力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨

雷 冬，朱飞鹏，殷德顺，武清玺

（河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098）

随着信息技术的发展以及高等学校对实验教学要求的不断提高，虚拟仿真实验教学在高等学校的应用日益增多。它可以弥补真实实验在实验条件、实验成本、交互性和安全性等方面的不足［1－7］，与真实实验教学结合，相互补充，可以有效促进高校学生创新精神和实践能力的提高［8－10］。2013年，教育部正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，通过建设具有示范引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。

河海大学力学与水工程虚拟仿真实验教学中心是首批入选的100个国家级虚拟仿真实验教学中心之一。本文以该中心力学虚拟仿真教学实验室的建设实践为例，总结和探讨建设经验、存在问题和发展思路，并提出针对力学这样覆盖面广的工科基础学科的虚拟仿真教学实验室建设的一些看法。

1 虚拟仿真教学实验室的基本情况

河海大学力学实验教学中心是国家级实验教学示范中心，面向全校16个专业，每年服务约1 800名本科生和约300名研究生的12门力学实验课程的教学，年实验人时数超过80 000人时。按照国家级实验教学示范中心的建设要求，中心组建了力学虚拟仿真实验室，搭建了网络信息化管理平台，开发了大量虚拟实验项目和教学资源，逐渐形成了校内全部开放、校外预约开放的虚拟仿真实验教学模式。

2 虚拟仿真实验教学的经验和成效

2.1 科学规划和统筹实验室建设

学校对力学虚拟仿真教学实验室的建设进行了科学规划，按照“重组基础、反映特色、融入前沿、综合交叉”的原则，以理论课教学为基础，融入最新的工程技术和科研成果，开发分层次、多样化的虚拟仿真实验项目。在实验室的规划中，充分考虑了力学学科作为工科基础学科以及河海大学水利专业的特色和优势，通过融入河海大学力学学科支撑的专业前沿，进行综合交叉的实验项目开发，让学生在掌握力学基础知识的同时提升实际应用能力。

经过几年的建设，该实验室形成了基础扩展型、综合研究型等近20个虚拟仿真实验项目和超过20GB的与实验课程有关的多媒体课件、课堂录像、影像资料等实验教学资源［11－14］，体现了基础知识拓展和综合应用创新相结合、科学研究和仿真实验资源转化相结合、实验项目建设与教学资源建设相结合的鲜明特色。

（1）基础知识拓展和综合应用创新相结合。力学是工程学科的基础，而在各门力学课程知识的学习中，真实实验项目毕竟有限。学生通过完成基础扩展型虚拟仿真实验项目，可以很好地弥补这样的局限。水利工程是河海大学的特色学科，学生通过各个专业的综合研究型虚拟仿真实验项目，不但将各门力学知识综合应用，而且能够在综合应用中增强创新意识和能力。

（2）科学研究和仿真实验资源转化相结合。一线科研成果反映了当前最前沿、最重大的工程问题，通过对科研成果的解析与实验认知，可大大拓宽学生的视野，激发学生的科研兴趣和学习动力，显著提升学生理论联系实际、学以致用的能力，引导学生进行知识结构的优化，并利于培养学生的创新能力。目前中心已经有6个典型研究项目转化为虚拟仿真实验教学项目，实现了已有大型科研设备的产出成果向优质教学资源的直接转化，为虚拟仿真实验教学的开展提供了丰富的内容和资源补充，拓宽了虚拟仿真实验教学的范围，同时也提升了设备的使用效益、挖掘了设备的潜在价值。

（3）实验项目建设与教学资源建设相结合。力学虚拟仿真实验教学项目的设计往往是综合多种工程背景抽象出来的基本力学问题。教学实践表明，如果能让学生在进行抽象力学实验的时候辅以大量的背景教学资源，不仅可以增强学生对实验项目和相关知识的理解，而且可以大大提高学生的学习兴趣和创新思维的主动性。实验室充分发挥河海大学国家级力学教学团队和相关的4门国家级精品课程、4门国家级精品资源共享课的力量，开发了超过20GB与实验课程有关的多媒体课件、课堂录像、影像资料等教学资源。这些资源的使用有效提高了实验项目的教学效果。

2.2 多元化配置实验室的建设队伍

人才队伍是实验室建设的基础，虚拟仿真实验室的建设对人才的要求更高，需要进行多元化的人才队伍配置。为了达到最好的建设成效，河海大学力学虚拟仿真实验室人才队伍配置的做法是：由国家级教学名师担当实验室主任，以具有多年实验教学经验的一线骨干教师为实验室建设的主要力量，邀请多位国家精品课程负责人参加实验教学资源的建设，邀请国家杰出青年基金项目和国家重大科研项目的负责人参加实验资源转化和综合研究型实验项目的建设，与高性能计算中心和技术领先的科技信息公司合作，作为主要的技术支撑。

2.3 积极实现教学资源的物化与推广

河海大学虚拟仿真实验项目已经面向全校学生开放。多年的教学实践证明这种新型实验课程模式的教学效果明显，深受学生喜爱。经过反复应用、修订，中心编著的《材料力学模拟实验》和《力学创新与妙用——开发创造力》等教学资源已由高等教育出版社和高等教育电子音像出版社正式出版发行，并被20多所学校采用。部分综合研究型虚拟仿真实验项目除面向本校学生开放外，已开始对外部高校和行业企业进行有偿共享。

虚拟仿真实验教学模式在河海大学对口支援的学校得到了很好的推广，取得了良好的效果。优质虚拟仿真教学资源的共享有效提高了学生的学习兴趣和热情，成为课堂教学和理论教学的有效补充，对提高学生的创新能力和科研素质具有明显的效果，得到了国内众多高校的认可，也使得虚拟仿真实验教学中心在区域乃至全国发挥了示范和引领作用，扩大了中心的影响。

3 建设中存在的问题

3.1 多种信息技术整合不够

由于实验室和实验项目是多年分阶段、分模块逐步建设积累的，因此，不同阶段、不同实验项目所采用的技术各有差异。早期开发的基础扩展类实验项目多建立于Director、Flash和Matlab等通用开发平台之上；而后期的综合研究型实验项目，专业性和技术性的要求更高，采用的技术更加专业，除了增加展示的3D效果外，在计算方面也嵌入了专业的分析模块。这使得将其整合在同一平台上的工作就变得比较复杂。更重要的是，各个实验项目大多基于单机操作环境，需要花费相当多的人力、物力进行网络版的改造，才能更方便地通过互联网平台进行更有效、更广泛的示范推广。

3.2 教学资源开放共享程度有待扩展

实验室目前的虚拟仿真实验教学项目和实验教学资源主要是面向河海大学在校学生开放共享，部分资源通过出版多媒体发行物和定点推广进行共享。按照国家级虚拟仿真实验教学中心的建设要求，实验教学项目和教学资源的开放共享程度需要进一步扩大，推广到更多的高校和单位，在更大的范围发挥示范和引领作用。

4 虚拟仿真实验室的发展思路

4.1 进一步加强组织保障和制度建设

实验室要保持长期高效的发展，政策和制度的建设是重要的保障。

（1）进一步制定和优化政策，鼓励学科带头人和高水平教师积极投身虚拟仿真实验教学，引进高层次人才，提高实验教学层次和水平。

（2）推行理论课教师从事实验教学、实验课教师兼任理论教学，促进实验教学与理论教学的融会贯通，保证有一支高水平虚拟仿真实验教学队伍。

（3）从人员职责、实验室开放、仪器设备使用保管、实验室安全、平台网络管理与权限管理等方面制定更全面、更严格的管理制度和规章规范，保证实验中心运行的高效性和稳定性。

4.2 高性能技术平台的有效融合

力学作为工科基础学科，其实验教学要贴近工程、反映实际，力学虚拟仿真实验教学也要不断采用先进的技术，采用可以进行更复杂数值模拟的高性能计算系统和具有更真实表现力的三维互动呈现技术，在更大范围共享互联网技术，并将这些技术进行有效融合，打造先进的高性能虚拟仿真实验教学项目开发平台。

4.3 开发精品项目，推动全面开放共享

在强大的组织制度保障和技术先进的开发平台支撑下，有效整合教学、科研、技术支撑等方面人才队伍，充分发挥人才队伍的特长和优势，围绕科技前沿和工程实际，开发更多的精品实验项目。在国家级虚拟仿真实验教学中心建设工程的支持下，推动虚拟仿真教学深入和全面的开放共享，实现共享、共赢和教学示范效果的最大化。

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