化学专业实验虚拟仿真技术探讨

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摘要:实验在应用化学专业学生的实践教学中处于非常重要的地位，但是传统实验教学模式有许多弊端，严重影响了教学质量。将虚拟仿真技术引入到应用化学专业实验教学中，可有效地解决限制化学实验教学发展的诸多因素，建立起传统方式和现代技术并存的实验教学模式。构建虚拟仿真实验教学平台，应遵从虚实结合的原则，设计多层次循序渐进的虚拟仿真课程并强化师资培训，以期为社会提供优秀的应用化学人才。

关键词:虚拟仿真;应用化学;实验教学

实验在高等学校的实践教学中处于非常重要的地位，具有直观和操作性的特点，是学生将理论知识转化为实践能力的主要途径。应用化学作为一门介于化学和化工之间的独立学科，所培养的人才需要具备化学方面的基础知识、基本理论、基本技能以及相关的工程技术知识和较强的实验技能［1］。可以说，实验教学贯穿整个应用化学专业学生的本科学习阶段。但是一些实验受到实验场地、条件、资源、设备和时间等诸多原因的限制很难开展，严重影响了学生的学习成效，使得教学质量面临着严峻的挑战。信息技术的发展为传统教学方式的变革提供了基础，虚拟仿真实验的广泛开展为强化实践教学、改善教学质量提供了重要保障。在虚拟仿真实验的开发过程中，一个信息化、网络化的集成环境被搭建起来，师生可以将听觉、视觉和触觉等感知的虚拟实验环境融入到课堂中，这为应用化学专业实验的教学提供了全新的思维模式［2－3］。

1应用化专业实验传统教学模式的不足

应用化学是一门应用性和实践性较强的专业，实验教学是该专业的重要组成部分，对学生的实践技巧与能力有着直接的影响，一些实验教学受到很多因素的影响，导致本科实验教学开展不顺利。

1.1实验时长，实验安全及环境保护问题

应用化学专业实验课程有一些特有的问题，譬如“苯丙乳液的制备”实验时间过长，影响学生积极性，实验效果也成问题;“703固化剂的合成”、“十二烷基硫酸钠的合成”等实验中要用到甲醛、氯磺酸等有毒刺激性试剂，这些实验需要通风设备完好，师生防护措施到位，否则会影响师生的健康。此外，实验中用到的酸、碱和有机溶剂等不可避免的地有部分排放掉，会腐蚀下水管道，污染水源，通常很难妥善处理。

1.2实验设备不足，难以满足教学需要

应用化学专业实验所需的仪器比较多，由于教学经费的限制，设备不足，一些仪器老旧功能不全或者根本不能使用;学生人数过多，而实验教学场地不足，导致同一实验重复教学，增加了实验设备的损耗几率和维护难度。并且，学生很难有充足的课程时间来理解实验内容和熟悉实验操作，只能凭借老师的讲述对实验细节进行想象，缺乏实际动手经验，造成实验课走过场的现象，降低了老师的教学热情和学生的学习欲望，严重影响教学质量。此外，为了解决仪器的不足，老师不得不设计同质的实验课程。而受经费紧张等因素影响，实验课程中训练科技前沿技能的实践内容偏少，开发和开展新实验存在客观困难。

1.3传统授课模式缺乏互动，影响教学质量

应用化学专业实验传统的教学模式是任课老师首先讲解实验知识点和实验操作要点，然后由学生自主操作完成实验。学生接受知识的能力不同，所掌握的基础知识程度也有差异，导致实验过程中必然有学生对实验知识或操作存在疑惑，有的学生会主动向老师请教讨论，但更多的学生是在“只知其然，不知其所以然”的情形下按部就班完成实验，对实验现象的观察没有目的性，对出现的实验结果缺乏预见性，很多学生在对实验还存在疑问的情况下就离开了实验室，使得实验课的教学效果不明显，不利于专业人才的培养。

2虚拟仿真实验技术的优势

虚拟仿真技术可以搭建出一个既真实又虚拟的环境，学生在仿真的环境下学习会有新鲜感和愉悦感，能够迅速进入学习状态，让学生更快更好地掌握相关实验操作技能，提高了学习效率。

2.1拓展实验教学内容

虚拟仿真实验通过综合运用交互式多媒体和虚拟现实等现代科技，打破了传统的实验时间和空间的限制，借助于虚拟仿真平台，师生之间可以进行及时和有效的沟通。在有互联网的情况下，仿真实验可以在线上进行，不受实验时长的限制，对实验地点也没有要求，改善和弥补了传统实验因教学条件不具备而做不好或做不到的情况，解决实验安全，降低环境污染，同时将前沿的应用化学科学技术引入到实验中，确保应用化学专业实验教学的先进性。

2.2改革传统教学模式

利用虚拟仿真技术，实验教学就可以转换成老师设计指导，学生自主完成的过程，学生可以根据自己所学知识，改变各种物料配方的配比，通过观察和产品最终性质的差异，验证自己的假设，加深知识的巩固程度，充分体现了应用化学综合实验的应用型特质。在这个过程中，学生不自觉完成了思考问题、解决问题的程序，通过反复操作，理解实验原理的本质，并提高分析能力和解决能力。与传统教学相比，虚拟仿真技术改变了被动获取知识的模式，学生更加主动，提高了创造力。

2.3减少消耗、降低经费

在传统应用化学专业实验中，由于场地限制和仪器数量不足，学生需要分批次做同一实验项目，此外，学生由于操作问题，造成实验结果不理想，需要重复实验，这些都不可避免地造成试剂浪费和仪器损坏的现象。采用虚拟仿真技术，学生在虚拟平台上进行实验操作，解决了仪器损坏和试剂浪费的问题。随着应用化学的快速发展，常规的实验仪器和实验方法已经明显落伍，实验课程要赶上科技的进步，就需要配套购置价格不菲的高精尖仪器设备，而通过虚拟仿真技术则可以避免这种情况，学生可以在虚拟情景下操作前沿的实验项目，教学质量提高了，实验消耗则减少了。

3虚拟仿真应用化学专业实验教学平台的建设思路

当前，现代信息技术与高校教学的整合力度不断加大，国内很多高等院校都相继开展了虚拟仿真实验教学。虽然虚拟仿真实验技术大大提高了实验教学的便利程度，但仍需改进构建的方式方法，以便摸索出适合应用化学专业发展的实验教学体系。

3.1虚实结合原则

虚拟实验教学中，学生没有进行实际操作，这样会失去传统实验的体验感。应用化学本身是一门强调实践的学科，因此，应用化学专业实验教学首先应以实际操作为基础，虚拟仿真技术做补充，切忌本末倒置。在条件允许的情况下尽量使用传统实验教学，只有当实验条件满足不了教学时，适当引入虚拟仿真教学平台，做到以虚补实，虚实结合［7］。

3.2实验课程的设计

构建三个层次的虚拟仿真实验模块，分别为基础实验、综合性实验和创新性实验［8］。基础实验层次要让学生了解应用化学专业实验的开设背景、基本操作技能以及实验安全知识;综合性实验要让学生掌握专业的实验操作技能，逐步解决实验问题以及有目的性地设计实验;创新性实验用以开拓学生视野，激发学生的创新思维和创新意识，提高其创新实践的能力。

3.3师资力量的培训

虚拟仿真实验平台应由学校和相关企业共同合作开发和维护，然而，大多数任课老师可能不懂虚拟仿真技术，也不会操作虚拟仿真实验教学平台。因此，为了更好地开展虚拟仿真实验课程，应该对任课老师进行虚拟仿真技术和相关信息技术的培训，以利于提高虚拟仿真教学平台的使用效率和教学质量。

4结语

将虚拟仿真技术引入到应用化学专业实验教学中，可有效地解决限制化学实验教学发展的诸多因素，建立起传统方式和现代技术并存的实验教学模式。在构建虚拟仿真实验教学平台时，应遵从虚实结合的原则，设计多层次循序渐进的虚拟仿真课程并强化师资培训。利用虚拟仿真实验平台不仅可以创新并改革实验教学模式，还能够丰富实验教学资源，最终提高实验教学质量，为社会提供优秀的应用化学人才。

参考文献

［1］李凡修，孙首臣，邓仕英，等.浅谈应用化学专业实验教学改革与实践［J］．实验室研究与探索，2014，33(4):198－202.

［2］高东锋.信息化时代高校实验教学改革的要求、思路与路径［J］．中国高教研究，2018(4):93－96.

［3］张敏，刘俊波.对高校虚拟仿真实验教学项目建设的若干思考［J］．中国现代教育装备，2020(1):10－13.

［4］迟双会.虚拟仿真技术在组织学实验教学改革中的探讨［J］．科教导刊(中旬刊)，2020(4):40－41.

［5］杨振德，玉舒中.森林保护学虚拟仿真实验教学体系的构建［J］．教育教学论坛，2016(21):268－270.

作者：聂俊琦 单位：湖北大学化学化工学院