虛擬仿真技術在大學化學教學中的應用綜述*

李 偉，楊 博

（西藏大學生態環境學院，拉薩 850000）

0 引言

在當前科技快速發展和教育創新變革的背景下，虛擬仿真技術逐漸成為教育領域的熱門話題。虛擬仿真技術即虛擬現實技術，通過信息技術系統模擬真實世界中的系統[1]，培養學生創新意識和創新能力，滿足社會對綜合性和應用型人才的需求，為學生提供交互式、沉浸式的學習體驗，帶來前所未有的教育機會[2]。在這一趨勢下，將虛擬仿真與化學教學相結合引起了國內外許多高校的廣泛關注。

近年來，國家在高校實驗室建設投入了大量資金，使得實驗室的數量和質量都得到了明顯改善。但仍然存在實驗室建設發展的統籌規劃不足、資源使用效益有待提升、實驗室安全等問題。隨著教育改革的不斷深化，學生自主實驗、創新實驗數量的激增，實驗室的流動性、開放性的加大，實驗室在安全管理方面的問題日漸凸顯[3]。其中，化學實驗室因自身特性不可避免地使用各種危險化學品以及各類高低壓電器和裝置，涉及到高溫、高壓、真空及輻射等多種危險因素，存在諸多安全隱患[4]，據2010—2015年的數據分析，國內外高校發生了95起實驗室事故，其中內地高校占了66起。這些事故無不說明實驗室安全的重要性[5]。此外，傳統的化學教學注重理論知識的傳授和實驗操作的訓練。然而，傳統實驗受到時間、資源和安全等方面的限制，無法完全滿足學生的實驗需求，限制了學生對化學原理的深入理解。將虛擬仿真融入到化學教學則可以為解決這些問題提供新的途徑。本文系統地總結了虛擬仿真化學教學的現狀和發展趨勢，為推動虛擬仿真在化學教學中的研究和應用提供參考。

1 虛擬仿真技術與軟件工具

在化學教學中，虛擬仿真技術和軟件工具為學生提供了交互式和沉浸式的學習體驗，可以更好地幫助學生理解和應用化學原理。常見的虛擬仿真技術和軟件工具包括虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）、化學模擬軟件和分子建模軟件。通過虛擬現實技術，學生可以身臨其境地進行化學實驗和探索化學環境，如圖1所示。

圖1 基于虛擬仿真技術的化學教學示意圖

1.1 虛擬現實

VR 是一種以計算機生成的虛擬環境為基礎的技術，通過頭戴式顯示設備、交互設備等，使用戶能夠與虛擬世界進行身臨其境的互動和探索[7]。在化學教學中，虛擬現實技術結合了ChemVR、VR Chemical Lab 和VMD 等軟件，為學生提供了進入虛擬實驗室和化學環境的機會[8]。學生能夠模擬實驗室操作、可視化化學反應和分子結構，實現真實的化學實驗和觀察反應過程。虛擬現實技術和軟件的應用，不僅提供了安全、經濟和可控的學習平臺，更深化了學生對化學原理和現象的理解。通過自主調整實驗參數、觀察實驗結果，并在虛擬環境中獲得真實的反饋和交互體驗。虛擬現實技術的優勢在于其沉浸式的學習體驗，使用者能夠更深入地參與化學實驗，提高實驗技能和掌握化學原理。通過虛擬現實技術的應用，為化學實驗教學提供了新的途徑[9]，拓展并豐富大學化學教學的內容，提供了更具交互性和實踐性的學習環境，促進了學生學術成長和專業發展。

1.2 增強現實

AR是一種將計算機生成的虛擬元素與真實世界疊加的技術，旨在提供增強的感知體驗。在化學教學中，可以通過智能手機、平板電腦或AR 眼鏡等交互設備，利用化學相關的AR 應用程序和軟件（如ChemAR、AR Chemical Lab 和ChemistryAR 等）與虛擬化學實驗和現象進行互動[10]。AR技術提供了沉浸式的學習環境，通過智能設備觀察和操作虛擬分子結構、反應機制和實驗裝置，將抽象的化學概念具體化，有助于更清晰地理解分子結構、化學鍵和反應機制[11]。此外，AR技術還可創建虛擬化學實驗室或場景，提供模擬實驗環境，使學生能自由進行實驗預習和實驗技能訓練，提高實驗技能水平。AR技術的應用，在化學教學中具有潛力，可為化學教學提供安全、經濟和可控的學習平臺，并豐富教學的方法和資源。

1.3 化學模擬軟件

化學模擬軟件是一類專門用于模擬和研究化學體系的計算工具，通過結合計算機算法和數值模擬方法對分子結構、化學反應和物理性質進行建模和預測[12]。在化學研究和教學中，常見的化學模擬軟件有Gaussian、GAMESS、VASP 和LAMMPS 等。這些軟件提供了豐富能量計算、力場模擬、光譜模擬、電子結構計算和分子動力學模擬等功能。利用這些軟件可以進行分子結構優化、能量和能級計算、反應路徑和速率預測，以及物理化學性質和相互作用研究等。此外，化學模擬軟件還可以揭示分子和材料的微觀行為和性質，提供直觀觀察分子的幾何形狀、穩定性和反應機理等重要信息，為新化合物的設計和反應機理的研究提供指導。這些化學模擬軟件在化學教學中的應用，為學生提供了一個實驗室外的虛擬環境，幫助他們更好地理解和應用化學原理，促進他們的科學探索和創新能力的培養[13]。

1.4 分子建模軟件

分子建模軟件是一種強大的工具類，是基于分子力學、量子力學和分子動力學等理論方法的計算工具，用于構建、研究和模擬分子的結構與性質[14]。常見的分子建模軟件包括Gaussian、CHARMM、AMBER 和GROMACS 等。這些軟件可以對分子模型構建、幾何優化、能量、光譜和電子性質的計算以及分子動力學模擬等。通過分子建模軟件，學生能夠直觀地觀察到分子的幾何形狀、穩定性、反應機理和物理性質等關鍵信息。在化學研究領域，分子建模軟件在藥物設計、分子相互作用研究和反應機制解析等方面具有重要應用[15]。此外，在化學教學中，分子建模軟件發揮著關鍵作用，學生可以通過模擬實驗更加深入理解分析分子結構和性質。

綜上所述，虛擬仿真技術方法在化學教學中顯示各具特色。VR 技術提供了沉浸式的學習體驗，AR 技術增強了感知和互動，化學模擬軟件提供了計算工具，而分子建模軟件則結合了理論方法和實踐應用。這些虛擬仿真技術的選擇應根據教學目標和需求來確定，多種方法的結合為學生提供了更好的學習和理解化學知識的機會，對推動化學研究和教學發展具有重要意義。因此，在化學教育中，積極探索和應用虛擬仿真技術，不斷創新教學內容和方法，將為學生提供更豐富的學習體驗和更深入的化學理解，促進教育的進步和質量的提高。

2 虛擬仿真在化學教學中的應用

目前，虛擬仿真實驗教學在國內已受到廣泛關注，眾多虛擬仿真實驗教學如雨后春筍般層出不窮。2017—2020年，教育部共公布了728 門國家示范性虛擬仿真實驗教學課程[16]。

南開大學將掃描電鏡的工作原理、儀器結構、測試方法和結果分析與虛擬仿真技術相結合，開發出了掃描電鏡虛擬仿真系統，解決了類似掃描電鏡的貴重精密儀器，由于成本較高，操作較為復雜所導致的“一機多人”教學模式，致使學生無法上機實操的弊端[17]，此外，該校運用Unity3D 和3D Studio Max 等開發平臺，通過三維立體仿真、動畫以及虛擬現實等技術手段，開展了ICPOES 儀器分析的虛擬仿真實驗，實驗涵蓋了ICP-OES 儀器的構造、工作原理、樣品前處理、儀器操作、儀器維護和儀器故障等6 個關鍵部分的教學和實踐[18]；浙江理工大學基于校園網平臺，設計并開發了儀器分析虛擬仿真實驗系統，該系統包含身份驗證、實驗演示、獨立實驗、考核管理4 大功能模塊，比如其液相色譜虛擬實驗系統，學生進入虛擬實驗室，通過鼠標操作高壓泵、梯度淋洗裝置、進樣裝置、色譜分離柱和紫外檢測器等液相色譜的主要組成部分，系統完整地模擬了液相色譜實驗操作的整個過程，學生可以通過改變流動相中甲醇和水的比例、流動相的流速和分離溫度等色譜分離條件，觀察色譜峰的變化，系統可對學生的虛擬實驗結果進行評價和評分，實現了學生的在線實驗實踐訓練[19]；陜西師范大學利用陜西省虛擬仿真實驗教學項目，開展了在線光伏發電驅動高效催化水分解制氫氣的虛擬仿真實驗教學，通過校園網平臺，學生可以在黑板教學平臺進行課前預習，并使用騰訊會議等在線教學工具進行實驗教學，學生使用手機、電腦或平板電腦，通過虛擬仿真平臺自主進行電催化劑漿料的制備、玻碳電極的處理、電催化分解水裝置的組裝、電催化產氫與收集等實驗環節，這種在線虛擬實驗教學模式為學生提供了便捷靈活的學習方式，促進了實踐能力和理論知識的結合[20]；同濟大學采用信息技術將虛擬、仿真和真實實驗相結合，開發了一個虛擬仿真實訓系統，包括在線連續運行工藝真實實驗和污水處理模擬系統，學生可通過參與常規實驗、拓展創新實驗和實習實訓，實現虛實結合的學習過程，這種綜合實踐教學方法使學生能夠全面掌握污水處理的理論知識，并將其應用到實際操作中，從而顯著提升了他們在專業領域的實際能力[21]；東北大學依托虛擬現實與多媒體技術，構建了化學實驗安全教育國家級虛擬仿真教學平臺，該平臺基于實驗室實際布局，構建一個高仿真度、高交互操作、全程參與式、可提供實時信息反饋與操作指導的場景，利用VR 眼鏡及手柄與虛擬實驗室的物件進行交互，使學生能夠在安全的環境下沉浸式的進行化學實驗的安全教育[22]；渭南師范學院依托專業軟件和仿真技術，開發了巨介電陶瓷材料的制備及性能探究的虛擬仿真實驗，真實模擬了實驗過程中的設備、儀器、藥品、場景以及精密貴重儀器的操作過程，解決了實際實驗中的高危操作、超長實驗周期和高溫實驗環境等問題，并通過線上線下結合和虛實融合的方式，增強學生的參與感和實踐能力，優化了實驗教學效果[23]；吉林大學通過10年的努力，將虛擬仿真技術應用于晶體模型的構建，實現了結構化學教學數字化和可視化，并通過互聯網技術實現了云端教學，學生僅需通過電腦、智能手機和平板電腦等硬件設備，就可查看平臺實時生成的圖形變換：多面體構成及變形，原子的振動及變色，晶體模型的翻轉及縮放，化學鍵的形成及解離和結構基元及等同點的閃爍顯示等變換或者動畫，充分發揮了虛擬仿真技術的趣味化、場地泛在性、真實場景強再現和教學過程高兼容的特點[24]。

此外，虛擬仿真技術除在化學實驗教學方面的應用外，還廣泛應用于環境領域。環境工程作為一個新興的交叉學科，涵蓋多個專業領域，如大氣、水、土污染的控制工程，固體廢物的處理與處置以及物理性污染控制工程等[25]。這些領域涉及到綜合性的實驗，例如廢氣治理實驗和污水處理實驗，這些實驗一般需要大面積的場地、高昂的運行維護成本和較長的周期，因此開設全面的環境工程專業實驗存在一定的困難[26]。為解決這一問題，一些高校采取了虛擬仿真技術，為環境工程實驗提供了替代方案。例如，華中科技大學建設了“互聯網+”環境工程原理虛擬仿真實驗教學項目，實現了離心水泵性能曲線測定模塊、板式換熱器傳熱系統測定模塊和SO2吸收效率測定模塊等代表了環境工程原理三大現象和過程的典型模塊的虛擬仿真[27]；哈爾濱工業大學建設了生活垃圾焚燒的虛擬仿真實驗，以實際焚燒處理廠為原型，基于動態仿真對生活垃圾焚燒的過程進行模擬，再現垃圾焚燒從垃圾運輸、焚燒工況到煙氣成分分析的全過程，擬通過分析煙氣成分結果，探究焚燒過程中的不足，減少固態氣態產物的二次污染[28]。

虛擬仿真在化學教學中應用廣泛，它提供了安全的學習環境，學生可以進行模擬實驗，探索化學原理和實驗技巧虛擬仿真還可可視化抽象的化學概念和現象，幫助學生理解分子結構、化學鍵和反應機制。此外，它提供交互式學習體驗，學生可以自主進行實驗操作、調整參數和觀察結果。虛擬仿真補充了傳統實驗教學的不足，解決了資源限制和安全問題，并提供靈活和個性化的學習方式?？偠灾?，虛擬仿真在化學教學中為學生提供了安全、互動和可視化的學習環境，促進了他們對化學原理的理解和應用能力的培養。此外，虛擬仿真技術在高校中的應用越來越多，但多集中于中東部地區，83.4%的虛擬仿真實驗教學分布于中東部地區，西部地區占比僅為16.6%[16]，因此今后需加強對西部地區的虛擬仿真教學的建設和發展。

3 虛擬仿真教學的挑戰與應對

化學化工虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和化學化工實驗教學中心的重要組成部分，同時也代表了化學化工專業與信息技術深度融合的成果[29]。通過虛擬仿真實驗，學生能夠在安全、經濟、環保的條件下進行實驗操作，實踐化學化工理論知識，并培養解決實際問題的能力。這種教學方法不僅提供了學生與真實實驗相似的體驗，還拓展了學生的學習空間和實驗內容，促進了理論與實踐的緊密結合。化學化工虛擬仿真實驗教學的推廣和應用將進一步推動化學化工教育的現代化發展，為培養高素質的化學化工人才提供有力支持，為化學教學帶來了諸多便利。但在當下仍面臨著一些挑戰，包括技術要求、資源投入和真實性限制等方面。首先，虛擬仿真技術通常需要特定的硬件設備和軟件支持，這對學生的設備獲取和適應性可能帶來一定限制[30]。其次，開發和維護虛擬仿真應用需要一定的技術支持和資源投入，包括軟件開發、內容更新和技術支持等方面的成本。此外，虛擬仿真在模擬真實化學實驗和反應過程時可能存在一定的真實性限制，如材料特性和實驗條件的模擬等。

為了應對這些挑戰，可以采取以下方法和未來發展方向。首先，可以進行技術改進，不斷提升虛擬仿真技術的質量和效果，改進用戶體驗和真實感。通過引入更高級的圖形處理和物理模擬算法，提供更逼真的化學實驗場景和交互體驗。其次，可以促進資源共享和合作研究，建立共享虛擬化學實驗和資源的平臺，使更多學校和教育機構能夠共享先進的虛擬仿真教學資源。通過共享資源，可以減輕單個學校的資源壓力，并提供更廣泛的學習機會。此外，還可以加強師資培訓和教學指導，提高教師的虛擬仿真教學能力和教學設計水平，從而更好地利用虛擬仿真技術進行化學教學。

未來的發展方向包括進一步整合虛擬仿真技術與其他教學手段，如在線教育平臺和遠程教學技術，提供多樣化的學習方式和場景。通過與在線教育平臺結合，學生可以在虛擬實驗室中進行化學實驗，然后在實際實驗室中進行驗證和鞏固。同時，可以加強與實際實驗室的結合，通過實驗室實踐和虛擬仿真相結合的方式，提供更全面的化學教學體驗。學生可以先在虛擬環境中進行實驗設計和模擬，然后在實驗室中進行實際操作，加深對化學實驗原理和技能的理解。此外，隨著人工智能和機器學習等技術的發展，可以進一步探索虛擬仿真技術在化學教學中的智能化和個性化應用，為學生提供個性化的學習支持和反饋。

綜上所述，雖然虛擬仿真在化學教學中面臨一些挑戰，但可以通過采取一系列措施來克服這些挑戰，并提升虛擬仿真在化學教學中的應用效果。其中，技術改進、資源共享和師資培訓是關鍵的方面。通過不斷改進虛擬仿真技術，提高其性能和穩定性，可以更好地滿足化學教學的需求。此外，資源共享是重要的，可以通過建立共享平臺，讓教師和學生分享教學資源和經驗，提高教學效果。另外，師資培訓也至關重要，教師需要掌握虛擬仿真技術的操作和應用，以便能夠有效地指導學生進行虛擬實驗。未來的發展方向包括整合不同的教學手段，如結合傳統實驗室和虛擬實驗室，以及探索智能化應用，如人工智能和機器學習在化學教學中的應用。通過這些努力可以進一步提升化學教學的質量和效果，培養學生的實驗技能和科學思維能力。

4 結束語

虛擬仿真化學教學在化學教育中發揮著重要作用，并具有多項優勢。通過利用虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、化學模擬軟件和分子建模軟件等技術，可以模擬真實世界中的化學情境和過程，為學生提供交互式和沉浸式的學習體驗。這種教學方式豐富了實驗空間和機會，提高了學生的學習動機和興趣，培養了實驗技能和科學思維能力。同時，虛擬仿真化學教學還能降低化學實驗中的風險隱患，為學生提供一個自由安全的學習環境。

在未來的教育中，我國的高校應該持續發展和應用虛擬仿真技術。教師們應積極探索虛擬仿真化學教學的潛力，并結合相關研究和實踐案例，不斷豐富教學內容和方法。通過充分利用虛擬仿真技術，創造更多元化的教學方式和實驗環境，可以幫助學生更好地理解化學知識和掌握實驗技能。這將為我國的化學教學創造更好的學習環境，為學生提供更便利的學習方式，更好地培養他們的實踐能力和科學素養，促進化學教育的發展并提高教學質量。因此，在我國教育改革的大背景下，應呼吁更多的高校和教師積極探索虛擬仿真化學教學的潛力，創建更多的化學實驗仿真平臺，并實現開放共享的目標。