教学资源如果没有一定的积累和基础，就很难在较短时间内建成并很快显示出良好的实际效果。本文重点介绍我校在钢铁制造全流程工艺方面如何与企业通过产学研合作实现协同创新、深度融合、共建共管共享虚拟仿真实验教学资源，实现校企同进共赢、产教互利互惠的目标，以期为高校虚拟仿真实验教学改革提供建设思路与参考。

二、虚拟仿真实验教学资源的构成

仿真中心以现代钢铁制造全流程“铁—钢—铸—轧”为主线，建成了5大模块、4个层次的实验教学资源体系（如图1所示），以期达到培养学生工程实践、专业设计和科技创新3种能力的目的。其中，5大模块以钢铁制造流程为主线，对关键工序开发若干个虚拟仿真实验教学项目，支持集中学习、任务驱动学习和学生团队自主学习。关键工序模块主要由虚拟仿真和生产操作仿真2个子模块组成。虚拟仿真是在虚拟的环境下实现原料条件的设定、工艺路线的选择和工艺参数的优化；生产操作仿真是基于生产现场控制软件、数据库和操作界面，实现工艺过程的控制。基于虚拟仿真与生产操作仿真实验教学平台，学生可自由选择实验项目，开展不同钢种的冶炼与加工工艺设计及优化、模拟生产及成本控制、事故分析及处理。

三、虚拟仿真实验教学资源建设与管理策略

（一）科研成果转化确保虚拟仿真实验教学资源持续更新

仿真中心非常注重校企合作，资源共享。从高校方面来看，校企合作是高校培养高素质应用型人才的重要模式，是实现人才培养目标的基本途径，可充分利用校企各自的资源优势，减少重复建设，降低成本，实现资源共建共享与共同育人。从企业方面来看，企业可通过校企合作借助高校先进的设施设备和专业师资优势，共同进行研究与开发，帮助企业解决相关的技术难题。因此，校企合作可以秉承“利用高校专业优势为企业服务，办好企业和产业促进高校专业发展”的理念和思路，校企协同创新，促进专业建设与产业发展实时互动，推动产业、教学深入融合，促进企业、产业和高校走上健康发展之路。就虚拟仿真实验教学而言，校企合作可以带来大批科研成果，如果能把这些科研成果转化为教学资源，则可以极大地提升虚拟仿真实验教学资源的质量，也可以及时惠及企业职工和学生。

图1　钢铁制造虚拟仿真实验教学资源体系

仿真中心坚持“自主研发”和“校企协同创新”两条腿走路。在自主研发方面，研发了钢铁制造过程中的烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢5个虚拟仿真模块等成果，直接服务于学生与企业员工培训的虚拟仿真实验教学。在校企协同创新方面，与中冶赛迪工程技术股份有限公司（简称“中冶赛迪”）按照互利共赢、优势互补、联合校企力量研发世界领先水平的钢铁轧制生产工艺的目标，目前在共建控轧控冷中试基地的基础上研发了虚拟仿真实验平台，实现了多家钢铁生产企业的生产现场数据与中心资源的实时传输与共享，为虚拟仿真教学资源的更新提供了有力保障，开拓了学生的视野。同时，仿真中心对现场数据的挖掘与利用为企业生产工艺的优化及产品质量的改进提供了有力支撑。另外，与重庆钢铁（集团）公司（简称“重钢”）合作研发了现代钢铁企业全流程模型，并制作了钢铁制造全流程学习视频，为企业新进职工和学生全面了解现代钢铁制造夯实了坚实的基础。

校企合作科研成果的及时转化，在构建“铁—钢—铸—轧”全流程的现代钢铁生产仿真系统的基础上，训练了学生基于生产现场的虚拟仿真操作技能；在构建关键工艺仿真的基础上，培养了学生的工程实践、专业设计能力；在构建基于现场生产数据实时再现以及即时分析与现场工程师互动的基础上，切实增强了学生的创新意识和提高了科技创新能力。

（二）共建共管共享实现虚拟仿真实验教学资源持续发展

虚拟仿真实验教学资源的持续发展需要制度保障，由于不同于传统的实验教学，原来的很多制度无法满足这一新生教学模式的需要，要求校企合作共同制定新的规章制度，尤其是虚拟仿真实验教学资源、知识产权保护和教学运行管理等方面的制度。因此，仿真中心在中冶赛迪、重钢等企业的支持下，修订了《实验教学中心保密、技安条例》《实验教学中心学生实验成绩考核办法》等制度，还新制定了《虚拟仿真实验教学中心教学资源研发管理办法》《虚拟仿真实验教学中心岗位责任制》《虚拟仿真实验教学中心专职队伍管理办法》《虚拟仿真实验教学中心教师能力提升实施办法》等系列制度。这些制度基于校企“互利共赢、协同创新”的建设思路，明确了共建、共管、共享的“三共”基本原则。共建的范围包括中试基地、实验教学平台、虚拟仿真教学资源开发、教师能力提升中心、大学生虚拟仿真企业学习站、企业工程师高校虚拟仿真工作室以及相关制度等。共管的部分包括教学平台、教学资源和企业兼职教师的管理。共享的部分包括虚拟仿真实验教学资源、生产现场实时数据和数据挖掘结果、基于虚拟仿真工艺的产品质量改进方案等教学与科研成果。

此外，仿真中心在教学质量监控、虚拟仿真实验教学资源持续更新与及时补充，设备运行、维护、更新及管理等方面也和企业一起进行了规范管理，为虚拟仿真实验教学资源持续扩展与教学的正常运行提供了重要保证。

（三）教师能力提升促进虚拟仿真实验教学资源高效利用

仿真中心的师资队伍由于牵涉的学科专业面广，如信息科学、计算机、自动化、冶金工程、材料加工工程等，因此采用专职和兼职相结合的模式相对更为合理，专职实验教师保持4～5人，其余包括企业教师在内的人员均采用兼职聘任方式。

考虑到“双师型”教师不能满足仿真中心持续发展的要求，基于校企合作模式，对那些无企业工作经历和工程实践能力不强的教师需要定期组织进企业现场锻炼。与此对应，企业的优秀工程技术人员的生产现场经验丰富、工程能力非常强，但是缺乏教学组织与管理经验，因此非常有必要进行针对性培训，只有这样才能适应虚拟仿真实验教学。另外，专职实验人员开始面对虚拟仿真实验教学的资源利用、教学组织与信息化管理等方面也存在诸多的不适应，需要定期组织学习与交流讨论。总之，无论是专职实验教师，还是兼职的高校专业教师和企业聘任教师的能力提升都显得非常必要，也是充分、合理利用虚拟仿真实验教学资源的关键。

（四）学生能力提升突出虚拟仿真实验教学资源成效最大化

传统冶金企业的生产普遍存在高温、高成本、高污染等特点，冶金工程相关专业的传统实验教学也普遍存在环境高温、操作危险、实验成本高、设备贵重、动手机会少等特点，以致学生的实践动手能力不强、创新意识不够和创新能力不足，成为制约应用型冶金工程人才培养质量的瓶颈。

虚拟仿真实验技术的引入，可对学生进行全面、系统的工程实践训练，实现了教学资源的零消耗、实验过程的零污染、实验容量的无限化，丰富了实验教学的内容，消除了实验的危险性，增加了学生动手操作的机会，切实提高了学生的动手操作能力和创新能力。基于教学互动的钢铁制造虚拟仿真实验教学，近年来仿真中心培养的学生获得了“挑战杯”重庆赛区金奖1项、一等奖1项，“全国大学生工程训练综合能力竞赛”国家级三等奖1项、重庆市二等奖2项，“第十届中国大学生科技竞赛”一等奖1项。特别是在2015年第九届“世界网络炼钢大赛”全球总决赛中取得了第1名的好成绩，这也是我国大学生参加该赛事的最佳成绩，可见虚拟仿真实验教学的成效非常显著。

四、结语

仿真中心积极探索了虚拟仿真实验教学新方式，在实验教学资源建设和管理模式上进行了一些创新，克服了传统实验教学的诸多局限，依托校企合作、产教融合、协同创新，借助高等教育信息化和虚拟仿真实验教学手段，重视虚拟仿真实验教学师资队伍的建设和教学资源的研发，极大地丰富了实验教学的内涵，在“共建、共管、共享”虚拟仿真实验教学平台和资源方面实现了携手同进和互助共赢。

参考文献：

[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（11）.

（编辑：文汝）

基金项目：重庆科技学院教育教学改革研究重点项目“材料成型及控制工程专业卓越工程师培养的实践教学模式研究与实践”（201203）。

收稿日期：2015-09-23

作者简介：尹立孟（1976-），男，博士，重庆科技学院（重庆401331）冶金与材料工程学院院长助理，副教授，研究方向为油气高性能管线钢焊接与可靠性、电子封装材料与可靠性。

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1673-1999（2016）01-0061-03