虛擬實(shí)驗(yàn)在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的作用

摘 要：化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)課程的一個(gè)重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)員實(shí)際動(dòng)手能力和科研能力的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。提出傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，闡述開設(shè)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義，通過開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)員實(shí)驗(yàn)興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)員的能力和素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；意義

21世紀(jì)國家高等教育改革一個(gè)很突出的方面就是對理論課和實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)進(jìn)行了調(diào)整[1]，縮短了理論課的教學(xué)學(xué)時(shí)，而增加了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)學(xué)時(shí)，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中的地位和作用，在我校新一輪的實(shí)驗(yàn)課程標(biāo)準(zhǔn)制訂中也明確規(guī)定了實(shí)驗(yàn)課程所占比例不得少于理論課程20%的學(xué)時(shí)。

一、傳統(tǒng)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程授課模式的缺陷

大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)課程的一個(gè)重要組成部分，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，通過實(shí)驗(yàn)不僅可以更好地鞏固和驗(yàn)證理論課程所講授的知識(shí)，更重要的是可以培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)。但是，學(xué)員通常對化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不夠重視，其原因主要有以下幾個(gè)方面：

1.學(xué)員多。大學(xué)化學(xué)作為一門公共基礎(chǔ)必修課，通常采取大班授課的模式進(jìn)行，每個(gè)班的學(xué)員人數(shù)都很多，而實(shí)驗(yàn)場地相對有限，所以開設(shè)實(shí)驗(yàn)往往比較困難。

2.實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，場地有限。大學(xué)化學(xué)理論授課時(shí)間為40學(xué)時(shí)，而大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的授課時(shí)間僅僅為8學(xué)時(shí)，由于學(xué)時(shí)的限制，想開設(shè)綜合性、創(chuàng)造性、開放性實(shí)驗(yàn)往往不可能。

3.開設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對單一。由于受到學(xué)員人數(shù)、課時(shí)、實(shí)驗(yàn)場地等諸多因素的影響，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對單一，只需要參照實(shí)驗(yàn)教材按部就班地進(jìn)行操作就行了，這些實(shí)驗(yàn)的開展通常起不到培養(yǎng)學(xué)員能力和素質(zhì)的作用。

二、開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)的意義

計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，對我國教育觀念和教學(xué)理念產(chǎn)生了深刻的影響，尤其是給傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和方法注入了新的活力。充分運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)手段，利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等資源構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，已成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教育發(fā)展的必然趨勢。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過傳感設(shè)備與之交互的新技術(shù)[2]。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起的模擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)場景的實(shí)驗(yàn)室稱為化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，而在化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室中可以進(jìn)行自主設(shè)計(jì)和模擬操作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，豐富了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，其主要有四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1.節(jié)省實(shí)驗(yàn)授課時(shí)間，彌補(bǔ)了學(xué)員學(xué)時(shí)少的缺陷。在實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)員通過計(jì)算機(jī)預(yù)習(xí)將要開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對儀器設(shè)備進(jìn)行基本了解，對實(shí)驗(yàn)過程中可能涉及的問題有初步的認(rèn)識(shí)。這樣教員在課上就可以重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及注意事項(xiàng)，留給學(xué)員足夠的時(shí)間動(dòng)手操作與練習(xí)。

2.激發(fā)學(xué)員興趣，彌補(bǔ)了非專業(yè)學(xué)員實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對單一的不足。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多數(shù)以驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一[3]，缺乏設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可靈活地增加各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也鍛煉和培養(yǎng)學(xué)員的獨(dú)立思考和創(chuàng)造性能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)朝著培養(yǎng)學(xué)員能力和素質(zhì)的方向發(fā)展。

3.減少實(shí)驗(yàn)所需儀器及藥品，解決了學(xué)員人數(shù)多，儀器設(shè)備少的問題。對于非化學(xué)專業(yè)來說，大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門公共必修課，面臨著學(xué)員多、實(shí)驗(yàn)教員少、實(shí)驗(yàn)場地有限的困難，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌_展很大程度上取決于該實(shí)驗(yàn)過程中的花費(fèi)。開設(shè)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，不需要耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)藥品，也不會(huì)對實(shí)驗(yàn)儀器造成損壞。虛擬實(shí)驗(yàn)操作也可以指導(dǎo)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以了解所用儀器的結(jié)構(gòu)組成、使用方法、注意事項(xiàng)等，在實(shí)際操作中就會(huì)減少出錯(cuò)機(jī)會(huì)，減少了實(shí)驗(yàn)過程中的藥品浪費(fèi)，儀器損毀率也大大降低。特別是針對某些昂貴儀器設(shè)備缺乏的情況，通過開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)可以得到有效的彌補(bǔ)。

4.對環(huán)境無污染，綠色環(huán)保，實(shí)驗(yàn)過程不存在危險(xiǎn)性。在開設(shè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，涉及的藥品很多都是有毒性的，對人和環(huán)境都具有一定的危害性，特別是一些涉及劇毒化學(xué)藥品的化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常是不允許開設(shè)的，利用虛擬實(shí)驗(yàn)就可以很好地解決這些問題。虛擬實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)員通過操作軟件，既能掌握實(shí)驗(yàn)的過程及要領(lǐng)，又不會(huì)對個(gè)人和環(huán)境造成任何危害。

三、開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)的效果

2011年，我系實(shí)驗(yàn)室在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中開設(shè)了半自動(dòng)電光分析天平的使用和酸堿滴定這兩個(gè)小的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過半自動(dòng)電光分析天平的使用實(shí)驗(yàn)，學(xué)員很好地掌握了天平的內(nèi)部構(gòu)造、使用方法、注意事項(xiàng)等，在實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)過程中，比沒有參與虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)員明顯熟練且出現(xiàn)操作錯(cuò)誤的幾率明顯降低。通過酸堿滴定虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)員學(xué)會(huì)了選擇合適的玻璃儀器及指示劑的方法，很好地掌握了移液管、酸式滴定管、堿式滴定管的使用方法以及滴定接近終點(diǎn)時(shí)的1/2滴操作，在實(shí)際動(dòng)手操作過程中，學(xué)員已經(jīng)熟練掌握了儀器的使用方法，對實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)也了然于心，比沒有參與虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)員明顯熟練且對玻璃儀器的損毀情況明顯降低。

通過兩項(xiàng)小虛擬實(shí)驗(yàn)的引入，提高了學(xué)員上實(shí)驗(yàn)課的興趣，更好地培養(yǎng)了學(xué)員獨(dú)立思考的能力。當(dāng)然，建立虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，并不是說完全丟棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，由虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)來代替，而是更好地利用虛擬實(shí)驗(yàn)資源，豐富補(bǔ)充和完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深學(xué)員對實(shí)驗(yàn)原理、步驟、注意事項(xiàng)的理解，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)員對實(shí)驗(yàn)過程中涉及的儀器設(shè)備的掌握。此外，還可使學(xué)員在課前自主預(yù)習(xí)，增強(qiáng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程的熟練程度，同時(shí)課后學(xué)員也可以對化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)操作，達(dá)到熟練掌握的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張昱，王彥斌.適應(yīng)新時(shí)期工程人才培養(yǎng)的化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶接慬J].西北民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（2）：88.

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（作者單位 海軍工程大學(xué)化學(xué)與材料系）