生态与环境虚拟仿真实验教学中心构建与管理

范佳民， 石先阳， 晏绍飞， 许仁鑫， 高 毅

（安徽大学a.资源与环境工程学院；b.生态与环境国家级实验教学示范中心，合肥 230601）

0 引 言

提高高校学生创新精神和实践能力，建设信息化实验教学资源，共享优质实验教学资源，是高校实验教学信息化建设和实验教学改革与发展的目标［1-2］，因此，全国各高校都在积极开展虚拟仿真实验教学中心的建设工作，必将对我国高等教育质量的提高产生积极作用［3］。生态环境类实验课程具有综合性、实践性强的特点，而传统实验受到实验时间、对象、季节、仪器台套数和物理空间的制约，甚至有些实验还涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，存在部分实验必须开展但无法开展或无法有效开展的问题［4-7］。这些特点及问题严重制约了学生对实验现象和本质的认识，也严重影响了学生创新精神和创造能力的培养，对生态环境相关专业的发展和高素质人才的培养的弊端越来越突出。因此，必须要对传统实验教学内容和方法进行改革。

虚拟仿真实验教学综合运用信息与通信技术，在信息空间中构建高度仿真的实验操作环境和实验对象，提供类似于实体实验教学的体验与效果，具有近似、抽象和间接的特点，并在可视性、交互性、安全性、可扩展性与可共享性等方面具备优势，是对实体实验教学的有益补充与完善［6-8］。基于此，我校在“生态与环境国家级实验教学示范中心”和数字校园的基础上，整合已有资源，依托多种平台，组建了“生态与环境虚拟仿真实验教学中心”（以下简称“中心”）。

1 生态与环境虚拟仿真实验教学中心构建

生态与环境虚拟仿真实验中心以全面增强学生实践和创新能力、提高本科教学质量、增强社会服务为宗旨，注重仿真实验与实物实验相融合、教学与科研相互动、校内与企业相衔接，按照“虚实载体结合、虚实对象结合、虚实手段结合”的建设思路［8-10］，对环境与生态学专业相关课程中现实条件不具备或难以完成的实验，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信技术，形成虚拟仿真实验与实物实验相融合的教学体系［11-12］。

1.1 中心主体框架

学校校园网的建设为虚拟仿真实验的建设与教学提供了良好的平台，学校设置了专用的服务器用于网络课程、虚拟仿真实验使用。图1 为中心主体框架。生态与环境虚拟仿真实验教学中心包含虚拟仿真实验教学资源和支撑平台两大模块。虚拟仿真实验教学资源主要包括基础实验虚拟仿真教学资源、专业实验虚拟仿真教学资源、大型仪器虚拟仿真教学资源、实习实训虚拟仿真教学资源和生产实习虚拟仿真教学资源5个方面。为了实现虚拟仿真对实体实验的促进和辅助作用，依托生态与环境国家级实验教学示范中心、环境污染控制与生物修复技术财政部特色学科实验室、生物资源保护与利用财政部特色学科实验室、湿地生态保护与修复安徽省重点实验室和安徽大学矿区环境修复与湿地生态安全协同创新中心等实体平台，确保学生在进入相关实验室进行实际操作时对仪器设备能够了解充分，减小仪器设备的损坏率和保护学生自身安全。同时，学生在实际操作时有新的灵感也可以先从仿真中心进行模拟实验，再进行实际操作，真正实现“虚实结合”。

图1 生态与环境虚拟仿真实验教学中心总体框架

1.2 实验项目建设

已建和在建的虚拟仿真实验教学资源包括5 大类，实验项目60 个。具有逼真的实验仪器和设备、逼真的实验室环境、逼真的实验现象、简易的操作、双向交互的指导功能，逼真的数据记录和处理等功能和特点［13］，其具体情况见表1 和图2。

表1 虚拟仿真实验教学资源分类

图2 AAO工艺流程和污水处理厂3D仿真实验系统

1.3 实验教学平台建设

为推进信息技术与实验教学深度融合，充分发挥信息技术在实验教学过程中的作用，中心以创新人才培养为指导，以现代教育技术为手段，以计算机网络为支撑，以虚拟实验室为核心，通过实验网络预约的方式，构建了开放实验室模式下的学生实验计算机网络支撑系统。通过中心网站，学生可以了解中心的日常动态、实验安排和当前仪器设备闲置情况。通过登录大型仪器共享平台，全面实现大型仪器设备网络共享，便于查询设备使用状态和预约，极大提高大型仪器设备的利用率。

1.4 教学管理平台建设

以中心网站为载体，建立开放式教学管理平台系统，实现实验预习效果的强化、实验预习效果的评价和实验管理的网络化、现代化，进一步推动实验教学方式和内容改革的深化效果。

（1）平台整体构架（见图3）。

图3 生态与环境虚拟仿真中心教学管理平台

（2）学生。学生使用系统初始账号student、密码123 登录学生中心页面，也可以由老师建立的学生账号登录。学生页面菜单模块有个人中心，资源中心，课程中心，考试中心，费用统计和宽带测试6 大模块，其中个人中心、资源中心、课程中心和考试中心是学生在线学习的核心模块。学生个人中心可以完善个人信息和课程历史学习，资源中心可以完成课件的在线预习和复习，仿真软件的学习以及实验题库的学习等，通过课程中心可以查看学生个人课表，上传实验报告和仿真实验的在线学习，同时还可以与实验老师进行线上交流与讨论。学生在考试中心模块可以完成实验理论考试和仿真考试等。

（3）教师。教师账号登录到教师页面，教师页面菜单模块有资源管理，课程管理，班级管理和考试管理4 个模块，默认登录模块是资源管理。资源中心包含仿真软件、2D 动画、3D 动画、视频资源。这些资源是老师创建的，只有该老师管理的班级里的学生才能够使用。

（4）管理员。管理员登录页面主要包括机构管理、人员管理、权限管理和日志管理四大模块。系统管理员主要负责系统的日常管理，人员的导入导出，权限管理和分配等功能。管理员是虚拟仿真实验教学管理平台安全高效运行的有力保证。

1.5 实验教师队伍建设

仿真中心实行主任负责制，设主任1 名，副主任2名。中心现有教师、实验技术人员和其他人员共74名，其中，教授15 人，副教授23 人，具有博士学位的讲师29 人；教师队伍中现有国家级教学名师1 人，百千万人才工程入选者1 名，安徽省教学名师3 人，安徽省学术与技术带头人及后备人选5 人。为了加强实验教师队伍建设，采取在职培养与引进相结合，教师中教学名师、学术带头人等高层次人员不断增加，形成了以知名教授为核心、以中青年教师为骨干，结构合理、年富力强、综合素质高、责任心强、勇于改革创新的高素质实验教学、管理和技术队伍。其中青年教师已成为本中心实验课程教学的中坚力量，为深化教学改革、落实教改措施打下了坚实的基础。

1.6 校企合作

中心与淮南创大实业有限责任公司、煤矿生态环境保护国家工程实验室、哈希水质分析仪器有限公司、安徽沃特星水处理运营有限公司、合肥市滨湖新区北涝圩污水处理厂等企业签订了实习基地协议和实习合同，建立了稳定的校外实习基地，实习基地与本中心有密切的产学研合作关系。由于实习学时受限，实习学生多，为强化实习实训效果，使学生更牢固掌握全流程实验过程及实际动手能力，仿真中心与北京欧倍尔软件技术开发有限公司、北京东方仿真软件技术有限公司等软件开发公司展开深度合作，将实习中遇到的设备工艺进行仿真开发，能够使每位学生在实习前就能接触和操作仪器设备，提高了学生的动手能力和解决工程实际问题能力，使学生在实际实践训练中掌握更多的经验技能，为将来毕业后工作奠定良好基础。

1.7 开放共享

大力进行校内实验资源的整合与共享，继续完善和拓展优质虚拟仿真教学资源，实现实验内容、实验室与科研项目三位一体的全方位开放模式。通过网络信息平台管理中心资源，将实验内容、仪器设备、规章制度网上公布，实现优质资源的共享和开放［14-16］。学生可通过网络系统自主进行选择和预约，实验中心老师负责提供必要的培训和指导。通过信息化管理和门禁系统实行对学生全天候开放，自主管理。

中心充分利用学校在安徽省的影响力，充分发挥我院生态环境学科优势，与其他院校开展广泛的交流与合作。定期接受外校学生和教师的访问研究。通过有特色的技能大赛，例如“安徽省普通高校大学生动植物标本制作大赛”“大学生创新创业大赛”“全国环境实践虚拟仿真创新大赛”“北控水务杯大学生职业技能大赛”等密切与全国高校间交流与合作。

2 结 语

中心始终坚持以学生为主体，把培养安徽生态强省建设和环境保护亟须的高素质复合型创新人才作为目标，坚持仿真实验与实物实验相融合、教学与科研相互动、校内与企业相衔接的教学模式，充分调动学生的能动性和创造力，使学生在基础理论、实践能力和创新意识方面获得提升。在虚拟实验项目建设中，注重校企合作与学科交融，形成学科群实验教学平台。在整合校内实验资源的基础上，中心充分发挥生态与环境专业特色与虚拟仿真实验教学优势，继续加强与兄弟院校的教学互动联系，对不同教学资源分类共享，提高虚拟仿真实验教学效果与中心的示范辐射作用。

·名人名言·

想像力比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括着世界的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想像力是科学研究的实在因素。

——爱恩施坦