虛擬仿真技術在化學實驗教學中的應用

于穎

【摘要】依據化學實驗課程的特點和要求，在實驗教學過程中引入虛擬仿真技術。通過理論分析和教學實踐，探索出虛擬仿真技術在化學實驗教學中的最佳應用辦法，解決了傳統實驗教學中面臨的諸多現實問題，加深了學生對化學理論知識的理解，促進了創新人才的培養，實現了化學實驗教學的資源優化和操作簡潔化。

【關鍵詞】虛擬仿真技術，化學實驗，教學改革

化學是一門實驗課很強的學科，傳統的化學實驗課中教師要花費大量的時間向學生講解實驗原理、操作步驟和注意事項，學生實驗技能訓練時間有限，很難在規定的時間完成既定的目標，開設的實驗內容多限于驗證性實驗和模仿訓練，缺乏創新性實驗。實驗儀器投資大，維護復雜，實驗過程中許多有毒、有害物質造成環境污染日益顯現等。虛擬仿真實驗教學技術正是因此應運而生的新型輔助教學手段，是對傳統教學模式的補充和完善，解決了實驗教學中傳統的教育思想、教學方法和教學手段存在的問題。已逐漸成為化學實驗教學資源中不可缺少的部分，為化學學科發展開辟了一個全新的領域。

一、虛擬仿真實驗的優越性

虛擬仿真實驗是利用計算機上各種虛擬的儀器設備取代傳統的實驗儀器，依照實驗目的、要求與過程組裝成一個完整的實驗系統來完成實驗的，聚合了教、學、練、考、管、評等完備的教學功能，具備高仿真性、安全性、專業性和效率高的特點。與傳統實驗相比，虛擬仿真實驗在化學實驗教學中強大優越性體現在：（1）有助于轉變現有的以教師為主導的單一實驗教學模式。（2）避免了實驗帶來的風險，無安全隱患，保證了學生實驗中的人身安全。（3）不受空間和實驗時間的限制，可以隨時隨地的在高度自主性和交互性的虛擬環境中完成化學實驗教學任務，具有很大的開放性和較強的擴展性。（4）功能齊全，使用方便，容易實現技術更新，展現了化學實驗教學的科學化、系統化及現代化。（5）實驗成本較低，無需藥品和消耗器材，尤其是那些在極端的或毒性較高的有害環境下進行的操作以及耗時耗力的大型的或綜合性復雜場景，虛擬仿真實驗優勢更為明顯，更利于環境保護，體現綠色化教學。（6）能夠體現教、學的互動性，將抽象、深奧的學習內容具體化、形象化。學生可以任意完成各種預定的實驗項目，學習和訓練效果等同于真實的實驗室教學。（7）為遠程化學實驗教學及培訓提供途徑，改善了網絡大學實驗教學條件等。可見加強虛擬仿真優質實驗教學資源的建設對現代高校化學實驗教學而言意義重大。

二、開展虛擬仿真實驗，實施化學實驗教學改革實踐

（一）理論和實踐融合創新，構建虛擬仿真教學模式

任課教師結合課程內容和目標，借助虛擬實驗平臺，通過實驗輔助理論的教學模式，使學生更容易理解和掌握所學知識。如，有機化學中原子軌道雜化、原子順序重組、空間結構變化等化合物性質的實驗教學很難描述其微觀變化。借助虛擬仿真教學技術就可以把反應活性中心的原子變化、基團進攻時間先后順序等反應過程詳細的演示清楚，形象生動準確。又如，次氯酸見光分解實驗，真實環境中分解速度慢，很難觀察到氣泡產生和氯水顏色變化，在虛擬環境中學生可以集中精力研究實驗現象本身的特性和規律。還有滴定過程中突變范圍的出現、絲朊—聚丙烯睛系接枝共聚物的制備、無機粉體（CaC03）的聚合物膠囊化改性、合成氨操作等實驗，使用虛擬仿真技術，實驗現象更簡單、直接，有說服力，教學效果更顯著。

（二）正確安排虛擬仿真實驗與常規實驗的關系，揚長避短，合理安排兩者比例，充分發揮虛擬仿真技術教學的優勢

虛擬仿真實驗和常規實驗，兩者要合理安排、取長補短。對具有代表性的基本操作實驗采用常規實驗，對安全性低、毒性大和反應時間長的實驗采用虛擬仿真實驗。二者相輔相成，既有真實的動手操作練習，又有靈活可靠的虛擬實驗教學環境，使學生真正掌握實驗知識，達到虛擬仿真實驗教學的真正目的。

（三）提供了開放式實驗環境，為學生大型實驗提供條件，真正實現實驗室隨時隨地向學生長期開發

學生是課堂的主體，在教學過程中更應該考慮學生的需求，打造出最適合的教學環境。采用虛擬仿真實驗教學可以呈現操作性好、真實感強和直觀精確的實驗場景，可以為學生搭建規模宏大的實驗平臺，比傳統的實驗室開出更多的大型、復雜的實驗項目，讓學生在任何地方都能完成實驗任務，促進學生的學習自主性，使他們獲得扎實的實驗操作技能。提高學生對科學實驗的理解，啟發他們的創造性思維，增強科學研究的意識。

（四）利用虛擬仿真實踐教學，緩解現實實踐教學資源不足問題，實現教學資源的高效利用和廣泛共享

利用虛擬仿真實踐教學，全部或部分取代高成本、高危險的生產現場實習。通過虛擬仿真教學軟件的演示和操作，讓學生了解企業的化工生產流程、重點設備及關鍵的工藝參數，熟練掌握各種大型儀器操作要領，在仿真的生產場景中安全高效的開展實踐實訓活動。學校不用購置大規模實驗設備，緩解了學校實踐教學資源不足問題，有效地提高教學質量，推進高校現代教育技術的快速發展，加快高校化學實驗教學改革和教育信息化的進程。

三、結束語

通過在化學實驗教學中合理應用虛擬仿真技術，為學校節省了教學資源，豐富了化學實驗教學內容，增強了學生對化學理論知識的理解，激發了學生的創造力，提高了教學質量和教學效率。虛擬仿真教學模式引入實驗教學已經成為了高校實驗教學改革的一個新方向、新趨勢，其巨大的教學作用也符合新課改的實驗要求。相信虛擬仿真技術將在高校化學實驗教學中發揮更大的作用。

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