化學虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)與發(fā)展

房川琳， 李俊玲， 熊 慶

（四川大學化學學院，成都610065）

0 引 言

化學實驗是化學學科的基礎(chǔ)，然而部分化學實驗教學內(nèi)容的更新會受到時間、場地、有毒有害試劑、設(shè)備費用、環(huán)境安全等多方面的限制。近年來，化學實驗教學緊跟社會與學科發(fā)展，從難以進行實際操作、昂貴大型儀器臺套數(shù)限制使用人數(shù)、實驗費用高、涉及有毒有害的化學物質(zhì)、重大影響力的科研成果難以轉(zhuǎn)化為實驗教學等多方面出發(fā)，有針對性地采用虛擬仿真技術(shù)對存在的問題進行改進，對實驗教學模式進行了完善和創(chuàng)新［1-5］。

2016年學校成立了“化學虛擬仿真實驗教學中心”，開啟了虛擬仿真實驗項目的系統(tǒng)化建設(shè)。中心始終以“三個結(jié)合”，即真實與虛擬相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、教學與科研相結(jié)合的教學理念為指導，堅持“資源共享”理念，即師資、信息、設(shè)備共享，著力將化學虛擬仿真實驗教學中心建成集“教、學、做”為一體的綜合性實驗教學中心，使其具備更完備的虛擬仿真項目和更強的培訓能力，滿足不斷增長的本科化學實驗課程的實踐教學與虛擬教學相結(jié)合的需求，實現(xiàn)學生化學專業(yè)基本能力、核心能力和創(chuàng)新能力的提升，適應(yīng)現(xiàn)代化學培養(yǎng)復合型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求［6-8］。

1 建設(shè)歷程

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》的文件精神，在教育網(wǎng)絡(luò)化的時代大背景下，更新實驗教學理念，積極進行化學虛擬仿真實驗教學改革與探索成為高?；瘜W教育推進的方向，國內(nèi)各類高校充分利用虛擬仿真技術(shù)的多項功能不斷開創(chuàng)實驗教學的新局面［9-12］。我?；瘜W實驗教學中心在不斷學習與領(lǐng)會信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學改革的同時，根據(jù)學科特色，利用自身資源，不斷進行虛擬仿真教學資源的建設(shè)與完善。具體建設(shè)歷程如圖1所示。

1.1 基礎(chǔ)積累

2012～2015年，化學實驗教學中心在實體教學資源的基礎(chǔ)上，建成了100余項化學實驗教學電子課件、40余項基礎(chǔ)實驗虛擬仿真操作以及化學實驗安全在線考試系統(tǒng)等多種教學資源。

1.2 資源引進

2016～2017年，虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)與運用在全國各類教育中發(fā)展得如火如荼，隨著《教育部辦公廳關(guān)于2017～2020年開展示范性虛擬仿真實驗教育項目建設(shè)的通知》的下達，國內(nèi)多所高校，如大連理工大學、山東大學等化學虛擬仿真實驗教學的項目建設(shè)已漸成規(guī)模。2016年，學校正式成立了“化學虛擬仿真實驗教學中心”，依托省級化學實驗教學中心、化學學院人才和硬軟件資源，大力推進實驗教學改革、更新教學理念，持續(xù)發(fā)展信息化輔助實驗的教學手段，積極實踐線上與線下相結(jié)合的實驗教學手段和多元化的實驗考核方法［13］。中心首先通過高校資源共享的方式，逐年引進國內(nèi)高校開發(fā)的虛擬仿真實驗教學資源共計87項，涵蓋了實驗安全、基礎(chǔ)操作、有機化學、物理化學、無機化學、分析化學、儀器分析、大型儀器、綜合實驗9個實驗類別。

1.3 自主研發(fā)

2018～2020年，“化學虛擬仿真實驗教學中心”教師在學習與使用虛擬仿真實驗教學資源的過程中不斷積累經(jīng)驗與提升能力，規(guī)劃并啟動了具有學科特色的化學虛擬仿真實驗項目建設(shè)。在學校設(shè)備處、教務(wù)處及化學學院的支持與領(lǐng)導下，中心教師結(jié)合教學與科研的實踐，從科研轉(zhuǎn)化、校企合作等多方面出發(fā)，申報虛擬仿真項目20余項，獲準并建成具有中心自主知識產(chǎn)權(quán)的高水平的虛擬仿真實驗項目共計7項。

1.4 平臺建設(shè)

歷年來，中心積極籌建用于化學虛擬仿真實驗項目的教學平臺。2012年化學實驗教學中心開設(shè)了化學“虛擬仿真實驗教學專欄”。2016年隨著“化學虛擬仿真實驗教學中心”的建立，中心通過校企合作建設(shè)了化學“虛擬仿真實驗教學平臺”。2019年，通過進一步完善，中心建成了四川大學虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站（http：//scu-xnfz.dlvrtec.com/）。并由專職人員負責管理與進一步建設(shè)工作。目前，網(wǎng)站上共計94項虛擬仿真實驗項目，包含了10個實驗類別，共開設(shè)出8門實驗課程，涉及無機化學、分析化學、物理化學、有機化學、高分子化學、生物化學、放射化學、有機生物學科交叉、有機高分子學科交叉等多個領(lǐng)域，形成了順應(yīng)時代發(fā)展的化學實驗教學的虛實結(jié)合、多元化發(fā)展模式［14］。學生可在中心虛擬仿真實驗網(wǎng)站上通過用戶名與密碼登錄進行學習及網(wǎng)上考試自測，也可以通過答疑平臺接受來自老師的指導等。管理員和教師用戶則可以通過后臺，進行班級的增加、班級基本信息的輸入和編輯，指定班主任，指定班級學生，設(shè)置分類順序，上傳分類圖標，發(fā)布考試信息，擬定考試內(nèi)容等。

2 管理體制

中心實行校院兩級管理和主任負責制（見圖2）。學校對中心的發(fā)展方向與建設(shè)目標、人事及財物等進行統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)管理。學院建立以主任負責的中心工作指導小組，對中心虛擬項目建設(shè)及具體的教學內(nèi)容進行指導，并在政策措施、人力、財力、物力等多方面為中心的發(fā)展提供配套支持等。

圖2 化學虛擬仿真實驗教學中心管理機制

同時，中心建立了規(guī)范化與人性化的管理制度，如“四川大學虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)與管理辦法”與“四川大學虛擬大型設(shè)備管理中心運行管理辦法”，以及科學合理的虛擬實驗教學評價制度與激勵機制，如“四川大學虛擬仿真實驗教學中心教學管理辦法”。另外，學生評教以校督導與院督導小組不定期的對中心虛擬實驗教學的各個環(huán)節(jié)進行檢查與監(jiān)督，確保了虛擬實驗教學的質(zhì)量。

3 資源配置

3.1 環(huán)境資源

化學虛擬仿真實驗教學中心與化學實驗教學中心在建設(shè)中，堅持能實不虛、虛實結(jié)合，資源共建共享的原則。為了進一步確保虛擬仿真實驗項目教學工作的順利開展，提高安全性與便利性，化學虛擬仿真實驗教學中心在實驗室安全標準的基礎(chǔ)上，配置了防爆插座和UPS不間斷電源等設(shè)備，安裝了煙感報警裝置和防雷設(shè)施等。中心平臺實驗室在學校制定的安全管理制度的要求下，建立了具體的操作規(guī)程，基礎(chǔ)實驗、無機化學、有機化學等10大虛擬仿真試驗教學板塊均有專職人員管理，明確職責，落實到人，很好的實現(xiàn)了平臺的長期不間斷運行，提高了使用效率。

3.2 設(shè)備資源

化學虛擬仿真實驗教學中心已建成設(shè)備先進、資源豐富、具有廣泛輻射作用和影響力的實驗教學中心。中心虛擬教學項目依托學?；瘜W虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站，具備用戶（學生/教師）身份進行管理、認證管理的系統(tǒng)已開發(fā)完成并投入使用，網(wǎng)站虛擬仿真實驗教學信息化運行平臺如圖3所示。另外，川大校園網(wǎng)條件良好，經(jīng)過多年的積累與發(fā)展，學校已建成了以萬兆以太網(wǎng)為骨干的、支持IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)雙協(xié)議的校園計算機網(wǎng)絡(luò)；校園網(wǎng)覆蓋學校教學、科研、管理系統(tǒng)，覆蓋率100%，無線網(wǎng)絡(luò)隨處可得，這也為中心虛擬仿真實驗項目教學的開展提供了強有力的支撐。

圖3 化學虛擬仿真實驗教學信息化平臺

3.3 教學資源

化學虛擬仿真實驗教學中心在“真實與虛擬相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、教學與科研相結(jié)合”的“三個結(jié)合”先進教學理念的指導下，立足于培養(yǎng)創(chuàng)新復合型實踐人才，通過不斷引進與開發(fā)虛擬仿真實驗教學資源，形成不斷提升學生教學質(zhì)量的實踐教學新模式。

（1）教學資源高校共享。中心與國內(nèi)多所高校，如山東大學、西北大學等互通有無，逐年引進國內(nèi)高校開發(fā)的虛擬仿真實驗教學資源共計87個項目，涵蓋了9個實驗類別。這些項目拓寬了學生的專業(yè)視野，創(chuàng)造了良好的自主學習與交互式學習的氛圍，有效提升了學生實踐與創(chuàng)新能力，實現(xiàn)了課件、虛擬實驗操作、在線測試等多種教學資源的優(yōu)化整合。

（2）教學資源校企共建。中心根據(jù)專業(yè)特色將高科技成果、教師改革成果與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相融合，采取與多所企業(yè)協(xié)作的模式，將高校的科技力量與企業(yè)的技術(shù)支持相結(jié)合，進行創(chuàng)新虛擬仿真實驗教學資源的研發(fā)。目前，中心已建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真實驗項目7項（見表1）。該類實驗項目將隨著學科發(fā)展與科技創(chuàng)新逐年遞增，且將作為共享資源應(yīng)用于其他高校的虛擬實驗教學之中，進而保障了中心教學資源的有效運行與發(fā)展進步。

表1 化學虛擬仿真實驗教學項目（自主特色創(chuàng)新）

其中，“Roskamp-Feng反應(yīng)及應(yīng)用虛擬仿真實驗”是基于“以科研促進教學、教學帶動科研”的理念，將我院具有代表性的科研成果--馮氏催化劑及其在不對稱合成中的應(yīng)用引入基礎(chǔ)化學實驗教學，是中國科學家（馮小明院士）在中國本土所做的工作被國際人名反應(yīng)專著冠以中國人名的有機化學反應(yīng)［15］。這對深化本科實驗教學內(nèi)容，提升本科實驗的創(chuàng)新性、高階性與挑戰(zhàn)度，有著重要作用與價值。該項虛擬仿真實驗面向全校本科生及研究生開放，為本科基礎(chǔ)或創(chuàng)新實驗課程提供多學科交叉的教學資源，極大地開闊了學生研究創(chuàng)新視野。同時也讓本科生充分了解第一個中國科學家在中國本土所做的工作被冠以中國人名的有機化學反應(yīng)，樹立為國爭光的目標。

3.4 師資資源

化學虛擬仿真實驗教學中心以“專職與兼職結(jié)合，引進與培養(yǎng)互補，激勵與競爭并舉”的建設(shè)指導思想，實施各項師資建設(shè)與管理政策，將實驗師資隊伍建設(shè)作為提高實驗教學質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵部分。近年來，通過學校與學院的重點建設(shè)與培養(yǎng)，已經(jīng)初步形成了一支結(jié)構(gòu)合理，骨干力量相對穩(wěn)定的實踐教學隊伍。目前，中心共有47人，全體在職人員平均年齡為41歲，具有博士學位的比例達83%（見表2）。

表2 化學虛擬仿真實驗教學中心師資信息

（1）中心負責人全面負責中心管理與運行工作。中心主任全面負責落實學校、學院對中心的整體建設(shè)發(fā)展規(guī)劃。中心主任楊成教授具有高水平的教學與管理能力，入選青年千人計劃，現(xiàn)任中國化學快報等國際雜志副主編或編委，亞洲環(huán)糊精協(xié)會主席等。曾獲亞洲大洋洲光化學協(xié)會青年科學家獎，四川大學唐立新優(yōu)秀學者獎。

（2）中心實驗教學隊伍分工負責建設(shè)管理與教學工作。中心實驗教學隊伍堅持立德樹人，理論與實踐相通，結(jié)構(gòu)合理，骨干力量相對穩(wěn)定。以中心為平臺，中心實驗教師實驗教學成果顯著，在歷屆全國各類化學實驗競賽中獲得特等獎、二等獎等獎項。每年中心教師指導本科生在核心、SCI期刊發(fā)表論文20余篇，指導學生申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃40余項，教師參與實驗技術(shù)立項、教育教學改革研究項目年均10余項，參與科研項目年均30余項，發(fā)表教改論文年均20余篇，發(fā)表SCI論文年均50余篇。

3.5 企業(yè)資源

化學虛擬仿真實驗教學中心與軟件技術(shù)企業(yè)聯(lián)合建設(shè)虛擬仿真實驗教學平臺，并實現(xiàn)共建、共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，實現(xiàn)雙贏。企業(yè)積極參與虛擬中心建設(shè)的教學改革、課程設(shè)計、平臺建設(shè)、軟件開發(fā)、專人授課與指導教師提升信息化管理水平等工作。

4 人才培養(yǎng)

通過中心網(wǎng)站的教學實踐與資源共享，中心虛擬仿真實驗教學每年可服務(wù)全校15個學院，60個專業(yè)，約5 000名學生，13.65萬人學時（見表3）。

表3 化學虛擬仿真實驗項目人才培養(yǎng)學時數(shù)與支撐專業(yè)

4.1 人才培養(yǎng)途徑

化學虛擬仿真實驗教學中心，通過與化學實驗教學中心建設(shè)的相互融合，注重過程培養(yǎng)，激發(fā)學生學習興趣，提高綜合能力，培養(yǎng)復合型、創(chuàng)新型人才?；瘜W虛擬仿真實驗教學中心在面向全校展開實驗教學的同時，還將虛擬仿真實驗項目應(yīng)用于多個校內(nèi)外的教學活動中，如圖4所示。

圖4 化學虛擬仿真實驗教學中心人才培養(yǎng)途徑

4.2 人才培養(yǎng)成效

中心在面向校內(nèi)外開放，人才培養(yǎng)的各項工作中，獲得了多項榮譽及社會各界的一致好評。中心近3年取得的成果詳見圖5。

圖5 化學虛擬仿真實驗教學中心人才培養(yǎng)成效

5 特色創(chuàng)新

化學虛擬仿真實驗中心秉承服務(wù)學校與服務(wù)社會的宗旨，通過高校資源共享、項目自主研發(fā)、校企聯(lián)合共建等多途徑，集中優(yōu)勢力量，從自身特色出發(fā)進行創(chuàng)新性建設(shè)，實現(xiàn)了中心資源的豐富性、分層化與共享性。具體特色創(chuàng)新詳見圖6。

圖6 化學虛擬仿真實驗教學中心特色創(chuàng)新

6 規(guī)劃與展望

在未來的建設(shè)中，中心將秉承學科特色，緊跟時代發(fā)展的步伐，加強多元化優(yōu)質(zhì)虛擬教學資源的建設(shè)，為創(chuàng)新型、復合型人才的培養(yǎng)不斷研發(fā)與實踐線下實驗平臺無法開展的多項虛擬實驗（如：微觀實驗，高危實驗，科技成果轉(zhuǎn)化實驗，大型儀器工作流程培訓實驗等）。同時，持續(xù)完善與拓展虛擬仿真實驗中心網(wǎng)站功能，實現(xiàn)資源基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合，模擬與創(chuàng)新分層化，力爭建成集學習與交流，練習與測試為一體的廣受益、規(guī)范性的管理平臺。另外，從“提升虛擬教學資源對高校與社會的共享程度”出發(fā)，以全國化學仿真實驗建設(shè)數(shù)據(jù)庫為載體，與更多的高校共建共享，著力加強虛擬仿真實驗先進教學資源的交流及合作，增加全國化學虛擬實驗資源共享的數(shù)量與范圍，最終實現(xiàn)高校之間以及校企之間虛擬教學資源的大共享［16-17］，發(fā)揮中心的示范引領(lǐng)和輻射帶動作用。