虛擬實驗在大學化學教學中的作用

摘 要：化學實驗是化學課程的一個重要組成部分，是培養學員實際動手能力和科研能力的重要實踐環節。提出傳統化學實驗教學的缺陷，闡述開設虛擬化學實驗的意義，通過開設虛擬實驗，提高學員實驗興趣，更好地培養學員的能力和素質。

關鍵詞：虛擬現實技術；虛擬實驗；意義

21世紀國家高等教育改革一個很突出的方面就是對理論課和實驗課的學時進行了調整[1]，縮短了理論課的教學學時，而增加了實驗課的教學學時，強調加強培養學員的實際動手能力和實踐能力，提高了實驗教學在高等教育中的地位和作用，在我校新一輪的實驗課程標準制訂中也明確規定了實驗課程所占比例不得少于理論課程20%的學時。

一、傳統大學化學實驗課程授課模式的缺陷

大學化學實驗是化學課程的一個重要組成部分，是一門實踐性很強的基礎實驗課程，通過實驗不僅可以更好地鞏固和驗證理論課程所講授的知識，更重要的是可以培養學員的動手能力和嚴謹的科學素養。但是，學員通常對化學實驗課程不夠重視，其原因主要有以下幾個方面：

1.學員多。大學化學作為一門公共基礎必修課，通常采取大班授課的模式進行，每個班的學員人數都很多，而實驗場地相對有限，所以開設實驗往往比較困難。

2.實驗課時少，場地有限。大學化學理論授課時間為40學時，而大學化學實驗的授課時間僅僅為8學時，由于學時的限制，想開設綜合性、創造性、開放性實驗往往不可能。

3.開設實驗內容相對單一。由于受到學員人數、課時、實驗場地等諸多因素的影響，實驗內容往往以驗證性實驗為主，這些實驗內容相對單一，只需要參照實驗教材按部就班地進行操作就行了，這些實驗的開展通常起不到培養學員能力和素質的作用。

二、開設虛擬實驗的意義

計算機科學的快速發展，對我國教育觀念和教學理念產生了深刻的影響，尤其是給傳統實驗教學方式和方法注入了新的活力。充分運用現代教學手段，利用多媒體和網絡教學等資源構建網絡虛擬實驗平臺，改進實驗教學方法，提高實驗教學質量，已成為現代實驗教育發展的必然趨勢。

虛擬現實技術是利用計算機構建一個逼真的三維虛擬環境，并通過傳感設備與之交互的新技術[2]。運用虛擬現實技術建立起的模擬現實化學實驗場景的實驗室稱為化學虛擬實驗室，而在化學虛擬實驗室中可以進行自主設計和模擬操作實驗項目。

化學虛擬實驗彌補了傳統實驗的不足，豐富了傳統實驗的內容，其主要有四個方面的優點：

1.節省實驗授課時間，彌補了學員學時少的缺陷。在實驗課前，學員通過計算機預習將要開設的實驗內容，對儀器設備進行基本了解，對實驗過程中可能涉及的問題有初步的認識。這樣教員在課上就可以重點介紹實驗內容及注意事項，留給學員足夠的時間動手操作與練習。

2.激發學員興趣，彌補了非專業學員實驗內容相對單一的不足。傳統實驗大多數以驗證性為主，實驗內容單一[3]，缺乏設計性和創新能力的培養。引入虛擬仿真實驗，可靈活地增加各種設計性實驗內容，激發學員的學習興趣，同時也鍛煉和培養學員的獨立思考和創造性能力，使實驗教學朝著培養學員能力和素質的方向發展。

3.減少實驗所需儀器及藥品，解決了學員人數多，儀器設備少的問題。對于非化學專業來說，大學化學實驗作為一門公共必修課，面臨著學員多、實驗教員少、實驗場地有限的困難，一項實驗能否順利開展很大程度上取決于該實驗過程中的花費。開設虛擬化學實驗過程中，不需要耗費實驗藥品，也不會對實驗儀器造成損壞。虛擬實驗操作也可以指導傳統化學實驗，通過虛擬實驗可以了解所用儀器的結構組成、使用方法、注意事項等，在實際操作中就會減少出錯機會，減少了實驗過程中的藥品浪費，儀器損毀率也大大降低。特別是針對某些昂貴儀器設備缺乏的情況，通過開設虛擬實驗可以得到有效的彌補。

4.對環境無污染，綠色環保，實驗過程不存在危險性。在開設化學實驗的過程中，涉及的藥品很多都是有毒性的，對人和環境都具有一定的危害性，特別是一些涉及劇毒化學藥品的化學實驗內容，在實驗教學中通常是不允許開設的，利用虛擬實驗就可以很好地解決這些問題。虛擬實驗通過計算機模擬實驗過程，學員通過操作軟件，既能掌握實驗的過程及要領，又不會對個人和環境造成任何危害。

三、開設虛擬實驗的效果

2011年，我系實驗室在大學化學實驗中開設了半自動電光分析天平的使用和酸堿滴定這兩個小的虛擬實驗項目。通過半自動電光分析天平的使用實驗，學員很好地掌握了天平的內部構造、使用方法、注意事項等，在實際動手操作實驗過程中，比沒有參與虛擬實驗的學員明顯熟練且出現操作錯誤的幾率明顯降低。通過酸堿滴定虛擬實驗，學員學會了選擇合適的玻璃儀器及指示劑的方法，很好地掌握了移液管、酸式滴定管、堿式滴定管的使用方法以及滴定接近終點時的1/2滴操作，在實際動手操作過程中，學員已經熟練掌握了儀器的使用方法，對實驗的注意事項也了然于心，比沒有參與虛擬實驗的學員明顯熟練且對玻璃儀器的損毀情況明顯降低。

通過兩項小虛擬實驗的引入，提高了學員上實驗課的興趣，更好地培養了學員獨立思考的能力。當然，建立虛擬化學實驗，并不是說完全丟棄傳統實驗方法，由虛擬化學實驗來代替，而是更好地利用虛擬實驗資源，豐富補充和完善傳統實驗教學，加深學員對實驗原理、步驟、注意事項的理解，進一步加強學員對實驗過程中涉及的儀器設備的掌握。此外，還可使學員在課前自主預習，增強實際實驗過程的熟練程度，同時課后學員也可以對化學實驗內容進行反復操作，達到熟練掌握的目的。

參考文獻：

[1]張昱，王彥斌.適應新時期工程人才培養的化工專業實驗模式的探討[J].西北民族大學學報：自然科學版，2011，32（2）：88.

[2]申蔚，夏立文.虛擬現實技術[M].北京：北京希望電子出版社，2002：2-5.

[3]王曉娟，劉慧君，魏傳晚，等.虛擬仿真技術用于開放性化學實驗的必要性[J].工程技術，2010（11）：53.

（作者單位 海軍工程大學化學與材料系）