基于高校虛擬化學實驗研究若干問題的建議*

茹婷婷　石瑩巖　初學峰（吉林建筑大學基礎科學部，吉林長春130118）

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基于高校虛擬化學實驗研究若干問題的建議*

茹婷婷石瑩巖初學峰
（吉林建筑大學基礎科學部，吉林長春130118）

摘要：文章闡述了虛擬化學實驗的基本概念，重點分析了高校虛擬化學實驗具有的優(yōu)勢，分析了其與傳統(tǒng)化學實驗的差異性，并針對高校虛擬化學實驗研究提出了若干建議。

關鍵詞：虛擬實驗；化學實驗教學；虛擬技術

Abstract:This paper describes the basic concepts of virtual chemistry experiment，analyzes the advantages and disadvantages of the virtual chemistry experiment in university，and puts forward some suggestions for the studies of virtual experiment.

Keywords:virtual experiment；chemical experiment teaching；virtual technology

隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術不斷發(fā)展進步，虛擬化學實驗在高等院校教學中的地位不斷提高，其所具有的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)。通過虛擬的化學實驗操作，可以生動形象地展現(xiàn)出化學實驗的過程、實驗現(xiàn)象，從而增強化學實驗教學的沉浸感、安全性，超時空性。

一、虛擬化學實驗的概念

運用虛擬現(xiàn)實技術建立起的模擬現(xiàn)實化學實驗場景的實驗稱為化學虛擬實驗，在化學虛擬實驗中可以進行工業(yè)設計、虛擬實驗和虛擬制造［1-3］。它是一個由實驗教學、技術交流、共同研究、協(xié)同工作構成的網(wǎng)絡平臺。它是美國弗吉尼亞大學教授威廉·沃爾夫于1989年首次提出的“無墻的研究中心”［4，5］。他提出基于計算機網(wǎng)絡化的虛擬實驗環(huán)境，是將多種工具和技術的信息化、網(wǎng)絡化相綜合的集成網(wǎng)絡環(huán)境，使其具有傳統(tǒng)化學實驗無法比擬的特點［6］。如具有較強的沉浸感和超時空性、安全性；實現(xiàn)實驗容量無限和實驗的零損耗；實驗技能自動測評和化學實驗數(shù)字化等。

二、高校虛擬化學實驗的優(yōu)勢

由于受到時間和空間的限制，傳統(tǒng)的化學實驗的表現(xiàn)形式不靈活，主要表現(xiàn)為以下兩方面：一方面，實驗室的開放時間是固定的，使實驗室的使用率較低，不利于學生充分利用實驗資源；另一方面，要在同一實驗室完成所有實驗數(shù)據(jù)的采集和處理，對于實驗的順利完成不利。虛擬化學實驗是通過遠程訪問特定網(wǎng)站，用虛擬儀器代替真實儀器的虛擬實驗過程。在此過程中能夠進行相關參數(shù)的設定，并按特定過程完成實驗，從而獲得實驗結果。這樣不僅能夠提高化學實驗教學質(zhì)量、實驗效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享，解決實驗室的時空限制。虛擬實驗室的主要優(yōu)點如下：

（一）安全性高

虛擬化學實驗可以有效避免由于實驗操作失誤而引發(fā)的各種危險。對于一些危險或者在實驗過程中能夠產(chǎn)生有害物質(zhì)的實驗，通常都會利用多媒體展示來替代真實實驗，這樣學生不能直接參與實驗，也不能獲得直觀的感性認識，不利于學生興趣的培養(yǎng)。而利用虛擬化學實驗，就可以讓學生在虛擬實驗環(huán)境中，去體驗具有毒性、破壞性的實驗，還可以設計綜合性、研究性實驗。

（二）實驗容量無限和實驗的零損耗

傳統(tǒng)實驗的限制條件比較多，如經(jīng)費、場地、試劑等制約，而隨著虛擬化學實驗的應用，學生只需利用可上網(wǎng)的計算機進入網(wǎng)上虛擬化學實驗室便可以隨意選擇實驗項目進行實驗操作，不會受到時間、空間和其他條件的限制。學生在進行了模擬實驗操作后再進入傳統(tǒng)實驗室操作實驗，可以減少操作失誤，提高實驗成功率，有效減少化學藥品的損耗，提高實驗效率。

（三）實現(xiàn)化學實驗數(shù)字化

在進行虛擬化學實驗過程中，學生可以通過改變各種實驗參數(shù)來進行形象化操作或自然操作，有效控制實驗進程。操作者輸入的參數(shù)不同或操作行為不同，在虛擬環(huán)境中會直觀的顯示不同的實驗結果，這樣有利于學習者進行數(shù)據(jù)的分析比較和深入思考，提高科學探究能力，使實驗教學達到事半功倍的效果。

三、高校虛擬化學實驗與傳統(tǒng)實驗的比較

（一）實驗元件與傳統(tǒng)實驗元件的差異

在虛擬實驗中，仿真實驗在電路設計過程中，所有的電子元器件都是理想狀態(tài)的，而在傳統(tǒng)實驗中，實際的電子元器件受到制造材料、體積大小以及外觀差異的影響都很大，元器件在不同工作條件下參數(shù)的差異性、元器件老化參數(shù)的離散性等因素在實際電路設計中是必須要考慮的。因此，在虛擬實驗中，由于學生對真實元器件的認識不夠，并且缺乏相關的知識積累，會導致其在以后的實際工作中產(chǎn)生不利影響。

（二）虛擬實驗儀器和傳統(tǒng)實驗儀器的差異

與傳統(tǒng)化學實驗相比，虛擬化學實驗智能化程度較高。在實驗過程中，如果學生的實驗操作不規(guī)范時，會有提示窗口彈出，指出實驗操作中存在的錯誤。而在傳統(tǒng)的化學實驗過程中，要求學生必須先規(guī)范熟練掌握各實驗儀器的使用方法，然后才能開始進行實驗。如果學生只在虛擬實驗室中做實驗，而不學會傳統(tǒng)的實驗方法以及實驗儀器的使用，可能會直接導致學生離開虛擬實驗室將不能夠正確使用各種實驗儀器，不利于以后進行綜合設計實驗的學習和操作。

四、高等院校虛擬化學實驗研究的若干建議

（一）虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗的有機結合

虛擬化學實驗和傳統(tǒng)化學實驗各有優(yōu)勢，不能將二者對立起來，也不能使虛擬化學實驗完全替代傳統(tǒng)化學實驗，應該將兩者有機的結合起來，優(yōu)勢互補，更好的發(fā)揮各自的作用。例如，在比較復雜的綜合設計實驗中，可以利用虛擬實驗進行設計、模擬實驗，如果得到合理的實驗結果后，在回到傳統(tǒng)實驗室開展實驗，如果在實驗過程中遇到問題，再進行分析和討論。這樣既能夠縮短實驗設計的過程，還能夠有效的提高實驗效率。

（二）虛擬化學實驗的自我完善

虛擬實驗的最大問題就是在實驗過程中實驗的真實性較差，針對這一缺點在建設虛擬實驗室的過程中要特別注意提高其實驗過程中的真實性，可以使網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實實驗室技術和沉浸虛擬實驗室技術［7，8］有效結合起來，這樣不僅可以使試驗者與虛擬仿真環(huán)境全面接觸與體會，還能夠有身臨其境的感覺。在硬件方面為了使實驗環(huán)境更逼真，交互仿真界面以及虛擬儀器更加智能化，可以改用性能更高的處理器，提高顯示器的分辨率，安裝容量大的硬盤及存儲器，更新的軟件。這些配置與傳統(tǒng)儀器相比較，在圖像顯示、數(shù)據(jù)處理及存儲方面有較大的優(yōu)勢，不僅可以增加虛擬實驗儀器的功能，還能夠在數(shù)據(jù)處理，圖像分析等方面顯示出更大的優(yōu)勢。

（三）多元化的實驗技能自動測評

對于學生的實驗技能測評方式可將傳統(tǒng)的測評方式與虛擬實驗系統(tǒng)有效結合，形成多元化的測評方式。最常見的測評方式有紙筆測驗法、實驗報告法和表現(xiàn)性評定法，但是這些測評方法具有很大的局限性，并不能對學生的整個實驗過程進行觀測和考察。因此，采用這些傳統(tǒng)的測評方式與虛擬實驗中的錄制與回放技術相結合，可對學生實驗過程中的每步操作進行對照分析，將錯誤的操作篩選出來，這樣不但能使學生對實驗進行自我完善、及時改正不正確以及不規(guī)范的實驗操作，還能夠提高實驗的成功率，極大地增強學生的自信心。這種多元化的測評方式，能夠有效避免部分學生進行實驗數(shù)據(jù)抄襲，解決實驗技能測評中只重實驗結果，而輕實驗過程的局限性。

（四）虛擬化學實驗教學資源共享

目前，虛擬化學實驗的發(fā)展并不完善，其分布式、協(xié)作式實驗功能還沒有完全實現(xiàn)。大部分院校的虛擬實驗室規(guī)模還比較小，在化學實驗教學中還是一種輔助教學方式，并沒有完全取代傳統(tǒng)的實驗教學方式，因此，相關的軟件開發(fā)和實驗教育資源具有很大的局限性。并且，如果每個高校的虛擬化學實驗室都開發(fā)自己的虛擬實驗系統(tǒng)軟件，還會造成不必要的資源浪費。因此，虛擬實驗室的建設應該將多個學院、多個小型局域網(wǎng)或多個學校的校園網(wǎng)等進行教育資源整合，實現(xiàn)多個高校之間協(xié)作研究的實驗室。

五、結束語

隨著計算機技術以及虛擬化學實驗等相關技術的不斷發(fā)展和完善，其顯著的教學優(yōu)勢和潛力將會得到越來越多的教育工作者的青睞。但是，要使其在高等學校教學中充分發(fā)揮其輔助教學作用，在應用虛擬化學實驗的過程中，必須要注意與傳統(tǒng)化學實驗有效結合，兩者相輔相成，在我國高等學校實驗教學中發(fā)揮重要作用的同時，推動實驗教學內(nèi)容與教學方法的深刻改革。

參考文獻

［1］周寶成，黃建花.建立虛擬化學實驗室進一步開放實驗室［J］.教育教學論壇，2013（1）：248-249.

［2］付英秋.虛擬化學實驗室的功能特點和應用效果［J］.中國教育技術裝備，2014（9）：34-35.

［3］閆曉麗，鄭延斌，姚飛，等.基于虛擬現(xiàn)實技術的網(wǎng)絡虛擬化學實驗室的設計實現(xiàn)［J］.科技視界，2013（33）：26-27.

［4］朱亞輝，閆亞星.虛擬現(xiàn)實技術在化學實驗教學中的應用研究［J］.計算機時代，2014（10）：5-7.

［5］曾凡斌，劉漢蘭，謝勁松.利用虛擬化學實驗促進有機化學教學［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2008（12）：89-90.

［6］朱敏，劉鵬飛.虛擬實驗在化學實驗教學中的應用策略研究［J］.軟件導刊，2013（6）：166-168.

［7］熊焰，姚俊.在線仿真物理化學虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)［J］.化工高等教育，2012（1）：26-29.

［8］朱亞輝，閆亞星.虛擬現(xiàn)實技術在化學實驗教學中的應用研究［J］.數(shù)碼世界，2015（11）：78-80.

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）12-0054-02

*基金項目：吉林省教育科學“十二五”規(guī)劃課題（編號：GH150336）；吉林省高教學會高教科研課題2015年度立項課題“基于建構主義學習理論的工科院校化學實驗教學設計適應性研究與實踐”（編號：JGJX2015D115）成果。

作者簡介：茹婷婷（1985-），女，漢族，吉林省長春市人，碩士研究生，吉林建筑大學講師，研究方向：有機化學。