虚拟仿真技术在高校大型仪器共享平台管理中的应用研究

2020-09-26陶冬冰梁莎莎赵瑛博张佰清

实验技术与管理 2020年4期

陶冬冰，梁莎莎，张旋，张琦，赵瑛博，张佰清

（1. 沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866； 2. 东北大学工商管理学院，辽宁沈阳 110819）

大型仪器是高校进行教学、科研、创新成果转化、服务社会的重要支撑[1]，也是培养高层次人才、发展高科技的重要工具，并已成为衡量高校教学科研水平的重要标志[2]。习近平总书记在中央深化改革小组第六次会议上指出：“科技资源配置分散、封闭、重复建设问题比较突出，不少科研设施和仪器重复建设和购置、闲置浪费比较严重，专业化服务能力不高。要从健全国家创新体系、提高全社会创新能力的高度，通过深化改革和制度创新，把公共财政投资形成的国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放，让它们更好地为科技创新服务、为社会服务[3]。”

目前，大多高校存在着大型科研仪器、设施重复购置建设，使用效率低下，闲置浪费现象严重等共性问题[4]，如何最大限度地发挥大型仪器的使用效益，提高仪器使用率，推动资源的有效共享[5]，进而满足教学、科研和社会服务的需要，是高校大型仪器共享管理所关注的焦点[6]。

1 高校大型仪器共享管理中存在的问题

（1）大型仪器管理人员数量不足，专管共用无法实现。大型仪器管理对人员的专业技术水平、操作熟练程度、维护维修经验等都有特殊要求，应由专人管理[7]。但实验技术岗位人员通常被定义为辅助高校教学科研工作，领导重视程度不够，数量严重不足，这就导致了大型仪器很难按要求实现专人管理，很多大型仪器是由仪器所在实验室的研究生代为管理[8]。此外很多高校实验技术人员不被重视，职称晋升困难，缺乏奖励、激励办法，人员离职转岗较多，无法调动实验技术人员的工作积极性，只是机械完成实验室日常管理工作，没有对大型仪器进行创造性开发的主观能动性，造成很多大型仪器的功能没有被充分使用，降低了大型仪器的使用价值[9]。

（2）目前高校大型仪器使用培训多是由负责教师或会使用的学生对将要使用的学生进行一对一培训，这种培训方式效果较好，但耗时，占用仪器使用时间较长，并且负责教师的时间有限，这样就影响了仪器使用的时效性[10]。如果由仪器负责教师进行统一培训，虽节省了时间，但很多学生没有亲自动手操作，等到使用时还是不敢动手操作，效果不好，影响了仪器设备的使用效果。

（3）大型仪器使用、维护方法档案管理混乱、存档资料不完整、不齐全。原因主要有：①学校或学院没有统一、规范的整理流程，管理人员对技术档案归档的重要性认识不足，导致很多大型仪器的说明书、配置单等丢失[11]；②由于人员流动性大，技术档案管理登记制度不严格，技术档案交接没有硬性规定，借出没有及时归还，丢失没有及时补充等，资料陆陆续续有遗失现象[12]。③很多大型仪器设备是由设备购置后参加使用培训的师兄师姐去教以后使用设备的师弟师妹，一级教一级，这样教与学的方式造成了很多仪器操作流程、使用时的注意事项、日常维护方法的丢失，很多时候认为会操作使用就可以了，而忽略了大型仪器设备是需要定期维护保养校准的，严重影响了仪器的使用年限和实验数据的准确度[13]。

（4）大型仪器设备重复购置，高校内、高校间共享水平低。由于仪器共享观念没有深入人心，大部分科研人员还存在“仪器放在我这就是我的”“用别人的仪器搭人情”的思想，造成很多大型仪器重复购置。另外，大型仪器管理人员对仪器共享的重要性认识不足，认为共享是给别人做嫁衣，增加了自己的工作量，对个人发展也没有什么好处，做和不做没有区别，所以很难在学院和学校间实现真正意义上的共享[6]。另外由于大型仪器维修维护价格高，管理人员怕过多使用损坏后没有经费及时维修被追责，所以不愿给别人用，甚至设置阻力让想共享使用的教师不敢用或者难申请使用，最终大型仪器成了个别教师的专用设备或闲置在实验室，造成资源严重浪费[5]。目前大型仪器共享管理模式架构及存在问题见图1。

图1 目前大型仪器共享管理模式架构及存在问题

2 虚拟仿真技术在大型仪器设备共享管理中的应用

虚拟仿真（virtual reality）是用一个可创建和体验虚拟世界的计算机系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真技术通过对现实世界的再现或对现实中难以实现或根本无法实现的构想世界的模拟，使人通过视觉、听觉、触觉等多种感知手段，利用辅助传感设备实现与虚拟世界的交互，具有沉浸性、交互性和构想性的特点，形成具有交互效能多维化的信息环境。随着计算机技术、多媒体技术、立体显示技术、传感与测量技术、人工智能技术、软件工程、语音识别与合成技术、网络技术等的快速发展，虚拟仿真技术已经广泛应用在城市建设规划、数字校园建设、旅游、娱乐、教育、体育、医疗、石油化工、工业培训等领域[9]。目前，国内多家虚拟仿真软件开发公司为高校、科研院所开发了很多大型仪器操作的虚拟仿真软件，如核磁共振、电镜、液相质谱、气相质谱等大型贵重仪器设备，并投入使用。大型仪器虚拟仿真软件的使用可以解决高校大型仪器共享管理的很多问题。

（1）培训效果突出。通过大型仪器设备虚拟仿真软件的使用，可以让使用人员在任何时间任何地点通过电脑学习仪器操作，通过虚拟仿真软件设计的各步骤的交互操作进行反复学习，还可以对操作进行评分，评分合格后进行上机实验操作。

（2）降低资源损耗，节省仪器负责教师的时间。通过大型仪器设备虚拟仿真软件进行仪器设备使用培训，减少了因为培训而大量占用设备使用机时的现象，减少培训期间的设备及资源损耗，负责教师反复进行培训的时间减少，可以将更多的精力用在设备的技术开发、维护保养工作上，使大型仪器设备实现创造性应用，这样可以提高大型仪器设备的使用效率和创新应用水平。

（3）解决大型仪器设备管理人员不足、水平不高的问题。通过引进虚拟仿真软件进行大型仪器设备的培训、管理，充分发挥现代信息技术的优势，使仪器设备使用培训系统化、专业化、精准化，有效避免实验人员相互培训时造成的使用方法及步骤缺失，注意事项与使用经验不能相互传授的问题，通过虚拟仿真软件的使用可以提高大型仪器设备的使用效率和使用年限，减少大型仪器设备因操作不当、维护不及时而损坏的现象，由于部分大型仪器使用量较大，用户对大型仪器的使用时间和紧迫性提出高的要求，他们希望能自主测试和可能在晚上或周末时间进行分析测试。在这样的背景下，能够利用虚拟仿真软件培训仪器用户，考核评分合格后，方能进行自主测试。仪器培训不仅能够提高仪器管理员的分析测试水平，而且能够提高学生的专业知识水平，有利于培养创新性人才，使高校大型仪器设备更好地服务教学科研。

（4）虚拟仿真培训资源长期留存，解决大型仪器设备使用维护方法档案的丢失问题。由于高校实验人员流动性大，仪器设备档案管理程序混乱，造成很多大型仪器设备说明书丢失，会操作的人员转岗离职后仪器设备就无法正常使用的现象时有发生，不仅是资源浪费，也制约了科研发展。大型仪器设备虚拟仿真软件可以代替传统的纸质说明书，对仪器设备的使用、维护说明更直观形象，更易被实验人员接受，软件存档也比较容易，并且可以通过网络传播，有效解决了传统档案查找困难，传播困难的问题。

（5）有利于实现大型仪器设备共享。通过虚拟仿真技术在大型仪器设备共享管理中的应用，可以解决仪器设备管理人员不愿意为非本专业、本学院的其他教师服务，占用个人时间进行仪器使用培训、甚至进行样品测定的问题；可以解决因共享服务培训占用机时而影响本专业本学院其他科研任务完成的问题。任何实验人员有使用大型仪器设备需求时，可以先通过虚拟仿真软件进行操作培训，并根据虚拟仿真软件设定的实验项目进行预操作，在完全掌握后，向仪器设备负责教师申请使用即可，既不会因培训占用大量大型仪器设备使用机时，又不会因操作不熟练而造成反复测样，影响科研进度，有利于大型仪器设备在高校内、高校间的共享。虚拟仿真技术应用在大型仪器共享管理的模式架构及特点见图2。