高師類化工專業虛擬仿真實驗教學改革及發展策略

于永生,葛 靈,李天天,姜通武,高愛萍，井強山

(信陽師范學院 化學化工學院，河南 信陽 464000)

化工專業實踐性較強，主要依靠實驗課程來提高學生動手實踐能力和科研能力，其作用不僅驗證學生所學到的基礎理論知識，更重要的是通過實驗課程訓練，培養學生科學的思維方式方法及嚴格且規范的操作技能，并以此提高分析和解決實際問題的能力[1]。但傳統高師類化工專業的實驗教學存在諸多條件的約束，如部分師范類院系缺乏實驗裝置、化學實驗藥劑易燃易爆存在安全隱患、化學反應產物或副產物的污染、實驗室空間不足等問題致使實驗難以進行，導致高師類化工專業學生缺乏實驗動手操作能力。同時，學生在進行實驗時主要依靠實驗講義和老師指導，按部就班進行實驗，制約了學生深入探究的學習動力，也易使學生失去對實驗的學習興趣，不利于教學活動的開展。另外，實驗室建設及設備采購需校方院系投入大量的資金和人力，限制了傳統實驗教學的發展。由于傳統實驗教學方式出現的問題，對實驗教學的改革創新也愈來愈強烈，而模擬實驗教學的概念也引起了高校的廣泛關注[2-3]。

近年來，虛擬仿真技術迅速發展，信息化、互聯網等現代化的教育觀念逐漸在高等院校得到發展，使高校的教育觀念、教育方式得到改變。虛擬仿真技術利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建與傳統實驗室相仿的虛擬教學中心，創建出一種新的實驗教學方法，使一些在傳統實驗室不能進行的成本高、危險系數高的實驗在模擬實驗室完成，同時也為大型、高成本的訓練提供經濟高效的虛擬實驗操作[4-5]。學生在模擬實驗室中可無限制、重復性實驗，極大的降低了財力損耗，同時也提高了學生對實驗教學學習的積極主動性，提升學生的動手操作能力、信息化應用能力、創新實踐能力和新型技術的運用能力[6-7]。虛擬仿真平臺的建設，可以使學生有更多動手實踐的機會，以此來增強學生對于理論知識學習的興趣，提高學生的動手實踐能力及信息化應用能力，增強學生創新實踐能力[8]。

1 高師類化工專業實驗教學的現狀分析

1.1 傳統高師實驗教學的弊端

高師類的化工專業實驗在教學中通常是“照方抓藥”式的教學模式，學生先預習實驗并寫預習報告，而后在老師的指導下進行實驗，這種教學模式極易使學生失去對于實驗的興趣，也不利于學生探究能力的提高。

(1)驗證性質的實驗過多。高師類課程中設置的實驗多為“照搬”式的實驗，學生根據實驗講義中的操作步驟、藥劑及其用量，得出可預知的結果。這種教學模式容易使學生失去對實驗的主動探索和創新欲望，影響專業實驗教學效果與教學質量的提高[9-10]。

(2)時間安排不妥。許多高師類院校的化工專業實驗多安排在大三，且開設多門實驗課程，撰寫實驗預習報告和實驗報告會占據大量時間，已成為學生負擔，部分學生會為了應付，不認真對待報告，學習質量難以保證[11]。

(3)實驗教學測評體系不合理。對實驗課的測試主要依據實驗課的實際操作和實驗報告來測評成績，很少使用綜合能力測評的考核方法，而平時實驗都有老師在旁邊指導，通過這樣的測評不能反饋學生的實驗動手操作能力。這種測評方法容易使學生產生錯誤的觀點，只要把實驗報告寫好，不管實驗做的怎樣，就可以得到好成績。使學生對于實驗的積極性大大降低，不利于化工專業的實驗教學[12]。

(4)缺少對學生創新意識的培養。課程規定的實驗內容里，依靠理論的驗證性實驗居多，而設計、探究型的實驗較少。學生根據實驗講義的內容，按照規定的步驟、藥劑、儀器進行實驗，之后完成實驗報告。這種實驗教學方式很難激發學生對實驗的學習興趣，不利于創新意識的養成[13]。

1.2 高師化工實驗教學條件的不足

在部分師范類高校中，受師范性質和培養方向的影響，化工專業的實驗教學條件與工科類院校存在不少差距。

(1)實驗設備缺少。因實驗經費短缺、缺少管理實驗器材方面專業人才等諸多原因，導致缺乏專業方面的實驗器材，使得在專業素養方面與工科類院校的學生存在差距。

(2)實踐機會少。化工專業學生實習機會少，而且實習時，學生一般都是跟著指導老師參觀化工生產裝置和工藝流程，時間較短，實習過程中不能將理論知識與大型化工生產有機融合，不利于學生專業綜合素質的培養，達不到實習目的[14]。

2 化工專業虛擬仿真實驗教學

2.1 化工虛擬仿真實驗教學的優勢

虛擬仿真實驗是將抽象的實驗形象化、高危險的實驗降級危險系數、成本高的實驗減少經濟消耗、難度高的實驗變得更加簡單易上手，有利于師范院校的教學及其質量的提升。利用虛擬仿真技術，實驗教學過程中可逐漸嘗試讓學生自主完成實驗，教師只在旁邊起輔導作用，以應對學生無法處理的緊急情況，這樣有利于激發學生的自主探究興趣，是培養新型化工專業人才的重要輔助工具。

2.1.1 虛擬仿真技術與現實實驗室結合創造虛實結合的教學模式

通過虛擬仿真平臺，教師與學生之間建立聯系，一生一平臺賬號，學生通過虛擬實驗室學習原理及實驗的操作步驟及過程，老師通過賬號信息掌握學生的學習情況，虛擬實驗通過的學生方能進入實驗室完成實驗及后續的實驗報告、反思等。將虛擬仿真技術與現實實驗有機結合，為學生的主動學習創造機會，鍛煉學生的動手操作能力，不斷通過實踐為理論知識奠基，鞏固基礎知識，最終將知識完全消化吸收[15]。目前，一些關于包含實踐與理論結合的實驗教學的網課，被歸入“慕課”(MOOCS)三大主流機構之一的Coursera在線學習平臺[16]。

2.1.2 使學生由之前的照搬式的學習者向創新者轉變

近年來，隨著高等教育體系的不斷發展，培養有創新型思維人才已成為高等教育的主要目標。國外部分高校對此已做出了改變：一是不斷完善實驗條件，并制定與實踐有關的規定，將實踐與學分結合，吸引和督促學生根據學到的理論知識、查閱資料進行創新設計；二是建造有利于學生自主學習、探究的環境，為學生提供先進的設備、增加開放實驗室數量；三是將創客空間與實驗教學有機結合，并對學生開放學習資源，讓學生養成獨立思考、解決問題的習慣，要求學生不能解決的問題，參考專家老師的意見，以自己的意向為主導，向其他專業的學生請教的方法進行創新研究[17]。

2.1.3 有利于實驗教學水平的提升

實驗教學是培養工科人才必不可少的環節，對培養學生的創造能力起至關重要的作用。隨著信息技術的快速發展，建立完善的信息教育體系，并將它變成人人都能接觸和使用的學習資源，這必將是未來發展的趨勢。正如網課，利用互聯網的特性，能使每個學生在各自空閑的時間里隨時隨地的使用學習資源。與網課一樣，虛擬仿真實驗可為高溫、高壓、高污染、易爆炸等極端條件的實驗提供安全的實驗操作環境，而對于實驗成本高、消耗大的實驗，虛擬仿真技術也可以提供經濟有效的實驗條件[18]。不止化工專業，對于涉及實驗的專業，該技術都將為人才培養和教學水平的提高提供便捷的途徑。

總而言之，在當今一切都趨于信息化的大時代背景下，合理利用先進技術，對傳統高校的教育教學方式進行適當的改革，將更加有利于培養符合時代背景下的創新型專業人才。

2.2 化工虛擬仿真教學實驗室建設成效

利用互聯網技術與虛擬仿真技術結合的教學方法正在逐步進入高校的實驗教學規劃。以下是已完成的虛擬仿真實驗室系統平臺建設的情況。

2.2.1 分子設計虛擬教學實驗

化學反應的本質是原子或原子團的重新排列，是原子或分子間的作用過程，并伴隨電子的遷移，其反應歷程在教學過程中難以詳盡的解釋或描述。但理論計算化學可為其提供技術上的支持，可以采用量子化學解決電子參與的反應及分子或原子之間的相互作用，而它的量子化問題可粗略不計，所以利用分子模擬便可將化學反應中所有可能的反應歷程及其詳細演變過程表示出來[18]。

2.2.2 化工單元操作實驗實訓仿真平臺

涉及化工單元操作所需的實驗設備，一般都比較復雜且投資巨大，而多數師范院校的教學空間和經費有限，不能滿足每一位學生對每個實驗的實際動手操作。虛擬仿真技術可以為此問題提供有效的解決方案，滿足實驗室的教學需求。教師可利用虛擬中心的器材，在理論教學過程中為學生演示操作過程，完成實驗步驟的操作和模擬緊急故障處理等，激發學生對化工實驗的探究興趣。若將虛擬操作與實訓結合，更能達到加深印象的作用，“虛實結合”更利于學生對化工單元操作的自主學習[18-19]。

2.2.3 化工虛擬仿真實訓基地

部分師范類院校由于教學經費、課程安排等原因，使得化工專業的學生前往化工廠實習機會較少，且在有限時間的實習中，把安全培訓和工廠參觀列為重點，缺少對化工專業最重要的操作技能的鍛煉。另外，化工廠的生產不同于實驗室的實驗，其生產規模更大、工藝流程更復雜、所用裝置更多，即使學生掌握了教學實驗，但進入化工廠后，由于缺少實際生產的操作技能，易造成生產原料的浪費、產品質量不過關、損壞生產裝置等問題，給化工廠造成經濟損失，甚至引發安全事故[20]。學生在學校很難接觸到實際的化工生產，而建立化工虛擬仿真實訓基地可以很好的解決這一問題。以上海應用技術學院建造的60萬t煤制甲醇仿真工程為例，將實際工廠依照一定的比例縮小構建，并把工廠實際生產的數據設置在仿真軟件中，搭建的縮小版生產裝置與檢測裝置通過計算機控制系統實時檢測。通過虛擬實訓基地，使學生更直觀的體會實際化工生產的操作流程及其與實驗室教學性質實驗的差距；通過基本接近真實化工生產的培訓，培養學生對實際化工生產的操作認知[21-22]。化工虛擬實訓基地的建立，對高校化工專業人才的全方位培養能起到積極的推動作用。在師范類院校建立化工虛擬實驗室，將許多在傳統化學實驗室不能進行的操作變為現實，可使師范院校中化工專業學生接觸較為全面的專業教育，逐步縮小與專業工科院校的差距，結合傳統實驗教學的優點，可培養適應當代發展的化工專業知識基礎夯實的高水平創新應用型人才。

3 虛擬仿真技術在應用中出現的問題

虛擬仿真實驗教學的構想雖對高校培養具有創新思維的學生有很大的幫助，但由于這種技術在實驗教學中的應用時間較短，在實際教學中仍面臨著許多亟待解決的問題。

3.1 不能貫徹虛實結合的教學方法

關于虛擬仿真實驗教學問題，教育部曾明文提出，在教學過程中要將虛實結合，相互補充，能實不虛作為教學準則，不能只單純的運用數字信息化的虛擬操作，將本可以實際操作的實驗也置于虛擬平臺，在條件允許的情況下盡量讓學生實際動手實驗，增強動手操作能力，這是現階段虛擬仿真教學平臺應用中存在的主要問題之一[23]。在化學實驗教學方面，虛擬仿真技術的應用對學生實驗操作的規范性和減少實驗出錯等方面確實有一定的幫助，但實際化工生產受許多因素的影響，若只單純依靠虛擬實驗平臺，虛擬仿真技術在培養學生解決實際問題的能力方面也會有所限制。將虛擬仿真平臺與實際實驗結合，彌補傳統實驗室教學的不足，兩者共同作用培養專業人才，才是建立虛擬仿真平臺的初衷。

3.2 實驗室開放性及資源共享不足

將學校的教育教學資源共享，是高校培養人才的需要，同時也可以提高高校的知名度和影響力。虛擬仿真技術與互聯網結合的虛擬仿真平臺，其作用不再局限于實驗教學，互聯網的開放性將學校優質的資源共享，帶動教育事業的發展也是高校應盡的義務。目前，許多優質的資源掌握在個別教師或者某些院系，其他人要用時，需要經過繁雜的流程，造成時間和資源的極大浪費[24]。為促進教育事業的發展，各院系、高校之間應盡量資源共享、相互借鑒，共同努力探索適應教育發展的共享模式。

3.3 缺少虛擬仿真技術方面的專業教師及管理團隊

虛擬仿真實驗平臺的構建與發展需要專業的團隊管理。無論是實驗教學、設備管理還是共享平臺的管理，都需要有關虛擬仿真技術的專業團隊。但現在的應用狀態下，虛擬仿真實驗教學的師資力量和設備的管理人員都嚴重短缺，難以滿足教學計劃的目標。對年輕教師進行培訓，引入有關計算機、互聯網方面的新型人才，用以充斥實驗室的教師資源與管理團隊，來共同完成教學的發展目標。

除了以上主要問題，已運行的虛擬仿真平臺還存在一些其他的問題，如針對性不強、缺少資金的投入、管理制度不完善、實驗項目少等問題。這些問題對虛擬仿真實驗教學的應用效果有一定的負面影響，也會阻礙學生對該技術的使用效果，不利于學校的發展。及時處理這些問題，與虛擬仿真技術不斷地磨合，結合傳統實驗室教學，創造出一種適應學校教育和學生有效學習的新教學方法。

4 虛擬仿真實驗教學改革及發展策略

虛擬仿真技術在實驗教學中的應用，彌補了傳統實驗教學中出現的問題，在高校培養人才中起到了不可忽略的作用。但由于資金、管理團隊、教育體系等方面的原因，虛擬仿真平臺在運用過程中也出現了許多問題。這些暴露的問題使學生在實驗時不能有很好的體驗效果，不利于教學目標的實現及對學生的培養。解決出現的這些問題是虛擬仿真平臺當前最緊要的任務。

4.1 逐步完善虛擬仿真實驗中心的管理機制

從整體來說，在制定管理機制時，學校擁有整體控制權，但各學院、專業也要有一定的自主權。設備管理、人員組織、教學人員、平臺管理人員各盡其責，相互協助，完善管理機制。各實驗室的實驗時間、設備安排要統籌規劃，完成有限設備的協調和共享，進而實現設備資源利用最大化。

4.2 根據專業特點設計虛擬實驗教學

在實際教學過程中，應用虛擬仿真平臺教學時應結合學生專業特點，根據學科、專業以后可能出現的工作環境來設計符合教學目標的實驗內容，加強專業的知識指導與交流[25-26]。這樣的教學環境可以提高學生的專業技能，將理論知識與實際結合帶入日常學習中，有利于學生專業素養的培養，對認知水平及社會工作適應能力亦有一定幫助，提高學生的綜合能力。

4.3 加強教師與管理團隊的師資力量建設

為保證虛擬仿真實驗的教學質量，要求教師具備教學水平與新技術的運用能力。部分建立虛擬仿真平臺的院校，其師資隊伍缺少專業虛擬仿真平臺管理團隊，補充新的技術專業人才刻不容緩。可選拔年輕骨干教師進行培訓，亦可根據教學需要，引入不同能力、不同技術特點的高學歷人才，來補充教學、管理隊伍，以帶動整個實驗團隊各方面能力與素質的提升。實驗室教師與管理團隊資源的強大，才能確保實驗室保質保量的完成教學目標計劃。

4.4 與傳統實驗室教學相結合

對學生來說，虛擬平臺的虛擬操作缺少現場操作的真實體驗，掌握知識的實際效果不如傳統實驗室的現場操作更加印象深刻。在運用虛擬仿真平臺進行實驗教學時，應盡量做到虛實結合、能實不虛的原則。條件允許的情況下，能在實驗室中進行的實驗，可先在虛擬平臺上練習，而后在實驗室中進行實際操作，這樣能使學生對實驗操作的掌握有更深的印象，同時減少實驗時的錯誤，能應對實驗中突發情況。對于高危險、高成本的實驗可讓學生在平臺上反復練習，以達到實驗理想效果。在實際教學過程中，將虛擬仿真平臺與傳統實驗室教學相結合，更有利于實驗教學進行，有利于學生專業素養的培養與提升。

4.5 建立虛擬仿真教學新體系

教學過程中在完成規定教學目標前提下，將理論知識教學適當較少、壓縮，增加實驗課程所占的比例，將虛擬實驗設置一定個數的學分，鼓勵學生積極參與虛擬實驗室的操作。這樣的課程安排與之前相比，多出來的實驗課程能培養學生的自主學習能力和實驗動手操作能力，通過反復的實驗操作可進一步加深對理論知識的理解和運用。同時按照創新型人才培養的要求，刪除過時課程，將新增實驗按照基礎實驗、探究實驗、專題研究等加入課程規劃[27-28]，以重視培養動手創新為目標，整合課程體系，突出化工專業特點，確保實驗教學新體系的科學性、完整性。

4.6 加大資金投入，設立專項基金

部分師范院校對虛擬仿真平臺的建設投入欠缺，無法滿足平臺建設的需求。基于虛擬仿真實驗對學生綜合能力提升的積極作用，校方需加大對虛擬仿真平臺建設的投入，積極促進虛擬仿真平臺的運用。另外，學院可設立專項基金，用于設備的維護和更新，對有研究成果的教師和學生進行獎勵，以激勵教師和學生積極參與創新實驗。

5 結語

虛擬仿真實驗平臺的引入，解決了傳統實驗室教學設備不足、教學時間空間受限、高危險性、高成本等現實問題，為學生提供理論與實際結合運用的機會，同時在規范學生的操作步驟和提高學生的動手操作能力、整體教學水平的提高都起到舉足輕重的作用。采用將虛擬實驗與傳統實驗室教學緊密結合，以實為主、虛實結合的教學方法，共同提高學生的動手操作能力和創新實踐能力，推動高校教育質量穩步提高。另外，院校在建設與改革時應加強與企業的合作，從態度上提高對虛擬仿真教學資源建設的重視，加大經費投入，加強與互聯網的結合，開放對外資源共享，建設具有師范院校特色的虛擬仿真平臺。隨著改革建設工作的不斷深入，將來的發展還會出現許多其他問題，需要我們在實踐中不斷加以完善改正。