基于虛擬仿真技術的分析化學實驗輔助教育模式探討

陳娟 陶亮

摘?要：分析化學實驗是化工類專業的核心課程。該課程的線下教學中，存在學生預習效率低、實驗效果欠佳以及一定的安全隱患等問題。為提高課程教學質量，本文基于常規的線下實驗教學模式，引入虛擬仿真實驗進行輔助教學。闡明了該課程線下教學模式中存在的問題，探討了虛擬仿真實驗輔助教學模式的開展方法、手機端虛擬仿真實驗平臺構建等內容。所采用的研究方法還可用于其它實驗類課程的輔助教學中。

關鍵詞：虛擬實驗；分析化學；輔助教學

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.01.086

0?前言

分析化學實驗是化工類專業的核心課程，具有實驗原理復雜、應用性強、對學生操作技術要求高等特點。通過這門課程的學習，不僅可以強化學生對分析化學等前期相關課程理論知識的掌握程度，還可以提高學生的實驗操作技能和解決實際問題的能力。當前，該課程仍以線下教學為主。由于復雜的實驗原理、繁瑣的實驗過程，以及學生操作水平的差異，導致課程教學面臨一些挑戰，如實驗效果不佳，學生在課后復習困難，存在一定程度的安全隱患，以及化學試劑的浪費等問題，從而制約了課程教學質量的提升。在此背景下，如何鞏固學生對實驗原理和方法的掌握程度、提高學生實驗技能以及實驗教學效果，成為分析化學實驗課程建設迫切需要解決的問題。

隨著虛擬技術和現代信息技術的快速發展，虛擬仿真實驗受到廣泛的關注。虛擬仿真實驗具有以下三個主要優勢：（1）卓越的交互性、實時性和逼真性。虛擬仿真實驗平臺操作界面友好，能夠方便地實現人/機互動。模擬環境與現場實驗環境一致性好，可實時反饋學生的操作情況和實驗結果，激發學生對實驗操作的興趣。（2）不受時間和空間的限制。虛擬仿真實驗的教學不受時間和地點的限制，學生可以隨時隨地進行實驗操作，重復實驗的次數也沒有限制。（3）安全性好且成本低。虛擬仿真實驗消除了實驗過程中可能出現的安全隱患，同時減少了實驗耗材的浪費，降低了實驗成本。因此，將虛擬仿真技術引入實驗課程的教學中，有助于解決學生在實驗操作中可能出現的“不能做”“不敢做”以及“不好做”等問題。

為了提高分析化學實驗的教學質量，本文在傳統的線下實驗教學模式基礎上，引入虛擬仿真技術進行輔助教學。討論了線下教學模式存在的問題，虛擬仿真實驗輔助教學模式的開展方法以及虛擬仿真實驗平臺的構建。

1?課程教學現狀

經過前期調研，發現該課程的教學仍主要依賴線下教學，并通過以下五個環節來完成教學任務：（1）課前準備。教師為學生提供與實驗相關的各類資料，并準備所需的化學試劑和儀器。學生在這個階段需要自主預習實驗基礎知識、實驗原理和方法等課程內容。（2）理論講解與操作演示。教師采用板書、PPT等形式，向學生解釋實驗原理、實驗步驟，并強調實驗的重難點知識。同時，教師進行操作示范，以確保學生理解并掌握實驗的關鍵要點。（3）實驗操作。學生在這個環節進行現場實驗操作。同時，教師糾正學生在實驗中存在的問題，并解答他們的疑問。（4）實驗報告撰寫。學生根據實驗數據和結果撰寫實驗報告，作為成績評定的依據之一。（5）成績評定。教師根據學生的考勤、實驗報告質量以及課堂表現來評定綜合成績。值得注意的是，在課程的線下實驗教學中，任課教師為提高教學效果，盡管采取了多種教學改革措施，但仍存在下述問題。

（1）學生預習效率低，實驗知識接受慢，實驗效果欠佳。

學生在實驗前的預習效率不高，這主要由多重因素的綜合影響。首先，學生對于實驗的重要性認識不足，同時，不同學生在理論知識掌握方面存在較大的差異。此外，學生的預習方法也存在不合理之處。

實驗內容本身具有復雜性，而學生的預習效率較低，因此在課堂教學中，學生較難理解教師傳授的實驗知識。此外，實驗的繁瑣性、對學生操作技巧的高要求以及學生對實驗原理的理解不足等因素，導致實驗效果欠佳。

（2）實驗過程存在安全隱患，實驗材料與試劑有浪費現象。

在實驗教學中，學生可能會接觸到一些易燃、易腐以及有毒的化學試劑，例如硫酸和硝酸。此外，部分實驗需要使用加熱設備。然而，由于學生在初次進行實驗時的操作技術尚不熟練，因此容易因操作不當導致的實驗失敗。在嚴重的情況下，甚至出現學生受傷或火災等安全問題。

當實驗失敗時，學生需要在確定解決方案后重新進行實驗。這可能導致實驗材料和試劑的浪費，同時增加廢液和廢渣的產生。

（3）課后復習難度高、操作遺忘率大。

由于實驗學時有限，學生在實驗結束后很難獲得機會進行重復實驗。這導致了學生在后期容易忘記實驗技巧和原理，出現所謂的“學完就忘”的情況。學生在后期需要回顧實驗知識時，面臨較大的困難，因為他們沒有相關的實驗條件，這不利于他們進行自主學習。

（4）成績評定模式單一。

線下實驗中，學生成績的評定主要依賴于考勤、實驗表現和實驗報告質量三個方面，然而，這一評定模式相對較為單一，未充分考慮學生在前期的預習效果、理論知識掌握程度以及學習主動性等方面的情況。為了更科學地評估學生的實驗成績，提高他們的學習主動性和實驗知識掌握程度，有必要對現有的評定模式進行調整。

2?虛擬仿真實驗輔助教學模式的實施

為解決線下教學中存在的問題，課程團隊提出了基于虛擬仿真技術的線上輔助教學模式。為此，課題組在教學內容改革、課程思政融入以及虛擬仿真實驗實施等方面進行了探索。

2.1?實驗教學內容改革

根據專業需求和實際教學情況，課題組對實驗教學內容進行了調整。在圍繞分析化學核心知識的基礎上，確定了包括天平稱量練習、水的總硬度測定等8項實驗（詳見表1），總共需要32個學時完成。調整后的實驗教學內容更具針對性，能夠更好地加強學生對分析化學核心理論知識的理解，滿足學生培養目標和專業發展的需求。

2.2?課程思政元素的融入

將課程思政元素有效地融入到實驗教學中，不僅可以培養學生的民族自豪感和嚴謹的科學精神，還可以提高學生對專業知識的學習主動性。為此，課題組根據實驗內容特點，制作了專門的思政案例，并將這些案例的素材以文字、圖片以及視頻等形式嵌入到虛擬仿真平臺中。制作的思政案例除了在課堂上由任課教師講解外，還要求學生在課前和課后自主學習。

2.3?虛擬仿真實驗的實施

根據線下教學和虛擬實驗的特點，課題組對教學環節進行了調整和優化。這些調整包括以下環節：

（1）課前預習階段。學生首先觀看任課教師發布在虛擬實驗平臺上的實際教學視頻。隨后，根據平臺提供的操作提示進行相應實驗的虛擬練習，以初步掌握實驗內容和操作技巧。

（2）課中實際教學。學生參與線下實驗教學，聽取教師的講解后獨立開展實驗。教師在實驗過程中提供答疑和糾正學生存在的問題。該部分安排與線下教學一致。

（3）課后復習與問卷調查。學生除了完成常規的實驗報告撰寫任務外，還需要在不同時間點進行虛擬實驗復習操作，并對實驗過程和結果進行總結。在實驗結束后，學生被要求填寫實驗內容掌握程度的問卷調查，并評估實驗內容的難易程度。

2.4?成績評定模式改革

為更好地評估學生在實驗教學中的綜合表現，激勵學生積極主動地參與實驗學習與操作，提高學生對實驗內容的理解和掌握程度。課題組對傳統的成績評定模式進行了改革，將學生的課程綜合成績分為四個部分，且各部分成績占比相同：

（1）實驗報告質量。通過實驗報告系統評估學生對實驗結果的分析能力，解決實驗問題的能力，對重難點知識和實驗步驟、技巧的掌握情況。

（2）課前預習效果。學生在預習后，需要將觀看實際教學視頻、實驗內容和試驗步驟，以及虛擬練習的過程截圖等材料進行整理，教師根據學生提交的材料評估學生的預習效果。

（3）主動參與性。根據學生的考勤記錄、在實驗課中分析和解決問題的主動性，以及參與后期虛擬實驗復習和實驗問卷調查的情況，綜合評估學生的主動參與性。

3?虛擬仿真實驗平臺構建

3.1?平臺總體框架

根據分析化學實驗實驗課程的教學目標、教學內容以及學科特點，課程團隊對虛擬實驗平臺進行了系統規劃，將典型的分析天平稱量練習和水的總硬度測定兩個實驗內容嵌入平臺內。此外，還預留了其他實驗內容嵌入通道，確保在條件成熟時能夠添加新的實驗內容，以滿足課程的發展和教學改革需求。基于該實驗平臺，學生可以通過觀看現場教學視頻、實驗演示動畫、進行虛擬實驗練習等方式，熟悉實驗內容、設備功能和試驗操作流程。圖1展示了虛擬實驗平臺的總體框架，它分為系統初始界面、實驗選擇以及模塊選擇三個層次。

圖1?虛擬仿真實驗平臺總體框架

（1）初始界面。系統的初始界面設置了五個子界面，包括系統介紹、系統設置以及實驗選擇等。在系統介紹和系統設置子界面中，學生可以了解有關實驗平臺的內容和功能，并進行相關參數的選擇。幫助子界面則提供了軟件開發者和授課教師的聯系方式，以便學生在對軟件或實驗內容有疑問時能夠方便地聯系相關人員。

（2）實驗選擇界面。學生可以在該界面中通過左右滑動的方式方便地選擇具體的實驗內容。當前，只將天平稱量練習和水的總硬度的測定兩個實驗嵌入進該平臺。后續可根據需要制作并嵌入其它實驗。

（3）功能模塊選擇界面。該界面展示了虛擬實驗平臺提供的六個主要功能模塊。學生可根據自身需求選擇相應的模塊，進行學習實驗知識、進行虛擬實驗練習等操作。該模塊主要內容會在3.3節中進行詳細介紹。

3.2?平臺開發流程

采用了Unity?3D軟件開發虛擬實驗平臺。Unity?3D軟件具有出色的實時性、互動性和逼真性等優點，適用于開發大型的三維視頻和動畫游戲。為了創建實驗所需的各種設備，首先使用Solidworks建立三維零件或裝配模型，然后將其保存為stl格式，接著導入3Dmax軟件進行渲染。渲染后的模型以FBX格式導入Unity?3D軟件，用于制作動畫和其他資源。最后，基于這些資源創建了適用于手機端的應用程序。

3.3?主要功能模塊

虛擬仿真實驗平臺包括六個主要功能模塊，分別是實驗介紹、實驗演示、實驗練習、實驗考核、實驗視頻以及輔助資料。

（1）實驗介紹。該模塊提供所選實驗的具體信息，包括實驗目的、實驗原理、所需儀器和試劑，以及實驗內容。學生通過仔細閱讀這一模塊的內容可以全面了解所選實驗，幫助他們更好地理解實驗的背景和目的。

（2）實驗演示。學生可以通過單擊圖標進入虛擬實驗界面。在該界面，系統會通過語音播放和動畫演示的方式詳細介紹實驗操作流程和注意事項。通過這一模塊的學習能夠迅速了解所選實驗的操作方法、設備以及控制功能。如果學生對某些不熟悉的操作細節有疑問，他們還可以通過反復播放來鞏固理解。

（3）實驗練習。在學習完實驗演示模塊的內容后，學生可以通過實驗練習模塊開展虛擬實驗操作，以掌握實驗操作技能。這一模塊是整個仿真平臺的核心，提供交互式的實驗環境，學生按照系統的提示選擇實驗參數和設備，并逐步完成各個實驗環節。

（4）實驗考核。該模塊的主要目的是考核學生對實驗操作的掌握情況。學生在選擇該模塊后，將在沒有提示的情況下獨立完成整個實驗流程。系統會逐項扣分以反映學生的錯誤操作，評估學生虛擬練習效果。

（5）實驗視頻播放。為了方便學生的預習和復習實驗內容以及操作步驟，指導教師錄制每次實驗課的授課內容，并將其嵌入到這一模塊中。學生可以根據需要自行觀看學習，解決了線下教學模式中教師講授內容無法重復學習的問題。

（6）輔助資料。該模塊給學生提供了其它的輔助學習資源，包括分析化學理論教學核心知識點、分析化學實驗相關儀器設備介紹與操作教程、化學實驗開展安全注意事項等其他教學和實驗管理相關資源的視頻、文字、圖片以及鏈接信息。

4?結論

虛擬仿真輔助教學模式可改善分析化學實驗線下教學模式中存在的學生預習效果差、實驗知識接受速度較慢、實驗效果不佳以及實驗試劑浪費等問題，同時還減少了實驗過程中的安全隱患。在未來的教學改革中，可以根據需要開發更多虛擬實驗項目并將其嵌入平臺中，以不斷擴展平臺功能，更好地滿足課程教學需求。此外，所采用的研究方法還可應用于其它實驗類課程的輔助教學中。

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