虛擬仿真技術在《物理化學實驗》教學中的應用初探

摘要：《物理化學實驗》課程屬于化學類專業基礎實驗課，意在加強學生對物理化學理論知識的理解和掌握能力，同時提升其動手操作能力和解決實際化學問題的綜合實踐能力。針對傳統《物理化學實驗》課程存在學生預習印象不深、參與度不高、教師在實驗過程指導難度大等諸多問題，將具有實驗安全性高、綠色無污染、自帶教學管理功能等優點的虛擬仿真技術融入實驗課程教學中，能夠激發學生興趣，提高學習主動性，提升《物理化學實驗》課程的教學效果。文章介紹了飽和蒸氣壓的測定和原電池電動勢的測定實驗的虛擬仿真軟件操作流程，通過介紹實際案例，加強對虛擬仿真技術的認識。

關鍵詞：虛擬仿真技術；物理化學實驗；教學改革；遠程教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2024）10-0076-04

作為化學類學生的專業基礎實驗中的一門課程，物理化學實驗占據著舉足輕重的地位，該課程一般與物理化學理論課程同學期開設，通過學習實驗操作過程，加強學生對物理化學理論知識的理解和運用能力，并能夠熟練使用實驗儀器測試基本的物理量，提升學生有關物理化學的實驗技術能力。隨著科學技術的不斷進步，在教學過程中加入新的教學元素，豐富實驗內容，已成為了當前實驗教學中的重點改革內容。在眾多技術手段中，虛擬仿真技術已經取得了一定的發展，高校教師也在教學過程中逐步借助先進的虛擬仿真技術，不斷豐富課堂內容，提升教學效果，因此，基于仿真技術在教育教學中的應用也逐漸成為高校的關注熱點。

1物理化學實驗

化學知識體系的創建離不開化學實驗的發展，其中，物理化學實驗占據著舉足輕重的地位。與有機、無機化學實驗相比，物理化學實驗則通過借助大量的儀器設備，測試一個化學反應過程的熱效應和各物理參數的改變，因此，不僅要求學生要掌握基本的實驗原理，更要熟悉有關儀器設備的操作流程。同時，當實驗過程出現意外情況時，也要求學生能及時解決困難，順利完成相關實驗內容。然而，傳統物理化學實驗的模式往往是“教師講解理論和儀器操作-學生根據要求做實驗-處理實驗數據-書寫實驗報告-教師批閱實驗報告”，授課教師根據學生平時實驗報告書寫、實驗操作表現和期末考核決定最終成績。我校的物理化學實驗成績由平時成績（60%）和期末考察（40%）決定，平時成績主要包含學生的出勤情況、實驗紀律、實驗預習報告和數據處理等，期末考察則以實驗操作為主要形式。然而，這種教學和考核模式往往存在諸多不足：

（1）不同于常見的實驗儀器，物理化學實驗中往往用到學生未曾用過的儀器，如電導率儀、壓力計、氧彈、恒電位儀和電位差綜合測試儀等，學生在預習過程印象不深，導致實驗過程效果差，出現問題時往往不知如何處理。

（2）由于物理化學實驗中所用的部分儀器價格較為昂貴，數量受到經費的限制，因此在教學過程中往往采用多人共用一套實驗設備進行相關實驗，導致大多數學生的參與度很低，甚至部分學生全程只是在觀看，缺乏實操的經歷，達不到實驗教學目的。

（3）因為實驗儀器種類繁多，學生又不能熟練每種儀器的操作，因而在實驗操作過程中存在一定的誤操作情況，從而導致整個實驗操作過程的失敗，甚至出現實驗儀器的損壞、人員受傷等嚴重事故。

（4）由于實驗與理論教學存在一定程度的脫節問題，往往理論尚未學到，實驗卻已經開始，加上實驗課教學時間有限，教師更加注重實驗原理的講解，針對實驗儀器的使用，無法做到操作全程的演示，學生也只能按照實驗步驟簡單重復一遍，導致對實驗印象不深刻，最終無法達到實驗課程教學目標的要求。

因此，為了解決物理化學實驗存在的諸多問題，迫切需要引入全新的教學元素。基于目前網絡技術的快速發展，將多媒體技術、“云”技術等引入到教學環節，建立物理化學實驗虛擬仿真平臺，打造全新的線上一線下混合教學模式，在完成必要的實驗教學目標的同時，能夠激發學生的創新意識、提升學生的自主學習能力。

2虛擬仿真技術

自從虛擬實驗室的理念被美國的William Wolf教授提出后，國內外諸多大學開始探索其在實驗建設方面的應用。眾所周知，所謂虛擬仿真實驗，主要是通過借助圖像、動畫和虛擬現實等技術，構建一個逼真、具有視聽觸等感知的實驗環境和操作流程，從而取代一些實驗環節。隨著現代信息技術的快速發展，虛擬仿真實驗已經被越來越多的高校用于實驗教學過程，提高了學生的積極性和主動性，從而在一定程度上克服了傳統實驗教學中的問題，達到了令人滿意的教學效果。目前來看，虛擬仿真實驗主要有以下優勢：

（1）實驗過程綠色安全。盡管傳統物理化學實驗過程大多數所選用試劑藥品的危害性較小，但也具有一定的易燃、易爆性，甚至有些實驗項目會產生重金屬離子等，如繪制氣液相圖所使用的環己烷、乙醇等屬于易燃物質，原電池電動勢測定實驗中的硝酸鉀、硝酸銀等不僅易爆，而且使用到了重金屬離子，不僅會對實驗人員帶來安全隱患，還可能會污染環境。而虛擬仿真實驗則不存在以上諸多問題，因為其采用的全是虛擬藥品，不存在真實的試劑，所以實驗過程絕對安全可靠，真正實現零危害、零污染。另外，由于未使用真正的化學試劑，所以也降低了實驗成本。

（2）激發學生興趣，提高學習主動性。虛擬仿真實驗可以采用線上開展模式，在校園局域網內，學生可以隨時觀看實驗演練，掌握使用儀器構造、運行原理和實驗操作，并可獨自進行多次實驗模擬，不再受固定場地和時間約束，能夠有效提升學生的學習主動性，對學生在預習實驗還是復習知識方面，都有積極的幫助。同時因為是虛擬仿真實驗，允許了學生進行各種嘗試，反反復復進行實驗，對于違規操作導致的嚴重后果，系統會給出文字提醒，學生也能及時分析原因，通過人機互動系統，增加實驗樂趣，激發學生的興趣。在真正實驗過程中，學生也能大幅度降低錯誤操作的頻率，保護實驗儀器，從而降低了維護成本。

（3）自帶管理功能，提升教學效果。虛擬仿真實驗平臺可對使用者的每個操作進行評分，最終取得實驗總分。學生通過模擬實驗，能夠快速掌握關鍵實驗步驟，在真實實驗過程，做到心有成竹、游刃有余，提高實驗效率。當然，也可導出未參加預習或得分低的學生名單，方便教師對該類學生進行預習督促和課堂管理，提高學生的自覺性。

盡管使用虛擬仿真實驗平臺有諸多益處，但是其也存在一定的不足之處。首先，虛擬仿真實驗屬于一種軟件，其在設計的過程中已經程序化，學生只能按照預設的正確模式進行操作，或按照已規劃好的錯誤進行操作，當進行其他錯誤操作時，往往不可進行，因此，學生自主操作的空間受到一定的限制，容易使學生失去興趣。再者，由于在軟件中不可能將所有的可變因素都引入其中，因此學生在某些環節可能缺乏了試錯的機會，在真正的實驗過程中則往往會帶來一些錯誤操作，導致實驗失敗，更有甚者，會引發嚴重的安全問題。最后則是因為軟件是程序化的，實驗數據都是提前寫入到程序中的，所以導致數據過于單一，在數據分析等過程也缺乏多樣性，使得學生的實驗結果相同，這與真實實驗結果往往存在一定出入。

3虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的改革與建設

基于虛擬仿真實驗平臺的諸多優勢，很多高校已經建立了一部分實驗項目，并開始了實踐教學活動。我校作為普通本科院校，起步較晚，雖然已經組建了一些實驗平臺，但還未真正應用于學生的教學。目前我校開設的物理化學實驗項目涵蓋了熱力學、電化學和動力學等15個實驗項目，但僅有部分實驗擁有完備的虛擬仿真軟件，如液體飽和蒸氣壓的測定實驗和原電池電動勢的測定實驗等。對于飽和蒸氣壓實驗，實驗內容主要分為實驗原理、注意事項、儀器簡介、三維仿真、虛擬考核和數據處理六個模塊。在實驗原理中，主要介紹了本次實驗的實驗目的和理論基礎，實驗目的要求學生不僅要掌握飽和蒸氣壓和溫度的關系，即克勞修斯一克拉佩龍（Clausius-Clapeyron）方程（lnp₂/p₁=-Δ_vapH_m/R （1/T₂-1/T₁），而且要掌握實驗儀器的操作過程，學生通過該模塊的操作練習，可以熟練掌握理論基礎，為后面實驗部分中數據的測量和記錄等內容做好鋪墊。注意事項中，則重點介紹了實驗過程中儀器使用方面的注意點和操作上容易出錯的地方，如減壓速度不可過快、等壓計管中的液體不可以進入球體中、升溫速度不可以太快、嚴防空氣倒灌等等，通過該階段的學習，學生可以牢固掌握實驗儀器的使用，并在實驗中避免出錯，既達到了對實驗儀器的愛護，也保證了數據采集的準確性。儀器簡介部分，則是將實驗儀器進行拆解，讓學生了解儀器的組成，特別是緩沖儲氣罐和等位計等關鍵部分，通過介紹儀器的組裝，方便學生在實驗過程進行操作和維護。虛擬仿真軟件的核心在于讓學生感受實驗過程，通過借助軟件，達到身臨其境的感覺，因此三維仿真是該實驗的核心部分，通過該模塊的學習，學生將“親身體會”實驗的操作過程。當學生通過虛擬仿真軟件進入該模塊后，首先則是連接實驗儀器，通過分別點擊不同實驗組成部位，系統軟件進行模擬組裝，展示過程，最終將整套儀器搭建完成。然后則是加樣，通過動畫演示的方式，將本次實驗樣品加入到等位計中，并將冷卻水、抽氣裝置等連接完整，并設置溫度進行加熱，隨后進行抽真空操作，并進行儀器的檢漏操作，若無漏氣現象，則可以正常進行實驗。當一起準備完備后，則開始實驗操作，通過設置溫度、調控平衡閥等一系列操作，使等壓計管中液體頁面持平，隨后進行數據的記錄工作。重復測定多個溫度點的數據后，則實驗結束。當實驗完成后，逐步將組成部分拆解下來，清理干凈以便下次繼續使用。三維仿真部分，基本還原了實驗的操作過程，通過該過程的學習，學生已經牢牢掌握了實驗的操作部分，當真正進入實驗室進行操作時，可以熟練掌握并完成數據記錄等工作。虛擬考核部分，則是扣除三維仿真過程的提示功能，讓學生獨立完成實驗操作，檢驗學生的掌握能力，并最終進行計分統計，可以方便教師掌握學生的學習動態。數據處理過程中，學生通過數據模擬建立線性關系，并運用克勞修斯一克拉佩龍方程，計算出乙醇的摩爾汽化熱和正常沸點。

雖然仿真軟件給出了實驗原理、操作內容和數據處理等一系列模擬過程，但由于虛擬仿真實驗平臺自身的缺陷，學生缺乏實際操作過程的真實感，無法做到完全取代傳統的實驗教學過程，基于虛擬仿真軟件的劣勢，作為授課教師，要充分利用虛擬仿真實驗平臺去服務傳統的實驗過程，將二者牢牢融合于一體，才能打造出一個更加合理、更加先進的物理化學實驗教學模式。

一般高校在傳統的物理化學實驗教學模式中，往往先由學生自主預習實驗內容并抄寫實驗預習報告。然而部分學生并未認真預習，只是簡單把實驗書本中的相關內容不加思考地簡單抄寫一遍，至于預習效果，教師也不得而知。因此，借助虛擬仿真實驗，讓學生自主預習，并完成相關測試，最后匯總，由教師監督并督促學生及時完成預習任務。在教學過程中，教師可以改變傳統的教學方式，即講述實驗原理、過程操作和注意事項等，采用“翻轉課堂”等形式，集中探討實驗操作和存在的易錯部分，確定最終優化方案后，由學生獨立完成相關實驗。通過師生共同探討的方式，學生的主動性和積極性得到提升，更愿意參與到實驗中，最終完成實驗教學目標。例如，對于“燃燒熱的測定”實驗，其牽扯到的操作非常繁瑣，且注意事項、注意細節很多，稍不留意，則極可能造成實驗失敗。在壓緊樣品中既不能壓太緊，亦不能壓太松，否則均會使樣品燃燒不充分；在掛燃燒絲過程，則要求更高，燃燒絲不能碰到坩堝，還要與電極和樣品有很好的接觸，否則樣品不能被點燃導致實驗失敗，甚至引發短路，造成儀器的損壞；充氧氣過程中，則要求學生們掌握充氣技巧，同時要檢測氧彈是否漏氣。雖然在實驗過程中，教師反復強調，但內容過多，學生難以完全掌握，依然會有實驗失敗的可能。再如“原電池電動勢的測定”實驗，其注意細節也很多，學生往往不能完全掌握實驗過程中的操作步驟，特別是組裝電池的過程中，很容易出現斷路現象，嚴重情況甚至引發短路。在鹽橋制備過程中，需要趁熱加入含飽和硝酸鉀的瓊脂水溶液，且“U”型管中不能出現氣泡；在組裝電池時，電極要放入到對應的溶液中，且正負極不可接觸；搭建儀器時，正負極不可接反，增加電壓過程中要依次旋轉相應按鈕，直至檢流示數顯示為零。借助虛擬仿真實驗平臺提前預習，掌握每一個技巧，并了解誤操作可能會出現的后果，這樣在實驗過程中就可以有效地避免出現問題，順利高效地完成實驗操作，取得良好的實驗教學效果。

實驗數據的處理是學生實驗掌握能力的重要體現，由于物理化學實驗對儀器的依賴性很強，但受到儀器數量的限制，部分學生無法親自動手實驗，甚至一些自覺性差的學生更不愿參與實驗，最后選擇直接抄襲其他同學的實驗數據和數據處理過程，失去了實驗教學的意義。借助虛擬仿真實驗平臺，每位學生都可以親自參與實驗全過程，掌握實驗原理、注意事項，進行實驗操作，獲取實驗數據，并對實驗的結果進行計算，進而達到相關實驗的目的。物理化學仿真實驗可以彌補傳統實驗教學過程中存在的不足之處，將整個實驗過程進行完善，不僅激發了學生的實驗樂趣，還可以提升學生的綜合能力，對于人才培養也起著非常重要的促進作用。

4總結

依賴虛擬仿真實驗技術的不斷進步，虛擬仿真實驗在教學教改中將扮演著越來越重要的角色。在物理化學實驗教學中，相比于傳統的教學模式，虛擬仿真實驗在實驗安全、實驗成本和課堂管理等方面具有自身的獨特優勢。作為授課教師，要不斷提升自我教學能力和專業知識素養，積極探索新的教學模式，結合傳統教學模式和虛擬仿真技術的各自優勢，認真總結，充分調動學生的自主學習的主動性，進一步提高教學質量。