高校虛擬仿真實驗教學中心的建設思考

孫二軍，趙 侖，唐艷茹

(長春師范大學化學學院，吉林長春 130032)

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高校虛擬仿真實驗教學中心的建設思考

孫二軍，趙 侖，唐艷茹

(長春師范大學化學學院，吉林長春 130032)

隨著信息技術在教學領域中的應用，虛擬仿真實驗教學成為實驗教學的重要組成部分。虛擬仿真實驗教學可以實現(xiàn)化學專業(yè)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。本文介紹了長春師范大學化學虛擬仿真實驗教學中心建設現(xiàn)狀，分析了建設中存在的問題，并對中心將來的發(fā)展建設提出了規(guī)劃和思考。

虛擬仿真；實驗教學中心；化學；信息技術

長春師范大學化學實驗教學中心自成立以來，高度重視實踐教學，逐步形成了實踐教學與理論教學協(xié)同培養(yǎng)高素質(zhì)人才和創(chuàng)新人才的先進實驗教學理念；不斷將最新科研成果轉(zhuǎn)化為綜合性、設計性與創(chuàng)新性實驗，有效提高學生的實踐能力，促進學生多樣化成才；以中青年教師為骨干，重視人才的引進和培養(yǎng)，已經(jīng)形成一支結(jié)構(gòu)趨于合理，具有豐富教學經(jīng)驗、較強科研能力的實驗教學團隊。2009年，長春師范大學化學實驗教學中心通過吉林省教育廳和財政廳驗收，被評為“吉林省化學實驗教學示范中心”。2014年申報國家級實驗教學示范中心，在吉林省的評比中取得了優(yōu)異的成績，在全省參評的實驗教學中心中排名第四。

根據(jù)國家教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知要求，2015年計劃遴選產(chǎn)生100個左右國家級虛擬仿真實驗教學中心[1]。虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[2]。虛擬仿真實驗教學中心重點開展資源、平臺、隊伍和制度等方面的建設，形成持續(xù)服務實驗教學、保證優(yōu)質(zhì)實驗教學資源開放共享的有機整體。雖然我院在化學實驗教學方面取得了很大的進展，有很多成功的經(jīng)驗，但在虛擬仿真實驗教學中作還很欠缺。因此，本文著力探討長春師范大學化學虛擬仿真實驗教學中心建設中存在的問題，并提出一些建議。

1 建設化學虛擬仿真實驗教學中心的意義

虛擬仿真實驗是現(xiàn)代教育的一種新興輔助技術虛擬實驗教學方式，可以利用圖形、動畫、視頻等計算機手段，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到提高實驗技能的目的。

1.1 虛擬仿真實驗教學中心是實驗教學中心的組成部分

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》都指出信息技術對教育發(fā)展具有重要影響，要建設具有中國特色的教育信息體系，加快推進教育信息[3-4]。

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內(nèi)容，因此，國家教育部高等教育司在2013、2014、2015年先后發(fā)文，要求開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設。截至2016年4月，已建設300個國家級虛擬仿真實驗教學中心。教育部同時大力推進國家級實驗教學示范中心建設，經(jīng)多年努力，國家級實驗教學示范中心已逐漸形成規(guī)模。

虛擬仿真實驗教學中心與實驗教學中心的建設并不矛盾?！督逃哭k公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高廳函[2015]24號文件)明確指出：“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容?！碧摂M仿真實驗教學是教育信息化在實驗教學中的體現(xiàn)，虛擬仿真實驗與專業(yè)實驗密切結(jié)合，為實驗教學提供了重要補充，為實驗教學改革提供了新的方向[1]。因此，我們在抓好實驗教學中心建設的同時，要重點抓好虛擬仿真實驗教學中心的建設工作。

1.2 虛擬仿真實驗在化學實驗中的廣泛應用

眾所周知，化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是化學教學中最重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的實驗教學以教師講解、學生動手操作為主，這樣可以鍛煉學生的實驗技能。虛擬仿真實驗與真實實驗并不矛盾，實驗室的操作實驗能夠鍛煉學生的動手操作能力，提高學生的實驗技能，這樣的真實實驗不應該減少，反而應該加強。虛擬仿真實驗教學更側(cè)重的是實驗室里不容易進行的實驗教學[5]。

1.2.1 儀器分析實驗

在學生學習儀器分析課程時，要進行大量的儀器分析實驗。由于條件所限，很多學校不可能購置所有昂貴的儀器分析設備；有些儀器比較貴重、精密，例如熒光光譜儀、紅外光譜儀，教師比較擔心初學者會損壞儀器。在以往的儀器分析實驗中，由于儀器數(shù)量少，每次實驗7～8名學生為一組。有的學生對大型儀器的使用缺少經(jīng)驗和訓練，在使用時畏手畏腳，因而每次實驗往往都是由少數(shù)動手能力強的同學操作，其他同學記錄數(shù)據(jù)或是在旁邊觀望，達不到鍛煉的效果[6]；還有些學生對儀器掌握不熟練，容易誤操作而損壞儀器。使用大型儀器的虛擬仿真實驗教學就能比較好地解決這個問題，學生利用虛擬仿真軟件就能夠?qū)W習儀器操作，且不必擔心對儀器造成損壞。對于已經(jīng)具備的大型精密儀器，筆者建議學生先進行虛擬實驗操作，了解具體的儀器構(gòu)造和使用方法，經(jīng)過反復練習，等到能夠真正掌握儀器操作技術，再到真實的儀器上操作，這樣才能取得更好的學習效果。

1.2.2 化工原理實驗

化工原理是化學工程、化學工藝、生物工程和食品工程等相關專業(yè)的專業(yè)基礎課，化工原理實驗是理論教學的重要輔助內(nèi)容和補充。在傳統(tǒng)的化工實驗中，由于設備、空間限制等因素影響，學生常常不能獨立操作，在得不到理想的實驗結(jié)果后也難以重復實驗。化工虛擬仿真實驗可以讓學生有足夠的時間在仿真設備上操作，減輕對大型、昂貴設備的損壞[7]。通過3D交互操作，實驗者能親手做實驗，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，驗證公式原理，真正做到虛擬現(xiàn)實、人機交互[8]。很多化工實驗需要學生到工廠實際考察實習，如合成氨、硫酸等生產(chǎn)過程等，然而化工企業(yè)危險性高，經(jīng)常會發(fā)生一些安全事故，因此無論是學校還是企業(yè)都非常擔心學生實習時出現(xiàn)問題。因此，學生到工廠實習的機會減少，即使能到工廠實習，也是以參觀為主，很難有機會進行實際操作。我們利用虛擬仿真軟件，采用3D技術模擬真實的工廠環(huán)境，進行交互式模擬實訓，所有步驟都逼真地呈現(xiàn)在學生面前。學生親身操作，從而達到工廠實習的目的。

1.2.3 有機化學實驗和無機化學實驗

部分有機化學實驗和無機化學實驗需要使用易燃、易爆藥品，如氫氣的制備、乙醚的蒸餾實驗等。大一和大二的學生實驗技能欠缺，動手能力差，一旦發(fā)生錯誤會給心理帶來較大的影響，甚至在以后的實驗中不敢進行操作。在蒸餾乙醚的實驗中，乙醚氣體難以避免地揮發(fā)到空氣中，對師生身體健康影響很大。在蒸餾過程中，一旦有學生違反實驗規(guī)程，很有可能發(fā)生乙醚燃燒、爆炸事故，十分危險。這類實驗建議運用仿真實驗方式，減少危險性；或者先利用虛擬實驗，熟悉實驗過程和實驗中的注意事項，再進行真實實驗。另外，在有機和無機實驗中也會經(jīng)常用到毒性較大的藥品和試劑，如有機溶劑苯胺、硝基苯、苯等，這類藥品容易通過呼吸系統(tǒng)和皮膚接觸而進入體內(nèi)，給身體健康帶來影響。還有一些藥品污染嚴重，實驗結(jié)束后不易處理，如含鉻電鍍液的分析，汞、鉛重金屬性質(zhì)等，這些實驗不符合綠色化學發(fā)展趨勢，對環(huán)境污染嚴重[9]。因此，這樣的實驗最好改為虛擬仿真實驗，以盡可能減少污染和毒性，保護環(huán)境。

1.2.4 物理化學實驗

傳統(tǒng)的物理化學實驗教學中也存在一些不足，可以用虛擬仿真實驗進行補充。物理化學實驗原理往往比較復雜，學生預習難度大，教師在有限的時間內(nèi)很難把原理講透徹，如果學生只是按照教材重復實驗，沒有認真思考、融會貫通，就難以達到教學效果。另外由于實驗條件限制，儀器數(shù)量少，部分學生會失去動手操作的機會。計算機虛擬物理化學實驗可以起到很好的補充作用，學生借助視頻或動畫可以直觀了解各種操作過程、儀器使用情況，如金屬相圖實驗、燃燒熱實驗等。虛擬實驗練習可以幫助學生了解實驗目的、原理及儀器使用的注意事項，更好地進行實驗。

綜上所述，利用虛擬仿真技術會為傳統(tǒng)實驗教學帶來很大幫助，彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足，更具備時間上的靈活性，調(diào)動學生積極性，解決以往實驗中想做不能做、想做不敢做等難題。

2 化學虛擬仿真實驗教學中心的建設現(xiàn)狀

化學學院對虛擬仿真實驗教學的認識是有一個漸進過程的。之前，我們對虛擬仿真實驗的認識不足，沒有認識到高等教育信息化建設對實驗教學的重大改變和影響。隨著學院領導和老師對教育信息化認識的不斷深入，通過對兄弟院校的虛擬仿真實驗教學中心參觀學習，逐步對虛擬仿真實驗加深了認識和了解，從而加快了化學虛擬仿真實驗教學中心建設的步伐。

2013年，為了解決化工實驗中存在的部分實驗難以開展的問題，我們首先購置了合成氨工藝仿真軟件和硫磺制硫酸工藝仿真軟件，并配置了電腦，在化工實驗中率先引入了虛擬仿真實驗，解決了去化工工廠實習難、沒有辦法實際操作的難題，取得了較好的實驗效果。

2015年，學院與北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司合作，開發(fā)了化學實驗虛擬仿真培訓平臺。該平臺構(gòu)建了基礎化學實驗基本教學資源體系，包括了無機化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗、分析化學實驗和大型儀器分析實驗等。該平臺適合學院一級的在線學習和培訓，集資源瀏覽、在線仿真、虛擬實驗、理論學習于一體。教師對已有的教學資源(軟件、視頻、2D或3D動畫、課件、文檔)進行整合，分配使用權(quán)限，通過組織仿真考試和理論考試，將已有的資源和課程相結(jié)合，使學生系統(tǒng)理論地進行專業(yè)學習。教師通過在線監(jiān)控和在線答疑，可實時掌握各種資源的使用情況并進行在線輔導。學生通過該平臺可與教師互動、與同學分享學習經(jīng)驗、做課程筆記、提交實驗報告、參加考試，真正做到隨時隨地學習。結(jié)合學校的教務網(wǎng)、和實驗室管理系統(tǒng)，教師和學生可方便地開展資源共享、仿真操作、虛擬實驗等教學工作。

根據(jù)學院經(jīng)費情況及實驗需求，我們初步選擇了以下虛擬仿真實驗，包括：有機化學3D虛擬仿真實驗：乙酰乙酸乙酯的制備、苯甲酸的制備、安息香及其氧化重排產(chǎn)物合成及表征；無機化學3D虛擬仿真實驗：[CoCl(NH3)5]Cl2的制備、水合反應速率及活化能的測試；物理化學3D虛擬仿真實驗：純液體的飽和蒸汽壓的測定；分析化學3D虛擬仿真實驗：石灰石中鈣含量的測定；大型儀器仿真軟件：X射線多晶衍射仿真軟件(德國布魯克AXS D8 ADVANCE)等。其他實驗內(nèi)容將在以后的虛擬仿真實驗中心建設中逐漸增加。

3 化學虛擬仿真實驗教學中心的建設建議

3.1 建設開發(fā)體系

完善現(xiàn)有的實驗平臺，增加實驗數(shù)量和種類，形成多層次的實驗教學體系。首先，在今后的建設中，要逐步加大基礎化學實驗的數(shù)量，特別是大型分析儀器實驗和化工實驗，解決基礎化學實驗中想做不能做、想做不敢做的實驗。其次，要適當增加探究性的綜合性實驗以及開放性實驗。綜合實驗和開放實驗能夠提高學生實驗能力，但在實驗開設過程中，存在實驗內(nèi)容單一、實驗條件有限等問題。虛擬仿真綜合實驗和開放實驗的開設，可以豐富實驗內(nèi)容，增強學生的實驗能力。再次，適當增加與科研相關的綜合性虛擬仿真實驗的開設。根據(jù)學院科研特色，開設一些與教師科研相關的、具有一定特色的虛擬實驗，如中藥中有效成分含量測定實驗、金屬卟啉配合物合成及液晶性質(zhì)研究等。

3.2 建設共享體系

虛擬仿真實驗教學中心的建設需要大量的資金、設備、人員、軟件、硬件等，因此中心建成后不能只是作為一個學院使用，而應該得到更廣泛的應用。虛擬仿真實驗教學的核心精神在于共享[10]。中心首先要成為學校多學科、多專業(yè)的共享平臺，除了化學專業(yè)，學校其他開設化學課程的專業(yè)都可以共享這個平臺的實驗資源。其次，中心可以與實習基地建立一定的聯(lián)系，如與吉林出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心、長春市環(huán)境監(jiān)測站、吉林省固廢處理中心、吉林省職業(yè)病防治院等企事業(yè)單位建立穩(wěn)定的合作關系，共同開發(fā)一些具有實踐性的實驗教學軟件并共享成果。最后，中心可以與吉林省內(nèi)各大高校、科研院所合作，互通有無，避免重復建設。

3.3 建設管理和保障體系

規(guī)范管理，完善各項制度。我們在吉林省化學實驗教學示范中心建設過程中，已經(jīng)取得了一定經(jīng)驗，在此基礎上，將繼續(xù)制訂和各項管理制度，確保實驗中心工作順利開展。

培養(yǎng)、引進優(yōu)秀人才，加大師資建設?；瘜W學院教師學歷層次高、教學經(jīng)驗豐富、科研能力較強，這是我們在師資上的優(yōu)勢；同時也存在不足之處，就是既懂專業(yè)知識又懂網(wǎng)絡技術的綜合性人才較少。我們今后要加強這方面人才，尤其是青年教師的培養(yǎng)和引進工作，對年紀較大的教師也要進行一定的培訓，使其能夠勝任虛擬仿真實驗的教學工作。

加大投入，保障中心運行?；瘜W虛擬仿真實驗教學中心還處于起步階段，各項條件還不完備，如教學場地、實驗數(shù)目、平臺建設、師資等還需要學校加大投入，確?；瘜W實驗教學及開放管理等得到有效的保障。同時，我們要申報各類專項基金、重點學科，利用學科經(jīng)費加強實驗中心的建設。

[1]教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2015-06-04)[2015-08-12].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/201506/t20150618 190671.html.

[2]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013(1):5-8.

[3]教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)[EB/OL].(2012-03-13)[2015-07-23].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk 133322.html.

[4]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2015-08-02].http://www.moe.gov.cn/s78/A05/cws_left/s7495/s7496/201308/t20130805_155119.html.

[5]王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理,2014(8):9-11.

[6]白雁,張娟,潘瑾,等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(12):169-171,174.

[7]宋建爭,李建軍,張永強.化工虛擬仿真實驗教學探索與實踐[J].教學研究職工,2014(3):107-109.

[8]高曉新,馬江權(quán),徐淑玲.3D化工仿真在生產(chǎn)實習中的應用[J].實驗室科學,2013(4):168-170.

[9]孫長霞.“虛擬實驗室”在高等院?；瘜W基礎課程中的作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學.2012(34):16942-16943.

[10]鐘宏,韓響玲,劉有才,等.礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學中心“四位一體”建設模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(9):10-13.

2016-05-09

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目“近紅外吸收的細菌卟啉光敏劑與抗癌化學藥物分子結(jié)合的研究”(20130101134JC)。

孫二軍(1974- )，男，副教授，博士，從事卟啉功能材料研究。

TP391.9

A

2095-7602(2016)08-0121-04