虛擬仿真技術在應用型化學專業人才培養中的作用

林雪梅

（河北民族師范學院，河北承德 067000）

隨著國家不斷增加對應用型本科人才的需求，對人才培養也提出了新的實驗教學要求。實驗教學是高校教學中的重要組成部分，具有培養學生創新意識、提升學生創新能力的重要作用。虛擬仿真實驗教學主要依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。

對于化學專業，由于其實驗的特殊性，會用到不同種類的化學試劑，實驗過程中會存在一定的風險，并且實驗完成后的廢棄物需要清理，否則會存在污染環境的問題，將虛擬仿真技術引入到化學實驗中，能夠提高實驗的安全性，并避免部分實驗對環境的污染。

1 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真可以理解為利用計算機對一些系統的結構、功能和過程進行動態性模仿，獲得接近于實際情況的效果。從20世紀80年代開始，隨著高性能計算機、嵌入式操作系統、圖像處理專用芯片及電子元器件技術的發展，虛擬仿真技術越來越多地應用于生活和生產，如儀器儀表、虛擬制造、電子產品設計、仿真訓練等領域。電子電氣工程等中常用到的LabVIEW虛擬儀表，日常生活中常見到的VR游戲，甚至是今年開始大力發展元宇宙概念等，都是具有代表性的虛擬仿真技術。

與文字、圖片、視頻等傳統的表現形式相比，虛擬仿真最大特點是可以進行交互，反復操作，因此，虛擬仿真可以用來加強教學培訓、提升操作演練效果。解決“三高”（高危險、高成本、高污染）與“四難”（難看到、難動作、難進入、難再現）問題。

2 應用型本科教學的培養模式和特點

應用型本科學校的辦學宗旨是應用，重點也突出在“應用”上，在學生的培養上，也會側重其社會適應力，加強其競爭力，專注于應用型人才產出。應用型本科的教學中，各個專業也必須能夠結合學校所在地，挖掘自身特色優勢，強化學生實踐能力，因此，“應用”要體現在實踐教學及教學體系的建設中。

應用型本科中培養的是“理論應用型”人才，他們首先要接受本科及以上的專業理論學習，然后再具備理論知識的應用能力。應用型本科重點在應用，因此知識結構上，必須以本專業行業的實際需求為出發點；從能力上來說，應用型本科要根據各行業特點，使學生學會利用專業理論知識和方法，具備解決實際工作中可能面臨問題的綜合能力和技術創新能力。

3 虛擬仿真技術在應用型人才培養中的作用

3.1 提高實驗室利用率

當前的大學中，不同的學院、專業都建立了實驗室，這些實驗室只能滿足單一專業、單一課程的教學和實驗，隨著大學生人數的增加，實驗室資源也較為緊張。隨著技術和產業的升級，實驗室中的設備會逐步地老化、陳舊、無法跟上時代發展的節奏，而更新換代實驗室設備也會需要更多的投入。應用型大學中，如果建立了虛擬仿真教學實驗室，那么可以將實驗室進行專業擴展，讓不同的專業學生進行在線教學和實驗，利用較小的實驗室，提升實驗室的利用率。

3.2 提升人才培養質量

現代社會對人才的需求不僅要有系統的理論知識，還應掌握必要的動手能力，虛擬仿真技術能夠與學科交叉應用，一些傳統上只能理論學習的學科，在引入了虛擬仿真技術后，可以做到模擬實際場景、過程、內容，為理論知識的落地提供了機會，因此，通過虛擬仿真技術應用，很多專業的學生的理論和實踐能力會得到進一步提高。

3.3 提升學校辦學質量

虛擬仿真技術具有可擴展性，在硬件平臺不改變的前提下，通過軟件技術可以進行新的實踐、實驗場景的設計，擴展學生的創新思維，促進學生的創新發展，使學生具有更好的綜合素質，同時也能間接地提高學生的就業能力和創業水平。學校會得到更多的正反饋，提升學校的辦學能力和教學質量。

4 虛擬仿真技術在化學專業中的應用現狀

結合現在的文獻資料來看，目前的研究主要集中在技術基礎和一些實驗平臺的搭建方面，在教學方法改革、學生專業能力以及實踐能力方面的涉及較少，并且，虛擬仿真技術主要是應用在理工科背景，在人文社會學科中應用較少。已經有一些學者開展了關于虛擬仿真技術在應用型人才培養方面的研究，如交通工程[1]、智能化現代工廠[2]、安全工程[3]、通信專業[4]、輸電線路[5]等。在化學專業的教學應用中，也有學者做了相關的探討分析，具體可以總結為兩方面：①對專業實驗課的教學應用；②對具體學科理論課程教學方面。

4.1 專業實驗課的教學應用

在化工與制藥專業的實驗教學中，聶麗蓉等對虛擬仿真技術的應用進行了分析，總結出傳統的實驗耗時久、教學內容有限、實驗條件無法跟上行業技術發展角度、實驗使用有機溶劑的安全隱患大等現實問題，提出了虛擬仿真技術，建立虛擬仿真訓練實驗平臺，來突破教學資源的限制，進而實現綠色實驗教學，并對虛擬仿真技術在“化工原理”“藥物分析實驗”及“藥理學實驗”教學中的應用進行了展望。

覃其品以水銀的處理實驗為例探索了虛擬仿真技術在無機化學實驗中的應用，其開發的虛擬仿真實驗平臺，能夠逼真地模擬出實驗室的界面，開關窗、通風櫥等操作。通過軟件的利用，可以使學生都積極地參與到實驗中，得到全方位的鍛煉。這種安全無害、覆蓋面高的虛擬教學平臺建設，必然是教改的新方向。

秦倩等為應對當下線上教學中分析化學實驗教學，將虛擬仿真平臺引入教學，構建了新的教學模式和考核方法。以“鈣鹽中鈣含量的測定”實驗為例，學生利用MLabs 移動虛擬實驗室在手機客戶端即可進行學習和實驗，并探索了“線上線下-虛實結合”的教改新模式。

4.2 具體的學科理論課程教學方面

在課程教學方面，郭艷等將虛擬仿真技術應用到了材料化學專業的核心課《現代材料分析方法》，虛擬仿真平臺可以充當實驗前預習的工具，給學生提供重復實驗的機會，這種實驗形式新穎，并且電子化的教學過程能夠輔助完善實驗教學評價體系建設。

陳凱等則在制藥工程專業有機化學教學中利用虛擬仿真技術，將有機化學中抽象的分子結構、分子軌道、反應機理等進行了直觀的可視化，幫助學生更容易理解和掌握相關知識點。他們以構型與構象的區分、反應機理的動態演示為例，在有機化學課程教學中進行了虛擬仿真技術的應用實踐，達到了提升有機化學教學效果的目的。

綜上可以看出，在虛擬仿真實驗在高校化學課堂教學中的應用中，通過計算機模擬的化學仿真實驗，能夠以虛擬的形式把儀器展示出來，進行仿真實驗，實驗平臺投資少、無污染，但目前的應用中，存在與傳統實驗室結合不充分，虛擬軟件價格較貴等問題，合適的途徑是將線上的虛擬仿真實驗和線下的實驗相結合，做到相互補充，來切實提高學生的動手能力和思考能力。

5 應用型本科教學中存在的問題

近年來，國家重視應用型本科學校的建設和支持，應用型本科的概念也在國內得到了快速普及和發展，然而，我國的高等教育體系還并不完善，因此，在應用型本科的建設以及教學中還有一些問題需要進一步解決。

1）雖然很多大學和學院已將名字改為了應用大學或者應用技術學院等，但是，強化實驗和實踐方面并未形成一致的觀念。一些師生對應用型人才的認識不足，對學生的培養模式還是沿用之前的純理論教學模式，缺乏對虛擬仿真技術教學實踐的深層次理解，更沒有將虛擬仿真技術引入到實驗教學中。

2）部分實力雄厚的院校，已經建立了虛擬仿真實驗教學平臺或者課程，配備有電腦端、手機端，方便學生的接入和實驗。但是相當多的院校還僅停留在理論階段，沒有建立起完善的虛擬仿真教學平臺，而短缺的線下實驗教學資源也使應用型人才的培養掣肘。

3）理論教學與實踐教學的比例還需調整和完善，盡管隨著應用型人才培養的要求，虛擬實驗和實驗室操作實踐環節已經大幅提升，但是在具體的課程設計中，用于學生實踐、實習、實驗的學時仍顯不足。

4）作為應用型本科的核心教學力量，雙師型教師必不可少，但是目前的高校教師中，多以理論教學的教師為主，很多教師自身也缺乏企業和行業的實際工作經驗，無法在虛擬課程和實驗的設計以及教學中給予學生更多的實踐指導，難易滿足對實踐教學的需求。

5）應用型人才的建設需要完善的校外實習基地，但是很多院校缺少校外實習基地，有的學校即便有校外基地，可能也不能滿足實習實踐的需求。

6）教學評價機制不完善，當前的教學評價以理論教學成績為主，對實踐教學的考核、評定不足，或者是沒有細化好對實踐教學的考量機制和方式，無法顯示應用型本科人才培養的教改需求。

6 構建應用型本科學校虛擬仿真實驗教學體系的思考

6.1 開設創新性的化學類實驗項目

現實中企業的技術和產品都在快速地更新換代，針對這樣的現實需求，應用型本科院校需要與時俱進，與行業保持密切的聯系，積極開設能夠在各專業領域具有領先地位的新項目，提高學生與時代的適用關系。以化學專業為例，可以深入調研與化學、化工、生物、制藥、能源等相關企業的最新發展動態，以培養高素質、復合型、應用型、創新型人才為目標，拓展面向多專業學生的新實驗實踐項目，充分利用當前的實驗室、圖書館、校園網、互聯網等資源，構建出適用于化學相關專業學生的開放式、激發式的學習平臺，促進學生能夠實現跨專業的綜合素質提升。

6.2 建設系統性的化學實驗平臺

現階段單一的專業建設平臺有其必要性和易實現性，但從學校更高的角度考慮，應用型本科院校應該構建出跨學科、跨專業的系統性的實驗平臺，通過一個綜合性平臺的構建，能夠滿足某一學科下相關專業的全流程、跨專業、多崗位的虛擬仿真綜合訓練平臺。以化學學科為例，構建適用于化學學科的綜合實訓平臺，既能夠滿足化學學科下不同專業的需求，也能滿足生物、能源等跨學科中涉及到化學背景等專業的教學需求，通過集成課程教學仿真，更加直觀地展現教學內容。通過構建服務器、客戶端等，讓學生、教師、管理崗人員都參與到教學和應用實踐中，充分發揮出綜合性平臺的優勢。形成“認、學、練、評、用”的層次遞進式學習模式，使學生能夠得到系統化的培訓，全方位提升學生的能力。

6.3 構建長效性的激勵機制

實驗平臺的建設不是一朝一夕能夠完成，其面臨的教學需求和環境是非常復雜的，平臺的建設要有很大的投入，后續實踐教學中的效果如何也需要時間的檢驗。為了保障虛擬仿真實驗平臺的建設效果，就需要建立實驗平臺長效發展的機制，將實踐教學中教師、學生、實驗室管理員、學院領導、行業企業等各方人員的積極性都充分調動起來，主動改進、積極完善，打造出穩定的實驗教學團隊，以此來提高實驗教學的成果，使應用性人才培養真正落地，為行業源源不斷輸出應用型人才。

7 結語

應用型人才培養是應用型本科建設的重點，也是未來高等教育的一個發展趨勢。虛擬仿真平臺的建設在應用型本科教學實踐中有很大的優勢和應用潛力，特別是當前面對新冠肺炎疫情，線上授課也成為了一種重要的教學方式，應用型本科學校、教師乃至學生都應該思考和堅持，將虛擬仿真教學應用到實踐、實驗等教學環節，做好實踐教學的改革，提高教學質量，培養出更多的應用型人才。