虛擬仿真實驗教學資源建設與管理探討

尹立孟，朱光俊，萬新，張明遠

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虛擬仿真實驗教學資源建設與管理探討

尹立孟，朱光俊，萬新，張明遠

摘要：以重慶科技學院為例，闡述了校企合作共建虛擬仿真實驗教學資源的建設思路，探討了在合作共贏、互利互惠的基礎上構建校企共建、共管和共享的建設與管理模式。為高校學生、企業(yè)員工的工程實踐能力與創(chuàng)新能力提升創(chuàng)造平臺，又為企業(yè)的科技服務與長遠發(fā)展提供助推動力。

關鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；校企合作；共建；共管；共享

為順應教育信息化發(fā)展潮流，教育部從2013年開始陸續(xù)建設了一批具有示范、引領作用的國家級虛擬仿真實驗教學中心。教育部在《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中指出，國家建設虛擬仿真實驗教學中心的指導思想是堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和全面提高實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學的改革與創(chuàng)新。重慶科技學院在重慶市冶金工程實驗教學示范中心的基礎上建設了鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“仿真中心”），成為首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。

一、虛擬仿真實驗概述

所謂虛擬仿真實驗是指采用計算機、網(wǎng)絡信息等先進技術，在數(shù)學理論、相似原理以及專業(yè)基礎與理論的基礎上，基于虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣，完成各種預定的實驗項目，所取得的實驗、訓練效果等同或者優(yōu)于在真實環(huán)境下取得的效果。虛擬仿真實驗教學中心建設的關鍵是如何搭建科學可行的信息化教學平臺和構建豐富合理的虛擬仿真實驗教學資源，并對這些以虛擬仿真實驗為核心的教學資源進行持續(xù)建設和高效可行的管理。一般來說，信息化教學平臺的建設主要是“硬件”和“環(huán)境”建設，投入一定的人力、物力和財力就可以很快產(chǎn)生較好的效果。然而，優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真實驗教學資源如果沒有一定的積累和基礎，就很難在較短時間內(nèi)建成并很快顯示出良好的實際效果。本文重點介紹我校在鋼鐵制造全流程工藝方面如何與企業(yè)通過產(chǎn)學研合作實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新、深度融合、共建共管共享虛擬仿真實驗教學資源，實現(xiàn)校企同進共贏、產(chǎn)教互利互惠的目標，以期為高校虛擬仿真實驗教學改革提供建設思路與參考。

二、虛擬仿真實驗教學資源的構成

仿真中心以現(xiàn)代鋼鐵制造全流程“鐵—鋼—鑄—軋”為主線，建成了5大模塊、4個層次的實驗教學資源體系（如圖1所示），以期達到培養(yǎng)學生工程實踐、專業(yè)設計和科技創(chuàng)新3種能力的目的。其中，5大模塊以鋼鐵制造流程為主線，對關鍵工序開發(fā)若干個虛擬仿真實驗教學項目，支持集中學習、任務驅(qū)動學習和學生團隊自主學習。關鍵工序模塊主要由虛擬仿真和生產(chǎn)操作仿真2個子模塊組成。虛擬仿真是在虛擬的環(huán)境下實現(xiàn)原料條件的設定、工藝路線的選擇和工藝參數(shù)的優(yōu)化；生產(chǎn)操作仿真是基于生產(chǎn)現(xiàn)場控制軟件、數(shù)據(jù)庫和操作界面，實現(xiàn)工藝過程的控制?；谔摂M仿真與生產(chǎn)操作仿真實驗教學平臺，學生可自由選擇實驗項目，開展不同鋼種的冶煉與加工工藝設計及優(yōu)化、模擬生產(chǎn)及成本控制、事故分析及處理。

三、虛擬仿真實驗教學資源建設與管理策略

（一）科研成果轉(zhuǎn)化確保虛擬仿真實驗教學資源持續(xù)更新

仿真中心非常注重校企合作，資源共享。從高校方面來看，校企合作是高校培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才的重要模式，是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的基本途徑，可充分利用校企各自的資源優(yōu)勢，減少重復建設，降低成本，實現(xiàn)資源共建共享與共同育人。從企業(yè)方面來看，企業(yè)可通過校企合作借助高校先進的設施設備和專業(yè)師資優(yōu)勢，共同進行研究與開發(fā)，幫助企業(yè)解決相關的技術難題。因此，校企合作可以秉承“利用高校專業(yè)優(yōu)勢為企業(yè)服務，辦好企業(yè)和產(chǎn)業(yè)促進高校專業(yè)發(fā)展”的理念和思路，校企協(xié)同創(chuàng)新，促進專業(yè)建設與產(chǎn)業(yè)發(fā)展實時互動，推動產(chǎn)業(yè)、教學深入融合，促進企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和高校走上健康發(fā)展之路。就虛擬仿真實驗教學而言，校企合作可以帶來大批科研成果，如果能把這些科研成果轉(zhuǎn)化為教學資源，則可以極大地提升虛擬仿真實驗教學資源的質(zhì)量，也可以及時惠及企業(yè)職工和學生。

圖1　鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學資源體系

仿真中心堅持“自主研發(fā)”和“校企協(xié)同創(chuàng)新”兩條腿走路。在自主研發(fā)方面，研發(fā)了鋼鐵制造過程中的燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼5個虛擬仿真模塊等成果，直接服務于學生與企業(yè)員工培訓的虛擬仿真實驗教學。在校企協(xié)同創(chuàng)新方面，與中冶賽迪工程技術股份有限公司（簡稱“中冶賽迪”）按照互利共贏、優(yōu)勢互補、聯(lián)合校企力量研發(fā)世界領先水平的鋼鐵軋制生產(chǎn)工藝的目標，目前在共建控軋控冷中試基地的基礎上研發(fā)了虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)了多家鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與中心資源的實時傳輸與共享，為虛擬仿真教學資源的更新提供了有力保障，開拓了學生的視野。同時，仿真中心對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的挖掘與利用為企業(yè)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化及產(chǎn)品質(zhì)量的改進提供了有力支撐。另外，與重慶鋼鐵（集團）公司（簡稱“重鋼”）合作研發(fā)了現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)全流程模型，并制作了鋼鐵制造全流程學習視頻，為企業(yè)新進職工和學生全面了解現(xiàn)代鋼鐵制造夯實了堅實的基礎。

校企合作科研成果的及時轉(zhuǎn)化，在構建“鐵—鋼—鑄—軋”全流程的現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的基礎上，訓練了學生基于生產(chǎn)現(xiàn)場的虛擬仿真操作技能；在構建關鍵工藝仿真的基礎上，培養(yǎng)了學生的工程實踐、專業(yè)設計能力；在構建基于現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時再現(xiàn)以及即時分析與現(xiàn)場工程師互動的基礎上，切實增強了學生的創(chuàng)新意識和提高了科技創(chuàng)新能力。

（二）共建共管共享實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學資源持續(xù)發(fā)展

虛擬仿真實驗教學資源的持續(xù)發(fā)展需要制度保障，由于不同于傳統(tǒng)的實驗教學，原來的很多制度無法滿足這一新生教學模式的需要，要求校企合作共同制定新的規(guī)章制度，尤其是虛擬仿真實驗教學資源、知識產(chǎn)權保護和教學運行管理等方面的制度。因此，仿真中心在中冶賽迪、重鋼等企業(yè)的支持下，修訂了《實驗教學中心保密、技安條例》《實驗教學中心學生實驗成績考核辦法》等制度，還新制定了《虛擬仿真實驗教學中心教學資源研發(fā)管理辦法》《虛擬仿真實驗教學中心崗位責任制》《虛擬仿真實驗教學中心專職隊伍管理辦法》《虛擬仿真實驗教學中心教師能力提升實施辦法》等系列制度。這些制度基于校企“互利共贏、協(xié)同創(chuàng)新”的建設思路，明確了共建、共管、共享的“三共”基本原則。共建的范圍包括中試基地、實驗教學平臺、虛擬仿真教學資源開發(fā)、教師能力提升中心、大學生虛擬仿真企業(yè)學習站、企業(yè)工程師高校虛擬仿真工作室以及相關制度等。共管的部分包括教學平臺、教學資源和企業(yè)兼職教師的管理。共享的部分包括虛擬仿真實驗教學資源、生產(chǎn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘結果、基于虛擬仿真工藝的產(chǎn)品質(zhì)量改進方案等教學與科研成果。

此外，仿真中心在教學質(zhì)量監(jiān)控、虛擬仿真實驗教學資源持續(xù)更新與及時補充，設備運行、維護、更新及管理等方面也和企業(yè)一起進行了規(guī)范管理，為虛擬仿真實驗教學資源持續(xù)擴展與教學的正常運行提供了重要保證。

（三）教師能力提升促進虛擬仿真實驗教學資源高效利用

仿真中心的師資隊伍由于牽涉的學科專業(yè)面廣，如信息科學、計算機、自動化、冶金工程、材料加工工程等，因此采用專職和兼職相結合的模式相對更為合理，專職實驗教師保持4～5人，其余包括企業(yè)教師在內(nèi)的人員均采用兼職聘任方式。

考慮到“雙師型”教師不能滿足仿真中心持續(xù)發(fā)展的要求，基于校企合作模式，對那些無企業(yè)工作經(jīng)歷和工程實踐能力不強的教師需要定期組織進企業(yè)現(xiàn)場鍛煉。與此對應，企業(yè)的優(yōu)秀工程技術人員的生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)驗豐富、工程能力非常強，但是缺乏教學組織與管理經(jīng)驗，因此非常有必要進行針對性培訓，只有這樣才能適應虛擬仿真實驗教學。另外，專職實驗人員開始面對虛擬仿真實驗教學的資源利用、教學組織與信息化管理等方面也存在諸多的不適應，需要定期組織學習與交流討論?？傊瑹o論是專職實驗教師，還是兼職的高校專業(yè)教師和企業(yè)聘任教師的能力提升都顯得非常必要，也是充分、合理利用虛擬仿真實驗教學資源的關鍵。

（四）學生能力提升突出虛擬仿真實驗教學資源成效最大化

傳統(tǒng)冶金企業(yè)的生產(chǎn)普遍存在高溫、高成本、高污染等特點，冶金工程相關專業(yè)的傳統(tǒng)實驗教學也普遍存在環(huán)境高溫、操作危險、實驗成本高、設備貴重、動手機會少等特點，以致學生的實踐動手能力不強、創(chuàng)新意識不夠和創(chuàng)新能力不足，成為制約應用型冶金工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸。

虛擬仿真實驗技術的引入，可對學生進行全面、系統(tǒng)的工程實踐訓練，實現(xiàn)了教學資源的零消耗、實驗過程的零污染、實驗容量的無限化，豐富了實驗教學的內(nèi)容，消除了實驗的危險性，增加了學生動手操作的機會，切實提高了學生的動手操作能力和創(chuàng)新能力?；诮虒W互動的鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學，近年來仿真中心培養(yǎng)的學生獲得了“挑戰(zhàn)杯”重慶賽區(qū)金獎1項、一等獎1項，“全國大學生工程訓練綜合能力競賽”國家級三等獎1項、重慶市二等獎2項，“第十屆中國大學生科技競賽”一等獎1項。特別是在2015年第九屆“世界網(wǎng)絡煉鋼大賽”全球總決賽中取得了第1名的好成績，這也是我國大學生參加該賽事的最佳成績，可見虛擬仿真實驗教學的成效非常顯著。

四、結語

仿真中心積極探索了虛擬仿真實驗教學新方式，在實驗教學資源建設和管理模式上進行了一些創(chuàng)新，克服了傳統(tǒng)實驗教學的諸多局限，依托校企合作、產(chǎn)教融合、協(xié)同創(chuàng)新，借助高等教育信息化和虛擬仿真實驗教學手段，重視虛擬仿真實驗教學師資隊伍的建設和教學資源的研發(fā)，極大地豐富了實驗教學的內(nèi)涵，在“共建、共管、共享”虛擬仿真實驗教學平臺和資源方面實現(xiàn)了攜手同進和互助共贏。

參考文獻：

[1]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013（11）.

（編輯：文汝）

基金項目：重慶科技學院教育教學改革研究重點項目“材料成型及控制工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)的實踐教學模式研究與實踐”（201203）。

收稿日期：2015-09-23

作者簡介：尹立孟（1976-），男，博士，重慶科技學院（重慶401331）冶金與材料工程學院院長助理，副教授，研究方向為油氣高性能管線鋼焊接與可靠性、電子封裝材料與可靠性。

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1999（2016）01-0061-03