虛擬仿真技術在化學實驗教學中的應用

于穎

【摘要】依據(jù)化學實驗課程的特點和要求，在實驗教學過程中引入虛擬仿真技術。通過理論分析和教學實踐，探索出虛擬仿真技術在化學實驗教學中的最佳應用辦法，解決了傳統(tǒng)實驗教學中面臨的諸多現(xiàn)實問題，加深了學生對化學理論知識的理解，促進了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，實現(xiàn)了化學實驗教學的資源優(yōu)化和操作簡潔化。

【關鍵詞】虛擬仿真技術，化學實驗，教學改革

化學是一門實驗課很強的學科，傳統(tǒng)的化學實驗課中教師要花費大量的時間向?qū)W生講解實驗原理、操作步驟和注意事項，學生實驗技能訓練時間有限，很難在規(guī)定的時間完成既定的目標，開設的實驗內(nèi)容多限于驗證性實驗和模仿訓練，缺乏創(chuàng)新性實驗。實驗儀器投資大，維護復雜，實驗過程中許多有毒、有害物質(zhì)造成環(huán)境污染日益顯現(xiàn)等。虛擬仿真實驗教學技術正是因此應運而生的新型輔助教學手段，是對傳統(tǒng)教學模式的補充和完善，解決了實驗教學中傳統(tǒng)的教育思想、教學方法和教學手段存在的問題。已逐漸成為化學實驗教學資源中不可缺少的部分，為化學學科發(fā)展開辟了一個全新的領域。

一、虛擬仿真實驗的優(yōu)越性

虛擬仿真實驗是利用計算機上各種虛擬的儀器設備取代傳統(tǒng)的實驗儀器，依照實驗目的、要求與過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)來完成實驗的，聚合了教、學、練、考、管、評等完備的教學功能，具備高仿真性、安全性、專業(yè)性和效率高的特點。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬仿真實驗在化學實驗教學中強大優(yōu)越性體現(xiàn)在：（1）有助于轉變現(xiàn)有的以教師為主導的單一實驗教學模式。（2）避免了實驗帶來的風險，無安全隱患，保證了學生實驗中的人身安全。（3）不受空間和實驗時間的限制，可以隨時隨地的在高度自主性和交互性的虛擬環(huán)境中完成化學實驗教學任務，具有很大的開放性和較強的擴展性。（4）功能齊全，使用方便，容易實現(xiàn)技術更新，展現(xiàn)了化學實驗教學的科學化、系統(tǒng)化及現(xiàn)代化。（5）實驗成本較低，無需藥品和消耗器材，尤其是那些在極端的或毒性較高的有害環(huán)境下進行的操作以及耗時耗力的大型的或綜合性復雜場景，虛擬仿真實驗優(yōu)勢更為明顯，更利于環(huán)境保護，體現(xiàn)綠色化教學。（6）能夠體現(xiàn)教、學的互動性，將抽象、深奧的學習內(nèi)容具體化、形象化。學生可以任意完成各種預定的實驗項目，學習和訓練效果等同于真實的實驗室教學。（7）為遠程化學實驗教學及培訓提供途徑，改善了網(wǎng)絡大學實驗教學條件等。可見加強虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的建設對現(xiàn)代高校化學實驗教學而言意義重大。

二、開展虛擬仿真實驗，實施化學實驗教學改革實踐

（一）理論和實踐融合創(chuàng)新，構建虛擬仿真教學模式

任課教師結合課程內(nèi)容和目標，借助虛擬實驗平臺，通過實驗輔助理論的教學模式，使學生更容易理解和掌握所學知識。如，有機化學中原子軌道雜化、原子順序重組、空間結構變化等化合物性質(zhì)的實驗教學很難描述其微觀變化。借助虛擬仿真教學技術就可以把反應活性中心的原子變化、基團進攻時間先后順序等反應過程詳細的演示清楚，形象生動準確。又如，次氯酸見光分解實驗，真實環(huán)境中分解速度慢，很難觀察到氣泡產(chǎn)生和氯水顏色變化，在虛擬環(huán)境中學生可以集中精力研究實驗現(xiàn)象本身的特性和規(guī)律。還有滴定過程中突變范圍的出現(xiàn)、絲朊—聚丙烯睛系接枝共聚物的制備、無機粉體（CaC03）的聚合物膠囊化改性、合成氨操作等實驗，使用虛擬仿真技術，實驗現(xiàn)象更簡單、直接，有說服力，教學效果更顯著。

（二）正確安排虛擬仿真實驗與常規(guī)實驗的關系，揚長避短，合理安排兩者比例，充分發(fā)揮虛擬仿真技術教學的優(yōu)勢

虛擬仿真實驗和常規(guī)實驗，兩者要合理安排、取長補短。對具有代表性的基本操作實驗采用常規(guī)實驗，對安全性低、毒性大和反應時間長的實驗采用虛擬仿真實驗。二者相輔相成，既有真實的動手操作練習，又有靈活可靠的虛擬實驗教學環(huán)境，使學生真正掌握實驗知識，達到虛擬仿真實驗教學的真正目的。

（三）提供了開放式實驗環(huán)境，為學生大型實驗提供條件，真正實現(xiàn)實驗室隨時隨地向?qū)W生長期開發(fā)

學生是課堂的主體，在教學過程中更應該考慮學生的需求，打造出最適合的教學環(huán)境。采用虛擬仿真實驗教學可以呈現(xiàn)操作性好、真實感強和直觀精確的實驗場景，可以為學生搭建規(guī)模宏大的實驗平臺，比傳統(tǒng)的實驗室開出更多的大型、復雜的實驗項目，讓學生在任何地方都能完成實驗任務，促進學生的學習自主性，使他們獲得扎實的實驗操作技能。提高學生對科學實驗的理解，啟發(fā)他們的創(chuàng)造性思維，增強科學研究的意識。

（四）利用虛擬仿真實踐教學，緩解現(xiàn)實實踐教學資源不足問題，實現(xiàn)教學資源的高效利用和廣泛共享

利用虛擬仿真實踐教學，全部或部分取代高成本、高危險的生產(chǎn)現(xiàn)場實習。通過虛擬仿真教學軟件的演示和操作，讓學生了解企業(yè)的化工生產(chǎn)流程、重點設備及關鍵的工藝參數(shù)，熟練掌握各種大型儀器操作要領，在仿真的生產(chǎn)場景中安全高效的開展實踐實訓活動。學校不用購置大規(guī)模實驗設備，緩解了學校實踐教學資源不足問題，有效地提高教學質(zhì)量，推進高校現(xiàn)代教育技術的快速發(fā)展，加快高校化學實驗教學改革和教育信息化的進程。

三、結束語

通過在化學實驗教學中合理應用虛擬仿真技術，為學校節(jié)省了教學資源，豐富了化學實驗教學內(nèi)容，增強了學生對化學理論知識的理解，激發(fā)了學生的創(chuàng)造力，提高了教學質(zhì)量和教學效率。虛擬仿真教學模式引入實驗教學已經(jīng)成為了高校實驗教學改革的一個新方向、新趨勢，其巨大的教學作用也符合新課改的實驗要求。相信虛擬仿真技術將在高校化學實驗教學中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

[1]陳鵬.虛擬仿真技術在服裝工藝教學中的應用研究[D].湖南師范大學，2009.

[2]劉振嶺，耿明江，華遠照，等.略論有機化學虛擬實驗室的構建[J]網(wǎng)絡與信息，2010（2）：7-8.

[3]王子山.虛擬實驗室構建促進高職實驗教學創(chuàng)新探索[J]教育現(xiàn)代化，2017，44（4）：357-358.

[4]張建坡，金麗，金星，等.化學仿真實驗室在本科化學實驗教學體系中的應用[J]吉林化工學院學報，2016，33（2）：54-57.

[5]武燁.基于虛擬仿真實驗室的創(chuàng)新性實驗教學改革探索[J]科技資訊，2018（22）：162-163。