化學實驗與虛擬仿真的融合發展研究

［摘 要］ 隨著數字化教學手段的不斷迭代，全國高校陸續搭建起可供本科生、研究生線上學習的“云課堂”。盡管線上教學組織迅速、種類豐富，但長期的線上授課也暴露出諸多問題，如受到平臺App限制，線上教學互動不夠充分，學生課程主動性偏弱導致容易分神，甚至自律性不強的學生可能游離于課堂之外。化學類實驗課程與理論課程傳授知識的模式不同，偏重操作性的學習和考查，需要在特定的實驗室內完成授課。虛擬仿真實驗的出現雖然不能完全代替線下實驗的體驗，但其不拘泥線下實驗室場地與設備的限制，其特有的豐富動畫、嚴密實驗操作邏輯及超高的安全性為實驗類教學開辟了新的教學模式。

［關鍵詞］ 化學實驗課；虛擬仿真；線上實驗；高安全性

［基金項目］ 2021年度黑龍江省教育廳和中國學位與研究生教育學會關于研究生教育研究課題“創新驅動轉型背景下的研究生產科教融合培養模式研究”（2020MSA230）；2023年黑龍江省高等教育教學改革研究一般研究項目“省屬高校依托雙創競賽的創業人才培養新探”（SJGY20220197）

［作者簡介］ 陳 碩（1985—），男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，黑龍江大學化學化工與材料學院副教授，主要從事有機光電材料研究；張 靜（1987—），女，黑龍江綏化人，博士，黑龍江大學化學化工與材料學院教授，主要從事有機發光材料研究；許 輝（1978—），男，湖北宜昌人，博士，黑龍江大學化學化工與材料學院教授（通信作者），主要從事有機發光材料研究。

［中圖分類號］ N42 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）46-0033-04 ［收稿日期］ 2023-09-02

引言

2020年以來，全國各高校認真組織開展線上教學。教育部高等教育司負責人就《教育部等五部門關于加強普通高等學校在線開放課程教學管理的若干意見》答記者問時表示，在線教學、線上線下混合式教學已逐步成為高校教學新常態。利用騰訊會議、釘釘會議等App通常能夠解決傳統的線下授課模式存在的問題，但理工科培養計劃中大量的實驗類課程通常需要在實驗室開展教學，需要使用特殊的實驗儀器和試劑，線上教學完全不具備實驗課程的硬件條件。化學類實驗作為化學理論課程的補充，不僅有利于鞏固基礎理論知識，還可通過實驗操作鍛煉學生的基本操作及夯實相應的實驗理論。但鑒于當下實驗課教學模式及化學類實驗課程自身的復雜性、不可預知的危險性、受限于實驗成本及耗材價格等諸多因素，亟須開發并探索多媒體虛擬仿真教學方法，改變枯燥的語言授課模式。多媒體的動畫使學生身臨其境地感知實驗操作步驟和實驗現象，符合機動的授課方式，能夠給實驗教學質量帶來本質的提升。但虛擬仿真平臺屬于流程模式的操作平臺，暴露出諸多在傳統線下教學過程中無法規避的問題。在當前大環境下，本文以高等學校化學類實驗為著眼點，從辯證的角度剖析虛擬仿真平臺的優缺點、未來的使用模式和發展方向，觸類旁通至高校其他學科實驗類課程虛擬仿真平臺的建設和發展中。

一、虛擬仿真技術的引進與化學類實驗的融合

虛擬仿真技術從誕生至今經歷了幾個關鍵的發展歷程：20世紀50—70年代，虛擬仿真技術主要應用于軍事、航空航天和工程等領域。隨著信息化技術的不斷迭代，20世紀80—90年代，虛擬仿真技術逐漸應用于工業設計、醫學模擬、建筑設計等領域。至今，虛擬仿真技術在人類生活的各種領域均得到了廣泛發展和應用，包括虛擬現實、增強現實、計算機模擬等多種形式，應用領域涵蓋教育培訓、醫療保健、娛樂游戲、城市規劃等多個領域。我國多所知名“985”高校、國家重點實驗室和中國科學院等機構最早引入虛擬仿真平臺開展相關的科研和實踐教學，前期通過計算機輔助教學，播放視頻或動畫資源提高學生的學習興趣，由于制作水平有限，視頻資源的內容和質量較為粗糙。隨著信息化資源進入高校，越來越多的資金向教育傾斜，一大批制作精良的虛擬仿真資源注入高校［1］，多媒體資源輔助化學實驗從早期的被動觀看發展到如今的自主式情景帶入學習。對比國內外的虛擬仿真教學系統，國外的虛擬仿真平臺開發至少比國內早10年，且軟件制作水平和內容相較于國內同類資源不僅功能多，細節也更加豐富。但國外虛擬仿真資源也有一些弊端：如軟件價格過高；技術難度上不完全適合中國學生使用；國外很多成熟的實驗產品尚不支持網絡化操作，只能安裝到本地計算機上獨立運行；沒有配套的教學管理和知識輔助學習等。我國高校自主研發的虛擬仿真平臺針對上述不足和弊端開發出了更加適合于國內高校和研究院所的實驗平臺［2］。同時，針對國內授課現狀，虛擬仿真化學類實驗增加了課上師生互動和課后平臺練習與反饋，學生對課堂中沒有理解的實驗內容或失誤操作有更多的機會練習，能夠進一步加深對實驗的理解［3-5］。

虛擬仿真的不斷發展為教育方式的變革提供了有益助力。在過去兩年期間我們將化學專業學生使用虛擬仿真有機化學平臺上課的實驗成績，與相同專業學生的有機化學實驗成績進行對比（見圖1），使用虛擬仿真平臺上課對學生實驗成績的提升效果顯著，60—80分的人數占比明顯較小，80—100分的人數占比相應增加。

二、虛擬仿真技術與化學實驗結合的優勢

高等學校化學類實驗屬于操作性極強的實踐類課程，實驗過程會因操作者的方法和微環境的改變產生截然不同的實驗現象和結果。利用多媒體虛擬仿真技術將復雜的實驗操作可視化，相應的實驗現象通過栩栩如生的動畫展示給學生，如同學生身臨其境地開展實驗，具有極高的代入感，抓住學生的興趣點，短時間內掌握實驗內容和實驗重點，仿佛置身于真實的實驗操作中，更快地掌握實驗操作技能，避免操作錯誤導致的實驗失敗甚至安全隱患，軟件設計工程師和化學教師協同合作，借助虛擬仿真平臺的優勢設計出多樣的實

驗場景，使學生“掌握”更多的實驗操作能力［6-7］。高等學校近年來的線上教學實踐愈加完善，發展出一系列針對課前預習、課后鞏固的教學方式。化學實驗不同于理論課程，在無法確保線下順利開展時亟須通過虛擬仿真平臺“救場”，順利完成高校化學類本科培養計劃。虛擬仿真具有如下優勢：（1）降低教學成本。有效降低實驗儀器、實驗試劑和耗材的使用，從而節約實驗成本。（2）提高實驗安全性。在虛擬的情景中進行實驗，能夠最大程度地避免真實實驗帶來的潛在風險。（3）靈活的時間、空間控制。高校本科生具有大量的碎片化時間，可在課間等時間內隨時隨地開展虛擬實驗學習，不受限于時間和空間。（4）快捷的資源共享。通過網絡共享資源的便捷性和時效性，可將學習后生成的數據資料和自己整理的學習心得共享給內網的用戶或外網的所有用戶，大家相互借鑒學習結果和經驗，快速提高學習效率和成績。（5）不限次數的使用性。學生遇到沒有理解和掌握的知識和操作方法時，可反復在虛擬平臺中練習，加深或鞏固實驗原理、操作方法、關鍵步驟的各個方面。即便在正常線下化學實驗教學過程中，虛擬仿真教學同樣具有高效的輔助學習作用，結合其他教學方法同樣能夠提高教學效果，精致的多媒體動畫可以傳達語言無法描述的現象和情景，使學生仿佛沉浸在實驗中。通過仿真動畫，將實驗中危險操作產生的后果呈現給學生，有利于加深學生對危險的預判，從而減少線下實驗過程中產生的安全隱患。

在傳統的教學模式中，實驗課程通常是基于理論課程之后開展，這與常規的先理論后實踐的學習模式相符。但高校的理論課程和實驗課程的教學存在嚴重的割裂，理論和實驗的授課時間不同步，陳舊的實驗內容往往脫離了最新的科研、生產前沿，從而導致實驗內容滯后于理論甚至理論知識的學習也會大打折扣。傳統的實驗教學僅限于提供的幾個固定實驗，學生只需按照預定實驗方案操作就可完成實驗，然而在實際操作中可能受到儀器的型號、種類，實驗藥品的種類等各種因素制約，有些實驗耗時較長，占用6～8學時，大部分的時間用于加熱等待，且實驗過程會消耗大量的一次性資源，不利于節能減排，且無形中增加了實驗成本。虛擬仿真平臺可作為化學實驗課程前期的預習平臺使用，學生可提前掌握實驗儀器、試劑、操作流程等，有意識地在課上整理預習中的難點和疑點解。針對自律性不強的學生進入實驗室實驗時處于被動狀態，虛擬仿真平臺通過課前預習—課堂實驗—課后報告的形式預防事故發生，使學生高效地進行實驗。同時，虛擬仿真平臺不依賴于實驗環境、場地、儀器的限制，通過盡可能多的動畫展示豐富的實驗細節，與教師的授課內容形成對照和互補，相得益彰，在提高學生理解實驗本質、掌握實驗關鍵要點、加深實驗操作水平上有重要意義。

三、虛擬仿真技術融入化學實驗的不足

首先，虛擬仿真技術與真實的實驗場景相比最大的缺點是某些實驗環節與真實情景的再現脫節，這也是虛擬與現實無法規避的問題。更重要的是，化學實驗更加看重培養學生的動手能力，虛擬仿真平臺無法實現動手能力的培養。其次，學生在化學仿真實驗平臺操作過程中，涉及的回流、萃取、重結晶、蒸餾/分餾等操作的操作時間被極大地壓縮，2～3小時的回流在幾秒鐘內完成，無法體會“漫長的”實驗過程，通過點按鼠標即可完成整套實驗流程。最后，虛擬仿真化學實驗是完全程序化的，特定的情景通過軟件工程師編程在虛擬實驗場景中，如果學生按照設定的程序進行實驗操作，會彈出提示窗口指出實驗操作中的錯誤，一些偶然和意想不到的情況會被規避，而這些正是化學實驗的魅力所在，因此虛擬實驗不利于學生科學精神的培養。實驗結束后需要清洗所有儀器和處理實驗廢物，從某種意義上講，虛擬實驗的結束情景不利于使學生體會完整的實驗流程，培養勞動意識。實驗成績的評定過于模塊化，合成實驗的成果沒有良好的定性和定量評價，對成績的得失有失客觀。

四、虛擬仿真化學實驗的實施與發展方向

利用虛擬仿真平臺的演示、教師講解、設計提問等教學環節建立行之有效的教學模式，提高學生靈活運用理論知識理解實驗操作能力，緊密結合科研前沿和生活實際內容開展化學實驗教學，以理論知識在科學研究和生產實踐中的應用推進實驗課內容選擇，激發學生學習的積極性，培養學生用所學理論知識分析、解決實際問題的能力［8］。虛擬仿真平臺用于化學實驗課程包含幾個環節：課前預習，課上輔助講解，課后回顧教學內容及測驗等，具體教學方式如下。

1.以“有機化學實驗”中經典的乙酸正丁酯的合成為試點，學生通過虛擬仿真平臺提前了解分水器的原理和操作方法，厘清實驗流程脈絡和相關實驗步驟間的聯系與注意事項。

2.課上對實驗目的、實驗原理和實驗步驟進行講解，強調實驗操作的注意事項，建立與前沿科學、現實生活的緊密聯系的授課內容和思政元素的結合。

3.課后可以通過仿真平臺繼續練習實驗操作，鞏固課上知識點的理解，在知識結構體系上構建內容豐富的課程網絡互動App（網上答疑系統、微信/QQ自助預習/復習平臺、網上自主練習系統等），激發學生學習興趣。采用問卷調查、訪談等方法及時反饋學生對課程的評價，從而進一步跟進教學效果并進行數據分析、總結和持續改進虛擬仿真平臺的界面，提高展示的準確性和精美性。

高等學校化學類實驗以應用型人才培養為目標，以提高學生的知識水平和實驗操作能力為目的，注重教學內容與實際生產應用的結合。建設化學實驗類虛擬仿真平臺的共享，對促進化學實驗和理論課的教學質量具有重要作用。化學實驗配合理論課并行開展，對學生從根本上理解掌握理論知識起著關鍵性作用，更重要的是在培養能為地方經濟社會建設服務的應用型人才方面起著十分重要的作用。化學類課程理論性強、內容抽象、機理多變，容易使學生感覺到難學，產生厭倦的心理。仿真平臺的化學實驗使學生提前感知課程內容，培養學生用已掌握的基礎知識提出問題根源、分析問題本質，并從根本上解決問題的能力，進而使學生學會結合具體條件應用理論解決實際問題。因此，圍繞應用型人才的培養目標，進行虛擬仿真化學實驗軟件的開發與教學內容改革是當下高校實驗課教學的大勢所趨。

開發虛擬仿真實驗平臺，由于其獨特的虛擬性質并將其作為輔助型教學工具，具有真實的教學模式過程中不可替代的作用。有些實驗受限于實驗成本過高，實驗過程具有不確定的風險因素，實驗場地不具備開展實驗的情景，毒害化學品的使用等因素，開展虛擬仿真實驗可以有效規避因空間、時間、經濟成本、實驗條件等方面的不利因素。特別是對于演示實驗的開展具有特殊的意義，學生可在仿真平臺上自主學習教學大綱以外的資源，不僅可以擴展學生的知識廣度，還能夠培養學生的學習興趣。當前，虛擬仿真平臺已在全國各大高校全面投入使用，有效的虛擬實驗和真實實驗結合勢必能夠提高教學質量和學生的成績，為全新的教學思路提供參考。

結語

通過有效的虛擬仿真課件與課前、課上、課后教學緊密地結合，能夠使理工類本科生做好預習，增加課堂互動與鞏固教學成果。高等院校前期可投入部分資金搭建虛擬仿真平臺，購買或自主開發虛擬仿真軟件。平臺的靈活運用可以為學生提供全新的學習體驗，借助互聯網資源共享模擬實驗的數據和結果，最終使學生的基礎理論和實驗操作得到全面的提升。

參考文獻

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［8］DESTINO JOEL F， GROSS ERIN M. Students’ attitudes on remote-flexible instrumental analysis laboratory experiments during COVID-19［J］. Journal of chemical education，2022，99（4）：1820-1825.

Research on the Integration and Development of Chemical Experiment and Virtual Simulation

CHEN Shuo， ZHANG Jing， XU Hui

（School of Chemistry， Chemical Engineering and Materials， Heilongjiang University， Harbin， Heilongjiang 150080， China）

Abstract： With the continuous iteration of digital teaching methods， universities have built “classrooms on cloud” for online learning for undergraduates and postgraduates. Despite the speed and variety of online learning， long-term teaching online has also exposed many problems， such as limited by platform apps， insufficient interaction in online teaching， weak curriculum initiative of students， which leads to easy distraction， and even students with weak self-discipline may stray outside the classroom. Chemistry experiment courses are different from theoretical courses. They emphasize operational learning and investigation and need to be taught in a specific laboratory. Although the emergence of virtual simulation experiments can not completely replace the experience of offline experiments， it does not adhere to the restrictions of offline laboratory sites and equipment， and its unique rich animation， strict experimental operation logic and ultra-high security open up a new teaching mode for experimental teaching.

Key words： chemistry experiment class; virtual simulation; online experiment; high security