虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

努爾古麗·拉提莆 吳梅 宋琪 李璟明 郅軻軻

摘 要：無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工專業(yè)必不可少的技能訓(xùn)練環(huán)節(jié)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)隨著信息技術(shù)的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用，有效結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決了諸多現(xiàn)實(shí)問題，同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)技能，促進(jìn)了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。本文探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助教學(xué)的重要意義。

關(guān)鍵詞：無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);有機(jī)結(jié)合

1 傳統(tǒng)無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)

無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是我校化工專業(yè)必修的基礎(chǔ)課之一，也是進(jìn)入大學(xué)之后的第一門實(shí)驗(yàn)課。通過無機(jī)及分析實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生正確掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和基本技能，靈活運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，是培養(yǎng)高層次、應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)課程由教師講授--學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作--完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的傳統(tǒng)的教學(xué)模式為主，實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生操作的規(guī)范性如何，教師很難全方位監(jiān)管，學(xué)生預(yù)習(xí)只走形式，實(shí)驗(yàn)過程中看講義按部就班、實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難達(dá)到預(yù)期效果。另外，由于時(shí)間、空間、教學(xué)資源等因素限制，高校在選擇開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，會(huì)避開含有有毒化學(xué)試劑的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以免對學(xué)生身體造成傷害;也會(huì)盡量避開條件不具備、實(shí)際運(yùn)行困難，高成本，高消耗，不可逆操作等的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

隨著時(shí)代的發(fā)展，各種教育教學(xué)資源不斷涌現(xiàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也逐漸成為了一種獲取知識(shí)的重要途徑。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有機(jī)結(jié)合、充分發(fā)揮了信息化教學(xué)的優(yōu)勢，解決了現(xiàn)實(shí)教學(xué)中存在的諸多現(xiàn)實(shí)問題，從而可進(jìn)行超越傳統(tǒng)實(shí)物的實(shí)驗(yàn)，使危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、實(shí)際運(yùn)行困難實(shí)驗(yàn)、高成本實(shí)驗(yàn)等成為可能，也能實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生無限制、多樣式的重復(fù)操作，有效降低了危險(xiǎn)性、消耗成本以及污染物的產(chǎn)生。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在教學(xué)中的使用，打破了空間、時(shí)間的局限，學(xué)生可以隨時(shí)隨地打開仿真平臺(tái)進(jìn)學(xué)習(xí)，充分了調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提高了自主學(xué)習(xí)的能力以及信息化應(yīng)用能力，達(dá)到有效訓(xùn)練和提高實(shí)驗(yàn)技能的效果，同時(shí)也有利于提高教學(xué)水平。因而，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)顯得尤為重要。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)安全教育模塊，有利于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)安全防范意識(shí)

高校實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究的重要場所。近年來，實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生對我們進(jìn)一步做好實(shí)驗(yàn)室安全教育工作敲墻了警鐘。因此，加強(qiáng)安全教育是保障高校實(shí)驗(yàn)室安全的關(guān)鍵。我校無機(jī)及分析化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要有安全教育模塊、基本規(guī)范操作訓(xùn)練模塊、具體實(shí)驗(yàn)?zāi)K三大部分組成。安全教育模塊主要包括消防安全知識(shí)、消防設(shè)施器材的使用、安全用電設(shè)備、化學(xué)試劑的存放、易制毒易制爆試劑的管理、化學(xué)廢棄物的處置、基本安全操作、防范與應(yīng)急處理等。無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，大部分同學(xué)也是第一次進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)校很重視實(shí)驗(yàn)室的安全教育，通過安全教育課程與虛擬仿真系統(tǒng)普及安全知識(shí)，把安全教育作為一種常態(tài)教育，作為學(xué)生和教職工進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前所必須的培訓(xùn)內(nèi)容，通過安全教育測試后方可實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生即將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和工作做好準(zhǔn)備，因此結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)安全知識(shí)，切實(shí)提高了學(xué)生及教職工的安全防范意識(shí)與技能。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助教學(xué)，有利于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)效率。

每次實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生必須完成相關(guān)預(yù)習(xí)，但學(xué)生預(yù)習(xí)的方式一般就是簡單的將實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟抄寫一遍，對于實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程腦海中沒有一個(gè)完整形象的流程，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)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(xì)節(jié)，或者容易忽略安全注意事項(xiàng)等。因此，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真軟件進(jìn)行，學(xué)生不僅可以鞏固實(shí)驗(yàn)理論部分，更加靈活地掌握和運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，還可以在線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟的操作與練習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)相關(guān)流程，以及實(shí)驗(yàn)過程需要注意的事項(xiàng)，在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下將會(huì)大幅度提高學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合分析能力、解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)也可以實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)效果，同時(shí)也能提高實(shí)驗(yàn)成功率，避免了不必要的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，減少了試劑的浪費(fèi)。

另外，實(shí)驗(yàn)課一般只有一位老師，帶著一個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，老師很難關(guān)注每一位學(xué)生的全程操作。而學(xué)生利用虛擬仿真預(yù)習(xí)過程中存在的問題，預(yù)習(xí)情況等在平臺(tái)上都是有記錄的，教師在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)以及備課過程中，可以查看學(xué)生的預(yù)做情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)成績、將學(xué)生普遍存在的問題進(jìn)行記錄，在實(shí)驗(yàn)講解過程中可有的放矢，有針對性的指導(dǎo)，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

3.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助因材施教、有利于增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能

大多數(shù)學(xué)生中學(xué)階斷學(xué)習(xí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)操作，基本上都是在教師的嚴(yán)格指導(dǎo)下進(jìn)行，并沒有完全獨(dú)立完成過，再加上實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限，導(dǎo)致有些學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，并且進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后存在操作不規(guī)范等問題，然而教師在演示示范時(shí)，會(huì)根據(jù)大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，會(huì)著重新的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容進(jìn)行深入講解，因此會(huì)出現(xiàn)動(dòng)手能力差的學(xué)生。這部分學(xué)生可以利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行基礎(chǔ)操作的練習(xí)，通過精準(zhǔn)的練習(xí)，打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)，能從容應(yīng)對，提高實(shí)驗(yàn)技能。

相對基礎(chǔ)好的學(xué)生，可以根據(jù)自己的需要選擇開放性、擴(kuò)展性，前瞻性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行練習(xí)，可為之后的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，比如部分學(xué)生參加了當(dāng)?shù)丶t山湖水質(zhì)量檢測，以及當(dāng)?shù)佧}堿地治理的課題組中，這部分學(xué)生就可以根據(jù)需要通過仿真不斷練習(xí)滴定，酸度計(jì)的使用等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，不僅綠色環(huán)保，還能做到因材施教，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，有利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

3.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效結(jié)合教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣

化學(xué)化工類的學(xué)生，做實(shí)驗(yàn)將會(huì)貫穿其在校期間乃至以后工作從事的相關(guān)行業(yè)中，因此養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣至關(guān)重要。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，實(shí)驗(yàn)操作要規(guī)范，時(shí)刻注意用電、水、設(shè)備安全，同時(shí)要有環(huán)保、安全防范意識(shí)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理，誤差分析等也要做到規(guī)范整潔等。這些內(nèi)容，老師每上一次課都在強(qiáng)調(diào)，意在培養(yǎng)學(xué)生的良好實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完全實(shí)景模式，也將這些細(xì)節(jié)貫穿于其中，比如稱量完沒有關(guān)閉天平會(huì)扣分，廢液沒有倒入廢液桶會(huì)提示，取加熱試劑不戴防燙手套會(huì)扣分等，學(xué)生很在意這些不應(yīng)該失分的細(xì)節(jié)，因此不知不覺中養(yǎng)成了良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，實(shí)體實(shí)驗(yàn)過程中避免了燙傷等，實(shí)驗(yàn)完成后清潔實(shí)驗(yàn)器材、整理臺(tái)面，管好水電等，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)。結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，還逐漸養(yǎng)成了良好的科學(xué)素養(yǎng)。

4 結(jié)論

綜上所述，虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，不但充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，而且還可以通過線上虛擬、線下實(shí)驗(yàn)和課后鞏固有效提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能水平，增強(qiáng)了學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析和解決問題的能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生良好的科研素養(yǎng)，為培養(yǎng)高層次的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

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