罗运鹏 王渊 贾永兴 陈亮 王开华

摘要：信息化背景下，为了提高高校人才的工程素养和创新能力，实验在人才培养过程中具有举足轻重的作用。由于传统实验方式的种种局限性，构建网络化虚拟仿真实验中心成为当前越来越有价值的重要课题。实验中心管理水平的高低对于实验教学的可持续发展具有十分重要的意义。本文在分析虚拟仿真实验本质特征的基础上，总结建设虚拟仿真实验中心的必要性，给出了建设思路，并提出完善虚拟仿真实验中心管理工作的建议，为虚拟仿真实验中心的可持续、健康发展提供理论保障。

关键词：虚拟仿真实验中心;建设;管理

中图分类号：G647     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）07-0220-03

当前，随着信息技术、工程技术的飞速发展，全球经济一体化进程加快，为了顺应国际发展趋势，适应国家发展需求，坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路，我国教育进入了前所未有的大发展时期。国家教育部确立教育信息化的战略地位，于2012年印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》，要求推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式，提出要利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施，开发整合各类优质教育教学资源，建立高等教育资源共建共享机制，推进教学实验平台等信息化建设。各类地方高校及军队院校纷纷转变办学思路，调整人才培养方向和定位，积极参与高等教育信息化建设。

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。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号）精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》，教育部决定于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。这种新的实验教学方式采用开放的实验教学模式，以信息化技术为标志，以充分反映学科特点和要求为出发点，为实验教学注入新内容，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，是对传统实验教学的延伸和扩展。从实施的情况来看，虚拟实验教学尤其对实验室的管理水平和网络化共享平台要求甚高，因此迫切需要借助完善的实验室管理办法来维护。为了高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验资源共享，保证虚拟仿真实验教学中心的可持续发展，本文围绕虚拟仿真实验中心的建设与管理进行探讨，有利于更好地发挥虚拟仿真实验在信息化背景下创新人才培养中的作用，为实验教学的改革与创新提供参考。

一、虚拟仿真实验概述

虚拟实验（室）（Virtual Laboratory，VL），也称合作实验（Collaboratory Laboratory，CL），这个概念于1989年由美国William Wolf教授最早提出，Wolf教授形象的把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”。虚拟实验是指借助于图形图像、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的，可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验操作各环节的相关软硬件操作环境[1]。虚拟实验是相对真实实验而言的，它没有以实物形态存在的实验设备与实验对象，实验过程主要是利用鼠标的点击、拖动来设置实验条件，采集实验数据，分析处理实验结果，从而完成整个实验。

虚拟仿真实验实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，成功地解决了硬件条件与学生学习需求不断提高之间的矛盾，利用计算机网络的便捷及软件模型的真实可靠，基于面向对象的思想，构建可视化的管理平台，实现在线模拟实验、虚拟设备实验、远程实验及在线帮助等功能，通过在线提交实验报告及在线帮助等模块使教师与学生的交互性更强，突出学生的主体地位。

用于教学的虚拟实验室大致可分为两种类型。

1.基于虚拟仪器的实验室。这是直接由各种虚拟仪器代替物理设备所构成的实验室。构建该类实验室较为简单，易于实现，如虚拟示波器、数字万用表、信号发生器等虚拟仪器构成的实验室，成本低，易于管理。

2.基于网络的远程虚拟实验室。这类实验室构成相对复杂些，所需技术较多，但由于其有广阔的应用前景，这种形式也是教育方式发展的一个趋势，且现今计算机技术、网络技术发展迅速为其提供了必要的物质技术条件。

二、虚拟仿真实验的本质特征

长期以来，在全国普通本科高校实验室数量、面积持续增长的前提下，实验教学的现状依然不能满足当下各学院的学科专业发展和实验教学质量的提高。虚拟实验室打破了传统实验教学以教师为中心的局限，依托信息化技术，如虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等其他重要的信息化技术，填补了传统实验平台不能实现的实验内容。在虚拟实验室内构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在这个环境中不必担心损坏仪器设备，可大胆地尝试各种设计性实验、综合性实验和探索性实验，并可将相应的网络资源进行整合，开发出新的实验内容。不但能开拓学生视野，提高学生兴趣，而且拓展了学生的创新能力和想象能力。虚拟仿真实验充分反映了各学科的要求和特点，形式灵活多样。功能上与教学内容相契合，为本科教学服务，满足教学大纲要求，既巩固基本理论与操作，又能适应新形势下人才培养的需要。信息化技术特征、高度仿真和满足教学要求三个方面构成虚拟仿真实验教学中心的本质特征。

三、虚拟仿真实验中心建设的必要性

随着信息化技术的迅猛发展和普及应用，高校实验室建设得到了国家、各大高校的高度重视，通过近几年的建设已经取得了大量卓越的成果。然而，在如何体现信息化核心教学理念方面仍缺少实质性的方案和实践，特别是实验内容和实验手段，难以满足实验教学对于各学科支撑作用的需求。

虚拟仿真实验教学资源作为整个高校教学资源的一部分，在高等教育实验教学框架下系统运行，虚拟仿真实验中心的建设弥补了传统实验不能实现的教学功能，为当下实验教学质量的提高提供了一个有效的问题解决方案，其必要性在于：首先，网络化虚拟实验室比传统实验室更具有开放性，有效地打破了时间和空间的界限，学生可以灵活安排自己的实验时间，也可以根据专业、兴趣、爱好自主选择实验内容，对自己完成的综合设计性实验方案进行实验，有效拓展了实践渠道，丰富课外学习内容。其次，大大节省了实验室建设中人力、物力、财力的投入，降低了实验教学成本。实验仪器、实验耗材都是通过虚拟技术实现，实验教学的改革、实验项目的调整、实验方案的优化再也不受实验设备性能的制约，有效解决了传统实验平台建设周期长、投入大、設备功能缺乏、性能老化、更新补充不到位等问题，保障了教学的正常开展。再次，针对实践性强的理工类学科，利用虚拟仿真技术可以做到紧跟科学技术的发展趋势，通过课题研究、技术开发、工程实验、成果转化、产业化等产学研一体化的创新活动，将前沿技术融入教学，实现科研活动与教学活动、科技创新与人才培养的完美结合。

同时，由于我国区域经济发展的不平衡，导致教育资源分布差异很大，一些地区短时间内难以建立良好的实验环境和优质的教学资源。因此，依托互联网的应用普及，虚实结合地开展虚拟仿真实验，将会极大地拓展课程受益面，成为一种非常迅速、有效、值得推广的教育资源辐射形式。

四、虚拟仿真实验中心的建设思路

（一）定位明确，特色鲜明

科学和技术发展离不开先进的研究手段，人才的培养更离不开先进的实习和实验条件。高等学校以培养人才为中心，同时承担着知识产出和社会服务的重要任务。因此，高校实验教学在人才培养中的地位和作用显而易见。虚拟仿真实验教学中心的建设以坚持信息化技术与教育教学深度融合为核心理念，以培养学生实践能力、创新能力和提高教学质量为宗旨，以实验资源开放共享为目标，坚持特点建设，创新管理机制，推动教学改革，带动实验教学水平的总体提升。

（二）制定规划，分期建设

首先对虚拟实验教学体系总体规划，对实验中心建设、组织机构、管理体系进行总体设计，特别强调进行“顶层设计”。既要避免实验室或某些实验功能的重复建设，又要考虑与其他地方院校实验室及研究机构、企业等组织上下、纵横结合。其次是对教学内容、课程设置和培养目标进行整体设计，像设计理论教学那样独立设计实验教学课程。各院系专业按自身教学结构设置实验室体系，注意将综合性实验室与专业实验室相结合。

要把虚拟实验室建设与教学（训练）基地建设统一规划，统一实施，把虚拟实验教学与基地化实验教学结合进行，并且要边建设边使用，边使用边完善。

（三）面向未来，开放发展

虚拟仿真实验中心是基于网络的全面开放发展的系统，具有较强的交互性。在前期整理思路、摸索经验的基础上，要建立起全方位的合作模式，产生良好的社会效益和经济效益，使资源共享可持续。某校开发的软件系统，既能为其他合作实验室和院校机构所使用，其他科研机构开发的系统也能为该校提供依据和帮助。

五、虚拟仿真实验中心的管理建设

（一）完善虚拟仿真实验中心的管理机制

1.理顺管理体制。从宏观层面上看，学校集中管理的同时，各学院具有一定的独立自主权。组织机构、设备管理、实验教学、信息技术平台、人员配置等机构各司其职，相互协作，建立信息化管理体制。各实验室的建设与升级由各院各实验教学中心统一时间节点，制定相应计划，做好预算，统一进行建设与管理，这样既有效地实现了有限资源的协调与共享，较好了节约资金，又能统一各实验室建设的进度及管理办法，全面推进各个学科虚拟实验室的建设与使用。

2.制定全面的管理制度。从微观层面上看，为了确保实验教学的顺利开展，制定一套统一的科学化的管理制度和工作规范，实现对虚拟实验中心管理、实验室资源分配、使用情况、实验实践教学及人员流动等全方位的管理。具体制度既包含传统的实验中心管理人员和教师岗位职责、实验中心工作规程、实验中心工作条例、实验室开放实施办法、实验教学工作条例等管理措施，还包含虚拟仿真实验特点的课题负责人责任制、登记实验室开发人员和管理人员名单、针对不同职责人员的培训计划和大型精密仪器设备开放共享管理办法。

3.建立项目申报常态机制，设立创新升级专项基金。从可持续发展层面上看，按照学科方向、课程内容应建立相应的实验项目申报机制。特别是创新实验建设，每学期组织一次项目申报，由每个教研中心按照课程实验教学目标及内容要求设计一定数量、切实可行、具有创新意义的仿真实验、设计性实验，填写《虚拟实验室项目申请表》，由学校审批后，将项目列表公布在校园网上，供学生选择。每个项目建立相应的项目情况登记表、项目进度表，由学院定期检查项目进展。

学校和学院设立实验中心创新升级专项基金，用于硬件设备的添置，软件系统升级维护等费用。精简行政审批手续，改变非专业人员决策的问题。组织专门的专家委员会定期评审，评审通过后由实验室相关人员实施采购、升级或委托专门的采购部门直接采购。同时，作为一种激励方式，为了鼓励教师和学生积极参与创新实验，基金可贴补津贴。

（二）建立虚拟仿真实验教学新体系

1.设置相应的学分，鼓励学生积极参加虚拟实验的学习。随着教学改革的进一步深化，课程总学时特别是专业基础课程学时数大幅度压缩，因此迫切需要课程体系进一步整合。在理论课时压缩的背景下，实验课程的比例需要适当的增加。根据理论知识的要求，开设一定数量、难度的虚拟实验，给予相应的学分，规定各专业本科生的最低实验学分。这样的学时安排给学生提供了更为充裕的时间发挥学习的主动性和创造性，培养学生的自我管理能力和动手操作能力，进一步促进理论知识的理解和应用。

2.优化实验教学资源，促进创新能力的培养。按照信息化条件下对新型人才的培养要求，在传统实验的基础上，删减陈旧过时或与新专业特点不符的实验内容，关注市场需求和学生兴趣点，将产学研相结合，通过引进或自主研发等方式丰富虚拟仿真实验教学资源，研讨论证虚拟实验内容，科学分配学时数。从内容上将实验分为基础实验、设计性实验和专题研究等几个层次。从性质上分为必选、任选和限选实验等。单独制定虚拟实验教学计划和教学大纲。坚持以反映新技术、新知识，注重培养创新能力为目的，使实验课程体系得到整合优化，突出专业特点，保证实验教学的系统、完整与科学。

（三）加强教师水平与实验教学水平建设

为了保障实验室的质量，各实验室负责人要求教学水平与科研水平兼备。以核心技术队伍建设为重点，带动实验技术队伍综合素质的整体提高。选拔骨干教师充实实验教学、管理队伍。根据工作需要和岗位规划，吸引不同学历、不同能力、不同技术特点的人才应聘不同岗位，优化实验教学中心人员组成结构。建立科学合理的青年教师培养计划，发扬传帮带的优良传统。确保实验室长期有序的建设与可持续发展。

（四）建立科学合理的虚拟仿真实验中心评价机制

围绕学生综合素质发展和创新能力提高这一目标，制定包含实验教学资源、信息平台、实验教学队伍、实验教学效果、管理保障的全方位、规范化的评价体系。实验教学资源中教学平台建设与信息平台是构建虚拟实验室的基础，科研成果转化为教学内容是特色建设及可持续发展的不竭动力。组织建设与规范管理是发展好实验室建设的有力保障。在评价的过程中，既要兼顾全面，也要突出重点。

（五）完善教学管理与共享平台

虚拟仿真实验教学系统是依托学校校园网的公共实验教学平台，要保证虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用，必须坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，结合学校办学理念和培养目标的特点，采用引进或自制的方式打造适应现代教育新发展的教学平台，建成包含实验室资产、设备维护、课程体系管理、实验室日常管理等内容的信息化管理平台，构筑教育信息化体系。

依托虚拟实验信息化管理平台建立实验室优质资源共享系统，通过激励机制，调动各级单位参与共享的积极性。一方面要推进区域内校际资源共享，另一方面要整合校内实验资源，促进院系间实验资源共享。

六、小结

总之，在传统教学不能满足信息化时代教学要求的背景下，建立基于计算机网络资源的虚拟仿真实验中心成为解决硬件设施不足、教学时空受限、实验内容与实际脱节等现实问题，提高教学质量的重要选择。目前虚拟仿真实验中心的建设得到了国家的重视和大力支持，在各高校及科研机构等组织中得到了不同程度的发展。不断推进虚拟仿真实验中心管理建设，提升管理水平将在未来的实践中证明是虚拟仿真实验中心建设的重要内容和保障。

参考文献：

[1]杨磊.虛拟实验及其教学管理平台的设计与研究[D].陕两师范大学，2006.

[2]李江全，等.虚拟仪器设计测控应用典型实例[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]梅加化.基于LabVIEW的虚拟实验教学系统的研究[D].合肥工业大学，2012.

[4]于鸿.虚拟网络实验室网络管理设计[D].电子科技大学，2014.