虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

姜廣策 王志敏 呂東燦 徐翠蓮

[摘 要] 在豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和教學(xué)效果的同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的融合。文章主要論述了在大學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用和對(duì)教學(xué)效果的影響，總結(jié)了虛擬仿真技術(shù)在課程中的切入點(diǎn)和展開形式，為數(shù)字化和信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐支持和借鑒。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;大學(xué)化學(xué);化學(xué)教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2017年度河南省教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐立項(xiàng)項(xiàng)目“基于在線開放課程背景下農(nóng)科有機(jī)化學(xué)教學(xué)模式改革的研究與實(shí)踐”（2017SJGLX031）

[作者簡(jiǎn)介] 姜廣策（1984—），男，山東昌邑人，博士，講師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)教育和綠色化學(xué)催化;王志敏（1974—），男，河南輝縣人，博士，副教授，研究方向?yàn)榧{米材料催化和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化;徐翠蓮（1965—），女，河南西平人，博士，教授（通信作者），研究方向?yàn)榛瘜W(xué)教育和有機(jī)化學(xué)。

[中圖分類號(hào)] G642.423 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）39-0387-02 ? ?[收稿日期] 2020-02-10

化學(xué)是一門實(shí)踐的科學(xué)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合是高等學(xué)校化學(xué)教學(xué)中的核心問(wèn)題之一，兩者的有機(jī)結(jié)合將有助于學(xué)生加深對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理的理解[1]。然而由于時(shí)間、空間的限制，化學(xué)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)理論教學(xué)往往被分成兩個(gè)平行的教學(xué)課程，因此不少學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在機(jī)理—結(jié)構(gòu)—現(xiàn)象之間的割裂，只能依靠死記硬背學(xué)習(xí)理論知識(shí)，無(wú)法做到活學(xué)活用和真正掌握。隨著信息化技術(shù)在教學(xué)中的深入，虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中越來(lái)越受到重視[2]。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，是對(duì)傳統(tǒng)課堂的數(shù)字化延伸，其具有可視化，直觀，沉浸感強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，又能夠?qū)崿F(xiàn)一些由于時(shí)間、空間、成本、安全等因素?zé)o法開展的實(shí)踐內(nèi)容，在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。除了在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用之外，虛擬仿真技術(shù)還能夠?qū)?shí)驗(yàn)壓縮進(jìn)課堂，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)微觀機(jī)理，在豐富課堂教學(xué)形式的同時(shí)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)與理論之間的聯(lián)系，在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)提升學(xué)生知識(shí)理解程度，實(shí)現(xiàn)由理論到實(shí)踐再到理論的良性循環(huán)[4]。

一、微觀結(jié)構(gòu)的宏觀三維呈現(xiàn)

高等學(xué)校化學(xué)教學(xué)中，反應(yīng)機(jī)理往往是相關(guān)章節(jié)的難點(diǎn)。該部分內(nèi)容相對(duì)抽象，考驗(yàn)學(xué)生對(duì)于分子微觀結(jié)構(gòu)的思考能力。以旋光異構(gòu)為例，本章節(jié)涉及大量?jī)?nèi)容需要同學(xué)認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型，傳統(tǒng)教學(xué)依賴課本和PPT課件的平面化教學(xué)往往無(wú)法將教師所理解的知識(shí)完整傳遞給學(xué)生，尤其是對(duì)一些空間思維能力較弱的同學(xué)來(lái)說(shuō)，面對(duì)這種教學(xué)方式存在不少理解上的難點(diǎn)。依靠虛擬仿真技術(shù)的三維建模，可以將原本抽象化的空間微觀結(jié)構(gòu)在宏觀層面呈現(xiàn)出來(lái)，允許學(xué)生對(duì)三維模型自由旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)型產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)，不僅能夠做到根據(jù)規(guī)則判斷旋光異構(gòu)類型的基本要求，還能深入直觀地理解該部分知識(shí)的本質(zhì)，而這正是傳統(tǒng)教學(xué)方案相對(duì)欠缺的。

二、反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)

化學(xué)反應(yīng)是高等學(xué)校化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，而反應(yīng)機(jī)理又是該部分教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)中，呈現(xiàn)在學(xué)生面前的是靜態(tài)的反應(yīng)方程式，以烯烴加成反應(yīng)為例，盡管作為親電加成反應(yīng)表象相對(duì)簡(jiǎn)單，但實(shí)際涉及原子軌道雜化、π鍵電子云分布、誘導(dǎo)與共軛效應(yīng)等內(nèi)容。僅僅通過(guò)死記硬背記住規(guī)律雖然可以應(yīng)付考試，但這種方式其實(shí)是對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)留下隱患，對(duì)于結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，也僅僅停留在規(guī)則的簡(jiǎn)單記憶上，一旦遇到復(fù)雜過(guò)程，學(xué)生便無(wú)法正確把握反應(yīng)規(guī)律。利用虛擬仿真技術(shù)的空間表達(dá)和動(dòng)態(tài)表達(dá)，能夠使復(fù)雜的反應(yīng)歷程在生動(dòng)起來(lái)的同時(shí)，富有條理性，將老師所想和學(xué)生所學(xué)所思真正連接在一起。不僅如此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，虛擬仿真還能對(duì)反應(yīng)歷程中一些抽象的概念，比如電子云分布，吸電子效應(yīng)，供電子效應(yīng)等做出具象化的描繪，從而加深學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，從貼近科學(xué)事實(shí)的角度，全面立體地理解反應(yīng)歷程的本質(zhì)。

三、將微縮的精品實(shí)驗(yàn)引入課堂

虛擬仿真技術(shù)的三維呈現(xiàn)、動(dòng)態(tài)化等優(yōu)勢(shì)決定了其在課堂教學(xué)過(guò)程中具有直觀性、連續(xù)性、注重條理的優(yōu)勢(shì)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，除此之外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還克服了一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)開展時(shí)成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)條件危險(xiǎn)等困難。采用虛擬仿真技術(shù)和合理地教學(xué)設(shè)計(jì)，可以將大多數(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的關(guān)鍵步驟壓縮到十分鐘，甚至更短的時(shí)間在課堂上呈現(xiàn)出來(lái)。與虛擬仿真的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同，在課堂上引入的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)弱化了對(duì)具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程的把握，強(qiáng)化了學(xué)生從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索反應(yīng)特征、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，深化學(xué)生對(duì)于核心知識(shí)的理解的同時(shí)，提升教學(xué)的趣味性和豐富性，化被動(dòng)傳授為主動(dòng)學(xué)習(xí)。以固體酸的性質(zhì)為例，本部分教學(xué)的核心內(nèi)容在于使同學(xué)們理解固體酸中酸性位產(chǎn)生的原因，以及固體酸結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和催化效果之間的聯(lián)系。在本章節(jié)中，可將典型的固體酸的制備過(guò)程和固體酸催化過(guò)程以虛擬仿真試驗(yàn)的形式引入課堂教學(xué)中，教師采用問(wèn)題導(dǎo)向法設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程、例如“如何制備固體酸催化劑可以使生物柴油產(chǎn)率最高”，讓學(xué)生在虛擬仿真試驗(yàn)中自由發(fā)揮，并將其中的核心環(huán)節(jié)以思考題的形式提出。虛擬仿真可以允許學(xué)生在很短的時(shí)間內(nèi)將試驗(yàn)預(yù)想的數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)分析表征數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠主動(dòng)發(fā)掘出理論知識(shí)的本質(zhì)，以及其中蘊(yùn)含的關(guān)聯(lián)，這一過(guò)程有其適合配合線上課程采用翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)模式。

四、虛擬仿真技術(shù)對(duì)在線課程的強(qiáng)化

近年來(lái)，在線課程的建設(shè)極大地促進(jìn)了教育傳播，與課堂教學(xué)不同，在線課程形式更加靈活，更符合學(xué)生碎片化學(xué)習(xí)習(xí)慣，因此受到學(xué)生的歡迎;學(xué)生通過(guò)線上教學(xué)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，老師在教學(xué)過(guò)程中就可以騰出更多的時(shí)間解決課程的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，不僅節(jié)約了教學(xué)時(shí)間，也與翻轉(zhuǎn)課堂等新教學(xué)方法具有良好接口。線上課程建設(shè)的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是資源的積累與課程設(shè)計(jì)。資源的積累應(yīng)該圍繞課程設(shè)計(jì)，將優(yōu)質(zhì)內(nèi)容呈現(xiàn)在課程中，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的認(rèn)知。虛擬仿真技術(shù)不僅打破了一些代表性實(shí)驗(yàn)的時(shí)間約束，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也打破了實(shí)驗(yàn)對(duì)于地點(diǎn)和環(huán)境的約束。在線上課程中嵌入精心選擇的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，能夠進(jìn)一步縮短學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和科學(xué)實(shí)踐之間的聯(lián)系，將線上課程從傳統(tǒng)課堂的補(bǔ)充和延伸，變成學(xué)生自由探索，主動(dòng)認(rèn)知的線上園地。化學(xué)是實(shí)踐的科學(xué)，與線上課程對(duì)接的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系恰恰給學(xué)生提供了一個(gè)隨時(shí)隨地進(jìn)行探索的實(shí)踐平臺(tái)，這種模式不受授課時(shí)間和授課環(huán)境的限制。這種開放的學(xué)習(xí)認(rèn)知環(huán)境允許學(xué)生獨(dú)立自主地思考問(wèn)題，從多個(gè)角度對(duì)課本理論加以驗(yàn)證，基于實(shí)踐，而不是基于死記硬背實(shí)現(xiàn)對(duì)于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，這一點(diǎn)對(duì)于本科化學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提升具有重要意義。

目前，虛擬仿真試驗(yàn)體系的建設(shè)無(wú)論從國(guó)家政策、還是從學(xué)校層面均得到了重視，而將虛擬仿真技術(shù)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入課堂教學(xué)，對(duì)于高等學(xué)校化學(xué)類科目的課程設(shè)計(jì)又具有獨(dú)特意義[5]。在問(wèn)題導(dǎo)向下、以學(xué)生為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探索中，虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)了化學(xué)教學(xué)中理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)的深度融合，使抽象的機(jī)理落到實(shí)處，在這一過(guò)程中，學(xué)生們加深了知識(shí)的理解，樹立了基礎(chǔ)科研思維，對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，豐富了教學(xué)模式、解決了傳統(tǒng)課堂學(xué)生參與度不高的難題。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂，是信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的延伸，其與線上課程建設(shè)和翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)方式均有良好的接口。

參考文獻(xiàn)

[1]袁望章.高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與思考[J].教育教學(xué)論壇，2019（30）：257-258.

[2]應(yīng)少明，謝丹華，黃劍華.虛實(shí)結(jié)合、產(chǎn)教融合的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的構(gòu)建與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2020（1）：156-159.

[3]蔡丁友.優(yōu)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育信息技術(shù)，2013（6）：13-15..

[4]Davenport J L，Rafferty A N，Yaron D J.Whether and How Authentic Contexts Using a Virtual Chemistry Lab Support Learning[J].Journal of Chemical Education，2018，95（8）：1250-1259.

[5]許鵬，陳建欣.虛擬仿真在工程化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐探索[J].廣東化工，2019（3）：229-231.