化學(xué)專業(yè)實驗虛擬仿真技術(shù)探討

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摘要:實驗在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實踐教學(xué)中處于非常重要的地位，但是傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式有許多弊端，嚴重影響了教學(xué)質(zhì)量。將虛擬仿真技術(shù)引入到應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中，可有效地解決限制化學(xué)實驗教學(xué)發(fā)展的諸多因素，建立起傳統(tǒng)方式和現(xiàn)代技術(shù)并存的實驗教學(xué)模式。構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，應(yīng)遵從虛實結(jié)合的原則，設(shè)計多層次循序漸進的虛擬仿真課程并強化師資培訓(xùn)，以期為社會提供優(yōu)秀的應(yīng)用化學(xué)人才。

關(guān)鍵詞:虛擬仿真;應(yīng)用化學(xué);實驗教學(xué)

實驗在高等學(xué)校的實踐教學(xué)中處于非常重要的地位，具有直觀和操作性的特點，是學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐能力的主要途徑。應(yīng)用化學(xué)作為一門介于化學(xué)和化工之間的獨立學(xué)科，所培養(yǎng)的人才需要具備化學(xué)方面的基礎(chǔ)知識、基本理論、基本技能以及相關(guān)的工程技術(shù)知識和較強的實驗技能［1］?？梢哉f，實驗教學(xué)貫穿整個應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的本科學(xué)習(xí)階段。但是一些實驗受到實驗場地、條件、資源、設(shè)備和時間等諸多原因的限制很難開展，嚴重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，使得教學(xué)質(zhì)量面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。信息技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)教學(xué)方式的變革提供了基礎(chǔ)，虛擬仿真實驗的廣泛開展為強化實踐教學(xué)、改善教學(xué)質(zhì)量提供了重要保障。在虛擬仿真實驗的開發(fā)過程中，一個信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境被搭建起來，師生可以將聽覺、視覺和觸覺等感知的虛擬實驗環(huán)境融入到課堂中，這為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗的教學(xué)提供了全新的思維模式［2－3］。

1應(yīng)用化專業(yè)實驗傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

應(yīng)用化學(xué)是一門應(yīng)用性和實踐性較強的專業(yè)，實驗教學(xué)是該專業(yè)的重要組成部分，對學(xué)生的實踐技巧與能力有著直接的影響，一些實驗教學(xué)受到很多因素的影響，導(dǎo)致本科實驗教學(xué)開展不順利。

1.1實驗時長，實驗安全及環(huán)境保護問題

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課程有一些特有的問題，譬如“苯丙乳液的制備”實驗時間過長，影響學(xué)生積極性，實驗效果也成問題;“703固化劑的合成”、“十二烷基硫酸鈉的合成”等實驗中要用到甲醛、氯磺酸等有毒刺激性試劑，這些實驗需要通風(fēng)設(shè)備完好，師生防護措施到位，否則會影響師生的健康。此外，實驗中用到的酸、堿和有機溶劑等不可避免的地有部分排放掉，會腐蝕下水管道，污染水源，通常很難妥善處理。

1.2實驗設(shè)備不足，難以滿足教學(xué)需要

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗所需的儀器比較多，由于教學(xué)經(jīng)費的限制，設(shè)備不足，一些儀器老舊功能不全或者根本不能使用;學(xué)生人數(shù)過多，而實驗教學(xué)場地不足，導(dǎo)致同一實驗重復(fù)教學(xué)，增加了實驗設(shè)備的損耗幾率和維護難度。并且，學(xué)生很難有充足的課程時間來理解實驗內(nèi)容和熟悉實驗操作，只能憑借老師的講述對實驗細節(jié)進行想象，缺乏實際動手經(jīng)驗，造成實驗課走過場的現(xiàn)象，降低了老師的教學(xué)熱情和學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，嚴重影響教學(xué)質(zhì)量。此外，為了解決儀器的不足，老師不得不設(shè)計同質(zhì)的實驗課程。而受經(jīng)費緊張等因素影響，實驗課程中訓(xùn)練科技前沿技能的實踐內(nèi)容偏少，開發(fā)和開展新實驗存在客觀困難。

1.3傳統(tǒng)授課模式缺乏互動，影響教學(xué)質(zhì)量

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗傳統(tǒng)的教學(xué)模式是任課老師首先講解實驗知識點和實驗操作要點，然后由學(xué)生自主操作完成實驗。學(xué)生接受知識的能力不同，所掌握的基礎(chǔ)知識程度也有差異，導(dǎo)致實驗過程中必然有學(xué)生對實驗知識或操作存在疑惑，有的學(xué)生會主動向老師請教討論，但更多的學(xué)生是在“只知其然，不知其所以然”的情形下按部就班完成實驗，對實驗現(xiàn)象的觀察沒有目的性，對出現(xiàn)的實驗結(jié)果缺乏預(yù)見性，很多學(xué)生在對實驗還存在疑問的情況下就離開了實驗室，使得實驗課的教學(xué)效果不明顯，不利于專業(yè)人才的培養(yǎng)。

2虛擬仿真實驗技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)可以搭建出一個既真實又虛擬的環(huán)境，學(xué)生在仿真的環(huán)境下學(xué)習(xí)會有新鮮感和愉悅感，能夠迅速進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓學(xué)生更快更好地掌握相關(guān)實驗操作技能，提高了學(xué)習(xí)效率。

2.1拓展實驗教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實驗通過綜合運用交互式多媒體和虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代科技，打破了傳統(tǒng)的實驗時間和空間的限制，借助于虛擬仿真平臺，師生之間可以進行及時和有效的溝通。在有互聯(lián)網(wǎng)的情況下，仿真實驗可以在線上進行，不受實驗時長的限制，對實驗地點也沒有要求，改善和彌補了傳統(tǒng)實驗因教學(xué)條件不具備而做不好或做不到的情況，解決實驗安全，降低環(huán)境污染，同時將前沿的應(yīng)用化學(xué)科學(xué)技術(shù)引入到實驗中，確保應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)的先進性。

2.2改革傳統(tǒng)教學(xué)模式

利用虛擬仿真技術(shù)，實驗教學(xué)就可以轉(zhuǎn)換成老師設(shè)計指導(dǎo)，學(xué)生自主完成的過程，學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)知識，改變各種物料配方的配比，通過觀察和產(chǎn)品最終性質(zhì)的差異，驗證自己的假設(shè)，加深知識的鞏固程度，充分體現(xiàn)了應(yīng)用化學(xué)綜合實驗的應(yīng)用型特質(zhì)。在這個過程中，學(xué)生不自覺完成了思考問題、解決問題的程序，通過反復(fù)操作，理解實驗原理的本質(zhì)，并提高分析能力和解決能力。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，虛擬仿真技術(shù)改變了被動獲取知識的模式，學(xué)生更加主動，提高了創(chuàng)造力。

2.3減少消耗、降低經(jīng)費

在傳統(tǒng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗中，由于場地限制和儀器數(shù)量不足，學(xué)生需要分批次做同一實驗項目，此外，學(xué)生由于操作問題，造成實驗結(jié)果不理想，需要重復(fù)實驗，這些都不可避免地造成試劑浪費和儀器損壞的現(xiàn)象。采用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生在虛擬平臺上進行實驗操作，解決了儀器損壞和試劑浪費的問題。隨著應(yīng)用化學(xué)的快速發(fā)展，常規(guī)的實驗儀器和實驗方法已經(jīng)明顯落伍，實驗課程要趕上科技的進步，就需要配套購置價格不菲的高精尖儀器設(shè)備，而通過虛擬仿真技術(shù)則可以避免這種情況，學(xué)生可以在虛擬情景下操作前沿的實驗項目，教學(xué)質(zhì)量提高了，實驗消耗則減少了。

3虛擬仿真應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)思路

當前，現(xiàn)代信息技術(shù)與高校教學(xué)的整合力度不斷加大，國內(nèi)很多高等院校都相繼開展了虛擬仿真實驗教學(xué)。雖然虛擬仿真實驗技術(shù)大大提高了實驗教學(xué)的便利程度，但仍需改進構(gòu)建的方式方法，以便摸索出適合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)發(fā)展的實驗教學(xué)體系。

3.1虛實結(jié)合原則

虛擬實驗教學(xué)中，學(xué)生沒有進行實際操作，這樣會失去傳統(tǒng)實驗的體驗感。應(yīng)用化學(xué)本身是一門強調(diào)實踐的學(xué)科，因此，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)首先應(yīng)以實際操作為基礎(chǔ)，虛擬仿真技術(shù)做補充，切忌本末倒置。在條件允許的情況下盡量使用傳統(tǒng)實驗教學(xué)，只有當實驗條件滿足不了教學(xué)時，適當引入虛擬仿真教學(xué)平臺，做到以虛補實，虛實結(jié)合［7］。

3.2實驗課程的設(shè)計

構(gòu)建三個層次的虛擬仿真實驗?zāi)K，分別為基礎(chǔ)實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗［8］?；A(chǔ)實驗層次要讓學(xué)生了解應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗的開設(shè)背景、基本操作技能以及實驗安全知識;綜合性實驗要讓學(xué)生掌握專業(yè)的實驗操作技能，逐步解決實驗問題以及有目的性地設(shè)計實驗;創(chuàng)新性實驗用以開拓學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，提高其創(chuàng)新實踐的能力。

3.3師資力量的培訓(xùn)

虛擬仿真實驗平臺應(yīng)由學(xué)校和相關(guān)企業(yè)共同合作開發(fā)和維護，然而，大多數(shù)任課老師可能不懂虛擬仿真技術(shù)，也不會操作虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。因此，為了更好地開展虛擬仿真實驗課程，應(yīng)該對任課老師進行虛擬仿真技術(shù)和相關(guān)信息技術(shù)的培訓(xùn)，以利于提高虛擬仿真教學(xué)平臺的使用效率和教學(xué)質(zhì)量。

4結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)引入到應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)中，可有效地解決限制化學(xué)實驗教學(xué)發(fā)展的諸多因素，建立起傳統(tǒng)方式和現(xiàn)代技術(shù)并存的實驗教學(xué)模式。在構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺時，應(yīng)遵從虛實結(jié)合的原則，設(shè)計多層次循序漸進的虛擬仿真課程并強化師資培訓(xùn)。利用虛擬仿真實驗平臺不僅可以創(chuàng)新并改革實驗教學(xué)模式，還能夠豐富實驗教學(xué)資源，最終提高實驗教學(xué)質(zhì)量，為社會提供優(yōu)秀的應(yīng)用化學(xué)人才。

參考文獻

［1］李凡修，孫首臣，鄧仕英，等.淺談應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)改革與實踐［J］．實驗室研究與探索，2014，33(4):198－202.

［2］高東鋒.信息化時代高校實驗教學(xué)改革的要求、思路與路徑［J］．中國高教研究，2018(4):93－96.

［3］張敏，劉俊波.對高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的若干思考［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2020(1):10－13.

［4］遲雙會.虛擬仿真技術(shù)在組織學(xué)實驗教學(xué)改革中的探討［J］．科教導(dǎo)刊(中旬刊)，2020(4):40－41.

［5］楊振德，玉舒中.森林保護學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建［J］．教育教學(xué)論壇，2016(21):268－270.

作者：聶俊琦 單位：湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院