虛擬仿真技術(shù)在師范院校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

祁文靜，胡萍萍

(1.重慶師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,重慶 401331；2.重慶大學(xué) 藥學(xué)院，重慶 401331)

1 引言

虛擬仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域中有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)，它綜合集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)[1～3]。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性的學(xué)科。理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)知識(shí)結(jié)合起來，才能將化學(xué)學(xué)好。正是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)知識(shí)的重要性，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是高等院校學(xué)生的重要環(huán)節(jié)，因而很多高校內(nèi)化學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課都是獨(dú)立開設(shè)的一門課程，讓學(xué)生有充分的時(shí)間學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)操作技能和基礎(chǔ)知識(shí)。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中存在著一些制約，如：課時(shí)數(shù)不夠長，實(shí)驗(yàn)室空間不足，出于實(shí)驗(yàn)安全考慮，每個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)班學(xué)生人數(shù)不能安排太多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的套數(shù)也安排不了很多，并且更重要的是化學(xué)試劑通常易燃易爆，有時(shí)候還需要高溫、高壓、通風(fēng)櫥等苛刻條件，這些因素都在一定程度上限制了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的展開。這個(gè)情形下很多學(xué)校都只能開設(shè)一些經(jīng)典、時(shí)間短、安全性高、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)給學(xué)生做。而這種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通常陳舊，與化學(xué)科研發(fā)展的現(xiàn)狀脫節(jié)，很多本科生在繼續(xù)深造時(shí)發(fā)現(xiàn)掌握的實(shí)驗(yàn)技能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此實(shí)驗(yàn)課安排的現(xiàn)狀存在問題，需要解決。

近年來，虛擬仿真技術(shù)作為一門新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與化學(xué)這門學(xué)科相結(jié)合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以將化學(xué)實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)虛擬來完成的一門新興技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)上各種虛擬的儀器設(shè)備取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，依照實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁笈c過程組裝成一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)一步改變實(shí)驗(yàn)條件和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[4]。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：①很好地將復(fù)雜的操作和枯燥的原理通過豐富多彩的圖片和視頻展示出來，在保證化學(xué)知識(shí)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了趣味性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更大程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，從而大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂效率[5]。 ②在實(shí)驗(yàn)課正常上課之前，可以提前對(duì)欲做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，在講授實(shí)驗(yàn)原理的同時(shí)，既可以給學(xué)生展示這節(jié)課的實(shí)驗(yàn)操作過程，以及實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的安全隱患，這樣既充分保證了實(shí)驗(yàn)的安全性，同時(shí)又可以讓實(shí)驗(yàn)過程不順利的學(xué)生再次通過仿真模擬反復(fù)練習(xí)，進(jìn)一步鞏固實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能，大大提高實(shí)驗(yàn)的課題效果。③可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)、模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)等課外知識(shí)的補(bǔ)充，特別是某些與化學(xué)科學(xué)研究密切相關(guān)的研究性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在本科教學(xué)過程中難以開設(shè)，有了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)生們將有能力有渠道攝入更深入的化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以做到本科教學(xué)與科研并軌，為其日后進(jìn)一步深造做好鋪墊[6]。

正是基于這些原因，國內(nèi)很多高校都在講虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在高校是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。重慶師范大學(xué)也引入了這項(xiàng)新技術(shù)，希望使化學(xué)實(shí)驗(yàn)效果更優(yōu)，學(xué)生能夠更好地掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幾種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

3.1 基礎(chǔ)類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在基礎(chǔ)類的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。這些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)通常是在大一和大二的時(shí)候開設(shè)。大一大二的學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)并不太了解，再加上實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間等因素的限制，導(dǎo)致傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程往往實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡單，進(jìn)程緩慢，學(xué)生課前預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的積極性并不是高，學(xué)習(xí)連貫性不足。基于這個(gè)現(xiàn)實(shí)情況，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以起到很好的指導(dǎo)作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件可以提前裝在學(xué)生的電腦和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室電腦里，學(xué)生可以隨時(shí)隨地打開使用。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以自由地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模擬學(xué)習(xí)，體驗(yàn)下理論課堂上講的原理和實(shí)驗(yàn)過程中是否相符合，理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論，相輔相成，學(xué)習(xí)效果更好。同時(shí)，在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)失敗了的情況下，學(xué)生可以嘗試再來一次，或者反復(fù)試驗(yàn)?zāi)骋粋€(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程安全可靠，符合大一大二初學(xué)者的特點(diǎn)。此外，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，學(xué)生已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)有了一個(gè)比較完整的概念，這樣在實(shí)際做到實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，學(xué)生都能親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)公式或原理等。通過這種在線平臺(tái)的學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有了更深入的理解；通過這種平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑箤W(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中格外注意某些實(shí)驗(yàn)操作，提高了本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性；通過這種在線學(xué)習(xí)模式，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 能力提升類的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，時(shí)常會(huì)有一些綜合性的實(shí)驗(yàn)。綜合性的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)習(xí)觀察問題、分析問題和解決問題的能力，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。與基礎(chǔ)類的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不同的是，綜合性實(shí)驗(yàn)是理論與實(shí)踐綜合的結(jié)果，學(xué)生能獲得比較全面的實(shí)驗(yàn)技能，能夠大大提升其綜合素質(zhì)。然而受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的影響，綜合性實(shí)驗(yàn)通常耗時(shí)，占用大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源，能夠同時(shí)上實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生人數(shù)不能太多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)不能滿足綜合實(shí)驗(yàn)的要求，并且老師需要精挑細(xì)選可以滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)。有了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這個(gè)平臺(tái)，這些問題可以得到有效解決。很多綜合性的實(shí)驗(yàn)都可以被選擇進(jìn)來，老師可以通過預(yù)先設(shè)置，把整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)的過程輸入到軟件內(nèi)，一些耗時(shí)、站空間、危險(xiǎn)的綜合性實(shí)驗(yàn)就可以應(yīng)用在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M，可以讓學(xué)生掌握到整個(gè)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)目的，試驗(yàn)前期準(zhǔn)確、試驗(yàn)預(yù)處理等，這樣學(xué)生可以比較系統(tǒng)地掌握這個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程，而不是像傳統(tǒng)的綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢樱瑢W(xué)生主要局限于實(shí)驗(yàn)后期操作部分。這種方式，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程的能力，大大提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。

3.3 基于化學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的科研型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大量化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)技巧應(yīng)用不到本科教學(xué)工作中。有了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，化學(xué)領(lǐng)域比較前沿的科研成果和知識(shí)可以應(yīng)用進(jìn)來，可以開設(shè)一些科研型的實(shí)驗(yàn)課程，讓本科生充分接觸到化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)內(nèi)容，能夠接觸到或者真正用到納米材料等新材料，掌握新的儀器分析方法，了解到我們生活中很多的現(xiàn)象都是得益于化學(xué)這個(gè)學(xué)科的飛速發(fā)展，從而讓學(xué)生對(duì)化學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)狀有了了解，對(duì)生活的遇到的事物或者現(xiàn)象有了深層的理解，讓他們充分體會(huì)到學(xué)有所用，極大加深了他們對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛，從而也為后續(xù)化學(xué)研究培養(yǎng)了后續(xù)儲(chǔ)備人才。

4 結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的諸多問題，提高實(shí)驗(yàn)室利用效率。可以建設(shè)通過3個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)熱點(diǎn)領(lǐng)域的了解，提高他們對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛，從而為社會(huì)培養(yǎng)高質(zhì)量、創(chuàng)新型的化學(xué)人才。