基于虛擬仿真技術(shù)的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

張鵬 銀秀菊 齊國(guó)翠 謝婉瑩

摘 ? 要：虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究等方面發(fā)揮著重要作用，在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，虛擬仿真技術(shù)可以很好地進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)和彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)操作中的一些弊端。本文探索了在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，虛擬仿真技術(shù)在無(wú)機(jī)化學(xué)課程中的作用和優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)操作的交叉應(yīng)用更能提高學(xué)生的動(dòng)手和主動(dòng)思考能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課本理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 ?無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn) ?優(yōu)勢(shì)和作用

中圖分類號(hào)：G434 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（b）-0219-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日漸成熟，促使它在教學(xué)科研有了更加廣泛的應(yīng)用，特別是在化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)中受到越來(lái)越多的關(guān)注，虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)的建設(shè)逐漸成為高校化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向[1]。通過(guò)建設(shè)虛擬仿技術(shù)平臺(tái)，虛擬實(shí)驗(yàn)操作與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合和補(bǔ)充，既可以改變傳統(tǒng)教學(xué)方法和模式，又為新世紀(jì)的工程型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)開辟出了一種新的方式[2]。無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本科教學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和化學(xué)藥品等實(shí)驗(yàn)用品，但絕大多數(shù)的化學(xué)原料和廢料不能滿足綠色環(huán)保化學(xué)的時(shí)代背景。虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)的建立既能讓學(xué)生熟練掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，又盡可能避免對(duì)環(huán)境的污染。目前虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)將理論分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合在一起，逐漸成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究中一種必不可少的手段，尤其是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[3]。

在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程上，虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)教師利用計(jì)算機(jī)軟件與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件相結(jié)合，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上的操作讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品，對(duì)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)象分析、結(jié)果判斷、結(jié)論總結(jié)和存儲(chǔ)等，充分利用最新的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的組裝，實(shí)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)一步利用已有實(shí)驗(yàn)儀器的功能和開發(fā)新功能[4]。對(duì)于虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，本文認(rèn)為可以在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入相關(guān)技術(shù)，除了提高學(xué)生的操作水平外還可以利用虛擬仿真的動(dòng)畫使學(xué)生更加清晰的了解一些基本的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理;對(duì)于有毒、爆炸、腐蝕等具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)使學(xué)生對(duì)其有深刻的印象和認(rèn)識(shí)。比如，在化學(xué)反應(yīng)速率和活化能的測(cè)定實(shí)驗(yàn)課程中引入仿真虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作有所了解，還可以通過(guò)動(dòng)畫來(lái)使學(xué)生對(duì)現(xiàn)象有充分觀察，避免學(xué)生跟有劇毒的化學(xué)藥品接觸，對(duì)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)終點(diǎn)有提前的預(yù)知。由于在計(jì)算機(jī)上引入實(shí)驗(yàn)的視頻動(dòng)畫和具體操作流程，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更深一步的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。

1 ?虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的簡(jiǎn)介

1989年，美國(guó)Virginiada大學(xué)的William Wolf教授最早提出了虛擬仿真技術(shù)，在理論和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入了第三種設(shè)計(jì)手段和形式。它的主要內(nèi)容是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體等相關(guān)虛擬仿真技術(shù)建立與之相關(guān)的技術(shù)平臺(tái)，模擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作運(yùn)行和驗(yàn)證。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，可以模擬建立一個(gè)接近真實(shí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，把原本實(shí)驗(yàn)所需要的儀器設(shè)備和藥品移入到虛擬仿真平臺(tái)，借助計(jì)算機(jī)在平臺(tái)內(nèi)操作并觀察相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)不僅緩解了高校實(shí)驗(yàn)資源緊缺的難題，減少了學(xué)校的資金投入，而且可以很好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以讓學(xué)生親身經(jīng)歷、操作具有危險(xiǎn)性的工藝流程，幫助學(xué)生理解深?yuàn)W的理論知識(shí)，并加深印象。

2 ?虛擬仿真技術(shù)在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

眾所周知，無(wú)機(jī)化學(xué)是高?；瘜W(xué)化工等相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，而無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的驗(yàn)證和補(bǔ)充。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程需要實(shí)驗(yàn)設(shè)施完善和藥品種類相對(duì)齊全的實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)教師的講解和示范，學(xué)生自己動(dòng)手操作，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這樣不僅鍛煉了學(xué)生自身的動(dòng)手操作能力，也讓學(xué)生更深層次地理解課本中的理論知識(shí)。但在實(shí)際的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，會(huì)產(chǎn)生一定量的有毒、爆炸、腐蝕等具有危險(xiǎn)性的產(chǎn)物，如果學(xué)生操作不當(dāng)，極其容易引發(fā)安全問(wèn)題。虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)就可以很好地彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的安全事故。利用虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，可以讓學(xué)生開展相關(guān)具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，卻不會(huì)產(chǎn)生安全事故，學(xué)生可以對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)有更深一步的了解。

2.1 虛擬仿真技術(shù)在玻璃管加工實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

玻璃管加工實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中所開展的第一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行操作時(shí)有大量的安全隱患。首先，在玻璃管折斷時(shí)，需要利用薄片砂輪或者鋒利的銼刀，左手大拇指頂住玻璃管，銼刀按照一個(gè)方向在玻璃管上劃出一個(gè)劃痕，雙手握在劃痕兩邊，折斷玻璃管。由于大部分同學(xué)第一次進(jìn)行玻璃管折斷操作，在折斷玻璃管過(guò)程中，容易造成斷面不齊，斷裂的碎玻璃很容易劃傷皮膚，甚至扎入皮膚中，容易造成安全隱患。其次，折斷的玻璃管，需要放在酒精噴燈的外焰上，緩慢勻速地進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)灼燒位置處于紅熔狀態(tài)時(shí)，雙手緩慢平行外拉玻璃管，拉到實(shí)驗(yàn)要求的粗細(xì)位置，將玻璃管放置在石棉網(wǎng)上，讓其自然冷卻一段時(shí)間后，利用銼刀將玻璃管拉伸位置折斷，成功制備出玻璃滴管。但在制備滴管過(guò)程中，需要用到酒精噴燈，當(dāng)酒精噴燈使用壽命較長(zhǎng)時(shí)，噴燈會(huì)產(chǎn)生大量問(wèn)題，例如酒精噴燈酒精噴口處容易被異物堵塞，噴燈不易被點(diǎn)燃，或者噴燈預(yù)熱不足噴出大量液體酒精。類似情況極易造成火災(zāi)，對(duì)學(xué)生生命安全造成威脅。最后，該實(shí)驗(yàn)還可以利用酒精噴燈制作一些其他實(shí)驗(yàn)中所需要的玻璃彎管，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)裝置。但由于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)不足，制作的玻璃彎管大部分不符合實(shí)驗(yàn)裝置的要求，造成實(shí)驗(yàn)材料的大量浪費(fèi)。

從上面的酒精噴燈實(shí)驗(yàn)中，可以看到實(shí)驗(yàn)中存在大量的安全隱患，特別是對(duì)于初次進(jìn)行無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，如何避免出現(xiàn)安全隱患成為一個(gè)難題。而虛擬仿真技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。利用建立的虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，先對(duì)相關(guān)材料利用程序編程，模擬出玻璃管、酒精噴燈和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上，借助虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，既可以讓學(xué)生實(shí)際操作玻璃管加工過(guò)程，又可以避免所帶來(lái)的安全隱患，同時(shí)，也可以節(jié)約出學(xué)校的實(shí)驗(yàn)資源，盡可能多地讓學(xué)生開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在鈷配合物的制備與組成測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

鈷配合物的制備與組成測(cè)定實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解鈷配合物的制備原理及其組成的測(cè)定方法，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要大量有毒或者易燃易爆的化學(xué)藥品，如氯化鈷、硝酸銀和重鉻酸鉀。對(duì)于[Co（NH3）]Cl3晶體的制備，首先，取適量的CoCl2·6H2O晶體、NH4Cl和蒸餾水加熱溶解之后，加入一定量的活性炭，冷卻后再加入適量氨水，冷卻至10℃以下用滴管滴加雙氧水。然后，在55℃左右的水浴中加熱20 min，在冰浴條件下，溶液冷卻至0℃左右，進(jìn)行抽濾，得到的固體再次溶于一定量含有鹽酸的沸水中，水浴冷卻后，進(jìn)行抽濾，往濾液中加入濃鹽酸，得到大量的橙黃色晶體，最后，進(jìn)行洗滌干燥，就得到了實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)產(chǎn)物。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)步驟較多且繁瑣，會(huì)用到大量具有強(qiáng)酸性的鹽酸，學(xué)生一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，極其容易將鹽酸飛濺到衣服甚至皮膚上，造成衣服腐蝕或者皮膚受傷。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中存在大量的升降溫過(guò)程，很難精確控制各個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)溫度，一旦其中某個(gè)步驟控溫不準(zhǔn)確，就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)的失敗，浪費(fèi)大量的時(shí)間和藥品。

在鈷配合物的制備與組成測(cè)定實(shí)驗(yàn)中需要使用大量有毒、易燃易爆的藥品，伴隨大量的升降溫過(guò)程，而藥品使用容易產(chǎn)生安全隱患，升降溫過(guò)程難以精確控制。同時(shí)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，由于學(xué)生人數(shù)較多，需要大量的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)藥品，占用大量的公共實(shí)驗(yàn)資源。而利用虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，可以虛擬出實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)藥品，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)步驟，避免有毒有害的藥品對(duì)身體產(chǎn)生損傷，同時(shí)，計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)控制反應(yīng)溫度，保證實(shí)驗(yàn)的成功率。

2.3 虛擬仿真技術(shù)和實(shí)際操作在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的交叉應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)和實(shí)際動(dòng)手操作在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中是相輔相成的，實(shí)際操作讓學(xué)生更加直觀觀察反應(yīng)的過(guò)程和現(xiàn)象，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有更深一步的認(rèn)識(shí)。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，在使用一些有毒有害的藥品時(shí)，容易造成安全事故。某些條件復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)需要大量的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)，對(duì)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)資源產(chǎn)生巨大壓力。虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)的建立，可以模擬相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建立一個(gè)綠色、無(wú)污染和無(wú)危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)立體化教學(xué)。但虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)只是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，缺乏對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和對(duì)實(shí)驗(yàn)的直接觀察。虛擬仿真技術(shù)和實(shí)際操作在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的結(jié)合使用，可以將實(shí)踐操作能力和理論知識(shí)融會(huì)貫通，既避免一些危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)中的一些安全事故，又可以節(jié)約學(xué)校的實(shí)驗(yàn)資源。

3 ?結(jié)語(yǔ)

在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中結(jié)合虛擬仿真技術(shù)建立一個(gè)系統(tǒng)性的平臺(tái)，在平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以生動(dòng)形象的完成實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)探索興趣，讓學(xué)生在有限的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)資源下盡可能多地開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，更好地鍛煉學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力，使學(xué)生充分理解和運(yùn)用課本所學(xué)的理論知識(shí)，解決實(shí)際生產(chǎn)生活中的問(wèn)題。

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