物理化學虛擬實驗教學法的應用①

張文英，袁 帥

(重慶郵電大學生物信息學院，重慶400065)

物理化學虛擬實驗教學法的應用①

張文英，袁 帥

(重慶郵電大學生物信息學院，重慶400065)

傳統物理化學實驗教學模式存在諸多弊病，為了提高教學效果，我們將計算機仿真應用于本校的物理化學實驗教學中。這種教學方式充分體現計算機技術在化學學科領域中的優勢，極大提高了學生的學習積極性。但這種教學方式畢竟是仿真實驗，必須與實際實驗操作有機結合才能更好地建立一個合理、有效的化學實驗教學體系。

計算機仿真;物理化學實驗;虛擬實驗

化學實驗是各大中專院校化學、生物、制藥工程等學科專業的基礎必修課程，通過實驗可以使學生獲得較全面的訓練，鞏固課堂所講授的基本理論，培養動手能力、觀察能力、獨立思考能力和創新能力。國務院總理溫家寶在2012年政府工作報告中指出:“要全面加強人才工作，加快培養造就一大批創新型科技人才和急需緊缺人才。”過硬的實驗教學質量是培養這樣的人才關鍵。國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010－2020年)明確指出:“加強實驗室、校內外實習基地建設，支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節，從而培養學生實驗科學素質和實踐創新能力是實驗教學改革的中心任務。”然而，傳統的化學實驗教學模式存在諸多弊端，例如實驗內容陳舊、存在環境污染等。為了提高教學效果，必須引入新的理念和手段。我們以重慶郵電大學制藥工程專業的物理化學實驗為例，探討虛擬仿真技術在物理化學實驗教學改革中的應用

物理化學實驗的目的是使學生通過實驗加深對物理、化學基本原理的理解，學習基本的物理、化學實驗方法和測量技術，學習用先進的儀器進行科學實驗，提高應用物理、化學理論知識解決實際問題和進一步創新的能力［1］。在物理化學實驗教學中，存在以下不足:(1)由于教學條件的限制，比如儀器設備不足，往往是數個實驗同時開設，學生輪流做，這既增加了教師的工作強度，也影響到實驗效果;(2)由于物理化學實驗一般耗時較長，對于實驗中遺漏的細節，無法回頭觀察．而且實驗操作一般只做一遍．不易形成深刻的記憶;(3)物理化學實驗所需儀器設備多，原理復雜，預習難度很大。學生往往是在實驗室里按照實驗教材匆匆重復一遍，沒有仔細思考，難以達到預期的教學效果。基于上述情況，我們在物理化學實驗中引入虛擬仿真實驗，以彌補傳統實驗方式的不足。

一 計算機虛擬實驗的優勢

計算機虛擬化學實驗是以計算機虛擬仿真技術為核心，創建一個可視化的實驗操作環境，每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備，即可進行各種實驗［2，3］。使用者既可以借助視頻或flash動畫直觀地了解各種操作過程、儀器的使用，也可以通過鼠標的點擊以及拖曳在虛擬實驗軟件平臺上對這些實驗項目進行操作。譬如物理化學虛擬實驗中使用三維動畫仿真技術，詳細地描述了氣液平衡相圖、燃燒熱、飽和蒸汽壓、表面張力、粘度法測分子量、凝固點下降法測分子量、皂化反應、金屬相圖、原電池電動勢等經典物理化學實驗的目的、原理、操作過程及注意事項，而且還提供了物理化學實驗常用儀器的使用介紹。這種新型的教學模式解決了傳統物理化學實驗中的多方面問題，在實驗教學中顯示出顯著的優勢。

1．減少環境污染，有利于實驗者安全

一般說來，化學實驗室除了通風設施外，基本上沒有更好的保障措施，而絕大部分實驗藥品和實驗產物都具有毒性、腐蝕性、揮發性且易燃、易爆，因此很難避免化學物質對實驗員和科學工作者的身體造成的危害。此外，很多化學實驗的反應物和產物都會嚴重污染水體和大氣，造成整個自然環境的污染，給環境保護帶來了極大的壓力［4］。特別是一些具有劇烈毒性、腐蝕性、設備復雜的實驗，很多學校無法開展，使得學生難以深入地理解這一部分內容。虛擬實驗室里做實驗遠比在現實實驗室里安全，有些化學反應比較劇烈，學生在虛擬實驗室中做這些實驗，既能對實驗現象和過程很好地仿真而又不必冒著發生傷害或意外爆炸的危險。學生也可放心地在虛擬實驗室里試用新的實驗技術，不用擔心發生事故。

2．打破時間、空間限制

由于受到實驗室場地容積限制，而參與實驗的學生人數眾多，傳統的實驗教學必需嚴格按照事先安排的固定時間進行。由于實驗中通常會出現意外而導致失敗，在規定的時間內無法完成，因而嚴重影響了實驗教學效果。虛擬實驗教學客觀上實現了實驗室空間和時間上的延伸，隨著計算機和網絡的普及，學習者既可以在規定的上課時間和地點進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗，也可以在自由時間時在宿舍、公共機房等任意連接互聯網的地點進行虛擬實驗操作［5］。時間和空間的延展為虛擬實驗提供了極大的自由度，有利于學生隨時隨地預習和操作。

3．提高學生的學習主動性

在傳統實驗教學中，學生往往對預習不夠重視，只是根據實驗教案重復實驗步驟，導致學生在實驗過程中的盲目性和對實驗課程的不重視，產生了僅為完成實驗而“照單抓藥的”現象，而不是先認識實驗原理，實驗中仔細觀察現象，出現問題思考、分析、解決問題的良好實驗態度。此外，某些實驗比如“飽和蒸汽壓的測定”等的儀器設備復雜，而只能幾個同學一組來完成的實驗中，難免出現一部分學生不積極主動，依賴其他同學，抄錄實驗結果，甚至干脆直接抄襲同學實驗報告的現象。學生這種不認真的態度不利于其實驗操作技能的提高，也不利于其觀察、發現、分析、解決問題等應用性能力的提升。

虛擬實驗室模擬了一個逼真的、強交互性的實驗環境，在其中，學生可以通過鼠標和鍵盤自由地進行各種實驗。計算機仿真實驗平臺將實驗過程設計成形象、直觀的操作軟件，讓學生在計算機上模擬實驗操作。虛擬實驗的屏幕上將出現該實驗的學習菜單，包括實驗原理學習、實驗步驟、實驗演示、課堂復習、問題討論、實驗要點等．這種模式使學生對實驗過程有了形象具體的認識，激發了學生的學習興趣，同時如果不事先仔細預習，實驗步驟就無法繼續下去，加強了預習的效果。而且模擬操作實驗可以反復進行，直到將所學知識熟記于心，不僅有利于強化教學效果，而且降低教學成本、提高教學效率。

4．彌補實驗經費不足的問題

網絡教學最大的優點是共享資源，傳統實驗教學對儀器設備和藥品試劑資源的需求量比較大，費用也比較昂貴。在某些專業性較強或經濟能力有限的院校更是不可能將大量的資金花費在化學實驗室的建設上。一套虛擬實驗軟件僅需幾千元，可以覆蓋大多數驗證性實驗，節約了實驗藥品和儀器，而且利用網絡輕松實現資源共享，較好地緩解了缺乏昂貴儀器，學生動手操作機會少的普遍矛盾。

二 計算機仿真化學實驗的局限性

計算機仿真實驗，由于其高度逼真的仿真能力，生動的界面與靈活的互動畫面，在操作性極強的化學實驗教學中能彌補傳統化學實驗教學的不足，具有許多優點，但是如果完全用仿真實驗來進行化學實驗教學會淡化學生對真實儀器的感受，減弱學生的基本實驗操作技能。因此不能將仿真實驗完全取代傳統化學實驗教學。其次，雖然虛擬實驗不受時間地點限制，學生可在任意時間地點進行實驗，但減少了師生間的互動。學生操作時發現的問題不能及時反饋給教師，教師也不能及時掌握實驗情況和發現教學中存在問題，難以貫徹因材施教原則，更減少了師生之間的感情交流。再次，計算機仿真實驗按指令要求運行相應的程序，一般實驗都能完美無缺地進行，實驗結果與理論分析完全一致，學生很難在實驗中思考新問題，這也在一定程度上禁錮了學生的創新思維。因此，計算機仿真實驗不適用于創新性的探索實驗。

三 結 語

為了改進傳統物理實驗教學模式存在的諸多弊病，提高教學效果，提高資源利用率，我們首先將計算機仿真實驗應用于本校的物理化學實驗教學中，經過一段時間的實踐表明這種教學方式極大提高了學生的學習積極性，是物理化學實驗教學的一大突破，充分體現計算機技術在化學學科領域中的具體應用，今后我們會將其推廣實施到其他化學實驗教學中。但這種方式畢竟是仿真實驗，而不是全真，必須與實際實驗操作有機結合才能更好的為今后的化學教育建立一個合理、有效的化學實驗教學體系。

［1］鄭傳明，呂桂琴．物理化學實驗［M］．北京:北京理工大學出版社，2005．

［2］胡曉波，李 琰，王艷芳．計算機仿真技術在實驗教學中的應用［J］．實驗室科學，2007(2):121－124．

［3］師書恩．計算機輔助教學［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［4］凌育趙．計算機在化學實驗綠色化中的應用［J］．中山大學學報論叢，2005(4):507－509．

［5］陳 田．計算機仿真實驗在化學實驗教學中的應用［J］．實驗室科學，2009(6):43－44．

(責任編校 羅 淵)

G42

A

1674－5884(2012)06－0108－02

2012－04－13

重慶市教委教改項目(0833227);重慶郵電大學專業提升計劃(TSJHD904);重慶郵電大學教改項目(XJG1106)

張文英(1976－)，女，云南個舊人，講師，博士，主要從事物理化學教學與科研工作。