高校化學虛擬仿真實驗室的建設(shè)與發(fā)展

蔡瑤，王濤，陳杰，李海玉，王霞，曹海嘯

(1.無錫學院 環(huán)境工程學院，江蘇 無錫 214000；2.無錫學院 實驗室與設(shè)備管理處，江蘇 無錫 214000)

0 引言

高?；瘜W實驗室是進行實驗教學、科學研究和人才培養(yǎng)的重要場所。由于高等教育逐漸普及，高校的師生規(guī)模逐漸擴大，然而由于傳統(tǒng)高?；瘜W實驗室會涉及有毒有害試劑、易燃易爆化學品[1-2]，在實驗教學中有時還會遇到高溫、高壓等實驗條件[3]，不僅存在安全隱患，還有可能對環(huán)境造成污染。因此，如何在化學教學過程中踐行綠色化學理念就顯得格外重要。

在20世紀50年代初期，虛擬仿真技術(shù)被用于軍事模擬訓練，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷進步，我國在20世紀90年代將虛擬仿真技術(shù)首次應用于實驗室，并逐漸應用在醫(yī)療、交通、教育、通信等領(lǐng)域[4]。化學虛擬仿真實驗室主要是以仿真技術(shù)搭建而成的實驗室，主要用于仿真設(shè)計和化學實驗模擬[5]。在綠色化學概念被提出后，教育部逐漸加強對化學虛擬仿真實驗室工作的引導，例如教育部印發(fā)了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知》《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》等[6]。各個高校也對化學虛擬仿真實驗室進行了有效創(chuàng)新和發(fā)展，例如中國科學技術(shù)大學在國家級示范中心的基礎(chǔ)上組建化學虛擬仿真實驗教學中心并專門構(gòu)建了共享平臺，廣西民族大學成立了現(xiàn)代化學化工虛擬仿真實驗教學中心?；瘜W虛擬仿真實驗室能夠給高校的化學教學提供多樣化的選擇，優(yōu)化了資源的配置，也能夠降低化學實驗的安全風險。

目前，大多數(shù)高校均能認識到化學虛擬仿真實驗室與傳統(tǒng)化學實驗室相比有著諸多的優(yōu)勢，也逐漸加強對化學虛擬仿真實驗室的資金投入。但另一方面，化學虛擬仿真實驗同樣也存在一些弊端，高校在建設(shè)和發(fā)展化學虛擬仿真實驗室過程中需要值得注意。本文對高?；瘜W虛擬仿真實驗室的優(yōu)點和存在的問題進行綜合分析，提出了關(guān)于高?；瘜W虛擬仿真實驗室建設(shè)的思路和發(fā)展方向，以期為探索高水平的化學虛擬仿真實驗室提供進一步思考。

1 化學虛擬仿真實驗室優(yōu)點

1.1 實驗內(nèi)容直觀共享

傳統(tǒng)化學實驗會受限于時間和地點，還會存在多個學生共用一臺設(shè)備的現(xiàn)象，在實驗操作過程中教師難以顧及每個學生，教學效果不佳。而虛擬仿真技術(shù)能夠全息化模擬化學實驗環(huán)境，學生能夠直觀地進行實驗操作，教師也可以直觀看到每個學生的操作步驟，極大地提升了教學質(zhì)量。而對一些復雜的或極端條件下的化學實驗，傳統(tǒng)化學實驗室教學實驗不僅很難達到，還費時費力，用虛擬仿真技術(shù)可以快速創(chuàng)造一個實驗環(huán)境，學生能夠輕松自如進行實驗操作。另外，一個完善的化學虛擬仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，突破時間、地點、師生人數(shù)的限制，學生同時在不同計算機上能夠進行化學實驗，實現(xiàn)資源共享，內(nèi)容直觀。

1.2 實驗教學安全環(huán)保

雖然目前大多數(shù)高?；瘜W教學所用到的試劑不涉及劇毒性或高腐蝕性，但實驗過程仍不可避免具有一定的危險性，還會產(chǎn)生廢液廢渣等，進而可能污染環(huán)境。而化學虛擬仿真實驗過程中，學生只需在計算機上進行實驗，所用到的藥品試劑都是虛擬的，同時也不會產(chǎn)生廢棄物，降低廢液廢渣對環(huán)境的污染。

近些年來，雖然教育部多次強調(diào)化學實驗室安全的重要性，但化學實驗室事故仍時有發(fā)生，違規(guī)操作、缺少標簽、試劑擺放不規(guī)范均可能引起化學實驗事故。利用虛擬仿真技術(shù)，學生在化學操作過程中不會接觸易制毒、易制爆等藥品，能確保師生的人身安全，降低化學實驗風險。

1.3 減少實驗儀器成本

傳統(tǒng)化學實驗教學需要配置多種多套教學設(shè)備，還要購買滿足學生實驗的化學藥品和試劑。在實驗操作中，還會遇到錯誤操作導致儀器損壞、儀器老化等情況[7]，既增加了儀器維護成本，也需要大量的人力物力?；瘜W虛擬仿真實驗室只需要購買一定量的計算機和虛擬仿真軟件，能減少對傳統(tǒng)化學實驗室設(shè)備的投入和維護保養(yǎng)費用，還不需要各種各樣的耗材。當需要不同的實驗環(huán)境，教師只要更改相應的參數(shù)與設(shè)置相應的實驗環(huán)境，就可以重復進行化學教學，這樣不僅提高了工作效率，還降低了教學成本，高效完成教學。

1.4 激發(fā)學生化學興趣

化學虛擬仿真實驗室突破了時間和地點的限制，學生只需要在計算機進行化學實驗操作。在傳統(tǒng)化學實驗過程中，學生操作過程出現(xiàn)錯誤就很難彌補，在虛擬仿真實驗室，學生能直觀了解化學實驗步驟，還可以隨時隨地進行多次重復實驗，從而更加了解實驗過程，提升化學實驗能力，快速掌握化學實驗知識。在疫情當下的教學過程中，學生在家也同樣可以利用虛擬仿真技術(shù)進行線上化學實驗，教學內(nèi)容不會受到影響，也極大地激發(fā)學生的興趣，提高了學習的效率，激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維。

1.5 提高實驗教學效率

由于高等教育的普及，高校師生規(guī)模日益擴大。學生作為高?；瘜W實驗室的主體，有部分學生對化學知識了解很少，不清楚化學實驗步驟，甚至在化學實驗課上都不能進行正確的操作，這影響著教師的教學效率。在虛擬仿真實驗室，學生可以模擬各種化學實驗，快速了解實驗內(nèi)容，掌握實驗步驟，教師也能縮短備課時間，提高備課效率，從而提高實驗教學效率。

2 化學虛擬仿真實驗室存在的問題

2.1 實驗過程不真實

在化學虛擬仿真實驗過程，模擬的實驗環(huán)境都是最理想的、最標準的，但在真實化學實驗過程中，由于實驗設(shè)備、試劑濃度、實驗場地不同，實驗環(huán)境和虛擬仿真模擬出的環(huán)境不一致，學生在真實實驗過程中，沒辦法達到虛擬仿真實驗的最優(yōu)結(jié)果。另外，由于化學虛擬仿真實驗都是標準操作，而學生實際操作過程可能存在錯誤的操作，如：滴定管滴定操作、溶液稀釋操作?；瘜W實驗是一門需要動手的實驗課，如果所有的化學實驗都在虛擬仿真實驗室進行，勢必會造成學生理論和實際脫節(jié)的情況，給學生日后實際工作帶來影響。

2.2 實驗設(shè)計程序化

化學虛擬仿真實驗操作步驟都是系統(tǒng)后臺提前設(shè)定的，學生如果想要完成某一化學實驗，就需要按照操作步驟一步一步來，如果學生想要跳過則會無法進行，導致學生實驗過程被限定，學生無法進行其他操作，不能進行自主探索，不利于創(chuàng)造性思維的激發(fā)。每一步都按照程序要求操作，使得每個學生都出現(xiàn)相似甚至相同的結(jié)果，也不利于學生化學興趣的激發(fā)，與現(xiàn)實脫節(jié)。

2.3 交流共享程度低

近些年來，許多高校為了保障化學實驗室內(nèi)的師生安全，提高師生的教學質(zhì)量，紛紛建立了化學虛擬仿真實驗室，但彼此之間的交流合作甚少。某一院校擁有的優(yōu)勢資源沒辦法讓其他高校享受到，資源優(yōu)勢沒法互補，不利于社會整體的發(fā)展。

3 化學虛擬仿真實驗室建設(shè)思路

虛擬仿真實驗室一般由計算機、模擬輸入系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)以及感覺模擬系統(tǒng)組成[8]。建立化學虛擬仿真實驗室除了需要配備計算機、不同化學仿真軟件外，還需要制定一個清晰的建設(shè)思路。

3.1 厘清建設(shè)需求

虛擬仿真的核心是仿真，在計算機上通過虛擬操作實現(xiàn)仿真。化學實驗本身就涉及大量不同的實驗課程，如：無機化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗、儀器分析化學實驗等，每一門課程不單是需要不同的仿真軟件，更需要弄清研究對象本身，弄清不同課程的特點和課程需求，結(jié)合院校實際需要，不盲目引進，建設(shè)有自己特色的化學虛擬仿真實驗室。

3.2 以學生為中心

在建設(shè)化學虛擬仿真實驗室時，各高校都應秉持著“教、學、做”為一體的教學實驗理念，以人為本。本身化學虛擬仿真實驗室建設(shè)的目標受眾是教師和學生，學生既是學校的主體又是實驗室的主體，建設(shè)思路理應滿足化學實踐教學和虛擬教學相結(jié)合的需求，增加學生化學專業(yè)知識，提高學生化學創(chuàng)新能力，從而達到滿足現(xiàn)代社會化學復合型創(chuàng)造性人才的需求。

3.3 依托自身優(yōu)勢

各個院校在不同學科都有一些各自的優(yōu)勢，要加強各自學科和化學之間的聯(lián)系，依托學科建設(shè)，整合優(yōu)勢學科資源，建設(shè)以自身優(yōu)勢為特色的化學虛擬仿真實驗室。例如：吉林化工學院將多媒體技術(shù)與化學專業(yè)相結(jié)合，學生進行化學虛擬仿真實驗過程中還會出現(xiàn)真實實驗錄像和仿真動畫；四川大學有機化學虛擬仿真實驗中“Roskamp-Feng反應及應用虛擬仿真實驗”是依據(jù)該校具有代表性的科研成果研發(fā)出來的。因此，各個高校在建設(shè)化學虛擬仿真實驗室時需要根據(jù)自身優(yōu)勢，集中優(yōu)勢科研成果和學術(shù)力量資源，研發(fā)具有自身代表性特色的虛擬仿真軟件。

3.4 配齊復合型專業(yè)人才

各高校傳統(tǒng)化學實驗室的教學過程需要配備專任教師教學外，還會配備實驗員人員進行耗材的事先準備。而虛擬仿真實驗除了需要專任教師還需要有虛擬仿真軟件的開發(fā)者，即需要會軟件開發(fā)。但目前絕大多數(shù)虛擬仿真軟件開發(fā)人員很少掌握化學實驗知識，而化學專業(yè)專任教師也沒有軟件開發(fā)經(jīng)驗，這就可能導致開發(fā)出來的軟件不適合教師的教學，影響教學質(zhì)量，這就需要在虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中引進復合型專業(yè)人才。

4 化學虛擬仿真實驗室發(fā)展方向

4.1 完善教學管理隊伍

在實驗室建成后，虛擬仿真實驗室需要形成一個知識結(jié)構(gòu)、學歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)合理的師資隊伍，逐漸加強教學隊伍體系建設(shè)。在管理方面，同樣需要建有一套完善科學的管理體系，需要有中心負責人和虛擬實驗室分管負責人，層層遞進，保證實驗室管理的正常運行?？傊枰ㄓ幸惶捉虒W和管理相并行的隊伍體系。

4.2 加強校企合作

虛擬仿真實驗室的發(fā)展不單單只能依靠學校自身，社會上有不同技術(shù)特點的企業(yè)，里面有各種各樣的人才資源。各個高?？梢猿浞职l(fā)揮自身影響力，和不同類型的企業(yè)合作，將高校的科技力量和企業(yè)的技術(shù)資源融合，通過共建聯(lián)合虛擬仿真實驗室、師生進企實習等方式進行校企合作，從而形成長期交流、合作共贏、持續(xù)發(fā)展的校企合作模式。

4.3 注重虛實結(jié)合

化學虛擬仿真實驗室是教師進行化學實驗教學的一個手段，各個院校應將虛擬仿真實驗室和傳統(tǒng)化學實驗室相結(jié)合，構(gòu)建虛實結(jié)合的化學實驗教學體系。學生既能快速便捷地進行化學實驗操作，又能感受到真實化學實驗的過程。虛實結(jié)合的化學實驗教學體系既能夠滿足當代化學教學要求，還能適應培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

4.4 實施開放共享

一個院校的化學虛擬仿真實驗室如果不涉及保密要求，那就應當對外開放共享，減少其他高校不必要的重復建設(shè)，如西南大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心對西南地區(qū)不同類型學校開放共享，充分發(fā)揮其引領(lǐng)作用。同時化學虛擬仿真實驗室開放共享也可以加強各個高校之間的合作交流，對化學虛擬仿真實驗室的理論水平提高與化學虛擬仿真成果完善具有相當大的作用。

5 結(jié)語

在“雙一流”政策的大背景下，傳統(tǒng)化學實驗室越來越難以適應人才培養(yǎng)的需求。在信息化時代下，化學虛擬仿真實驗室擁有諸多優(yōu)勢，不僅突破了時間和空間的限制，還能大大降低常規(guī)化學實驗室的風險。但化學虛擬仿真實驗室并不能完全取代傳統(tǒng)化學實驗室，兩者需要進行融合，構(gòu)建一個虛實結(jié)合的化學教學實驗體系，從而為化學實驗室優(yōu)質(zhì)教學奠定基礎(chǔ)，高效培養(yǎng)復合型創(chuàng)新型人才。

在科技飛速發(fā)展的時代，化學虛擬仿真實驗室也需要不斷突破與創(chuàng)新，相信能夠與醫(yī)學、材料學、生物學等學科互通有無，為教育事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮更大的作用。另外，有條件的企業(yè)應當不斷開發(fā)新的化學虛擬仿真系統(tǒng)，并持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，確?；瘜W虛擬仿真適應各個高校的化學實驗教學，讓化學虛擬仿真教學無限接近真實化學實驗過程，提高實驗效率，提高教學質(zhì)量。相信化學虛擬仿真實驗室在未來能夠發(fā)揮更加重要的作用。