基于虚实融合实验平台建设培养高素质创新型本科生模式探索

吴元周 吕恒林 姜 涛

（中国矿业大学力学与土木工程学院 江苏·徐州 221116）

创新人才培养是高校的使命和初心，而本科生作为接触学科前沿知识的高素质人才，是国家科技创新的后备军，因而高校必须注重加强本科生的科研创新思维和能力的培养和训练。无论是理工科还是管理学科，试验研究都是本科生培养和科学研究的重要手段，是培养学生科研精神和创新实践的重要手段。近年来，随着科技手段的快速发展，本科生试验已经由原来的物理模型试验逐渐转变为物理模型试验与数值模拟试验并重，因而实体实验室和虚拟实验平台建设都是高校实验平台建设的重心。尤其是近年来，虚拟实验平台因其自身的诸多优点得以快速发展，渐有超越的势头。但物理模型试验与数值模拟计算各有优缺点，如何有效融合两者的优势，实现优势互补培养高素质本科生，对高校试验平台建设提出了的新要求。

1 物理模型试验的重要性和不足

物理模型试验是培养学生实践能力、提升其创新思维、检验其理论水平的重要手段，可以加强学生对试验过程和结果的直观印象，且能真实反映各类研究因素的作用效果，因而国内外高校都在积极创建各类国家级、省部级以及厅局级平台。以中国矿业大学为例，先后建成国家重点实验室等5个国家级平台、23个省部级实验平台。高层次实验平台可以提供学生科研试验、探索实践的相关条件，包括设备、人员、经费以及系统的试验教学体系，从而满足本科生教育不断试验探索的过程需求。为有效开展物理模型试验，实体实验室在以下几方面的作用必不可少：

（1）充足的试验场地和仪器设备等硬件设施。试验条件、过程以及结果是相辅相成的，实体实验室可以提供试验开展所需的试验场地和仪器设备等硬件条件，使得学生的科研构思得以实体化，既能检验其理论水平，还能锻炼其实践能力，从而在试验过程中发现重要现象，提炼研究的创新点，所谓创新点，就是基于试验过程的试验结果解释，即试验现象对于试验结果的科学阐释。

（2）经验丰富的指导团队。长期的建设过程，使得本科生导师和实验室技术人员都具有了丰富的试验指导经验，能够在本科生试验过程中给予充分的指导，包括对试验的充分准备、试验现象的及时发现和试验结果的有效分析，加深学生对于科研试验的理解和掌握，提高其试验水平和能力。而且，国家级等高层次的实验室，能够吸引高素质的科研人员加盟，从而进一步优化指导队伍。

（3）充分的经费和项目支持。实验室通过开放运行、建立访问学者制度或提供开放课题，能够吸引优秀人才开展合作研究，与国内外高水平研究机构和团队开展稳定的实质性合作或联合开展重大国际科技合作计划，从而给本科生提供更高的学术平台和学术交流机会，接触学科前沿理论和技术。并基于实验室的科研设施和仪器设备、数据库和样本库等科技资源，开展设计性、综合性的自主创新试验研究，从而提高本科生对于理论知识的理解程度和创新实践能力。

但随着本科生数量增加以及更高层次试验开展的需求，对现有的实验平台需要进一步升级和拓展提出了更高的要求，但受试验场地和经费等诸多方面因素的影响，实体实验室建设过程缓慢且难度较大。主要存在如下几方面问题：

（1）实验场地需求过大、运营成本需求过高。随着科学研究的逐渐深入，对于大型试验的需求日益强烈，逐渐从缩比模型试验向足尺模型试验转变、从构件试验向结构试验发展。大型试验开展必然对于试验场地和配套的试验设备都提出了更高的要求，相应的运营成本也水涨船高。为此，需要对原有实验室进行更高程度的升级，造成高校的发展压力增加。

（2）试验周期超长。本科生试验从构思、设计到试验开展，是一个系统工程，需要认真谋划和实施，尤其是试验对象的制作、试验开展、数据分析处理等试验过程。一旦试验结果不理想，势必要完善试验方案并重新开展试验，进一步延长试验周期，对于本科生的心理会产生一定程度的打击。而且，实体实验室是共享平台，当一个人试验周期延长，势必会对计划使用相同场地或设备的其他人员造成影响。若多个试验周期延长，影响将不可估量。

（3）试验设备维护难度大。通常情况下，高校实验室的技术人员主要侧重于仪器设备的使用和常规维护，对于设备的定期检修和专业维护却很难落实到位，因而通常是聘请生产厂家到校完成，时间和资金成本较高。尤其是设备种类繁多，需要投入大量的人力和财力，导致部分院校存在试验设备维护不到位现象。

（4）实验室安全问题不好保障。部分试验过程中存在一定的安全隐患，如碰撞、易燃易爆物品使用等，对于试验人员、设备和实验室都有会产生一定的事故风险。近年来，国内外高校实验室先后发生各类试验事故，造成的各方面损失不可估量。因而，各高校日益加大实验室安全管理，有时甚至为规避风险而不赞同学生开展某些探究性研究试验。

2 虚拟仿真试验的优势和不足

物理模型试验所面临的问题，为虚拟仿真试验开展提供了发展的空间。所谓虚拟仿真试验，是指借助于信息技术，通过软硬件的配合，在实验室将现实情境进行仿真模拟的一种虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)方法。该方法始于上世纪末，基于VRML虚拟现实技术的仿真实验、基于Flash的交互式虚拟实验、基于Active技术的仿真实验、基于Java技术的虚拟实验和基于QuickTime VR技术的虚拟实验等。目前，国内外较为成熟的虚拟实验平台主要有TN MVA微软虚拟学院的虚拟实验室、美国奥多明尼昂大学的虚拟实验系统、北京邮电大学计算机网络课程群、中南大学虚拟实验平台、国防科技大学云平台实验系统等。

相比物理模型试验，虚拟仿真实验具体如下几方面的优势：

（1）试验条件设置灵活，有利于拓宽学生的自主空间。（2）试验成本相对低廉，有利于及时完善试验需求。（3）可复制性较强，有利于校验试验结果真实性。（4）年轻教师参与便利，有利于提升实验教师指导队伍的综合素质。

虽然虚拟仿真试验具有上述诸多优势，但试验过程中，如果学生操作不到位或者实验室更新不及时，则难免呈现出如下不足：

（1）对于软件的依赖性过多。（2）真实性差，没有做实验的感觉。（3）过于理想化，难以发现过程中出现的问题。

3 虚实结合培养本科生综合能力

针对物理模型试验和虚拟仿真试验的特点，在实验教学实践中，我们可以物理模型试验为依托，将其与虚拟仿真试验结合，相互取长补短，利用虚拟仿真试验作为教师辅助教学的工具、情景创设的工具和学生自主学习的工具，做到“实”中有“虚”，虚实结合，从而达到形象、生动、高效的实验教学目的，在培养学生理论水平的同时增强其实践能力，从而培养高素质创新型本科生。

（1）基于物理模型试验获取数值仿真试验参数。以土木工程专业试验为例，通过详细设计并规范制作物理模型试验所需的试件，并严格按照规程开展试验研究，获取原材料和试件性能参数、约束边界条件等。在数值仿真试验时，采用物理模型试验获取的参数替代规范中的相关参数，试验结果更真实，而且更好反映物理模型试验的规律和结果，避免了两者间的脱节。

（2）基于数值模拟试验结果指导物理模型试验。在开展物理模型试验前，可以先参照规范规程进行数值仿真试验，初步探究试验规律和结果，获得物理模拟试验所需要的试件几何尺寸、材料性能、力学指标等参数，提升试验试件制作的准确性，并给出试验过程需要注意的变化规律，提醒学生在相应节点注意观察。

（3）虚实结合，有利于提炼试验规律和分析试验结果。试验开展前，指导教师可以将基于规范规程的虚拟仿真试验教给学生进行预习，一方面可以更好地学习数值仿真试验方法，另一方面有利于学生直观了解实验原理及实验步骤，提前做好试验准备。而且，数值仿真试验可以弥补物理模型试验数量少的缺陷，虚实结合更好反映试验规律，扩大试验结果量，从而为学生理解和掌握相关理论知识夯实基础。

4 虚实结合实验平台建设的思考

为有效实现虚实试验相结合，在加强实体实验室建设同时，应注重从以下几方面加强虚拟仿真平台建设：

（1）系统规划虚拟仿真平台的功能。虚拟仿真平台涉及试验需求的软硬件，为某个专业或多个专业人才培养服务，因而平台建设应紧密结合相关专业教学试验要求，构建试验开展所需的庞大数据库，包括试验准备、试验开展和结果分析等多个层面。平台应具有物理模型试验结果录入对比端口，为数值模拟提供初始参数和结果对比。此外，平台应能通用的设计和计算软件相匹配，实现数值化工程设计和虚拟建造，从而增强学生试验的真实感。而且，平台还应提供交流答疑等，实现网络化协同教学。

（2）注重加强虚拟仿真平台的二次开发。现代科技尤其是新媒体技术的迅猛发展，对虚拟仿真平台提出了新要求，因而需要针对性的进行二次开发。通过开发APP等，在手机、平板电脑等媒体行实现试验信息浏览，如物理模型试验和虚拟仿真试验的项目名称、场地（虚拟场所）、指导教师介绍，需要提前预习的理论知识或学习掌握的软件，试验项目的选择和准备等。新媒体提供了全方面的开放，便于学生随时随地进行访问。

（3）及时进行虚拟平台的维护和更新。随着专业知识和物理试验手段的更新和完善，虚拟实验平台也应进行相应的维护和更新，包括软件的升级维护、配套硬件设施的增补、指导教师队伍的培训和建设等，真正实现虚拟仿真平台的前沿和创新功能。

5 结束语

科学试验是培养本科生的重要手段，包括物理模型试验和数值仿真试验两类，为培养高素质创新型本科生，需要有效发挥科学试验的作用，虚实结合，在夯实本科生理论基础的同时增强其实践能力和分析处理试验结果的能力。为此，需要高校注重实体实验平台和虚拟实验平台的建设，有目的地加强两者间的融合，实现以人为本的育人理念。