虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究

石 瑩 宋世杰

（包頭師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014030）

1 介紹

虛擬模擬實(shí)驗(yàn)室是基于尖端技術(shù)（如虛擬現(xiàn)實(shí)）的開放網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教育系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以在虛擬測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)以及預(yù)定自己實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教師可以使用虛擬設(shè)備庫(kù)中的設(shè)備自由構(gòu)建任何合理的實(shí)驗(yàn)案例。虛擬模擬體驗(yàn)作為一種新型的教學(xué)模式，具有簡(jiǎn)捷、安全和模擬真實(shí)情況的功能。它可以模擬所有受儀器、藥物、毒性、污染等限制的經(jīng)驗(yàn)，并填補(bǔ)了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的空洞。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將多媒體引入實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)前通知的效果，提高數(shù)據(jù)處理效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果[1]。使用圖形圖像，動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作程序，這些工作可以部分或完全被傳統(tǒng)體驗(yàn)的各個(gè)方面所取代。我國(guó)的一些大學(xué)已經(jīng)在虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)上投入了大量資源，并建立了許多虛擬模擬實(shí)驗(yàn)中心。近年來(lái)，我國(guó)大力開發(fā)虛擬仿真技術(shù)，不斷開展仿真技術(shù)培訓(xùn)。在教育部開發(fā)的虛擬仿真國(guó)家工程建設(shè)咨詢實(shí)驗(yàn)教育項(xiàng)目中已明確指出，應(yīng)本著“以學(xué)生為中心”“以生產(chǎn)為中心”和“持續(xù)改進(jìn)”的原則，開展實(shí)驗(yàn)教育，更多更好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正在逐步進(jìn)入高校大學(xué)教育階段，科學(xué)合理的運(yùn)用這些平臺(tái)并將這些平臺(tái)與線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，是目前大學(xué)教師面臨的挑戰(zhàn)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課授課方式往往處于教師一個(gè)人在講授，學(xué)生完全對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)處于被動(dòng)接受的狀態(tài)。這樣模式不但會(huì)使學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，而且會(huì)逐漸削弱學(xué)生動(dòng)手能力[3]。傳統(tǒng)教學(xué)方法存在實(shí)驗(yàn)成本較高、造成環(huán)境污染、教學(xué)效果不理想等典型問(wèn)題，尤以環(huán)境污染問(wèn)題較為嚴(yán)重，大量實(shí)驗(yàn)有毒有害廢液還具有處理成本高的特點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供了足夠的共享學(xué)習(xí)資源，可重復(fù)性激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，成功避免了有毒有害廢液的產(chǎn)生，同時(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全得到極高的保障，學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)先對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)有一定掌握，進(jìn)而再更快更好的進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

2.1 投資費(fèi)用少

線下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有相當(dāng)多儀器價(jià)格昂貴，容易被實(shí)驗(yàn)藥品污染，而且有許多化學(xué)原材料難以獲取或價(jià)格昂貴，眾多原因造成線下實(shí)驗(yàn)投資費(fèi)用多，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只需要學(xué)生在電腦上登錄開發(fā)商提供的網(wǎng)址，在技術(shù)人員的指導(dǎo)下或參閱說(shuō)明書后，學(xué)生就可以親自動(dòng)手進(jìn)行操作。在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程按照軟件提示進(jìn)行操作最大亮點(diǎn)在于可以反復(fù)操作執(zhí)行。仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室投資費(fèi)用方面是跨越式的降低。

2.2 無(wú)污染

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，學(xué)生是通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊頁(yè)面上藥品進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程所用的藥品全為虛擬藥品。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程往往產(chǎn)生大量廢液物和有毒氣體，進(jìn)而對(duì)環(huán)境造成一定污染。仿真實(shí)驗(yàn)具備無(wú)污染的特點(diǎn)，可高效來(lái)解決線下實(shí)驗(yàn)的污染問(wèn)題。

2.3 安全性能高

標(biāo)簽老舊模糊、藥品混入雜質(zhì)、用藥過(guò)度、違反操作規(guī)定等都會(huì)引起嚴(yán)重化學(xué)事故。近些年化學(xué)事故接連不斷在實(shí)驗(yàn)室發(fā)生，對(duì)此造成大部分人從內(nèi)心產(chǎn)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的恐懼害怕心理，但是仿真實(shí)驗(yàn)利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)進(jìn)行操作，逼真的情景改善學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)以往的偏見，同學(xué)們只需在網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而非實(shí)際對(duì)藥品進(jìn)行操作，有效避免了化學(xué)事故的發(fā)生，具有安全性能高的特點(diǎn)。

2.4 提高預(yù)習(xí)效果

使用模擬軟件，學(xué)生可以練習(xí)實(shí)驗(yàn)程序，并在上課前熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程。仿真模擬可以有效地提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率。在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)之前，教師可以使用虛擬模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)安排課前準(zhǔn)備作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)質(zhì)量的在線監(jiān)控。當(dāng)大多數(shù)學(xué)生的預(yù)覽效果達(dá)到預(yù)期水平時(shí)，將打開實(shí)際的操作部分。這種方法可以有效地提高實(shí)驗(yàn)前的預(yù)覽效果，也可以提高復(fù)雜耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)效率。

2.5 增強(qiáng)學(xué)生仿真設(shè)備的基本操控能力

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常是在儀器和設(shè)備的幫助下進(jìn)行的。在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作化學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，這些儀器設(shè)備藥品大多數(shù)都沒(méi)有被觸及過(guò)。在實(shí)驗(yàn)前教師只是使用本書的介紹，而在預(yù)覽中缺少圖像模型。在教學(xué)中，由于學(xué)生人數(shù)眾多，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的觀察視野相對(duì)較小，并不是每個(gè)學(xué)生都能清晰看到。通過(guò)虛擬仿真教學(xué)軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器操作方式。實(shí)驗(yàn)儀器的操作步驟詳盡，清晰。可以循環(huán)播放，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的基本操作能力和對(duì)知識(shí)的掌握，給學(xué)生留下了深刻的印象，提高了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的成功率[4]。

2.6 數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析方便快捷

傳統(tǒng)分組實(shí)驗(yàn)學(xué)生需手寫記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行處理計(jì)算，計(jì)算較為煩瑣易出錯(cuò)，并且根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)描點(diǎn)繪制曲線會(huì)有一定偏差，一系列操作導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。相比較仿真實(shí)驗(yàn)而言，學(xué)生輸入所需的原理公式，然后計(jì)算機(jī)將列表數(shù)據(jù)替換為原理公式[6]，以獲取相應(yīng)的理論結(jié)果。最后根據(jù)原理公式遵循坐標(biāo)圖上的數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的曲線圖并且對(duì)曲線圖加以歸納整理。整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)操作下完成，從而縮短了在數(shù)據(jù)處理和繪圖上花費(fèi)的時(shí)間。

盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)過(guò)程中具有如上的一些優(yōu)點(diǎn)，但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)際實(shí)驗(yàn)相比還具有一定的局限性。比如，仿真程度低、技術(shù)員缺乏、與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合不充分、軟件昂貴等缺點(diǎn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)性

仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供良好預(yù)習(xí)效果，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為仿真實(shí)驗(yàn)提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)情景。合理結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，可使學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)原理之后，進(jìn)一步利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，確保實(shí)驗(yàn)的可信度。高校教師需要高度利用二者優(yōu)點(diǎn)達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論與展望

加強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效益互補(bǔ)，確保實(shí)驗(yàn)教育質(zhì)量提高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)今教育界的新型學(xué)習(xí)方式，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教育模式。在未來(lái)的不久，仿真實(shí)驗(yàn)將涉及在教育界每個(gè)角落。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在越來(lái)越多領(lǐng)域的開發(fā)和利用，虛擬仿真技術(shù)將變得越來(lái)越成熟，但仿真實(shí)驗(yàn)并不能整體代替線下實(shí)驗(yàn)，兩者互通有無(wú)才可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量最優(yōu)化。如何高效地將模擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以及如何培養(yǎng)復(fù)合型專業(yè)人才是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的核心課題?？偠灾?，化學(xué)虛擬仿真平臺(tái)是目前提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新及動(dòng)手能力的途徑[7]。伴隨教學(xué)不斷改革，電子科技不斷發(fā)展，仿真技術(shù)也在不斷完善。相信仿真實(shí)驗(yàn)未來(lái)充滿著無(wú)限潛力。