虛擬仿真實驗軟件在無機及分析化學實驗教學中的應用

努爾古麗·拉提莆 吳梅 宋琪 李璟明 郅軻軻

摘 要：無機及分析化學實驗是化學化工專業必不可少的技能訓練環節。虛擬仿真實驗系統隨著信息技術的發展而被廣泛應用，有效結合傳統實驗教學，解決了諸多現實問題，同時有利于培養學生們的實驗技能，促進了應用型人才的培養。本文探討虛擬仿真實驗教學輔助教學的重要意義。

關鍵詞：無機及分析化學實驗;虛擬仿真實驗;有機結合

1 傳統無機及分析化學實驗

無機及分析化學實驗是我校化工專業必修的基礎課之一，也是進入大學之后的第一門實驗課。通過無機及分析實驗，訓練學生正確掌握化學實驗的基本方法和基本技能，靈活運用所學理論知識解釋實驗現象和解決實驗中遇到的問題，是培養高層次、應用型人才的重要環節。但在實際實驗過程中，實驗課程由教師講授--學生實驗操作--完成實驗報告的傳統的教學模式為主，實驗過程中，學生操作的規范性如何，教師很難全方位監管，學生預習只走形式，實驗過程中看講義按部就班、實驗教學很難達到預期效果。另外，由于時間、空間、教學資源等因素限制，高校在選擇開設的實驗項目時，會避開含有有毒化學試劑的實驗項目，以免對學生身體造成傷害;也會盡量避開條件不具備、實際運行困難，高成本，高消耗，不可逆操作等的實驗項目，不利于創新型人才的培養。

2 虛擬仿真實驗

隨著時代的發展，各種教育教學資源不斷涌現、虛擬仿真實驗也逐漸成為了一種獲取知識的重要途徑。將虛擬仿真實驗和現有實驗教學資源有機結合、充分發揮了信息化教學的優勢，解決了現實教學中存在的諸多現實問題，從而可進行超越傳統實物的實驗，使危險性實驗、實際運行困難實驗、高成本實驗等成為可能，也能實現讓學生無限制、多樣式的重復操作，有效降低了危險性、消耗成本以及污染物的產生。虛擬仿真實驗軟件在教學中的使用，打破了空間、時間的局限，學生可以隨時隨地打開仿真平臺進學習，充分了調動學生的實驗積極性，提高了自主學習的能力以及信息化應用能力，達到有效訓練和提高實驗技能的效果，同時也有利于提高教學水平。因而，結合虛擬仿真實驗教學模式對于應用型人才的培養顯得尤為重要。

3 虛擬仿真實驗有效結合實驗教學

3.1 虛擬仿真實驗安全教育模塊，有利于學生提高實驗安全防范意識

高校實驗室是學生進行實驗和科學研究的重要場所。近年來，實驗室安全事故的發生對我們進一步做好實驗室安全教育工作敲墻了警鐘。因此，加強安全教育是保障高校實驗室安全的關鍵。我校無機及分析化學虛擬仿真實驗主要有安全教育模塊、基本規范操作訓練模塊、具體實驗模塊三大部分組成。安全教育模塊主要包括消防安全知識、消防設施器材的使用、安全用電設備、化學試劑的存放、易制毒易制爆試劑的管理、化學廢棄物的處置、基本安全操作、防范與應急處理等。無機及分析化學實驗是學生進入大學后的第一門化學實驗課，大部分同學也是第一次進入化學實驗室進行實驗。學校很重視實驗室的安全教育，通過安全教育課程與虛擬仿真系統普及安全知識，把安全教育作為一種常態教育，作為學生和教職工進入實驗室前所必須的培訓內容，通過安全教育測試后方可實驗，為學生即將進入實驗室學習和工作做好準備，因此結合虛擬仿真平臺教學，增加了學生學習興趣，促進學生自主學習安全知識，切實提高了學生及教職工的安全防范意識與技能。

3.2 虛擬仿真實驗平臺輔助教學，有利于學生提高實驗效率。

每次實驗之前，學生必須完成相關預習，但學生預習的方式一般就是簡單的將實驗目的，實驗原理、實驗步驟抄寫一遍，對于實際實驗過程腦海中沒有一個完整形象的流程，進入實驗室后照著書上的步驟按部就班，容易造成手忙腳亂， 不注意細節，或者容易忽略安全注意事項等。因此，預習實驗結合仿真軟件進行，學生不僅可以鞏固實驗理論部分，更加靈活地掌握和運用所學的知識，還可以在線上進行實驗步驟的操作與練習，熟悉實驗相關流程，以及實驗過程需要注意的事項，在現實的實驗條件下將會大幅度提高學生的動手能力、綜合分析能力、解決實際問題的能力。同時也可以實驗過程中存在的問題有針對性的向老師請教。利用此方法可不僅有效提高實驗前預習效果，同時也能提高實驗成功率，避免了不必要的重復實驗，減少了試劑的浪費。

另外，實驗課一般只有一位老師，帶著一個班的學生進行實驗，實驗過程中，老師很難關注每一位學生的全程操作。而學生利用虛擬仿真預習過程中存在的問題，預習情況等在平臺上都是有記錄的，教師在準備實驗以及備課過程中，可以查看學生的預做情況、實驗結果以及實驗成績、將學生普遍存在的問題進行記錄，在實驗講解過程中可有的放矢，有針對性的指導，大大提高了實驗教學水平。

3.3 虛擬仿真實驗輔助因材施教、有利于增強學生實驗技能

大多數學生中學階斷學習的化學實驗基礎操作，基本上都是在教師的嚴格指導下進行，并沒有完全獨立完成過，再加上實驗次數有限，導致有些學生基礎薄弱，并且進入實驗室后存在操作不規范等問題，然而教師在演示示范時，會根據大多數學生的實驗水平，會著重新的實驗操作內容進行深入講解，因此會出現動手能力差的學生。這部分學生可以利用虛擬仿真平臺進行基礎操作的練習，通過精準的練習，打好實驗基礎，再進入實驗室實驗時，能從容應對，提高實驗技能。

相對基礎好的學生，可以根據自己的需要選擇開放性、擴展性，前瞻性的實驗進行練習，可為之后的創新實驗做準備，比如部分學生參加了當地紅山湖水質量檢測，以及當地鹽堿地治理的課題組中，這部分學生就可以根據需要通過仿真不斷練習滴定，酸度計的使用等相關的實驗，不僅綠色環保，還能做到因材施教，增強學生的實驗操作技能，有利于應用型人才的培養。

3.4 虛擬仿真實驗平臺有效結合教學，促進學生養成良好的實驗習慣

化學化工類的學生，做實驗將會貫穿其在校期間乃至以后工作從事的相關行業中，因此養成良好的實驗習慣至關重要。進入實驗室要嚴格按照實驗室的規章制度，實驗操作要規范，時刻注意用電、水、設備安全，同時要有環保、安全防范意識。實驗現象、實驗數據的記錄及實驗結果的處理，誤差分析等也要做到規范整潔等。這些內容，老師每上一次課都在強調，意在培養學生的良好實驗操作習慣，養成嚴謹的科研作風。虛擬仿真實驗，完全實景模式，也將這些細節貫穿于其中，比如稱量完沒有關閉天平會扣分，廢液沒有倒入廢液桶會提示，取加熱試劑不戴防燙手套會扣分等，學生很在意這些不應該失分的細節，因此不知不覺中養成了良好的實驗習慣，實體實驗過程中避免了燙傷等，實驗完成后清潔實驗器材、整理臺面，管好水電等，實驗數據記錄，實驗報告規范嚴謹。結合仿真實驗，學生不僅能獨立完成實驗，還逐漸養成了良好的科學素養。

4 結論

綜上所述，虛擬仿真與實驗教學有機結合，不但充分調動了學生參與實驗的積極性和主動性，而且還可以通過線上虛擬、線下實驗和課后鞏固有效提高學生的實驗操作技能水平，增強了學生通過實驗觀察發現問題、提出問題、分析和解決問題的能力，而且培養了學生良好的科研素養，為培養高層次的應用型人才奠定基礎。

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基金項目：中國石油大學（北京）克拉瑪依校區教育教學研究項目[JG2019015]