高校化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展

蔡瑤，王濤，陳杰，李海玉，王霞，曹海嘯

(1.無(wú)錫學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引言

高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的重要場(chǎng)所。由于高等教育逐漸普及，高校的師生規(guī)模逐漸擴(kuò)大，然而由于傳統(tǒng)高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室會(huì)涉及有毒有害試劑、易燃易爆化學(xué)品[1-2]，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有時(shí)還會(huì)遇到高溫、高壓等實(shí)驗(yàn)條件[3]，不僅存在安全隱患，還有可能對(duì)環(huán)境造成污染。因此，如何在化學(xué)教學(xué)過(guò)程中踐行綠色化學(xué)理念就顯得格外重要。

在20世紀(jì)50年代初期，虛擬仿真技術(shù)被用于軍事模擬訓(xùn)練，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)在20世紀(jì)90年代將虛擬仿真技術(shù)首次應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，并逐漸應(yīng)用在醫(yī)療、交通、教育、通信等領(lǐng)域[4]?；瘜W(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要是以仿真技術(shù)搭建而成的實(shí)驗(yàn)室，主要用于仿真設(shè)計(jì)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M[5]。在綠色化學(xué)概念被提出后，教育部逐漸加強(qiáng)對(duì)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室工作的引導(dǎo)，例如教育部印發(fā)了《關(guān)于2017—2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》等[6]。各個(gè)高校也對(duì)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了有效創(chuàng)新和發(fā)展，例如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在國(guó)家級(jí)示范中心的基礎(chǔ)上組建化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心并專(zhuān)門(mén)構(gòu)建了共享平臺(tái)，廣西民族大學(xué)成立了現(xiàn)代化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心?；瘜W(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠給高校的化學(xué)教學(xué)提供多樣化的選擇，優(yōu)化了資源的配置，也能夠降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前，大多數(shù)高校均能認(rèn)識(shí)到化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室相比有著諸多的優(yōu)勢(shì)，也逐漸加強(qiáng)對(duì)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的資金投入。但另一方面，化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)同樣也存在一些弊端，高校在建設(shè)和發(fā)展化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室過(guò)程中需要值得注意。本文對(duì)高校化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，提出了關(guān)于高?；瘜W(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思路和發(fā)展方向，以期為探索高水平的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室提供進(jìn)一步思考。

1 化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室優(yōu)點(diǎn)

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直觀共享

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)受限于時(shí)間和地點(diǎn)，還會(huì)存在多個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)設(shè)備的現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中教師難以顧及每個(gè)學(xué)生，教學(xué)效果不佳。而虛擬仿真技術(shù)能夠全息化模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生能夠直觀地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，教師也可以直觀看到每個(gè)學(xué)生的操作步驟，極大地提升了教學(xué)質(zhì)量。而對(duì)一些復(fù)雜的或極端條件下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅很難達(dá)到，還費(fèi)時(shí)費(fèi)力，用虛擬仿真技術(shù)可以快速創(chuàng)造一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生能夠輕松自如進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。另外，一個(gè)完善的化學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，突破時(shí)間、地點(diǎn)、師生人數(shù)的限制，學(xué)生同時(shí)在不同計(jì)算機(jī)上能夠進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)資源共享，內(nèi)容直觀。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安全環(huán)保

雖然目前大多數(shù)高校化學(xué)教學(xué)所用到的試劑不涉及劇毒性或高腐蝕性，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程仍不可避免具有一定的危險(xiǎn)性，還會(huì)產(chǎn)生廢液廢渣等，進(jìn)而可能污染環(huán)境。而化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生只需在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所用到的藥品試劑都是虛擬的，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，降低廢液廢渣對(duì)環(huán)境的污染。

近些年來(lái)，雖然教育部多次強(qiáng)調(diào)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全的重要性，但化學(xué)實(shí)驗(yàn)室事故仍時(shí)有發(fā)生，違規(guī)操作、缺少標(biāo)簽、試劑擺放不規(guī)范均可能引起化學(xué)實(shí)驗(yàn)事故。利用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生在化學(xué)操作過(guò)程中不會(huì)接觸易制毒、易制爆等藥品，能確保師生的人身安全，降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 減少實(shí)驗(yàn)儀器成本

傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要配置多種多套教學(xué)設(shè)備，還要購(gòu)買(mǎi)滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)的化學(xué)藥品和試劑。在實(shí)驗(yàn)操作中，還會(huì)遇到錯(cuò)誤操作導(dǎo)致儀器損壞、儀器老化等情況[7]，既增加了儀器維護(hù)成本，也需要大量的人力物力?；瘜W(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室只需要購(gòu)買(mǎi)一定量的計(jì)算機(jī)和虛擬仿真軟件，能減少對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的投入和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，還不需要各種各樣的耗材。當(dāng)需要不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，教師只要更改相應(yīng)的參數(shù)與設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，就可以重復(fù)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)，這樣不僅提高了工作效率，還降低了教學(xué)成本，高效完成教學(xué)。

1.4 激發(fā)學(xué)生化學(xué)興趣

化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室突破了時(shí)間和地點(diǎn)的限制，學(xué)生只需要在計(jì)算機(jī)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作。在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生操作過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤就很難彌補(bǔ)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生能直觀了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟，還可以隨時(shí)隨地進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而更加了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，快速掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)。在疫情當(dāng)下的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在家也同樣可以利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行線上化學(xué)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容不會(huì)受到影響，也極大地激發(fā)學(xué)生的興趣，提高了學(xué)習(xí)的效率，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

1.5 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率

由于高等教育的普及，高校師生規(guī)模日益擴(kuò)大。學(xué)生作為高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室的主體，有部分學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)了解很少，不清楚化學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟，甚至在化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上都不能進(jìn)行正確的操作，這影響著教師的教學(xué)效率。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以模擬各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，快速了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)步驟，教師也能縮短備課時(shí)間，提高備課效率，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

2 化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程不真實(shí)

在化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境都是最理想的、最標(biāo)準(zhǔn)的，但在真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試劑濃度、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不同，實(shí)驗(yàn)環(huán)境和虛擬仿真模擬出的環(huán)境不一致，學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)辦法達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果。另外，由于化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都是標(biāo)準(zhǔn)操作，而學(xué)生實(shí)際操作過(guò)程可能存在錯(cuò)誤的操作，如：滴定管滴定操作、溶液稀釋操作。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)需要?jiǎng)邮值膶?shí)驗(yàn)課，如果所有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)都在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，勢(shì)必會(huì)造成學(xué)生理論和實(shí)際脫節(jié)的情況，給學(xué)生日后實(shí)際工作帶來(lái)影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)程序化

化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟都是系統(tǒng)后臺(tái)提前設(shè)定的，學(xué)生如果想要完成某一化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就需要按照操作步驟一步一步來(lái)，如果學(xué)生想要跳過(guò)則會(huì)無(wú)法進(jìn)行，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程被限定，學(xué)生無(wú)法進(jìn)行其他操作，不能進(jìn)行自主探索，不利于創(chuàng)造性思維的激發(fā)。每一步都按照程序要求操作，使得每個(gè)學(xué)生都出現(xiàn)相似甚至相同的結(jié)果，也不利于學(xué)生化學(xué)興趣的激發(fā)，與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)。

2.3 交流共享程度低

近些年來(lái)，許多高校為了保障化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的師生安全，提高師生的教學(xué)質(zhì)量，紛紛建立了化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，但彼此之間的交流合作甚少。某一院校擁有的優(yōu)勢(shì)資源沒(méi)辦法讓其他高校享受到，資源優(yōu)勢(shì)沒(méi)法互補(bǔ)，不利于社會(huì)整體的發(fā)展。

3 化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室一般由計(jì)算機(jī)、模擬輸入系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)以及感覺(jué)模擬系統(tǒng)組成[8]。建立化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室除了需要配備計(jì)算機(jī)、不同化學(xué)仿真軟件外，還需要制定一個(gè)清晰的建設(shè)思路。

3.1 厘清建設(shè)需求

虛擬仿真的核心是仿真，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)虛擬操作實(shí)現(xiàn)仿真?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)本身就涉及大量不同的實(shí)驗(yàn)課程，如：無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、儀器分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)等，每一門(mén)課程不單是需要不同的仿真軟件，更需要弄清研究對(duì)象本身，弄清不同課程的特點(diǎn)和課程需求，結(jié)合院校實(shí)際需要，不盲目引進(jìn)，建設(shè)有自己特色的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。

3.2 以學(xué)生為中心

在建設(shè)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室時(shí)，各高校都應(yīng)秉持著“教、學(xué)、做”為一體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)理念，以人為本。本身化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)受眾是教師和學(xué)生，學(xué)生既是學(xué)校的主體又是實(shí)驗(yàn)室的主體，建設(shè)思路理應(yīng)滿足化學(xué)實(shí)踐教學(xué)和虛擬教學(xué)相結(jié)合的需求，增加學(xué)生化學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生化學(xué)創(chuàng)新能力，從而達(dá)到滿足現(xiàn)代社會(huì)化學(xué)復(fù)合型創(chuàng)造性人才的需求。

3.3 依托自身優(yōu)勢(shì)

各個(gè)院校在不同學(xué)科都有一些各自的優(yōu)勢(shì)，要加強(qiáng)各自學(xué)科和化學(xué)之間的聯(lián)系，依托學(xué)科建設(shè)，整合優(yōu)勢(shì)學(xué)科資源，建設(shè)以自身優(yōu)勢(shì)為特色的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。例如：吉林化工學(xué)院將多媒體技術(shù)與化學(xué)專(zhuān)業(yè)相結(jié)合，學(xué)生進(jìn)行化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)錄像和仿真動(dòng)畫(huà)；四川大學(xué)有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中“Roskamp-Feng反應(yīng)及應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”是依據(jù)該校具有代表性的科研成果研發(fā)出來(lái)的。因此，各個(gè)高校在建設(shè)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室時(shí)需要根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)，集中優(yōu)勢(shì)科研成果和學(xué)術(shù)力量資源，研發(fā)具有自身代表性特色的虛擬仿真軟件。

3.4 配齊復(fù)合型專(zhuān)業(yè)人才

各高校傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)過(guò)程需要配備專(zhuān)任教師教學(xué)外，還會(huì)配備實(shí)驗(yàn)員人員進(jìn)行耗材的事先準(zhǔn)備。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)除了需要專(zhuān)任教師還需要有虛擬仿真軟件的開(kāi)發(fā)者，即需要會(huì)軟件開(kāi)發(fā)。但目前絕大多數(shù)虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)人員很少掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，而化學(xué)專(zhuān)業(yè)專(zhuān)任教師也沒(méi)有軟件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，這就可能導(dǎo)致開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件不適合教師的教學(xué)，影響教學(xué)質(zhì)量，這就需要在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中引進(jìn)復(fù)合型專(zhuān)業(yè)人才。

4 化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室發(fā)展方向

4.1 完善教學(xué)管理隊(duì)伍

在實(shí)驗(yàn)室建成后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室需要形成一個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)合理的師資隊(duì)伍，逐漸加強(qiáng)教學(xué)隊(duì)伍體系建設(shè)。在管理方面，同樣需要建有一套完善科學(xué)的管理體系，需要有中心負(fù)責(zé)人和虛擬實(shí)驗(yàn)室分管負(fù)責(zé)人，層層遞進(jìn)，保證實(shí)驗(yàn)室管理的正常運(yùn)行?？傊?，需要建有一套教學(xué)和管理相并行的隊(duì)伍體系。

4.2 加強(qiáng)校企合作

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展不單單只能依靠學(xué)校自身，社會(huì)上有不同技術(shù)特點(diǎn)的企業(yè)，里面有各種各樣的人才資源。各個(gè)高?？梢猿浞职l(fā)揮自身影響力，和不同類(lèi)型的企業(yè)合作，將高校的科技力量和企業(yè)的技術(shù)資源融合，通過(guò)共建聯(lián)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、師生進(jìn)企實(shí)習(xí)等方式進(jìn)行校企合作，從而形成長(zhǎng)期交流、合作共贏、持續(xù)發(fā)展的校企合作模式。

4.3 注重虛實(shí)結(jié)合

化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是教師進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)手段，各個(gè)院校應(yīng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。學(xué)生既能快速便捷地進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，又能感受到真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。虛實(shí)結(jié)合的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系既能夠滿足當(dāng)代化學(xué)教學(xué)要求，還能適應(yīng)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

4.4 實(shí)施開(kāi)放共享

一個(gè)院校的化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室如果不涉及保密要求，那就應(yīng)當(dāng)對(duì)外開(kāi)放共享，減少其他高校不必要的重復(fù)建設(shè)，如西南大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)西南地區(qū)不同類(lèi)型學(xué)校開(kāi)放共享，充分發(fā)揮其引領(lǐng)作用。同時(shí)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放共享也可以加強(qiáng)各個(gè)高校之間的合作交流，對(duì)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的理論水平提高與化學(xué)虛擬仿真成果完善具有相當(dāng)大的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

在“雙一流”政策的大背景下，傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室越來(lái)越難以適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求。在信息化時(shí)代下，化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室擁有諸多優(yōu)勢(shì)，不僅突破了時(shí)間和空間的限制，還能大大降低常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)。但化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并不能完全取代傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，兩者需要進(jìn)行融合，構(gòu)建一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，從而為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)教學(xué)奠定基礎(chǔ)，高效培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新型人才。

在科技飛速發(fā)展的時(shí)代，化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室也需要不斷突破與創(chuàng)新，相信能夠與醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科互通有無(wú)，為教育事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮更大的作用。另外，有條件的企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷開(kāi)發(fā)新的化學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)，并持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，確?；瘜W(xué)虛擬仿真適應(yīng)各個(gè)高校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓化學(xué)虛擬仿真教學(xué)無(wú)限接近真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)效率，提高教學(xué)質(zhì)量。相信化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在未來(lái)能夠發(fā)揮更加重要的作用。