贠 冰, 孙建林, 熊小涛, 毛璟红

(北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京 100083)

虚拟仿真实验在大型仪器设备开放共享中作用的探讨

贠 冰, 孙建林, 熊小涛, 毛璟红

(北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京 100083)

分析了高校大型仪器设备开放共享中仪器设备数量不足、利用率低等问题。总结了虚拟仿真实验在大型仪器设备的开放共享中所能发挥的积极作用:为大型仪器设备提供开放共享的信息窗口；培训用户的实验操作技能,为大型仪器设备的开放创造条件；通过开发虚拟实验,增加其在实验教学中的开放应用；经过虚拟仿真实验训练,节约实体实验时间,从而提高大型仪器设备的工作效率。

虚拟仿真实验； 大型仪器设备； 开放； 共享

大型仪器设备是高校的优质资源,是培养高层次人才、发展高科技的重要工具,也是衡量高校实验条件和科研环境的重要标志。充分发挥这些仪器设备的作用,推进大型仪器设备的开放与共享,不仅是高校仪器设备管理体制改革的重要内容,也是建设节约型社会、合理使用资金、充分利用资源、促进教学与科研工作健康发展的需要[1-3]。

近年来,很多高校已经从资金、制度、管理模式、人员配置、服务平台等方面对大型仪器设备的开放与共享进行了探讨和实践[4-9]。随着网络信息技术的快速发展及在实验教学中广泛应用,虚拟仿真实验平台已经在越来越多的高校中用于实验教学。充分发挥虚拟仿真实验平台的作用,是促进大型仪器设备开放共享的有效途径。

1 大型仪器设备开放与共享中存在的问题

1.1 大型仪器设备的数量无法满足使用需求

虽然近年来我国高校大型仪器设备数量每年都有增加,但相对于在校学生的人数来说,仪器设备人均台数仍显不足,实验课只能对学生分组进行演示。一些学生甚至不能清楚地观察到实验的测试过程和测试结果,更无法人人动手进行实验操作,难以达到相关实验教学的目的和要求[10-11]。

大型仪器设备往往代表着高精尖的实验测试技术。学校欲开设综合性、设计性、创新性实验,也常因大型仪器设备数量不足而使许多相关课程的实验没有条件实施,无法满足学生自主实验及创新实践的需要。

1.2 某些大型仪器设备不适于广泛开放

大型仪器设备的购置成本、使用成本和维护成本较高,对使用者专业化操作技术的要求也很高,对配套设施、运行环境要求严格,对防污染、防噪音、防振动、供电、温湿度等有特殊要求[12],需要细心操作，定期检测、调试、清洁、保养。如果广泛开放使用,难以保证大型仪器设备的安全使用,可能对仪器的灵敏度、精密度、分辨率、信号的稳定性等性能指标产生影响,学校对此颇有顾虑。

1.3 大型仪器设备开放使用的安全隐患

大型仪器设备一般会涉及水、电、气(包括有毒、易燃、易爆的危险气体)的使用。仪器设备的开放,会使仪器设备的使用更加频繁,设备的磨损会加速,如果使用或管理稍有疏漏,甚至会引发实验室安全、设备安全、人员安全等方面的事故,造成严重后果。因此,大型仪器设备开放使用前的操作培训显得尤为重要。

1.4 开放共享的大型仪器设备利用率低

许多开放共享的大型仪器设备存在着利用率低的情况,我国高校大型仪器设备平均利用率不到25% ,而发达国家则高达170%～200%[13]。产生这种问题的原因,其一是部分大型仪器设备虽然已经开放使用,但是开放共享的信息发布不够,共享渠道不畅通；其二是仪器设备的实验时间资源分配不合理,造成时间上的浪费；其三是对用户的操作培训不够,用户在进行实验时不能快速、高效、熟练地操作仪器设备,降低了大型仪器设备的使用效率。

2 虚拟仿真实验平台的功能特点

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学就是利用计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境,并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟仿真的环境中进行操作、验证、设计、运行的教学方式[14-17]。目前在各类教育中,虚拟仿真实验教学的应用越来越普遍。教育部已于2013年、2014年在我国高校中批准了两批国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作,以全面提高高校学生的创新精神和实践能力,建设和共享高校的优质信息化实验教学资源,持续推进实验教学信息化建设和实验教学资源开放共享,推动高等学校的实验教学改革与创新。

2.1 虚拟仿真实验在实验教学中的优势

虚拟仿真实验可以弥补教育设施的不足,可以展现实际生产中难以观察到的细节、原理。对于涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等情况的实验时,虚拟仿真能够提供可靠、安全和经济的实验项目。

虚拟仿真实验过程直观、形象,利用三维、声效、特技等多媒体技术,增强学生的临场感、沉浸感和交互性,可以充分调动学生实验学习的积极性,全面提高学生的实践与创新综合能力。

虚拟仿真实验能够科学、准确地表达相关实验知识。虚拟仿真实验的设计,通常是由专家编写脚本,能够科学、准确地表达实验中的操作步骤与实验结果。虚拟仿真实验采用交互式、个性化的学习方式,学生自主确定实验方案和实验步骤,系统能够提示出现的错误,帮助学生轻松规避操作错误,有利于正确完成实验和深刻记忆实验内容[16]。

虚拟仿真实验不受时间、空间和实验次数的限制,学生可以随时通过网络访问和体验,不断强化实验知识。此外,虚拟仿真实验系统设计灵活,内容易于更新和扩展,能随时提供最新的学科知识。

2.2 虚拟仿真实验应用于实验教学的不足之处

尽管虚拟仿真实验在实验教学中有很多优势,但是无法完全代替大型仪器设备的实体实验、实训教学以及工厂生产实习。

(1) 尽管虚拟仿真实验教学软件可以实现高仿真,但是与实际情景还是有很大差别的,在实际仪器设备的使用中有很多经验,也必须通过实际操作来获得,虚拟仿真实验无法替代。

(2) 虚拟仿真实验教学情境理想化、简单化、共性化,而实际工程中的情境往往是多种工程因素共同影响的结果,是动态的。此外,虚拟仿真实验教学中经常简化数据分析和操作过程,便于学生理解问题的实质；但理想化的实验,其结果必然与实体实验时的各种参数影响下的实验结果存在差异。

3 发挥虚拟仿真实验在大型仪器设备开放共享中的作用

3.1 虚拟仿真实验平台提供信息展示窗口

虚拟仿真实验平台本身就是一个基于网络的开放共享信息平台,借助其后台管理功能,可以很方便地将开放共享服务的大型仪器设备资源进行有效分类、整合,向校内外公布开放共享大型仪器设备的基本资料、服务功能、服务项目、服务时间、收费标准等相关信息,从多个层面实现大型仪器设备的有效集成和共享,真正搭建起设备管理者与用户沟通的桥梁,有效提高设备共享水平和效率,并增强其开放性和透明度。以北京科技大学材料虚拟仿真实验平台为例,在其门户页面可以按照实验测试类型查看实验中心开放共享的大型仪器设备(见图1)；在每台大型仪器设备详细介绍页面中有设备的名称、厂商、型号、功能、用途、性能参数、实验测试项目等信息,还有仪器设备放置地点、负责人及其联系方式等(见图2),供用户查询。

图1 大型仪器设备分类展示页面

图2 大型仪器设备详细介绍页面

3.2 开放共享大型仪器设备的操作技能培训

让用户掌握大型仪器设备的操作技能是大型仪器设备开放独立操作的前提条件。如果集中进行此类培训,需要消耗许多人力和财力资源；而个别培训又极大地增加了设备管理员的工作量。

利用虚拟仿真实验平台,一方面可以提供仪器设备操作指南、相关的实验室管理制度、安全注意事项、样品的准备、实验数据处理等各种相关文件,非常方便快捷；另一方面可以通过虚拟仿真实验详细、直观地展示大型仪器设备的操作步骤,通过交互过程,提示可能出现的各种安全隐患以及不当操作可能造成的损害,使用户如身临其境,加深印象。此外,用户可以随时、多次访问虚拟仿真实验平台，自主学习操作技能。用户只要通过了操作技能测试，就可以操作相应的仪器设备,使大型仪器设备的开放共享更为便捷。

3.3 提高大型仪器设备在实验教学中的开放度

大型仪器设备的开放包括时间、空间和内容上的开放。在实体实验中,学生难以自主选择实验时间和实验内容,而虚拟仿真实验不受空间限制,在任何网络覆盖的地点都能够访问虚拟仿真实验室,了解更多大型仪器设备的功能特点和实验测试过程。

对于某些贵重、学校尚未配置或无法配置的大型仪器设备,可以通过虚实结合的实验教学方式实现仪器设备的开放共享。例如“板材热连轧生产”[16]是学校难以开设的实体实验课程,学生即使在生产现场也无法近距离观察,而采用虚拟实验,就可以全方位、有针对性地展示生产过程、设备工作原理、工艺参数等多方面的知识,工程实践教学效果更为显著。

3.4 虚拟仿真实验平台有助于提高大型仪器设备的工作效率

利用虚拟仿真实验平台,学生可以在使用大型仪器设备之前预习实验,在虚拟现实的环境中熟悉仪器设备的特点,掌握每个实验操作步骤,了解注意事项,观察可能出现的实验现象,一旦进入实体实验室,就可以熟练操作,减少实验错误、节省实验时间。

在大型仪器设备开放使用的时间安排上,也可以借助虚拟仿真实验平台的实验预约功能进行统筹规划。用户可以方便地访问虚拟仿真实验门户页面,在实验预约对话框提交自己使用某一仪器设备的申请以及几个可选的实验时段和计划实验机时；设备管理员则根据已有的实验预约情况为申请人分配具体的实验时间。这样，有助于减少大型仪器设备的空闲时间,更适合学生开展自主实验和创新实验的需要,有效地提高大型仪器设备的工作效率。

4 结束语

随着高校虚拟仿真实验平台的建设及应用推广,它可以在大型仪器设备的开放共享中发挥更加积极的作用:(1)虚拟仿真实验平台可以为大型仪器设备的开放共享提供信息展示窗口；(2)利用虚拟仿真实验培训操作技能,为大型仪器设备开放共享创造条件；(3)通过虚实结合的教学方式开发虚拟实验,提高大型仪器设备在实验教学中的开放度；(4)利用虚拟仿真实验平台提高大型仪器设备的工作效率。

References)

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Discussion on role of virtual simulation experiments in opening and sharing of large-scale instruments and equipment

Yun Bing, Sun Jianlin, Xiong Xiaotao, Mao Jinghong

(School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

There are some problems existent in the opening and sharing of large-scale instruments and equipment in universities, such as that the number of instruments and equipment is far from enough for the needs of the experimental teaching, the application rate is low, etc. The virtual simulation experiment can play a positive role in the opening and sharing of large-scale instruments and equipment, provide a show window for this opening and sharing, and create conditions for their opening applications with the aid of skill training. The virtual experiments are developed according to a teaching approach that is combined the virtual experiments with the real experiment, which can increase the opening application in experimental teaching. Through the training of virtual simulation experiments, it can save the actual experimental time to improve the work efficiency of large-scale instruments and equipment.

virtual simulation experiment; large-scale instruments and equipment; opening; sharing

2015- 03- 15

北京科技大学2011年度校教育教学改革与研究重点项目(JG2011Z03)；2012年度北京市支持中央在京高校人才培养共建项目(GJ201204)；2014年度北京市人才培养共建项目(GJ201403)

贠冰(1968—),女,山西平陆,博士,高级工程师,主要研究方向为材料加工过程的数值模拟仿真及材料科学与工程虚拟仿真实验建设.

G434

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1002-4956(2015)10- 0119- 03