虛擬物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

向天成 趙艷茹

[摘要] 針對目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題,本文提出了虛擬物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的的課程教學(xué)計(jì)劃。通過網(wǎng)絡(luò)多媒體工具建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室,克服傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間少,實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的現(xiàn)狀;提高學(xué)生的創(chuàng)造能力,有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高,真正實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全部目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞] 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 虛擬實(shí)驗(yàn)室 學(xué)生

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,與其它化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程(無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn))相比,其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更側(cè)重于定量地解釋化學(xué)過程的規(guī)律,實(shí)驗(yàn)手段基本是采用各種各樣的實(shí)驗(yàn)儀器,涉及到熱、電、光、聲、磁等物理方面的內(nèi)容較多,這要求學(xué)生掌握一些儀器的操作,同時(shí)更注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題時(shí)的研究方法和思路。該課程的特點(diǎn)決定了其在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本技能、獨(dú)立操作能力、綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约皠?chuàng)新能力方面的特殊意義。相對于其它化學(xué)實(shí)驗(yàn)來說,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)顯得更為抽象和復(fù)雜。

近年來,各種先進(jìn)的物理化學(xué)研究手段和儀器設(shè)備發(fā)展迅速,尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的更新逐年增大,但目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多仍在沿用經(jīng)典教材。這直接導(dǎo)致目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在如下的問題:

1.學(xué)生操作儀器時(shí)間較少

物化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是使用電子儀器多,而前幾門化學(xué)實(shí)驗(yàn)課大多用玻璃儀器,所以學(xué)生對所使用儀器陌生;在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生僅在教材中看到儀器的草圖,對儀器的整體構(gòu)造,沒有大致了解;而且相當(dāng)大部分的儀器只在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用,在反復(fù)壓縮課時(shí)的情況下,實(shí)驗(yàn)時(shí)間又少,實(shí)驗(yàn)拖堂是無法避免的問題。盡管教師延長教學(xué)時(shí)間,但使學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi),熟練掌握所用的各種儀器仍是難題。因此物化實(shí)驗(yàn)普遍存在學(xué)生不能熟練掌握所用儀器。

2.實(shí)驗(yàn)儀器不足

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)大都需要使用比較精密的儀器,價(jià)格比較昂貴,因此儀器的數(shù)量就受到了一定的限制,一些大型儀器只能多人組開設(shè),使部分學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少;有些實(shí)驗(yàn)因?yàn)閮x器價(jià)格太高,在教學(xué)中只能選擇放棄,這都影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通常是學(xué)生預(yù)習(xí),教師現(xiàn)場講解,學(xué)生再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程沒有發(fā)揮主體作用,缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,對實(shí)驗(yàn)課不重視,教學(xué)效果差, 達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

4.物理化學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同步

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中, 普遍存在教學(xué)內(nèi)容落后于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的情況。學(xué)生還沒有學(xué)到相關(guān)方面的基礎(chǔ)理論知識, 就要開始這方面的實(shí)驗(yàn), 學(xué)生要在不知道實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)、沒見過實(shí)驗(yàn)儀器的情況下完成實(shí)驗(yàn)。這樣做既不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的提高, 也不能激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性, 更不能將所學(xué)理論知識通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步消化理解。

正是由于這些問題的存在制約了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)?；诖?構(gòu)建現(xiàn)代物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系勢在必行,我們提出了虛擬物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的的課程教學(xué)計(jì)劃。該課程計(jì)劃的目的是通過網(wǎng)絡(luò)多媒體工具與建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室,使學(xué)生能在實(shí)際操作之外更多地學(xué)習(xí)和鞏固物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)理論和操作;克服傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間少, 緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的現(xiàn)狀;提高學(xué)生的創(chuàng)造能力,使學(xué)生獲得了更多的實(shí)驗(yàn)信息,從而有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高,真正實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全部目標(biāo)。該課程教學(xué)計(jì)劃包括:(1)修訂完善編制的物化教材與網(wǎng)上教學(xué)資料;(2)根據(jù)本校實(shí)驗(yàn)儀器錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)片;(3)制作部分仿真實(shí)驗(yàn);(4)開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)。

1.全新的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材

現(xiàn)有物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材的編寫通常是依據(jù)編者所在單位的儀器設(shè)備條件而定的,而我院實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際儀器裝備條件不可能與其完全一致。而且隨著科技的進(jìn)步,新型設(shè)備的不斷引入,也會(huì)出現(xiàn)部分實(shí)驗(yàn)步驟不一致的情況。目前,我們已經(jīng)編制適合現(xiàn)代物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)教材。該教材的電子版可以在網(wǎng)站上瀏覽,更與利于學(xué)生的自學(xué),同時(shí)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新而同步更新。該教材更新的主要部分有:(1)計(jì)算機(jī)輔助開放性的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn),有燃燒熱,熔解熱,金屬二元相圖,凝固點(diǎn)降低法測物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)處理。修訂了原有的實(shí)驗(yàn)操作步驟使之與新設(shè)備吻合。(2)增加了分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與模擬實(shí)驗(yàn)。利用免費(fèi)的分子模擬軟件以及我院購買版權(quán)的量子化學(xué)軟件,增加了小分子分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及分子軌道、振動(dòng)頻率、偶極距等計(jì)算。使學(xué)生一方面對分子的結(jié)構(gòu)有直觀的認(rèn)識,進(jìn)而對物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面實(shí)驗(yàn)有一些理論上的了解;另一方面,可以讓學(xué)生對物理化學(xué)科學(xué)前沿的發(fā)展有一個(gè)簡單的了解。(3)針對不同專業(yè)方向的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),例如燃燒熱實(shí)驗(yàn),化工專業(yè)可以選擇化工產(chǎn)品,食品專業(yè)可以選擇食物。解決了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新慢而且與專業(yè)聯(lián)系不足的缺點(diǎn)。

2.利用新設(shè)備制作操作實(shí)驗(yàn)錄像

利用實(shí)驗(yàn)室近幾年更新的計(jì)算機(jī)控制處理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,重新錄制比較標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)錄像片。該教學(xué)片系統(tǒng)地講授物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、具體的操作步驟、正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過觀看教學(xué)錄像,了解所用實(shí)驗(yàn)儀器的原理和操作方法、實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象,使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后,能在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi),熟悉所用儀器,加深對物理化學(xué)研究方法的了解,拓寬學(xué)生知識面,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu),全面理解實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟,進(jìn)而熟練的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)可以在某種程度上緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的現(xiàn)狀。

3.多媒體與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

把一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)和設(shè)備價(jià)值較高無法開設(shè)的實(shí)驗(yàn)改成仿真摸擬實(shí)驗(yàn), 幫助理解物化理論知識, 使學(xué)生對物化實(shí)驗(yàn)及儀器使用有一個(gè)感性認(rèn)識。可以通過校園網(wǎng)絡(luò), 開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站,制作仿真實(shí)驗(yàn)軟件, 讓學(xué)生能根據(jù)理論課進(jìn)度, 進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn), 這樣, 提高了學(xué)生對理論課知識的理解和對實(shí)驗(yàn)的興趣,還可為學(xué)生提供現(xiàn)有的各種儀器的工作原理和使用說明, 使他們通過網(wǎng)絡(luò)熟悉儀器, 產(chǎn)生感性認(rèn)識, 為必修實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。同時(shí),生活生產(chǎn)中與物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的材料也可以以多媒體的形式掛在網(wǎng)站上,開闊學(xué)生的眼界。通過仿真模擬實(shí)驗(yàn), 實(shí)現(xiàn)了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一層次要求, 既使學(xué)生對物化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了興趣, 又使學(xué)生獲得了更多的實(shí)驗(yàn)信息, 從而有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

4.開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)

在學(xué)生有了一定的實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)手能力、調(diào)動(dòng)起了學(xué)習(xí)積極性的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)探討。開設(shè)開放性大多為具有一定深度和前沿性的小課題或直接參與老師的科研項(xiàng)目,學(xué)生自己查閱相關(guān)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案, 確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)時(shí)間,自己動(dòng)手做一切與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的工作。以學(xué)生為主體的開放性實(shí)驗(yàn), 學(xué)生自主學(xué)習(xí), 獨(dú)立思考, 自由發(fā)揮, 從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和探索精神, 培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)設(shè)備也得到充分利用,學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測, 使用到大型的精密儀器設(shè)備, 學(xué)以致用, 更進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣。

整個(gè)課程教學(xué)改革計(jì)劃四部分內(nèi)容是一個(gè)有機(jī)的整體,學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的步驟按照:實(shí)驗(yàn)教材中的實(shí)驗(yàn)→對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)錄像→多媒體與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)→實(shí)驗(yàn)室操作,開放性實(shí)驗(yàn)則是最后的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。該計(jì)劃可以一方面解決目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的多種問題,全面實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的;另一方面可以在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi),擴(kuò)大學(xué)生的知識面,使學(xué)生了解物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)的聯(lián)系,激發(fā)學(xué)生們的求知欲望和探索精神, 提高了學(xué)生的創(chuàng)造能力。

結(jié)論:

該課程計(jì)劃首次把多媒體技術(shù),電影,虛擬仿真技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上,構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。其目的是使學(xué)生能掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能,從而能根據(jù)所學(xué)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),選擇和使用儀器,培養(yǎng)動(dòng)手能力,鍛煉學(xué)生的觀察能力,正確記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神以及嚴(yán)肅認(rèn)真、事實(shí)求是的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)。其特色和創(chuàng)新之處在于:

1.多媒體技術(shù)+電影+仿真技術(shù)有機(jī)結(jié)合的虛擬實(shí)驗(yàn)室?？梢愿碌碾娮影鎸?shí)驗(yàn)書以及相關(guān)的多媒體資料,使學(xué)生了解原理的同時(shí)開闊眼界,標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)錄像使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有一個(gè)直觀的了解,易于掌握實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化操作。仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生利用電腦模擬真實(shí)環(huán)境,并根據(jù)真實(shí)環(huán)境中的理論和實(shí)際操作情況在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作、驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作。優(yōu)點(diǎn):投資小,收效高;維護(hù)簡單,更新方便;資源豐富,適用面廣;提高設(shè)備利用效率,使用靈活;利于學(xué)生自主學(xué)習(xí),提高學(xué)習(xí)效率。

2.真正的開放性實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立不僅節(jié)省了學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間,節(jié)約了設(shè)備的投入,關(guān)鍵是培養(yǎng)了學(xué)生自己學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),選擇和使用儀器和進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)的能力。

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