6.经验与特色

虚拟仿真实验教学中心

重庆大学能源与动力电气虚拟仿真实验教学中心

重庆大学能源与动力电气虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)以始建于1990年的重庆大学仿真工程研究所为基础,现依托于“低品位能源利用技术及系统”教育部重点实验室。实验室占地500 m2,有专、兼职人员38人,大型仪器设备40余台(套)。近5年来,通过国家“211”“985”工程项目的建设和学校教学实验室建设专项资金、学院自筹资金建设,累计投入400万元购置现代实验仪器设备进行实验室改造,设备总资产已达1 100万元。

1.实验教学平台

中心在探索研究型、综合性大学实验教学的过程中,以电力行业中“发电—输电—配电”为主线,构建了“五模块(基础实验模块、专业实验模块、专业实践模块、工程伦理模块、创新实践模块)、四层次(基础层、专业层、创新层、综合层)、一主体(以自主开发为主体,科学研究与实践教学相结合)”的能源动力电气类仿真实验教学资源体系。

基于“五模块、四层次、一主体”的教学资源体系,整合火电厂过程仿真实验室、电网输送配置仿真实验室半实物仿真控制实验室等实验室的仿真教学资源,建成了资源共享的能源与动力电气虚拟仿真实验教学资源体系。

中心实验教学平台资源体系

2.理念与实验教学体系

本平台上的仿真系统具有过程性能考核、热力与电气系统分析与综合、控制系统设计与优化以及故障诊断等科学研究实验功能,可引导学生进行协同学习,开展较综合性的设计课题,甚至可依托仿真系统产生教学案例,使学生的知识、能力和综合素质能够得到全面训练和提高,主要表现在以下4个方面:

(1)控制系统的设计和优化,调节器参数的最佳整定。目前在役的电站机组跨越了好几个年代,相应的控制系统的类型也多种多样,其设计都必须以对象的动态模型及其动态特性为依据,按工程要求,进行多种控制方案的比较、选择,性能指标和控制器参数的整定和优化。

(2)开展热力学工质热物性虚拟实验,传热学瞬态导热虚拟实验等,加强学生对热力学、传热学等专业主干课程的理论学习,通过虚拟实验教学,让学生对专业课知识有更深入的了解和认识。

(3)对于能源生产过程,分析运行工况变化、运行方式变化、运行条件变化时,对系统的工作状态(动、静特性)的影响,从而提出从设备结构上、运行措施和程序上,改善系统特性,提高设备效率,排除系统缺陷,加强提高运行可靠性的措施。

(4)对机组与系统的实际运行方式进行经济性分析和故障诊断。通过将实际机组运行数据引入仿真系统,与仿真系统相同工况下的运行数据进行分析、比较,从而确定机组的运行经济性;通过对能源生产过程运行方式的全过程模拟,以及对事故工况进行模拟复现,找出导致事故的原因,为故障诊断提供科学的依据。

3.实验教学队伍建设

中心由老中青研发、维护和管理人员组成,有教授22人,副教授9人,讲师7人。中心人员主要由3部分组成:第一部分是专职实验中心教师和管理人员;第二部分是开发人员;第三部分是技术维护人员。中心主任由动力工程学院副院长杨晨教授兼任,全面负责中心的实验教学、中心建设和管理工作。中心博士以上教师占69%,副高职称以上占80%,40岁以下教师占55%。已形成了一支年龄和职称结构合理、知识层次高、具有较强教学、科研和实践能力的师资队伍。

4.实验教学中心管理

中心有专业的实验教学管理系统,负责日常实验教学工作的开展,同时配备完善的设备管理系统,校内外相关人员都可以通过中心网站预约使用本中心的实验教学设备资源。中心各项管理制度健全,应急措施齐备,安全责任明确,中心自成立以来未发生安全事故。

5.中心建设成效

中心自成立以来,一支以电力生产过程中动力装置的能量转换和电气系统为主线,构架仿真实验教学课程体系,完善了能源动力专业学生实践教学基地的建设,近5年来,参加各级教改项目13项,其中国家教改项目1项,发表14篇教改论文。近5年,中心承担国家自然科学基金面上项目4项,青年基金项目4项,教育部学科建设基金3项,各类横向基金项目31项,发表科研论文133篇,其中,SCI论文74篇,EI论文31篇,其他核心期刊论文28篇,获得发明专利48项。

6.经验与特色

(1)以电力生产过程中动力装置的能量转换和电气系统为主线,以自主开发为基础构建了能源与动力电气虚拟仿真实验教学平台,建设了涵盖传统能源及可再生能源发电的主要过程的具有先进性和前瞻性的仿真教学资源体系,满足了能源动力与电气类本科生人才培养的需要。

①中心在长期的教学实践中,以电力生产过程中“发电—输电—配电”为主线,构建了先进性和前瞻性的能源电力行业背景的虚拟仿真实验教学体系,对提高学生实验兴趣有着积极的作用。

②建立适应不同专业的“五模块、四层次、一主体”的能动类专业实验教学体系。充分考虑能动类及相近专业学生的知识结构特点和专业人才培养需求,分类施教,建立了量大面广的综合性仿真实验教学平台,支撑了综合性大学对各类人才的培养需求。

③结合电厂工业生产背景,构建全真仿真模拟培训平台,为学生提供一个逼真的操作环境,加深学生理论知识的学习、提高学生在生产实践过程中的动手能力。目前,拥有200,300,600,1 000 MW火电机组仿真机,核电站原理型仿真机也正在积极建设当中。

④通过在管理体制机制上的创新实现重点实验向本科生全面开放,强化教学与科研的紧密联系,使学生具备学习、应用知识的能力与创新能力,能够综合运用一般和专门的工程专业知识,并对现有的技术的新兴技术的应用进行优化,满足了能源动力与电气类本科生人才培养的需要。

(2)在虚拟仿真实验教学中引入工程伦理教育,在培养大学生工程伦理素养方面进行了积极的探索,对加强学生工程伦理道德素养有着积极的作用,也是中心在创新教育培养方面进行的大胆尝试。

中心深度实践了融渗式工程伦理教学法,通过虚拟仿真方式将专业教育与工程伦理教学有机结合,有效地激发了学生对相关工程问题的道德敏感性,使其在职业操守、社会责任和可持续发展、认识自己对社会、职业和环境的责任等方面有效提升自身素养。

(3)坚持自主开发为主体,科研与实践教学相结合,注重坚持“教学、开发、管理”3个队伍的平衡发展,坚持以最前沿的能源生产技术和虚拟仿真技术为先导,不断开发拥有自主知识产权的虚拟仿真教学实验装置及系统,保证了虚拟仿真教学实验平台的先进性和前瞻性,保证了人才培养的质量。

①自主开发了“火力发电机组全范围仿真平台”“微型电网模拟及数字仿真平台”等仿真实验教学平台,不仅能很好地满足本科生培养的需要,而且对在相关领域进行科研的教师提供了一个优秀的科研开发平台。

②制订了鼓励高水平教师参加实验教学的措施和管理制度,解决了实验教学师资队伍建设的机制问题,解决了“研究创新型”实验的源头问题;通过科研教师、理论课教师与实验课教师的互通,形成了一支以教授、博导为核心,结构合理、思想素质好、学术水平高、适应本科创新人才培养需要的实验教学队伍。

网址:http://vsim.cqu.edu.cn

联系人:卞煜,联系电话:023⁃65102477

E⁃mail:bianyu@cqu.edu.cn

重庆大学机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学中心

重庆大学机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)是以国家级机械基础实验教学示范中心、国家工科机械基础教学基地为基础建立起来的。1997年国家教委立项建设重庆大学国家工科基础课程机械基础教学基地,2007年成为教育部首批机械类国家级实验教学示范中心。通过国家“211”“985”工程项目的建设和学校教学实验室建设专项资金、学院自筹资金建设,机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学中心已建成了集机械数字化设计分析子系统、制造子系统、检测子系统、控制子系统等一体的软硬件相结合的虚拟仿真实验环境,实验室面积2 500 m2,设备总数达到1 000台(套),设备总资产已达3 000余万元。

1.虚拟仿真实验教学资源

中心围绕装备制造所涉及的设计、制造、测控以及生产过程管理等基本内容,根据“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,遵循“教师为主导、学生为主体,教师引导、启发学生去研究和探索”的实验教学理念,进行实验课程的体系规划以及训练模式与环节设置。通过自主开发、行业资源集成和科研成果转化等方式,形成了围绕装备全过程的逻辑结构合理、层次分明、资源丰富的5个虚拟仿真实验教学模块,共45个虚拟仿真实验项目。

机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学资源体系:

机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学资源体系

2.实验教学体系

在如图1所示的资源体系中,几大功能模块既相互联系、互为依托又自成体系。设计模块提供最优方案,制造模块提供最优工艺和生产管理,检测模块评价装备参数和性能,控制模块实现装备的可靠运行,创新模块进行集成创新。每个模块又划分出子模块,形成第二和第三层结构化知识体系。学生可通过设计模块进行机构创新设计、机械结构和机械系统的虚拟仿真设计分析,通过制造模块进行数控加工、绿色智能制造、生产过程等虚拟仿真实验。在虚拟仿真环境中,学生真实地感受到机械零部件、机械系统的设计、制造、装配生产全过程。检测模块是对机械装备在运行过程中的各种参量进行测试,培养学生运用检测仪器对机械装备状态进行在线与离线检测能力。控制模块是基于检测装置反馈信号对机械装备的运行状态进行控制,使学生掌握机械装备运行过程中状态控制的原理、方法。

创新实践模块将设计、制造、检测、控制4个模块进行集成,以培养大学生创新精神和实践能力。

3.实验教学队伍建设

中心拥有一支教学、科研、技术人员结合,核心骨干人员相对稳定,结构合理的虚拟仿真实验教学团队,形成一支教育理念先进,学术水平高,教学科研能力强,实践经验丰富,勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍,保证了中心正常运转,满足高素质创新人才培养需要。通过多年建设,中心已形成一支由国家教学名师领衔的素质优良,职称、学历、年龄结构合理,教学与科研相结合的机械基础及装备制造虚拟仿真实验教学队伍。实验技术队伍专、兼职人员共37人,其中,教授12人,副教授(含高级工程师)18人,工程师5人,助理工程师2人。博士学位25人,硕士学位8人,本科4人。

4.实验教学中心管理

中心实行主任负责制,建立学术委员会和建设委员会。实验室建设,实验教学体系改革进行论证、创新实验教学项目的规划、立项评审和验收等管理工作分别由建设委员会和学术委员会承担。中心下属的每个实验室负责人由责任心和实验动手力强的副教授、高级工程师或博士担任,负责各实验室的建设和管理,经过多年的建设与完善,已经步入正常化轨道。

中心实行校、院两级管理制度,实验室及设备管理处代表学校负责协调中心的建设工作,建设经费由学校、学院共同承担,以学校投入为主,运行经费由学校根据实验教学任务划拨。

中心通过网络信息平台,实现实验室全天开放,采用预约实验和开放实验的方式,每天上午、下午和晚上3个单元学生均可进行实验,参加专业创新实践的学生中心负责安排专门教师指导,确保学生能够及时得到教师的帮助。

网络信息平台

5.中心建设成效

中心以能力培养为核心,注重探索精神、科学思维、实践与创新能力,理论与实践统筹协调,注重科研成果的转化,学科前沿的介绍,工程和实践的引入,拓展了实践领域,丰富实验教学内容,推动了实验教学改革与创新,提高实验教学质量,取得了显著成果。

1)教学效果显著,对本科的实验教学有着不可替代的支撑作用

中心坚持实验教学虚实结合,鼓励学生在探究中完成实验项目。面向全校12个专业,每年开设45项仿真实验教学项目,年平均课时达到140 000学时,受益学生近14 860名,教学覆盖面广,仿真实验项目开出率高,取得了良好的实验效果。

中心注重课堂教学与实验教学有机结合、强调学生实践能力、创新精神与意识的培养和提高,承担了机械工程学院近600名本科生的专业实践教学工作,提高学生对行业的认知程度,为学生进一步现场实习打下良好的基础。

2)学生的科研和工程实践能力显著提升,学科竞赛获奖丰硕

学生通过虚拟仿真实验教学平台自主学习,开展研究型、创新型实验、工程综合实践和创新设计竞赛,知识、素质和实践能力协调发展,工程综合素质和创新能力得到了较大提高。近5年来,与中心仿真实验教学有关的本科学生参加大学生科研训练计划、国家大学生创新实验项目计划等创新实践项目249项,在全国学科竞赛获奖73项。在全国机械创新大赛获奖10项,在全国大学生先进制图技术技能大赛获奖51项,全国大学生工程训练综合能力竞赛获奖4项,在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获奖8项。

学生创新实践项目部分作品

3)改变传统实验教学模式,实验教学改革成果显著

中心采用全新的虚拟仿真实验教学模式,打造了高水平的、符合现代企业设计制造的全流程数字化虚拟仿真平台。教师利用平台开展科研,并把科研成果转化为实验项目,以研促教,以教带研,教研相长。中心老师近五年来主持国家级和重庆市教改项目29项,发表实验教改论文42篇,面向全校12个专业开了45个虚拟仿真实验项目,每年吸收学生14 860人,实验人时数达140 000。出版《机械基础实验》国家“十一五”规划教材1套,在国家级出版社正式出版写教材22本,获发明专利67项,编写了虚拟仿真实验指导书多套,开发了系列多媒体实验课件和多套仿真软件。

6.经验与特色

经过10余年的发展和建设,中心在自主仿真实验教学平台的开发、科研成果转化和实验教学资源推广、虚拟创新仿真实践平台开发等方面形成了特色与创新。

1)形成了以自主开发为主的虚拟实验教学资源体系

中心在引进以Dassault,PTC,Ansys,MSC,Simpack,MASTA,Romax,Delmia等为代表的仿真分析软件和以LabVIEW等为代表的数据采集和仪器控制等软件基础上,注重实验教学资源的自主开发,先后开发了机构创新设计、机械设计与仿真分析、机械传动系统数字化设计、机器人运动学仿真与轨迹规划、快速原型仿真、网络化制造信息系统柔性集成、数字化车间制造执行系统仿真等设计分析虚拟仿真实验平台,开发的多媒体实验课件和仿真软件共计26套,并全部用于实验教学。自利用自主开发仿真实验平台开发的虚拟实验教学资源占65%,实验教学资源丰富。

2)教学与科研结合,注重将科研成果转化为教学资源,实现实验教学资源推广共享

将获得国家科技进步二等奖的“国产虚拟仪器的研发与面向机械测试的系列仪器”项目转化为虚拟实验教学资源,自主开发的虚拟仪器,推广到全国27个省市,在200多家高校累计销售2 000多套;《机械基础实验》教材及实验指导书、任务书等辅助实验教材、实验教学课件、设计和仿真软件等在全国数十所高校推广应用;自主开发的“机电液综合实验台”“组态液压系统仿真与检测实验系统”等,推广到全国80多个学校和3家教仪企业。

3)利用国家级科研平台,开发了系列综合创新实践项目,培养学生创新能力

为了培养学生的创新精神和实践能力,结合国创项目、SRTP计划、创新设计大赛、全国大学生方程式汽车大赛等,开发了虚拟创新实践平台,训练并提高了学生的工程综合素质和创新能力。近年来,学生在全国机械创新大赛、全国大学生先进制图技术技能大赛获得全能和单项等一、二、三等奖共51项,全国大学生工程训练综合能力竞赛获奖4项,在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获得全国一等奖、二等奖和三等奖共8个奖项。

网址:http://jxjx.cqu.edu.cn/openlab

联系人:汤宝平,联系电话:023⁃65102403

E⁃mail:bptang@cqu.edu.cn

西南大学药学虚拟仿真实验教学中心

西南大学药学虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)是西南大学国家级药学实验教学示范中心的重要组成部分,承担药学类及相关专业的虚拟仿真实验教学。西南大学药学虚拟仿真实验教学中心于2014年2月被教育部批准为全国首批100个虚拟仿真实验教学中心之一,全国首批3个药学/中药学虚拟仿真实验教学中心之一。

西南大学药学虚拟仿真实验教学中心是按照国家级药学实验教学示范中心秉持“实践创新,能力至上”的实验教学理念,本着虚实结合、相互补充的原则建设实验教学体系,一方面重点强化建设药学基础实验、药学专业实验、制药工程校内实训车间、校外实习实训基地等实验条件的建设,通过开设课程实验、综合大实验、校内实习实训、校外医药企业实习基地教学实习等培养学生的实践能力;另一方面作为药学实验教学中心重要组成部分的虚拟仿真实验教学中心于2011年10月整合药学实验教学示范中心原有虚拟仿真实验教学资源组建,并于2012年6月获西南大学资助建设,建设的西南大学药学虚拟仿真实验教学中心于2013年申报获得教育部批准国家级虚拟仿真实验教学中心。真实实验和虚拟仿真实验共同组成的药学实验教学中心是我校开展药学类专业学生培养、科研服务和文化传承的核心平台之一。

1.实验教学平台

虚拟仿真实验教学中心开发建设和购置有药物制备GMP实训仿真系统、发酵工程仿真系统、化工原理虚拟仿真系统、药理学虚拟仿真系统、药物分析虚拟仿真系统、药物辅助设计软件等虚拟仿真设备、虚拟仿真软件及仿真实训操作系统,开设虚拟仿真实验项目103个,资产总值820万元。

1)药物制备工程虚拟仿真模块

按照药品GMP认证要求,药物需在GMP条件下生产制备,由于GMP生产环境必需的洁净度要求,以及设备、厂房、技术人员等条件的约束,药品生产厂家很难像其他行业的企业一样接待学校学生的参观和实习,校内实习GMP车间建设所需的巨额投入和运行费用决定了学校自建药物制备GMP车间几乎不可能;建立在高成本、高消耗基础上,大量使用化学药品的发酵工程实验、化工制药实验等会产生大量有机废水,同时实验中需要的氮气、氧气和二氧化氮等涉及高压容器具有一定的危险性限制了部分实验的开设,而建设“药物制备工程虚拟仿真模块”,能有效实现所有学生在虚拟仿真药物制备GMP车间进行药物的生产操作,在虚拟仿真系统中开展药物发酵、化工实验等实训操作。

本模块包括发酵工程虚拟仿真实验、药物制备GMP虚拟仿真实验和化工原理虚拟仿真实验3个模块。

2)药理生理学虚拟仿真模块

学生利用实验动物(小鼠或蛙)开展生理学、药理学、毒理学等实验操作,但常常由于实验操作不熟练,导致实验不能顺利完成或达不到预期实验效果,建设“药理生理学虚拟仿真模块”,能让学生更好通过虚拟实验,完成操作实训,提高真实实验效果。

3)药物分析虚拟仿真模块

作为体内药物分析实践能力培养的分析仪器设备操作,很多药物分析中常涉及液质联用(LC⁃MS)、气质联用(GC⁃MS)和核磁共振仪等大型分析仪器,由于仪器设备台套的限制,不仅需要教师要反复讲解仪器操作规程,增加教师工作量,同时常由于学生操作不熟练,容易导致仪器设备的损坏,因此,学生实际操作大型分析仪器机会极少,学生通过操作大型仪器分析虚拟仿真模块后再操作大型分析仪器,实现所有学生均可进行大型仪器实训操作。

发酵工程虚拟仿真实验

药物制备GMP虚拟仿真实验

4)药物分子虚拟筛选模块

药物开发过程中的药物人工筛选存在前期经费投入较大及鉴定周期较长等弊端,开设药物筛选学生实验基本上不可能,中心建设“药物分子虚拟筛选模块”,用计算机模拟的方法设计或者筛选出具有潜在结合功能的药物,并辅以实验验证等方法,得到候选药物,中心将教师建设的药物分子虚拟筛选模块转化成供学生操作实训的虚拟仿真平台,实现真实实验难以开展的学生药物筛选的操作实训,培养学生的创新实践能力。

中心建设有西南大学药学虚拟仿真实验教学中心网页,将中心制作的实验项目操作视频、教学课件、实验室开放预约及虚拟仿真实验操作软件等实现网络信息化。实现了中心网站视频点播、虚拟实验操作、仿真实验实训操作、教学课件及专用软件下载等栏目,学生运用个人电脑在任何地方均可凭注册后操作学习。

2.理念与实验教学体系

西南大学药学实验教学示范中心秉持“实践创新,能力至上”的实验教学理念,按照“能力培养,虚实结合,从基础到专业,从认知训练到创新应用,从学校到社会”的原则建实验教学体系,作为中心真实实验重要组成部分的虚拟仿真实验按照“能力培养、虚实结合、以虚补实、以实为主”的原则建设虚拟仿真实验教学体系。

药学虚拟仿真实验教学体系

1)能力培养

培养具有创新意识、创新思维和创新能力的药学人才。

2)虚实结合

实验过程是一个学习、培养及探索的过程,通过实验,能有效地训练学生的实验技能,培养观察能力、实践能力、创新精神和创新能力;而虚拟仿真实验教学则能有效利用信息技术模拟真实实验环境实现部分真实实验难以完成的教学功能。中心将真实实验和虚拟仿真实验建设贯穿于实验教学始终,实现虚实结合,相互补充。

3)以实为主

建立在计算机信息技术上的虚拟仿真实验毕竟是程序化的设计,真实实验中的许多结果并不是程序化的预知结果,仿真程度再高的程序终究需要真实实验进行验证。因此,中心在建设虚拟仿真模块时,通过强化中心的真实实验项目的开展及其改善实验条件培养学生获取知识的能力,综合运用知识解决实际问题的能力和创新实践能力等。

4)以虚补实

中心在强化真实实验建设的前提下,针对部分高成本和高消耗、所需的投入和运行费用巨大等真实实验难以实现的实验操作,建设虚拟实验项目加强学生操作技能训练;建设虚拟仿真实训系统促进学生生产操作实训,实现培养学生实践创新能力的目标。

3.实验教学队伍建设

西南大学药学虚拟仿真实验教学中心是西南大学药学实验教学示范中心的组成部分,西南大学药学实验教学示范中心的实验技术人员及实验指导教师同时承担了2个中心的建设和实验教学指导。中心现有专(兼)职实验指导教师和实验技术人员51人,队伍职称结构、学历结构、年龄结构、学科专业结构合理,其中教授(教授级高级工程师)14人,副教授(高级工程师)17人,高级职称教师比例达60.7%;博士29人,硕士11人,硕士及以上教师比例达78.4%;45岁以下中青年教师37人,比例达72.5%;21名教师有海外留学或工作经历,比例达41.2%。教师学科专业涵盖药理、药剂、药物化学、药物分析、制药工程、微生物制药、药物合成、天然药物化学、有机化学、无机化学、化工原理等。中心教师中有国家杰出青年基金获得者和新世纪百千万国家级人才工程一层次人选1名,教育部新世纪人才2名,2人享受国务院特殊津贴;1人为教育部科技委学部委员;1人为国家新药中药评审专家;1人为国家重大新药创制会评专家;2人为重庆巴渝学者,4人为重庆学术技术带头人,1人入选“重庆市百名工程技术高端人才”。

中心历来重视教师的培养和提升。为加强实验技术和教师队伍建设,提升实验教师实验教学服务能力。围绕实验教学和实验室建设需要,选拔、补充优秀人才进入实验技术人员队伍,优化实验技术人员队伍结构;加强现有实验技术人员的学历教育、岗位培训和技能培训,提升队伍素质;进一步明确实验技术人员岗位责任,完善考核制度,建立有效的激励约束制度;加强管理队伍的思想政治建设、作风建设和能力建设,提升为教学服务的能力。建设一支专业化、信息化深度融合的实验教学、管理教师队伍,培育一批实践能力、专业设计能力和科技创新能力强的学生。

4.实验教学中心管理

西南大学药学虚拟仿真实验教学中心作为西南大学药学实验教学示范中心的组成部分,西南大学药学实验教学示范中心负责药学虚拟仿真实验教学中心的组织建设和管理。中心是校、院两级管理的单位,实行中心主任负责制。中心主任由学校直接任命,主持中心的实验教学和实验室管理工作,中心办公室负责课程实验教学。建立健全岗位责任制,明确实验指导教师与实验技术人员的职责;完善实验室管理制度,严格执行学校制订的相关实验教学管理制度,同时结合中心实验教学的特点和实际情况,制订并完善相应的管理制度与实施办法;中心建立了一套严格的实验教学效果评价办法,考核工作落实到实验中心每一个人并与个人的提职晋级等切身利益挂钩。

5.中心建设成效

中心建设虚拟仿真实验项目对真实实验的补充作用,以培养学生创新能力为目标,作为真实实验的补充,虚拟实验项目的作用主要体现在:

1)对实验项目的认知、实验操作的预习

虚拟仿真模块中包含的操作视频及中心制作的实验操作视频将不可见、抽象及难以表达的内容转变为直观而生动的画面,将重要的、易忽视的操作部分利用视频技术将其充分展示,解决传统示教法因条件限制而无法实现的难题。

实验项目的虚拟操作可使学生更好地理解掌握每一个实验项目的目的、实验原理和详细的实验操作步骤,以保证学生在开展真实实验的过程中能更好地注意操作的规范性,实验后可通过操作虚拟实验项目进行复习巩固,从而强化实验教学效果,为实验能力的培养提供好的平台。

实验项目的虚拟操作可实现学生对实验项目的认知、实验操作的预习,更好地理解掌握每一个实验项目的目的、实验原理和详细的实验操作步骤,以保证学生在开展真实实验的过程中能更好地注意操作的规范性,实验后可以通过操作虚拟实验项目进行复习巩固,从而强化实验教学效果,为实验能力的培养提供更好的平台。

2)实验能力的拓展训练

由于知识更新的速度越来越快,学生需要学习掌握的知识与能力也越来越多,但由于受到课程学时的限制,特别是部分真实实验操作因为需要一定的实验条件,限制了学生的操作学习,虚拟实验项目可设计涵盖范围非常广的实验内容和实验操作训练。如生理学真实实验不可能开出所有系统、器官的实验内容,如中心因课程学时的限制,药理学只开设了12个实验,人体解剖生理学只开设了6个实验,中心建设的药理生理学虚拟实验项目可弥补这一不足,生理学虚拟实验涵盖了19个虚拟实验项目,药理学涵盖了29个虚拟实验项目,学生可通过操作未开设的虚拟实验项目拓展知识与操作能力,学生还可通过到中心开放实验室根据虚拟实验项目设计真实实验并操作这些实验,实现真实与虚拟实验的结合,使学生更加全面、系统地掌握生理学实验和药理学实验技能和基本操作方法。

3)实验操作技能的训练及培养

对一些操作难度较大,仅凭老师做示范学生不易掌握操作方法的实验,虚拟实验操作起到了很好的直观性、反复性训练的作用。如生理学实验中的减压神经放电(神经的分离和分辨是难点)、膈神经放电记录(找出膈神经是难点)、大脑皮层放电记录(其中的开颅手术不易操作和掌握)等实验都是电生理实验中的重点和难点,学生通过中心建立的生理学虚拟实验项目的反复操作训练,极大地提高了学生在真实实验中的实验操作能力,既能节约实验动物又能使学生很好地掌握所需的实验操作技能。

4)药物工业化生产制备的仿真训练

药物制备GMP实训仿真系统可实现学生在学校就能反复操作训练,全面了解药物制备GMP车间的工艺布局、原料药物及不同制剂药物的生产要求、生产设备组成及洁净度要求等,让学生在进入医药企业开展生产实习前能熟练掌握药物制备GMP认证要求及生产操作训练,保证学生在生产实习时能快速适应、掌握药物制备的能力,更好地培养学生的实践能力。

5)培养学生的创新设计能力

学生按照药物分子设计筛选→原料药物的制备→药效评价→药物制剂制备→药物质量控制等流程,组合不同虚拟仿真模块中的虚拟实验项目开展创新设计虚拟药物的制备,培养学生创新研究的能力。

中心建设的虚拟仿真实验教学共享资源不但在我校的药学专业、制药工程专业和动物医学专业等学生在教学过程中广泛应用,实现了包括硬件和软件在内的实验教学资源的全面共享,每年受益学生人数达3 000人以上,学生实验人时数超过15万,同时也为学生创新创业、教师科学研究、研究生教育培养提供了有力保障,而且被广大学生在课外时间大量访问使用,有利推动了教学质量和效果的提高。

6.经验与特色

1)根据药学类专业特点,建设了与真实实验相补充的虚拟仿真实验资源

为适应培养具有创新实践能力的药学人才,中心按照虚实结合、相互补充的原则,针对医药行业特点,自建药物制剂GMP车间需要的高投入和高成本运行、人体内药物药效及代谢分布实验等真实实验教学无法开展的部分实验,构建了药物制剂制备GMP虚拟仿真实训系统、发酵工程虚拟仿真实训系统等工业化药物制备的虚拟仿真环境,培养学生操作能力;构建的药物在人体中的药理生理作用虚拟仿真实验让学生形象、直观地了解药物在人体内的动态变化,为学生个性化学习、自主学习提供了有力保障,与真实实验一起共同组成实验教学体系,培养学生的创新实践能力。

2)实现多途径开发建设,丰富药学虚拟仿真实验教学资源

药学虚拟仿真实验项目的开发建设涉及药学学科专业知识、信息技术、网络技术和动画技术等多学科知识与技术,为更好地加强中心虚拟仿真实验资源的建设,中心专业教师结合专业知识开发建设部分虚拟实验项目,对于部分复杂的虚拟仿真实验系统联合企业共同开发建设,以及参与其他高校开发建设虚拟仿真实验项目等途径开发建设虚拟仿真实验项目,丰富中心的虚拟仿真实验资源。

3)实现学生可以随时随地上网操作学习

中心将实验操作视频、虚拟实验项目、虚拟仿真实训系统、实验大纲、实验指导等实验教学资源上传到中心网上,学生们可随时运用个人计算机在任何地方均可凭注册后开展操作学习,激发了学生学习的兴趣,提高了学生学习的效率。

网址:http://yxxf.swu.edu.cn

联系人:陈章宝,联系电话:023⁃68250587

E⁃mail:xiczb86@126.com

西南大学物理虚拟仿真实验教学中心

西南大学物理虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)依托于重庆市高等学校实验教学示范中心,是校、院两级管理的实验教学基地。中心先后于2004年和2008年搭建起了“微结构固体仿真实验项目模块”“大学物理虚拟实验项目模块”“中教法虚拟实验项目模块”。2011年成立物理虚拟仿真实验教学中心,面向全校提供虚拟仿真实验服务。2014年获批为国家级物理虚拟仿真实验教学中心。

1.实验教学平台

中心的教学平台下的教学模块包含大学物理实验公共课模块、普通物理实验模块、近代物理实验模块、中学物理实验模块、基于LabVIEW虚拟平台的趣味物理实验模块、微结构材料设计与物性仿真模块6部分,仿真教学的内容涉及力学、热学、声学、光学、电学、磁学等物理学各分支学科实验,以及近代物理和科技前沿实验等各个领域。前4个模块共有较为固定的仿真项目108个(约一半实验项目学生可自选实验方法和实验方案),第五模块自主开发了项目31个,第六模块自主开发了实验项目57个(后两个模块除少量实验项目作为实例培训外,其余项目都具有综合设计性和创新性,学生可根据实验目标和实验对象自行设计实验方案,选择平台子模块和实验方法进行仿真实验)。

中心网络信息平台资源丰富、功能齐全,将操作指南、实验课件、仿真课件点播、虚拟实验、网上答疑等栏目,专用软件下载、成果展示、中心运行等信息全部在网上公布。此外,实验预习自动评判系统、实验报告自动评阅系统、教学管理及选排课系统等可以完成预习和复习的自我评价、选课、提交报告、扩展学习其他院校资源、查阅典型案例等工作,教师可以批阅报告、进行排课、安排预约。

中心建有2间全开放的虚拟终端机房(124台高性能Dell计算机),网络服务器1套,高性能计算集群2套,虚拟仿真实验软件7套,虚拟仿真实验的软硬件价值520万元。全覆盖的校园网可保证随时、随地、随需访问中心资源,为学生个性化、自主化学习提供有力保障。

2.理念与实验教学体系

中心秉持“强化基础、重在素质、虚实为用、实践创新”的教学理念和“校企共建共管、教研开发拓展”建设方针,充分发挥“虚拟”和“实体”实验的各自优势,将虚拟仿真实验与真实实验相互贯穿,交叉地在虚拟和真实环境中开展实验操作;构建“基础训练”“专业实践”“综合设计”“创新研究”4层次的仿真实践训练体系,形成了以“掌握基本实验技能→完成创新实验项目(参与教师科研项目)→课外科技实践锻炼→毕业论文设计”为主线的大学全程培养过程,旨在让学生在大学各阶段的学习中都能开展实验操作,通过激发学生的求知欲来提高学习兴趣,从而增强学生理论知识和实验知识的融会贯通,全面提升学生的实践能力、创新意识和综合素质。

3.实验教学队伍建设

中心现有专、兼职人员67人(专职教师24人,兼职43人);设主任1人、副主任2人、专职实验设备管理员3人;教授和研究员18人,副教授和高级实验师33人;拥有博士学位46人,拥有硕士学位14人;有海外留学、工作或高访经历24人;45岁以下教师比例为77%。

近5年来,中心教师承担高等教育教学改革研究教育部重点项目2项,国家社科委重大项目1项,重庆市教委重点项目3项,重庆市教委一般项目2项;对实验教学体系的建立、教学方法的改革、学生实践创新能力的培养等课题进行研究,发表教学研究论文48篇;编写实验教材4部、理论课教材7部、教辅参考书11部;承担国家自然科学基金科研项目45项,教育部项目3项,新世纪优秀人才支持计划2项、重庆市杰出青年基金1项,重庆市自然科学基金30余项,获得省部级以上教学科研奖励5项,发表SCI论文300余篇,申请(含授权)专利40余项。中心快速将这些教研成果转化为实验教学资源,开发了80多个科研创新性实验项目。

4.实验教学中心管理

中心实行主任负责制,从管理架构上,将实验教学中心人、财、物统一划归实验教学管理中心,实现了高效的统一管理、资源共享。建立了一套完善的实验教学质量保障体系和运行维护机制,做到了深入、细致、科学、规范的管理。

5.中心建设成效

通过强化“一个虚拟平台、三支实验队伍、五类实体实验”为主体的建设,不断将科研成果转化为实验教学内容,快速高效地构建起了“二结合、四层次、六模块、全开放”的虚拟仿真实验教学体系,成为我校培养既有一定理论知识又有较强创新精神和创新能力的大学生的实践基地。

虚拟仿真实验教学体系

中心充分借助科研师资、科研成果、学科软硬件资源,将图形化的虚拟仿真实验软件LabVIEW,Material Studio,LLG Simulator,OOMMF等用于实验教学,每年更新5%左右的实验教学内容,新增3~5项实验项目,设计开发出了几十个具综合性、探究性和创新性的虚拟仿真实验项目,满足学生在信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习、科研创新的实践要求,中心的虚拟仿真教学资源具有创新性和先进性。

受益于中心虚拟仿真教学平台,物理专业学生近5年就完成了国家级创新项目27项、校级项目38项、发表SCI和EI论文12篇、申请专利17项,获得国家和省级竞赛奖44项。中心发挥资源优势,积极开展国家级、省级中学物理骨干教师培训,为重庆和西南地区基础教育培训了大批实验师资。中心建设获得物理实验专家的肯定,许多高校和中学实验人员前来考察和学习,发挥了良好的示范辐射作用。

6.经验与特色

1)融合科研

在保障验证性、综合性和设计性虚拟仿真实验的基础上,中心坚持教学与科研相结合,打破教学实验与科研实验的壁垒,以科研人员为基础、科研软硬件平台为支撑,开发出88个科研创新性实验项目,做到教学科研的深度融合。

(1)中心科研团队人员均参与实验教学、实验项目开发、毕业论文指导、学生科技活动指导、学生自主学习指导等,教师在实验教学中潜移默化地向学生渗透科研思想、科研精神和科研方法,努力培养学生的创新能力和创新意识。

(2)科研仿真软硬件平台支撑实验教学。学校将科研与教学方面具有共用性的仪器设备集中存放,统一管理使用,为学生虚拟仿真教学与科研服务,发挥虚拟仿真资源的效益。例如,中心利用Material⁃Studio,MAPS,MedeA⁃VASP,Gaussian⁃VIEW,LabVIEW,LLG Simulator和OOMMF等7大科研仿真软件,以及学科的高性能集群,建立了适合本科教学的“LabVIEW虚拟仿真实验教学平台”和“微结构材料设计与物性仿真教学平台”。

(3)快速将高水平科研成果转化为实验教学资源。中心联合相关企业,搭建仿真实验开发团队,将教师科研项目、科研奖项以及教研论文等研究成果迅速转化为88个虚拟仿真教学实验项目。

2)深入微观

物理学大量的宏观实验现象均来源于微观,呈现出微观作用下的宏观表现,而微观模型难以进行实验展示,学生学习也很抽象,很难解决理论模型和宏观实验现象的直观联系,限制了教学效果和质量。因此,中心在平台建设中特别注重微观实验项目的开发和建设。

(1)平台模块在计算机虚拟环境下可从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次展示,将研究对象从3维体系扩展到2→1→0维的微观纳米体系,如扫描隧道显微镜、真空镀膜、纳米构型观测等实验,解决了物理学高精尖实验仪器运行成本高、设备贵重动手机会少、制约学生动手实践的问题。

(2)平台资源极大地缓解了微观实验无法真正开展的两大限制:物理学微观领域的实验教学无法开展(如原子能级分布、晶体结构、电子云分布等)、微观实验仪器研发困难且实验现象显示不直观的问题。辅助近代物理理论教学而进行的仿真模拟,可通过图像、动画的方式为学生演示量子力学及材料结构相关的抽象理论,引导学生深入了解物质结构、形成的复杂机制和相关理论性质,巩固基本知识、重要概念和基本理论,提高学生的学习积极性,增强灵活运用理论知识的素养。

3)形成系统

(1)中心构建了层次化、模块化、全流程的“虚实互补”仿真实验教学体系,形成了培养体系的系统性。构建起了基础训练→专业实践→综合设计→科研创新“四个层次”的实验教学体系,覆盖了人才培养过程的整个流程。第一层次强调基础,利用“普通物理实验仿真模块”和“大学物理实验公共课模块”开展基础性认知与验证性模拟仿真实验,锻炼学生基本的动手能力,对非物理类学生利用进行验证性实验操作;第二层次注重衔接,利用“近代物理实验仿真模块”和“中学物理实验仿真模块”开展专业技能训练,提升专业实践能力,在向行业特色进行过渡中掌握更深层次的理论知识体系;第三层次着眼融合,利用“LabVIEW虚拟实验平台”进行综合设计实验,培养综合实践开发的能力;第四层次致力跨越,利用“微结构材料设计与物性仿真平台”开展设计创新性实验,个性化激发科研创新的潜能。先进的开放式教学平台,可以用来“学”、用来“教”、用来“做”、用来“改”、用来“增”、用来“组”,还可用来“研”,既提高教学质量,又提升学生的实践动手能力和创新能力。

(2)虚拟仿真实验项目和实验教学内容具有系统性。中心的虚拟仿真实验项目涵盖力学、热学、光学、电学、磁学、声学、核物理学等物理学分支学科最具代表性的基础性实验,以及近代物理和科技前沿实验。

(3)虚拟仿真实验项目注重微观和宏观实验的对应,形成实验研究体系的系统性。宏观实验现象具有可靠性和普遍性,然而实验没有深入现象的微观机制中去,因而不能阐明现象和规律的微观实质。对同一个实验现象可以从宏观与微观两个不同角度进行研究,找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。

网址:http://wlxf.swu.edu.cn

联系人:李国庆,联系电话:023⁃68252355

E⁃mail:gqli@swu.edu.cn

重庆医科大学医学虚拟仿真实验教学中心

重庆医科大学2004年起开始使用成都泰盟科技有限公司开发的仿真实验项目,在医学机能实验学中开展虚拟仿真实验教学。2009年,在病原微生物学与免疫学的实验教学中开始自主开发虚拟仿真实验教学软件。2011年,建成显微数码互动实验室和数字切片网络系统,应用于形态学教学;同时开始建设以模拟人为核心的临床仿真实验系统。2014年,学校成立医学虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”),将原分散于各实验教学中心的虚拟仿真实验软件统一到一个平台上,进行医学虚拟仿真实验大平台建设,实现平台统一身份认证、统一管理,同时与成都泰盟公司合作,开发了10多个虚拟仿真实验,使本科生实验教学、创新实验和自主学习得到有益补充。同年,经教育部评审成为国家级虚拟仿真实验教学中心。

1.虚拟仿真实验教学平台

在学校基础医学、临床技能两个国家级实验教学示范中心,护理学、临床检验诊断学、药学3个重庆市级实验教学示范中心的基础上建立和发展起来的医学虚拟仿真实验教学中心,经过有机整合,划分为4个虚拟仿真实验教学平台和多个虚拟仿真实验室。

医学虚拟仿真实验教学中心框架

1)基础医学虚拟仿真实验教学平台

采用最新动画开发技术,结合发数字化、云平台技术,根据医学教学实践,规划和设计虚拟实验教学项目,组建适合医学生使用的学习管理平台。结合医学院校实体学科分类,虚拟组建了机能学等6个实验室,面向本科生开设医学机能实验学、医学形态学、医学分子生物学、PBL教学实验课程,贯穿医学本科教育和科研前培训全过程。

2)临床医学虚拟仿真实验教学平台

由临床技能和护理学两个虚拟仿真实验室构成。临床技能虚拟仿真实验室有网络版智能化心肺检查与腹部检查教师机,网络版智能化心肺检查与腹部检查学生机,心电图软件,综合手术无线控制模拟人,超级无线综合模拟人,综合ICU无线控制模拟人(儿童),智能ICU无线控制模拟婴儿,临床思维训练软件系统,核心能力评估管理系统等虚拟仿真软件,对基础技能、专业技能、动物外科手术、临床技能考试等进行虚拟仿真训练,以满足各个阶段临床实践教学的需要。护理学虚拟仿真实验室搭建了护理基础技能训练、临床综合技能训练两个仿真实验平台;设置了验证型、综合型和设计型实验3个层次。

3)大型仪器设备虚拟仿真操作平台

构建了人体机能实验仪器展馆、Lab Online临床检验仪器虚拟训练操作平台以及药学网络虚拟实验室。人体机能实验仪器展馆包含了生理和药理实验中27种常用实验仪器,从原理和模拟操作两方面进行了详细的讲解。Lab Online采用当前最先进的云计算技术,虚拟实验室软件运行在云端服务器上,师生通过连接互联网的计算机访问云端服务器,通过计算机网页进入“虚拟实验室”,在其中选择虚拟检验仪器进行实验教学、练习、考试。药学网络虚拟实验室可以对试剂配制、常用的设备和工作站进行仿真操作,使学生能够掌握通过虚拟实验尽快熟悉仪器的操作规程,再进行实际操作,虚实结合,提高实践动手能力。

4)健康保健教育教学平台

“重庆市人类生命与健康博物馆”是西南地区首家医学类专业博物馆,位于重庆医科大学缙云校区内。博物馆分生命旅程、人体结构与功能、疾病与健康、诺贝尔奖荣誉殿堂4大展区。博物馆集医学专业和科普知识为一体,是重庆市大中小学生的素质教育和健康教育基地,也是本科生课外自主学习的重要场所。博物馆共收集了500多个人体标本,除了利用现代化技术进行布展以外,还有约2万h的数字播放资源,包括一些手术视频和BBC科普数字影片等,采用实物、展板、动画、视频、音频等形式,结合声、光、电等技术,以及3D虚拟现实技术,供参观者体验生命发展的历程,传播预防疾病与身体保健的知识。

2.建设理念及管理机制

虚拟仿真实验在医学实验教学中有着补充、拓展、完善的作用,是实验室建设的重要方面之一。学校以“学科融合、资源共享”为建设理念,依托重庆医科大学重点学科,坚持“以虚补实,虚实结合、能实不虚”的实验教学原则,构建医学虚拟仿真实验平台,并将虚拟仿真实验项目开发重点放在受到以下制约的实验项目:实验时间较长,短期无法在实验室完成的实验;涉及特殊病毒、放射性物质等危险程度高的实验;受制于经费和动物伦理学的实验;操作困难、手术难度大的实验;已流失的实验标本和实验技术;现实中难以实现的综合性实验,以及一些需要临床实践,但无法在病人身体上直接操作的临床技能训练项目。

中心实行主任负责制,主任和副主任分别由教务处处长和实验教学管理中心主任担任,以便于虚拟仿真实验教学中心的建设和管理。中心成立了包含校内外知名专家、相关学科的教师、合作企业的代表以及正副主任在内的虚拟仿真实验中心发展指导委员会,负责出台虚拟仿真中心建设规划、规章制度建设等,协调实验教学管理、监督检查、人员调配、资产调度、经费划拨等工作。中心建立专职队伍对虚拟仿真实验教学系统进行建设、支持、更新与维护。中心根据教学需要,建立了实验中心实验专职教师队伍,更新教学资源,为新的实验课程提供制作教学资源的脚本。学校每年有100多万元经费用于虚拟仿真实验维护、研发和建设,以保障教学活动正常运行。

3.特色与创新

(1)虚拟中心网络访问为B/S构架,设计的用户界面用以适应不同移动终端,方便用户在手机上、平板电脑上进行相应的操作,拥有极好的用户体验,有助于提升学生学习兴趣。任意移动终端均可访问虚拟中心,学习平台资源,管理平台内容,完成考试等,最大限度地拓展学生自主学习的时间和空间。平台管理功能可自动追踪学生的学习过程、学习进度,了解学生的笔记和提问等情况,教师可第一时间了解学生的学习状况,帮助学生更有效率的学习。

(2)医学虚拟仿真实验教学中心是依托5个国家级、市级实验教学示范中心建成的,它汇集了基础医学、临床技能、临床检验诊断、护理、药学等各学科资源和师资,有利于不同学科的实验教师进行协作和大型综合实验的开发,也更有利于学生综合实验能力的培养。中心围绕真实的医学教学和实验,坚持以实体实验为主,虚拟实验为辅助的方式,注重实体知识的传授与实践能力、创新能力的培养,在开展虚拟实验过程中防止出现本末倒置,做到以虚补实、虚实结合,为培养学生的基础实践能力和自主创新能力提供有力保障。把虚拟仿真实验教学中心建设成为高素质基础医学人才、科研人才、临床人才的培养基地。

(3)充分利用“重庆市人类生命与健康博物馆”广博资源,最大限度发挥医学专业教育基地和医学及人类健康科普基地作用。重庆市人类生命与健康博物馆总展区面积达5 100 m2,有标本519件,多个电子展板、触摸计算机、3D数字人体、互动测试等高新技术设备,多媒体资料长达2万h,用实物、虚拟、互动等科技方式向观众展示人体结构与疾病健康知识。作为重庆市大中小学生的素质教育和健康教育基地,不仅普及医学知识,更能借由人体科学知识的传播使大家建立预防疾病与身体保健的观念,普及公民的健康教育,维护人民的身体健康,最大限度地发挥医学服务社会的功能。

网址:http://mvlab.cqmu.edu.cn

联系人:李革,联系电话:023⁃65712096

E⁃mail:1020359374@qq.com

第三军医大学军事作业医学虚拟仿真实验教学中心

第三军医大学“军事作业医学虚拟仿真实验教学中心”(以下简称“中心”),依托于“军事作业环境损伤与医学防护实验教学中心”,2013年获批为国家级虚拟仿真实验教学中心。中心构建了虚拟仿真实验的教学体系,推进了实验教学的改革和资源建设,提高了信息技术与学科专业的深度融合,有利于学生创新精神和实践能力的培养,为实现学校党委提出的培养“卓越联勤军医”目标打下了坚实的基础。

1.实验教学平台

中心总面积达4 000 m2,实验设备2 000多套,设备总资产4 000余万元。针对军事作业医学涉及高危和极端环境多,实验过程必须虚拟仿真的情况,中心构建了包括特殊自然环境、特殊武器损伤和特殊作业行为等在内的各种虚拟仿真实验教学平台和设备,为军事作业涉及的高危和极端环境、核化生损伤及医学救援等提供可靠、安全和逼真的实验教学条件,实现了真实仿真、虚拟仿真和构造仿真系统间的互联、互通和互操作。

围绕对军人可能的损伤因素,包括军事环境、军用密闭舱室、三防,通过虚拟仿真、人机交互等手段,建立了以“军事作业医学基础虚拟仿真”“特殊军事环境模拟仿真”“军用密闭舱室虚拟仿真”和“三防医学应急救援虚拟仿真”4大模块为核心的实验教学平台,通过多媒体教学和网络化教学的应用及计算机模拟和仿真教学的改革,最终提高军人作业能力,保障健康。

中心虚拟仿真实验教学平台

2.理念与实验教学体系

中心始终以培养学生实践能力、创新能力和提高教学质量为宗旨,以虚拟仿真实验教学改革为核心,以高素质实验教学队伍为保障,不断提高虚拟仿真实验教学和研发水平。中心建立了系统完整的军事作业医学虚拟仿真实验教学平台,形成了以虚拟仿真、实验室技能培训与现场演练相结合的15门实验课程体系,开设虚拟仿真实验课16项,年授课学时130学时。通过实施虚拟仿真实验教学改革与实践,有机整合了实验技能培训、部队实践能力培养和多层次实验教学,建成新型的有利于学员创新能力和素质培养的虚拟仿真实验教学体系,有效提高了本科生、研究生、任职教育和卫生士官军事作业医学的教学质量。

虚拟仿真实验教学体系

3.实验教学队伍建设

中心在编科技人员共53人,正教授15人,副教授(含高级实验师、高级工程师)17人,讲师(含实验师)12人,初级9人。70%的人员拥有博士学位,其中,全军育才“金奖”2人;全军育才“银奖”14人;科技金星1人,国家“优青”2人、杰青2人,中组部“青年千人”1名,科技部中青年科技创新领军人才2名;1人获总后信息化教学法竞赛一等奖且列第1名。中心已发展成为一支由知名学科带头人领衔,热爱实验教学,教学理念先进,教学科研能力强,熟悉实验技术,勇于创新的实验教学队伍。

4.实验教学中心管理

中心实行学校统一管理下的中心主任负责制。各虚拟仿真实验教学平台均设立副主任1名,负责相关虚拟仿真实验室的建设管理和实验教学工作;同时,中心设立管理委员会和学术委员会,负责实验室建设与发展规划制订、重大平台实施方案论证和实验室科学研究方向的确立。

5.中心建设成效

中心注重与企业合作研发,充分发挥互补优势,先后与山东易创电子有限公司开展了全方位的数字医学和数字影音产品的研发,与天津合普公司联合开展了密闭作业环境模拟仿真实验系统和实验平台的研发,与贵州风雷航空军械有限责任公司开展了高原环境模拟舱群的研发。先后研发了“化学事故医学应急救援指挥系统”“虚拟化学战现场救援软件”“军事预防医学网络模拟训练系统”“数字化可视人体数据集”和“密闭舱模拟染毒实时监测系统”。其中,“中国数字化可视人体数据集的建立”获国家科技进步二等奖,单独或与企业共同获得国家发明专利7项,实用新型专利13项。

中心先后获国家教学成果1等奖1项,二等奖2项,军队教学成果一等奖2项,二等奖1项,重庆市教学成果二等奖1项,国家科技进步一等奖2项、二等奖2项,军队科技进步一、二等奖40余项。2部专著获第六届解放军图书奖,3部教材获全军核化生防护优秀教材一等奖;国家级精品课程1门;国家级精品视频公开课1门;2门网络课程获全军优秀网络课程一等奖。

中心实验教学队伍积极参加教学改革,承担了12项各级各类教改项目,发表教学论文86篇。中心实验教学队伍除完成繁重的教学任务外,还积极承担大量军队和地方科研任务,近5年来先后牵头获得国家“973”项目1项、“863”项目3项,军队重大、重点项目8项、国家自然科学基金重点项目3项、面上项目(含青年基金)73项,国家科技部支撑计划2项,科技部新药创制重大专项7项,重庆市重大专项等各类市级基金40项,累计获得各类纵向和横向科研经费3亿元;发表学术论文1 000余篇,其中,SCI论文近300篇。

近5年来,学员完成了32项创新实验、医学本科生国际学术论坛、预防论坛和第二课堂活动,完成226篇本科生毕业论文,公开正式发表论著40篇,发表综述63篇。获“全国大学生临床技能竞赛”全国总决赛第一名;“全国大学生英语竞赛”特等奖;“八一杯”物理科技创新竞赛一等奖;全军首届“勇士杯”军事技能竞赛第三名;国家大学生数学建模竞赛一等奖3项,重庆市一等奖31项;获军队大学生数学建模竞赛一等奖11项;获“大学生志愿者千乡万村环保科普行动”优秀志愿者7人、优秀论文奖4人。

6.经验与特色

1)虚拟仿真教学与现场实训相结合,突出学员实践能力培养

利用现代化虚拟实验教学环境,组织开展军事卫勤综合演练,提高了学员各项实验技能的实际和实战应用,加深了对军事作业现场各类问题的实践与操作,在虚拟与现实实践中提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力,培养学员综合实践能力。

2)改变实验教学模式,突出学员创新能力培养

在虚拟仿真实验教学设计中,有目的地针对化学应急救援、作业环境有害因素分析等场景,让学员自主设计救援方案,设计虚拟环境有害因素监测预案等,培养学员科研思维,掌握科研方法,提升学员创新能力。

3)建立资源共享长效机制,促进优质虚拟实验教学资源共享

中心虚拟仿真实验教学平台依托我校数字化校园和智慧校园工程,面向全校开放,目前已广泛运用于学历教育、任职教育和卫生士官的培训和相关科研工作。同时,部分虚拟仿真实验教学资源正逐步纳入全军军训网,以满足我军其他院校任职人员、士官等直接远程访问和学习,将极大地促进军事作业医学的发展和人才培养。

“军事作业医学虚拟仿真实验教学中心”经过多年的积累,形成了虚实结合、相互补充、功能先进的实验教学体系,通过现场与虚拟仿真实验教学相结合的模式,学员的专业基础知识、基本技能掌握明显增加,创新能力不断提升。目前,中心已发展成为我军军事作业医学领域唯一的集教学、科研、人才培养和军事斗争卫勤准备于一体的虚拟仿真实验教学中心,中心将继续坚持“联合共建、资源共享”的原则,进一步加大虚拟仿真实验教学平台运行能力和硬件条件建设,逐步丰富完善软件系统功能,以发挥更好的社会效益。

联系人:赵吉清,联系电话:023⁃68752331

E⁃mail:zhaojiqing392@sohu.com

第三军医大学灾害医学虚拟仿真实验教学中心

为持续提高教育质量,培养医学生的临床实践能力,在信息化教学改革大趋势下,在医疗体制改革和院校扩招新形势下,在重大非战争军事行动牵引下,第三军医大学第一附属医院加快“临床技能中心”的建设,走过了从全军首个、军队唯一的“全军医学模拟训练中心”到“国家级灾害医学虚拟仿真实验教学中心”的8年建设发展历程。

1.实验教学平台

中心占地2 000余m2、拥有400件(套)1 800万元的设备、能开设18个实验科目。在多年建设过程中,根据实验教学需求,从最初的基础医学技能培训发展成为针对灾害医学救治训练的综合实验教学平台,平台由3部分组成:临床技能培训平台、虚拟软件培训平台、实景仿真灾害救援实训平台。平台的有效整合能极大提高临床技能的培训质量,全面拓展培训项目,为科学高效培训医学人才提供了有力支撑。

灾害医学虚拟仿真实验教学中心平台建设布局图

中心拥有各类仿真模拟人300余套,开展诊断学、内科、外科、专科等128个临床操作项目的培训;拥有目前国际上最先进的医学虚拟仿真训练设备(包括数字化人体解剖系统、虚拟腹腔镜训练系统、虚拟内窥镜训练系统、虚拟血管介入训练系统、虚拟静脉穿刺训练系统),运用计算机三维成像技术和力反馈感应装置,高仿真模拟相应医学操作并进行智能评估;动物实验平台1 000余m2,下设10个功能实验室,依托标准化实验条件及专业仪器(动物CT、动物活体成像仪,骨创伤手术导航系统、创伤水疗康复、创伤分子诊断系统、创伤重症监护系统、创伤模拟场地等设备设施),开展实验动物外科手术的基本技能、战创伤和灾害救援外科技能训练。目前已形成多维度、进阶型的新型临床技能培训模式。

平台信息化设备一览表

2.理念与实验教学体系

灾害医学虚拟仿真实验教学中心依据“以临床技能为基础,以灾害救援为特色”的原则建设课程体系和配套教学资源。在教学资源配置上,着力实现“临床技能获得最大化、资源消耗成本最小化、开放共享效果最优化”,合理安排“床旁实践、网络学习、模型操作、虚拟仿真场景演练”等教学手段,建立了“虚实互补,平战兼顾”的“临床技能三基训练”“临床诊疗实践能力训练”“救援指挥勤务训练”和“灾害救援合成训练”4大实验教学模块。

3.实验教学队伍建设

中心实验教学队伍主要由6部分组成:管理人员、指导教师、专家教授、网络技术人员和技术人员。除管理队伍教员外,在编科技人员共71人,高级职称比例超过70%,70%以上的教员拥有博士学位,有“全军育才金奖”3人、“全军育才银奖”14人、“南丁格尔奖”1人;中心已形成一支教育理念先进、学术水平高、教学科研能力强、实践经验丰富,勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。

模拟地震灾害城市废墟现场实景

中心教学模块、能力目标与教学资源类型配置示意图

4.实验教学中心管理

中心实行在“临床技能实践教学专家委员会”及“医院灾害医学教育分委会”指导下的中心主任负责制,注重组织、制度和机制3个方面保障,实行“五统一”的管理模式——统一安排教学任务、统一协调临床教学师资、统一规章制度、统一购置与管理设备、统一技能考试标准。为保证中心可持续发展,完善了岗位责任制,建立了经费配套机制、学术促进机制和职称倾斜支持机制,实现了资源共享和高效管理。

5.中心建设成效

中心自成立以来,历任军队首长多次莅临中心参观指导,接待了全国医学院校的参观交流,成功主办了“首届临床技能培训与医学模拟教育高级研讨会”,推动了临床实践教学改革,2011年获重庆市教委批准成为“重庆市创新实验区”,2014年成功构建“灾害救援模拟训练基地”平台,全面实施重大任务的灾害救援综合演练,2015年获批“国家级灾害医学虚拟仿真实验教学中心”。中心多次承担特殊任务培训,受到总部首长和广大官兵的一致好评。

中心年均承担11个本科专业、4 300余名学生的临床教学与考核,年实践/实验教学量达6万学时;重庆市周边10余所医院来院进行临床医师技能培训;先后有20余个省市130余家医院1 800余名腔镜、内镜、介入等专科进修医师进行虚拟操作训练。中心共获得国际、国家及省部级教学研究课题20余项,获得省部级以上教学成果奖9项。编写出版了《临床医学基本技能规范化培训手册》(人民卫生出版社)及卫生部视听教材等系列教材,在《中华医学教育》等杂志上发表实践教学改革方面的学术论文60余篇。获得版权专利3项。我校本科生的临床技能考试合格率均达100%,在第六届“全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”中,荣获全国总决赛特等奖的佳绩。

获得第六届“全国高等医学院校大学生临床技能竞赛”特等奖

6.经验与特色

(1)以临床能力为根基,以灾害救援为特色,将我院丰富的灾害救援实战经验充分整合进虚拟仿真训练体系,“临床诊疗、卫勤指挥和团队协作”3种能力并重发展。

(2)依照临床思维、诊疗操作、综合救治能力的进阶目标,配置相对独立的“临床实训、动物实验、模拟仿真、虚拟仿真、综合演练”等训练模块,通过模块或科目的组合,能够灵活适应各类训练目标要求。

(3)虚拟仿真信息化充分展现“四性”:

①真实性。环境真实、患者真实、过程真实。

②对抗性。通过高仿真模拟人“案例库”软件,实现复杂的病情变化,突出高压力感和高紧迫感。

③实时性。信息管理系统实现全面的医疗能力的收集、反馈和评价。

④整合性。突破学科专业壁垒,实施整合性、综合性临床技能教学,突出灾害救援的军事医学特色。

(4)建立动态管理优化虚拟仿真资源链:建成了国内首家医学在线学习与考试系统,自主设计了一套题库分类体系,自主研发完成题库加工平台。

(5)发展资源共享:中心整合全校临床能力训练公共信息资源的网站,制订“满足1个最终目标、建立2个线下中心、发展3个线上平台、面对4个共享方向、坚持5个指导方针”的建设愿景,为医学教育信息化建设提供有益参考。

目前,国家级“灾害医学虚拟仿真实验教学中心”已发展成为集学历教育与任职教育培养为一体的、平战结合的虚拟仿真实验教学中心。下一步,我校将加大虚拟仿真软硬件系统建设,以逐步扩大中心辐射影响力,发挥更好的社会效益。

网址:http://wms.xnyy.cn/zhyx

联系人:黄河清,联系电话:023⁃68754522,18908390818

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中国人民解放军后勤工程学院供油工程虚拟仿真实验教学中心

中国人民解放军后勤工程学院供油工程虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)前身为1999年建立的油气储运工程实验中心,2004年更名为供油工程实验中心,2010年成为军队重点实验室,2014年获批成为国家级虚拟仿真实验教学中心。中心是该院所属的油气储运工程国家级重点学科、国家救灾应急装备工程技术研究中心、供油工程军队重点实验室等教学科研的核心平台,承担着油料储存、运输、加注和应急保障组织指挥等方面的实验教学任务。

1.实验教学平台

中心建成的虚拟实验教学资源主要包括“油料装备虚拟教学系统”“野战输油管线虚拟训练系统”“军用油库作业虚拟教学系统”“油料保障虚拟训练系统”4个部分。4个实验教学系统分属“单个装备操作、复杂系统运行、保障实体作业、应急供油演练”不同类型,涵盖了油料储存、运输、加注和应急保障组织指挥等实验内容,能够满足油料储运、管线指挥、油料管理、油料应用等专业本科、研究生的实验教学需求。同时面向部队油料岗位人员实施任职培训,以及承担外军学员的油料专业实验教学任务。

支撑虚拟实验教学的平台环境主要有“油料装备模拟仿真实验教学平台”“野战输油管线模拟实验教学平台”“数字化油库实验教学平台”“油料保障模拟训练中心”“沉浸式三维立体投影系统公共教研平台”等教学设施条件,为石油与天然气工程学科的虚拟仿真实验教学与技术开发提供开放共享平台。

实验教学平台组成

中心面向各油料专业本科、研究生、任职培训、士官和外军学员共11个专业、19个班次开展虚拟实验教学,可开设68个虚拟实验项目,年均承担实验教学任务22 000人学时;同时为学员开展专业实践、创新设计、科技活动、课题研究等提供大力支持。

2.理念与实验教学体系

按照“虚实结合、互为补充、综合运用、注重创新”的实验教学理念,中心利用所构建的专业课实验教学平台开展虚实结合的实验教学,构建了基本型实验、综合设计型实验和研究创新型实验3级实验教学内容体系。

实践环节统筹规划,各类型实验综合设计,不同手段各有侧重,组织实施灵活多样。基础性实验,培养学员实验的基本操作方法及技能;专业性实验培养学员专业知识的应用能力和专业技能的操作能力;综合性实验培养学员独立的发现问题、分析问题、解决问题的能力,突出创新精神和创新能力的培养。

3.实验教学队伍建设

中心本着“年龄结构合理、知识结构互补、学术层次提高”的原则,通过以老带新、在岗自学、外引内送等多种途径,建设了一支结构层次合理,热爱实验教学,教学理念先进,教学科研能力强,熟悉实验技术,勇于创新的实验教学队伍。目前,中心现有固定人员24人,其中,正高职6人、副高职8人,讲师及以下10人;博士生导师3人,硕士生导师9人;45岁以下占70.8%;博士(含在读)14人,合占58.3%。

4.实验教学中心管理

中心实行主任负责制,下设油料装备组、野战输油管线组、军用油库组、油料保障组4个教学科研功能组,全面负责供油工程领域虚拟仿真实验教学与研发工作。各功能组由课程教员、管理人员和技术人员组成。其中,课程教员主要负责根据学科建设和人才培养的要求,充分利用科研资源和科研成果,采用先进的仿真技术、虚拟现实技术、计算机技术和网络技术,不断补充完善虚拟仿真实验教学内容;管理人员主要负责制订虚拟仿真实验教学工作计划,安排落实本科生、研究生、岗前培训人员的教学和实验工作;技术人员主要负责对虚拟仿真实验教学平台的硬件系统和设备进行管理维修,对软件系统进行升级等。

中心结合学院实验室和实践教学的管理制度和相关政策,按照“结构优化、运行高效”原则,建立健全人员岗位职责、实验教学质量评价、实践教学过程的质量监管等管理制度,切实提高实验教学水平与实验教学质量。严格执行实验室仪器设备运行、维护、更新和管理的相关规定,指导和规范虚拟仿真实验教学中心的日常设备管理。

5.中心建设成效

近年来,中心取得了一系列创新研究成果,实验教学资源获国家多媒体软件大赛一等奖1项,获全军优秀电教教材二等奖1项,总后优秀电教教材一等奖1项,先后承担军队、重庆市教学改革研究课题8项、学院教学研究课题16项,编写出版教材31本,获得“军队精品课程” 2门、“军队优秀教材”1本。

指导学员参加第二届全国石油工程设计大赛获二等奖、优秀奖各1项,获得第三届全国石油工程设计大赛方案设计类单项组地面工程二等奖1项,获得第四届全国石油工程设计大赛方案设计类单项组地面工程二等奖1项、技术创新类三等奖1项,获得第四届全国石油工程知识竞赛总决赛优胜奖,获得第十届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖1项、第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖1项。

6.经验与特色

1)始终坚持构建“多层次、模块化、开放式、全方位”的实验教学体系,实现了实验教学模式的重大变革

中心现有的虚拟实验教学资源主要包括油料装备、野战输油管线、军用油库、油料保障4个虚拟仿真实验教学系统。按照其实验教学内容的不同,油料装备虚拟教学系统主要满足单个油料装备操作及维修训练,野战输油管线、军用油库2个虚拟教学系统主要满足较为复杂的油料保障实体作业训练,油料保障虚拟训练系统主要满足应急条件下多个装备、多个保障实体组合式综合训练,按层次可分为“基础层、提高层、综合层”3个训练层次,体现了递进式、层次化的实践教学特点。

2)始终坚持自主研发和院—企—部队合作相结合,实验教学系统建设针对性强,应用效果显著

近年来,围绕虚拟仿真实验教学手段建设,自主研发了部分虚拟仿真实验教学资源;同时,借助与企业合作开展装备研制、与部队合作进行信息化训练系统建设之机,中心积极推进院校—企业—部队多方合作,成功研制了油料装备、野战管线、军用油库作业等虚拟仿真实验教学系统,这些系统一方面提高了装备研制生产水平,另一方面也从根本上提高了部队油料专业人员训练水平,成为科研成果反哺教学、院校训练贴近部队的生动案例。

3)始终坚持实装教学与虚拟仿真有机融合,真正做到虚实结合、互为补充、相得益彰

一方面,依靠传统的实验或实装教学手段,经费成本、场地要求较高且组织实施难度大,油料易燃易爆的特点导致安全隐患多,必须要建立虚拟仿真手段,作为实装教学的有益补充;另一方面,单纯的虚拟仿真不能完全满足学员实验需求,只有通过对装备设备实物的亲身体验、多次实践、反复操作,才能确保学员的操作规范性和熟练性。

供油工程虚拟仿真实验教学中心自建设以来,科学统筹虚拟仿真实验教学资源,全面加强虚拟仿真实验教学平台建设与管理,积极推进虚拟仿真实验教学队伍建设,不断深化实验教学模式改革,已形成了涵盖“单个装备操作、复杂系统运行、保障实体作业、应急供油演练”等类型的虚拟仿真实验教学资源体系。中心将根据新形势下教育训练信息化要求,围绕高水平油料专业人才培养目标,持续深入推进虚拟仿真实验教学资源开发与应用,不断完善提高虚拟仿真实验教学平台的技术水平。

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