虛擬實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

朱夏緋，楊昊語(yǔ)，林妍君，王宇飛

（云南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，云南昆明 650500）

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)課很強(qiáng)的學(xué)科，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，教師要花費(fèi)大量的時(shí)間向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟和注意事項(xiàng)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練時(shí)間有限，很難在規(guī)定的時(shí)間完成既定的目標(biāo)，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多限于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和模仿訓(xùn)練，缺乏創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀器投資大，維護(hù)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中許多有毒、有害物質(zhì)造成環(huán)境污染日益顯現(xiàn)等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的補(bǔ)充和完善，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中傳統(tǒng)的教育思想、教學(xué)方法和教學(xué)手段存在的問(wèn)題。已逐漸成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源中不可缺少的部分，為化學(xué)學(xué)科發(fā)展開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在20世紀(jì)后期獲得了極大的關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)，人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究更加深入，在這樣的背景下，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研發(fā)及應(yīng)用當(dāng)前已經(jīng)成了新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

虛擬實(shí)驗(yàn)室就是借助于多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等在計(jì)算機(jī)或其他多媒體設(shè)備終端上營(yíng)造出一種虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)與設(shè)備的交互，仿佛身處真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等同于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中的效果。

作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要載體和信息化教育不可或缺的一部分，虛擬實(shí)驗(yàn)室以其獨(dú)特的魅力正逐漸被社會(huì)各界所認(rèn)可，也廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事、物理、化學(xué)等領(lǐng)域。將虛擬實(shí)驗(yàn)室引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，不僅能有效解決現(xiàn)實(shí)中某些化學(xué)實(shí)驗(yàn)難以展開的問(wèn)題，也能促進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)自身的發(fā)展。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

1.1 開放性

虛擬實(shí)驗(yàn)室的開放性體現(xiàn)在資源開放和平臺(tái)開放兩個(gè)方面。虛擬實(shí)驗(yàn)室給實(shí)驗(yàn)者提供了非常豐富的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備，實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭部梢砸罁?jù)需要自行調(diào)整，每一種實(shí)驗(yàn)資源都是可以由實(shí)驗(yàn)者自行選擇的，即“資源開放”；虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)多媒體終端向每一位有需要的實(shí)驗(yàn)者開放，不論你是教師、學(xué)生還是科研人員，都可以享受虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的樂(lè)趣，即“平臺(tái)開放”。

1.2 交互性

虛擬實(shí)驗(yàn)室作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一大分支，它繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的特性——交互性。交互性指的是實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行操作時(shí)，處在虛擬環(huán)境下的物體會(huì)根據(jù)情況做出反應(yīng)，并通過(guò)多媒體終端反饋給實(shí)驗(yàn)者，即實(shí)驗(yàn)者在操作虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中捕捉到了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。一款優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)具備豐富多彩的人機(jī)交互方式，才能盡可能完整地模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

1.3 自主性

虛擬實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室不同，不受時(shí)間和空間的限制，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)隨地隨心所欲利用多媒體終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)分析等，只要是虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠提供的條件都可以靈活選用，不用擔(dān)心成本、安全等問(wèn)題。一旦操作失誤，實(shí)驗(yàn)者可以更換存在問(wèn)題的部分，在短時(shí)間內(nèi)重新開始實(shí)驗(yàn)，省時(shí)省力。

1.4 共享性

實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與世界各地使用該虛擬實(shí)驗(yàn)室的用戶交流感想，分享實(shí)驗(yàn)資源、素材以及作品等，也可以與他人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)合作。

2 利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

2.1 安全性強(qiáng)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到，化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)注重安全問(wèn)題。某些化學(xué)藥品對(duì)人的身體極易造成危害，例如有毒的氯氣、一氧化碳，強(qiáng)腐蝕性的濃硫酸、硝酸等。由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)的過(guò)程中，常常伴隨著能量的變化，因此大部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)也具有一定的危險(xiǎn)性，如堿金屬與水的反應(yīng)、鋁熱反應(yīng)等。除此之外，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)遇到學(xué)生因操作失誤或其他原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)的失敗，同樣也可能對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成威脅。而虛擬實(shí)驗(yàn)室中的一切都是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的一種模擬，并非真實(shí)存在，學(xué)生與實(shí)驗(yàn)儀器和藥品不需要接觸就能完成實(shí)驗(yàn)，避免了危險(xiǎn)的發(fā)生。

2.2 突破實(shí)驗(yàn)條件的限制，節(jié)約成本

真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，藥品是不能回收再利用的，用過(guò)的儀器也要及時(shí)清洗干凈，在重復(fù)操作同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，要使用新的藥品和干凈的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一定程度上浪費(fèi)了時(shí)間和財(cái)力；學(xué)校為了能讓學(xué)生更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，會(huì)按照課程要求購(gòu)買儀器來(lái)完善實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于貧困、偏遠(yuǎn)地區(qū)而言，這項(xiàng)開支或許太過(guò)沉重。另一方面，對(duì)于一些特殊的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境都要嚴(yán)格掌控[1]，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的制約，難以進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)。使用虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生只需要調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)就能完成條件嚴(yán)苛的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室中的儀器和藥品都是仿真的，可以進(jìn)行無(wú)限次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，解決了購(gòu)買藥品和儀器帶來(lái)的成本問(wèn)題。

2.3 能直觀展現(xiàn)抽象內(nèi)容

化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué)，因此免不了與分子、原子等微觀粒子打交道。對(duì)于現(xiàn)實(shí)中難以捕捉的抽象概念，例如“原子結(jié)構(gòu)”“化學(xué)鍵”等內(nèi)容，學(xué)生不好理解，只能憑借想象在頭腦中形成概念。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)構(gòu)建具體模型給予學(xué)生直觀的感受，將抽象轉(zhuǎn)化為具體，微觀轉(zhuǎn)化為宏觀，方便學(xué)生更加輕松地學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 輔助課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前國(guó)內(nèi)的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室基本涵蓋了初高中乃至大學(xué)常見的儀器和藥品，在條件允許的情況下，教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，尤其是遇到危險(xiǎn)性大、條件嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)時(shí)，用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行展示未嘗不是一個(gè)好方法。有些虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存儲(chǔ)了大量經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師除了自己“組裝”實(shí)驗(yàn)裝置外可以利用現(xiàn)成的模板開始實(shí)驗(yàn)，節(jié)省課堂時(shí)間。

3.2 鞏固實(shí)驗(yàn)課知識(shí)點(diǎn)

在化學(xué)課程中，存在一些操作難度大、知識(shí)點(diǎn)多的實(shí)驗(yàn)，例如酸堿滴定實(shí)驗(yàn)，初次面對(duì)滴定管的學(xué)生很難在課堂上就掌握其原理和操作流程，實(shí)驗(yàn)課課時(shí)有限，很難讓學(xué)生重進(jìn)實(shí)驗(yàn)室再次操作。為了在課堂上能更快地掌握知識(shí)點(diǎn)或是在課后更好地理解重難點(diǎn)，學(xué)生可使用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)滴定實(shí)驗(yàn)的原理、滴定管的使用方法和標(biāo)準(zhǔn)的滴定操作進(jìn)行學(xué)習(xí)和模擬。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室及時(shí)地進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)，在很大程度上幫助了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)也提高了化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的效率。

3.3 給學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要和興趣靈活選用儀器和藥品，進(jìn)行課本上沒(méi)有的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的環(huán)境、選用的藥品等參數(shù)模擬出整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并給出與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同或相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的自主探究欲望和創(chuàng)造的熱情，有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，因此可以說(shuō)虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)能夠幫助學(xué)生活躍思維發(fā)揮想象力的優(yōu)秀平臺(tái)。

3.4 可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)授課，足不出戶也能“做實(shí)驗(yàn)”

今年年初的新冠肺炎疫情牽動(dòng)人心，學(xué)校、商場(chǎng)、電影院等公共場(chǎng)所都暫時(shí)關(guān)閉防止疫情的蔓延。但為了教學(xué)進(jìn)度能夠正常推進(jìn)，各個(gè)學(xué)校搭建“云課堂”通過(guò)線上授課的方式來(lái)響應(yīng)國(guó)家“停課不停學(xué)”的號(hào)召。對(duì)于化學(xué)這樣一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，若是延續(xù)傳統(tǒng)的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)只能用教師演示來(lái)替代，學(xué)生將失去親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。而虛擬實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)間和空間的限制，學(xué)生只需要下載“虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)生端”軟件，連接互聯(lián)網(wǎng)后通過(guò)計(jì)算機(jī)在家中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師可以通過(guò)教師端對(duì)學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程輔導(dǎo)，盡管這種方式不如親自動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)得到的學(xué)習(xí)效果好，但能在特殊情況下解燃眉之急。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室的不足之處

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室有不少優(yōu)點(diǎn)，但也并不是萬(wàn)能的，它在實(shí)際的應(yīng)用上也存在很多不足。首先，虛擬實(shí)驗(yàn)室只能給實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)視覺和聽覺上的感受，“真實(shí)感”不如傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，只能作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的輔助，不能完全替代它；其次，虛擬實(shí)驗(yàn)室的操作環(huán)境都不是真實(shí)存在的，并不能有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手操作能力；最后，虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境過(guò)于理想，缺少誤差，不利于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)者的錯(cuò)誤處理能力[2]。

5 開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)施化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

5.1 理論和實(shí)踐融合創(chuàng)新，構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)模式

任課教師結(jié)合課程內(nèi)容和目標(biāo)，借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)輔助理論的教學(xué)模式，使學(xué)生更容易理解和掌握所學(xué)知識(shí)。如，有機(jī)化學(xué)中原子軌道雜化、原子順序重組、空間結(jié)構(gòu)變化等化合物性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難描述其微觀變化。借助虛擬仿真教學(xué)技術(shù)就可以把反應(yīng)活性中心的原子變化、基團(tuán)進(jìn)攻時(shí)間先后順序等反應(yīng)過(guò)程詳細(xì)的演示清楚，形象生動(dòng)準(zhǔn)確。又如，次氯酸見光分解實(shí)驗(yàn)，真實(shí)環(huán)境中分解速度慢，很難觀察到氣泡產(chǎn)生和氯水顏色變化，在虛擬環(huán)境中學(xué)生可以集中精力研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身的特性和規(guī)律。還有滴定過(guò)程中突變范圍的出現(xiàn)、絲朊—聚丙烯腈系接枝共聚物的制備、無(wú)機(jī)粉體（CaCO3）的聚合物膠囊化改性、合成氨操作等實(shí)驗(yàn)，使用虛擬仿真技術(shù)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更簡(jiǎn)單、直接，有說(shuō)服力，教學(xué)效果更顯著。

5.2 正確安排虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，揚(yáng)長(zhǎng)避短，合理安排兩者比例，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)，兩者要合理安排、取長(zhǎng)補(bǔ)短。對(duì)具有代表性的基本操作實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)安全性低、毒性大和反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。二者相輔相成，既有真實(shí)的動(dòng)手操作練習(xí)，又有靈活可靠的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生真正掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)，達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正目的。

5.3 提供了開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生大型實(shí)驗(yàn)提供條件，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)隨地向?qū)W生長(zhǎng)期開發(fā)

學(xué)生是課堂的主體，在教學(xué)過(guò)程中更應(yīng)該考慮學(xué)生的需求，打造出最適合的教學(xué)環(huán)境。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以呈現(xiàn)操作性好、真實(shí)感強(qiáng)和直觀精確的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，可以為學(xué)生搭建規(guī)模宏大的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出更多的大型、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生在任何地方都能完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，使他們獲得扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作技能。提高學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解，啟發(fā)他們的創(chuàng)造性思維，增強(qiáng)科學(xué)研究的意識(shí)。

5.4 利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，緩解現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)資源不足問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用和廣泛共享

利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，全部或部分取代高成本、高危險(xiǎn)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)。通過(guò)虛擬仿真教學(xué)軟件的演示和操作，讓學(xué)生了解企業(yè)的化工生產(chǎn)流程、重點(diǎn)設(shè)備及關(guān)鍵的工藝參數(shù)，熟練掌握各種大型儀器操作要領(lǐng)，在仿真的生產(chǎn)場(chǎng)景中安全高效地開展實(shí)踐實(shí)訓(xùn)活動(dòng)。學(xué)校不用購(gòu)置大規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)備，緩解了學(xué)校實(shí)踐教學(xué)資源不足問(wèn)題，有效地提高教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)高?，F(xiàn)代教育技術(shù)的快速發(fā)展，加快高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教育信息化的進(jìn)程。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬實(shí)驗(yàn)室確實(shí)具有潛力，能夠幫助化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地展開，但同時(shí)也不可忽略其不足之處，希望教育工作者能靈活運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓它在今后的教學(xué)中更好地發(fā)揮作用。