虛擬實驗室在化學實驗教學中的應用

朱夏緋，楊昊語，林妍君，王宇飛

（云南師范大學 化學化工學院，云南昆明 650500）

化學是一門實驗課很強的學科，傳統的化學實驗課中，教師要花費大量的時間向學生講解實驗原理、操作步驟和注意事項，學生實驗技能訓練時間有限，很難在規定的時間完成既定的目標，開設的實驗內容多限于驗證性實驗和模仿訓練，缺乏創新性實驗。實驗儀器投資大，維護復雜，實驗過程中許多有毒、有害物質造成環境污染日益顯現等。虛擬仿真實驗教學技術是對傳統教學模式的補充和完善，解決了實驗教學中傳統的教育思想、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，為化學學科發展開辟了一個全新的領域。

隨著計算機技術、網絡技術、多媒體技術的發展，虛擬現實技術在20世紀后期獲得了極大的關注。進入21世紀，人們對虛擬現實技術的研究更加深入，在這樣的背景下，基于虛擬現實技術的虛擬實驗室研發及應用當前已經成了新型實驗教學研究的重點和難點之一。

虛擬實驗室就是借助于多媒體技術、網絡技術以及虛擬現實技術等在計算機或其他多媒體設備終端上營造出一種虛擬的實驗環境，實驗者可以通過與設備的交互，仿佛身處真實的實驗環境中完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等同于甚至優于在真實環境中的效果。

作為虛擬現實技術的重要載體和信息化教育不可或缺的一部分，虛擬實驗室以其獨特的魅力正逐漸被社會各界所認可，也廣泛應用在醫學、軍事、物理、化學等領域。將虛擬實驗室引入化學實驗教學中，突破傳統的實驗教學方式，不僅能有效解決現實中某些化學實驗難以展開的問題，也能促進虛擬實驗自身的發展。

1 虛擬實驗室的特點

1.1 開放性

虛擬實驗室的開放性體現在資源開放和平臺開放兩個方面。虛擬實驗室給實驗者提供了非常豐富的實驗儀器、設備，實驗環境和實驗模式也可以依據需要自行調整，每一種實驗資源都是可以由實驗者自行選擇的，即“資源開放”；虛擬實驗室通過多媒體終端向每一位有需要的實驗者開放，不論你是教師、學生還是科研人員，都可以享受虛擬化學實驗帶來的樂趣，即“平臺開放”。

1.2 交互性

虛擬實驗室作為虛擬現實技術的一大分支，它繼承了虛擬現實技術最主要的特性——交互性。交互性指的是實驗者進行操作時，處在虛擬環境下的物體會根據情況做出反應，并通過多媒體終端反饋給實驗者，即實驗者在操作虛擬實驗的過程中捕捉到了實驗現象。一款優秀的虛擬實驗平臺應具備豐富多彩的人機交互方式，才能盡可能完整地模擬真實實驗。

1.3 自主性

虛擬實驗室與真實實驗室不同，不受時間和空間的限制，實驗者可以隨時隨地隨心所欲利用多媒體終端進行實驗模擬、實驗操作、實驗分析等，只要是虛擬實驗室能夠提供的條件都可以靈活選用，不用擔心成本、安全等問題。一旦操作失誤，實驗者可以更換存在問題的部分，在短時間內重新開始實驗，省時省力。

1.4 共享性

實驗者可以通過互聯網與世界各地使用該虛擬實驗室的用戶交流感想，分享實驗資源、素材以及作品等，也可以與他人在互聯網上進行實驗合作。

2 利用虛擬實驗室進行化學實驗教學的優勢

2.1 安全性強

《義務教育化學課程標準》中提到，化學實驗應注重安全問題。某些化學藥品對人的身體極易造成危害，例如有毒的氯氣、一氧化碳，強腐蝕性的濃硫酸、硝酸等。由于化學實驗在反應的過程中，常常伴隨著能量的變化，因此大部分化學實驗也具有一定的危險性，如堿金屬與水的反應、鋁熱反應等。除此之外，在真實實驗中難免會遇到學生因操作失誤或其他原因導致實驗的失敗，同樣也可能對生命和財產造成威脅。而虛擬實驗室中的一切都是對真實實驗室的一種模擬，并非真實存在，學生與實驗儀器和藥品不需要接觸就能完成實驗，避免了危險的發生。

2.2 突破實驗條件的限制，節約成本

真實的化學實驗過程中，藥品是不能回收再利用的，用過的儀器也要及時清洗干凈，在重復操作同一個實驗的時候，要使用新的藥品和干凈的儀器進行實驗，一定程度上浪費了時間和財力；學校為了能讓學生更好地進行學習，會按照課程要求購買儀器來完善實驗室，對于貧困、偏遠地區而言，這項開支或許太過沉重。另一方面，對于一些特殊的化學反應，實驗條件和實驗環境都要嚴格掌控[1]，而真實實驗受到實驗時間和空間的制約，難以進行此類實驗。使用虛擬實驗室，學生只需要調整實驗參數就能完成條件嚴苛的化學實驗，實驗室中的儀器和藥品都是仿真的，可以進行無限次的重復實驗，解決了購買藥品和儀器帶來的成本問題。

2.3 能直觀展現抽象內容

化學是在分子、原子層次上研究物質組成、性質、結構與變化規律的科學，因此免不了與分子、原子等微觀粒子打交道。對于現實中難以捕捉的抽象概念，例如“原子結構”“化學鍵”等內容，學生不好理解，只能憑借想象在頭腦中形成概念。虛擬實驗室可以通過構建具體模型給予學生直觀的感受，將抽象轉化為具體，微觀轉化為宏觀，方便學生更加輕松地學習這部分內容。

3 虛擬實驗室在化學實驗教學中的應用

3.1 輔助課堂實驗教學

目前國內的化學虛擬實驗室基本涵蓋了初高中乃至大學常見的儀器和藥品，在條件允許的情況下，教師可以利用虛擬實驗室向學生演示實驗過程和實驗現象，尤其是遇到危險性大、條件嚴苛的實驗時，用虛擬實驗室進行展示未嘗不是一個好方法。有些虛擬實驗室軟件數據庫中已經存儲了大量經典化學實驗，教師除了自己“組裝”實驗裝置外可以利用現成的模板開始實驗，節省課堂時間。

3.2 鞏固實驗課知識點

在化學課程中，存在一些操作難度大、知識點多的實驗，例如酸堿滴定實驗，初次面對滴定管的學生很難在課堂上就掌握其原理和操作流程，實驗課課時有限，很難讓學生重進實驗室再次操作。為了在課堂上能更快地掌握知識點或是在課后更好地理解重難點，學生可使用虛擬實驗室進行實驗的課前預習和課后復習，通過計算機對滴定實驗的原理、滴定管的使用方法和標準的滴定操作進行學習和模擬。學生利用虛擬實驗室及時地進行必要的實驗，在很大程度上幫助了學生對知識的理解，同時也提高了化學實驗課的效率。

3.3 給學生進行創新實驗提供平臺

在虛擬實驗室中，學生可以根據自己的需要和興趣靈活選用儀器和藥品，進行課本上沒有的創新實驗。系統會根據設定的環境、選用的藥品等參數模擬出整個實驗的過程，并給出與真實實驗相同或相似的實驗結果。創新實驗可以激發學生的自主探究欲望和創造的熱情，有助于培養學生的化學學科核心素養，因此可以說虛擬實驗室是一個能夠幫助學生活躍思維發揮想象力的優秀平臺。

3.4 可進行網絡實驗授課，足不出戶也能“做實驗”

今年年初的新冠肺炎疫情牽動人心，學校、商場、電影院等公共場所都暫時關閉防止疫情的蔓延。但為了教學進度能夠正常推進，各個學校搭建“云課堂”通過線上授課的方式來響應國家“停課不停學”的號召。對于化學這樣一門以實驗為基礎的學科，若是延續傳統的教學方式，實驗只能用教師演示來替代，學生將失去親自動手操作的機會。而虛擬實驗室不受時間和空間的限制，學生只需要下載“虛擬實驗室學生端”軟件，連接互聯網后通過計算機在家中進行實驗。教師可以通過教師端對學生進行遠程輔導，盡管這種方式不如親自動手操作實驗得到的學習效果好，但能在特殊情況下解燃眉之急。

4 虛擬實驗室的不足之處

盡管虛擬實驗室有不少優點，但也并不是萬能的，它在實際的應用上也存在很多不足。首先，虛擬實驗室只能給實驗者帶來視覺和聽覺上的感受，“真實感”不如傳統的真實實驗室，只能作為真實實驗室的輔助，不能完全替代它；其次，虛擬實驗室的操作環境都不是真實存在的，并不能有效培養學生的實踐能力和動手操作能力；最后，虛擬實驗室的實驗環境過于理想，缺少誤差，不利于培養實驗者的錯誤處理能力[2]。

5 開展虛擬仿真實驗，實施化學實驗教學改革實踐

5.1 理論和實踐融合創新，構建虛擬仿真教學模式

任課教師結合課程內容和目標，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，真實環境中分解速度慢，很難觀察到氣泡產生和氯水顏色變化，在虛擬環境中學生可以集中精力研究實驗現象本身的特性和規律。還有滴定過程中突變范圍的出現、絲朊—聚丙烯腈系接枝共聚物的制備、無機粉體（CaCO3）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，實驗現象更簡單、直接，有說服力，教學效果更顯著。

5.2 正確安排虛擬仿真實驗與常規實驗的關系，揚長避短，合理安排兩者比例，充分發揮虛擬仿真技術教學的優勢

虛擬仿真實驗和常規實驗，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。

5.3 提供了開放式實驗環境，為學生大型實驗提供條件，真正實現實驗室隨時隨地向學生長期開發

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境。采用虛擬仿真實驗教學可以呈現操作性好、真實感強和直觀精確的實驗場景，可以為學生搭建規模宏大的實驗平臺，比傳統的實驗室開發出更多的大型、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，啟發他們的創造性思維，增強科學研究的意識。

5.4 利用虛擬仿真實踐教學，緩解現實實踐教學資源不足問題，實現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、高危險的生產現場實習。通過虛擬仿真教學軟件的演示和操作，讓學生了解企業的化工生產流程、重點設備及關鍵的工藝參數，熟練掌握各種大型儀器操作要領，在仿真的生產場景中安全高效地開展實踐實訓活動。學校不用購置大規模實驗設備，緩解了學校實踐教學資源不足問題，有效地提高教學質量，推進高校現代教育技術的快速發展，加快高校化學實驗教學改革和教育信息化的進程。

6 結束語

綜上所述，虛擬實驗室確實具有潛力，能夠幫助化學實驗教學更好地展開，但同時也不可忽略其不足之處，希望教育工作者能靈活運用虛擬實驗室，讓它在今后的教學中更好地發揮作用。