虛擬仿真技術在大學化學教學中的應用

姜廣策 王志敏 呂東燦 徐翠蓮

[摘 要] 在豐富實驗教學形式和教學效果的同時，虛擬仿真技術也促進了實驗教學與理論教學的融合。文章主要論述了在大學化學教學實踐中，虛擬仿真技術的應用和對教學效果的影響，總結了虛擬仿真技術在課程中的切入點和展開形式，為數字化和信息技術在化學教學中的推廣應用提供實踐支持和借鑒。

[關鍵詞] 虛擬仿真;大學化學;化學教學

[基金項目] 2017年度河南省教育教學改革研究與實踐立項項目“基于在線開放課程背景下農科有機化學教學模式改革的研究與實踐”（2017SJGLX031）

[作者簡介] 姜廣策（1984—），男，山東昌邑人，博士，講師，研究方向為化學教育和綠色化學催化;王志敏（1974—），男，河南輝縣人，博士，副教授，研究方向為納米材料催化和生物質轉化;徐翠蓮（1965—），女，河南西平人，博士，教授（通信作者），研究方向為化學教育和有機化學。

[中圖分類號] G642.423 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）39-0387-02 ? ?[收稿日期] 2020-02-10

化學是一門實踐的科學，理論教學與實踐教學的融合是高等學校化學教學中的核心問題之一，兩者的有機結合將有助于學生加深對于物質結構和反應機理的理解[1]。然而由于時間、空間的限制，化學實驗與化學理論教學往往被分成兩個平行的教學課程，因此不少學生在學習中存在機理—結構—現象之間的割裂，只能依靠死記硬背學習理論知識，無法做到活學活用和真正掌握。隨著信息化技術在教學中的深入，虛擬仿真技術在化學教學中越來越受到重視[2]。虛擬仿真技術在教學中的應用，是對傳統課堂的數字化延伸，其具有可視化，直觀，沉浸感強的獨特優點，又能夠實現一些由于時間、空間、成本、安全等因素無法開展的實踐內容，在工科實驗教學中有著廣闊的應用前景[3]。除了在化學實驗教學中的應用之外，虛擬仿真技術還能夠將實驗壓縮進課堂，動態呈現微觀機理，在豐富課堂教學形式的同時強化實驗與理論之間的聯系，在激發學習興趣的同時提升學生知識理解程度，實現由理論到實踐再到理論的良性循環[4]。

一、微觀結構的宏觀三維呈現

高等學校化學教學中，反應機理往往是相關章節的難點。該部分內容相對抽象，考驗學生對于分子微觀結構的思考能力。以旋光異構為例，本章節涉及大量內容需要同學認識分子結構的空間構型，傳統教學依賴課本和PPT課件的平面化教學往往無法將教師所理解的知識完整傳遞給學生，尤其是對一些空間思維能力較弱的同學來說，面對這種教學方式存在不少理解上的難點。依靠虛擬仿真技術的三維建模，可以將原本抽象化的空間微觀結構在宏觀層面呈現出來，允許學生對三維模型自由旋轉，進而對分子結構的空間構型產生直觀認識，不僅能夠做到根據規則判斷旋光異構類型的基本要求，還能深入直觀地理解該部分知識的本質，而這正是傳統教學方案相對欠缺的。

二、反應過程的動態呈現

化學反應是高等學校化學教學的重要內容，而反應機理又是該部分教學內容的重點和難點。傳統教學中，呈現在學生面前的是靜態的反應方程式，以烯烴加成反應為例，盡管作為親電加成反應表象相對簡單，但實際涉及原子軌道雜化、π鍵電子云分布、誘導與共軛效應等內容。僅僅通過死記硬背記住規律雖然可以應付考試，但這種方式其實是對后續知識點的學習留下隱患，對于結構和反應性質之間的關聯，也僅僅停留在規則的簡單記憶上，一旦遇到復雜過程，學生便無法正確把握反應規律。利用虛擬仿真技術的空間表達和動態表達，能夠使復雜的反應歷程在生動起來的同時，富有條理性，將老師所想和學生所學所思真正連接在一起。不僅如此，通過合理設計，虛擬仿真還能對反應歷程中一些抽象的概念，比如電子云分布，吸電子效應，供電子效應等做出具象化的描繪，從而加深學生對抽象概念的理解，從貼近科學事實的角度，全面立體地理解反應歷程的本質。

三、將微縮的精品實驗引入課堂

虛擬仿真技術的三維呈現、動態化等優勢決定了其在課堂教學過程中具有直觀性、連續性、注重條理的優勢，符合學生的認知規律，除此之外，虛擬仿真實驗還克服了一些化學實驗開展時成本高，耗時長，實驗條件危險等困難。采用虛擬仿真技術和合理地教學設計，可以將大多數實驗過程的關鍵步驟壓縮到十分鐘，甚至更短的時間在課堂上呈現出來。與虛擬仿真的化學實驗教學不同，在課堂上引入的虛擬仿真實驗弱化了對具體實驗過程的把握，強化了學生從實驗設計探索反應特征、性質、結構之間的聯系，深化學生對于核心知識的理解的同時，提升教學的趣味性和豐富性，化被動傳授為主動學習。以固體酸的性質為例，本部分教學的核心內容在于使同學們理解固體酸中酸性位產生的原因，以及固體酸結構、性質和催化效果之間的聯系。在本章節中，可將典型的固體酸的制備過程和固體酸催化過程以虛擬仿真試驗的形式引入課堂教學中，教師采用問題導向法設計教學過程、例如“如何制備固體酸催化劑可以使生物柴油產率最高”，讓學生在虛擬仿真試驗中自由發揮，并將其中的核心環節以思考題的形式提出。虛擬仿真可以允許學生在很短的時間內將試驗預想的數據結果呈現出來，通過分析表征數據，學生能夠主動發掘出理論知識的本質，以及其中蘊含的關聯，這一過程有其適合配合線上課程采用翻轉課堂的混合式教學模式。

四、虛擬仿真技術對在線課程的強化

近年來，在線課程的建設極大地促進了教育傳播，與課堂教學不同，在線課程形式更加靈活，更符合學生碎片化學習習慣，因此受到學生的歡迎;學生通過線上教學學習基礎知識，老師在教學過程中就可以騰出更多的時間解決課程的重點難點問題，不僅節約了教學時間，也與翻轉課堂等新教學方法具有良好接口。線上課程建設的兩個關鍵問題是資源的積累與課程設計。資源的積累應該圍繞課程設計，將優質內容呈現在課程中，加深學生對知識體系的認知。虛擬仿真技術不僅打破了一些代表性實驗的時間約束，借助網絡技術，也打破了實驗對于地點和環境的約束。在線上課程中嵌入精心選擇的虛擬仿真實驗，能夠進一步縮短學生在理論學習和科學實踐之間的聯系，將線上課程從傳統課堂的補充和延伸，變成學生自由探索，主動認知的線上園地。化學是實踐的科學，與線上課程對接的虛擬仿真實驗體系恰恰給學生提供了一個隨時隨地進行探索的實踐平臺，這種模式不受授課時間和授課環境的限制。這種開放的學習認知環境允許學生獨立自主地思考問題，從多個角度對課本理論加以驗證，基于實踐，而不是基于死記硬背實現對于理論知識的學習，這一點對于本科化學課程教學質量的提升具有重要意義。

目前，虛擬仿真試驗體系的建設無論從國家政策、還是從學校層面均得到了重視，而將虛擬仿真技術從實驗教學引入課堂教學，對于高等學校化學類科目的課程設計又具有獨特意義[5]。在問題導向下、以學生為主導的實驗設計探索中，虛擬仿真技術促進了化學教學中理論知識和實驗的深度融合，使抽象的機理落到實處，在這一過程中，學生們加深了知識的理解，樹立了基礎科研思維，對于教師來說，豐富了教學模式、解決了傳統課堂學生參與度不高的難題。將虛擬仿真技術引入課堂，是信息技術在化學教學中的延伸，其與線上課程建設和翻轉課堂等新型教學方式均有良好的接口。

參考文獻

[1]袁望章.高校化學實驗教學實踐與思考[J].教育教學論壇，2019（30）：257-258.

[2]應少明，謝丹華，黃劍華.虛實結合、產教融合的應用化學專業應用型人才培養模式的構建與實踐[J].大學教育，2020（1）：156-159.

[3]蔡丁友.優課虛擬仿真實驗室在化學實驗教學中的應用[J].教育信息技術，2013（6）：13-15..

[4]Davenport J L，Rafferty A N，Yaron D J.Whether and How Authentic Contexts Using a Virtual Chemistry Lab Support Learning[J].Journal of Chemical Education，2018，95（8）：1250-1259.

[5]許鵬，陳建欣.虛擬仿真在工程化學教學中的實踐探索[J].廣東化工，2019（3）：229-231.