化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究

摘要：化學(xué)化工是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科之一。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用滿足了化學(xué)學(xué)科的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)的深度融合，有助于培養(yǎng)專業(yè)化、應(yīng)用型的人才。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驙I(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)氛圍，進(jìn)而提高化學(xué)化工學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)化工教學(xué)中的運(yùn)用，解決了傳統(tǒng)操作中的各類問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的難題，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)切入，簡(jiǎn)述其應(yīng)用價(jià)值，從便捷實(shí)驗(yàn)操作等方面討論具體應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：化學(xué)；化工；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；環(huán)境化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，需要學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證和研究。隨著教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要投入大量的人力，物力，財(cái)力，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能夠滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，影響了學(xué)生的化學(xué)化工學(xué)習(xí)效果［1］。信息時(shí)代下，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到化學(xué)教學(xué)中，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)的成本和相應(yīng)的人力，克服了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的局限和不足，有效地提高了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平，促進(jìn)了學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的發(fā)展［2］。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息時(shí)代下的產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作和實(shí)驗(yàn)研究，利用信息技術(shù)，采用虛擬化的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)和平臺(tái)，使學(xué)生能夠通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)切實(shí)地感受到實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，這是現(xiàn)階段化學(xué)化工教學(xué)中所運(yùn)用的教學(xué)方法之一。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)分布式信息通信技術(shù)來(lái)運(yùn)行，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)電子化和虛擬化，為學(xué)生提供逼真的實(shí)驗(yàn)聲音和現(xiàn)象，具有仿真性強(qiáng)、可重復(fù)操作、安全性高等特點(diǎn)，學(xué)生能夠通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐，加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解［3］。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有沉浸感、交互性、開(kāi)放性和可擴(kuò)展性等四個(gè)特點(diǎn)。沉浸感是指虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲耆貙⒒瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)中的變化為學(xué)生呈現(xiàn)，對(duì)于化學(xué)化工生產(chǎn)中的溫度，壓力等都能夠做到實(shí)時(shí)的仿真，使學(xué)生在運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)實(shí)踐時(shí)，可以直觀地感受到狀態(tài)和成分等數(shù)據(jù)的變化，讓學(xué)生在與真實(shí)實(shí)驗(yàn)情景相似的虛擬環(huán)境中，體驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的交互性，含有一定的交互功能，學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬真實(shí)的化學(xué)化工生產(chǎn)情境，使學(xué)生能夠通過(guò)直觀的感受來(lái)對(duì)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)綜合素質(zhì)和核心素養(yǎng)；開(kāi)放性是指虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是依靠信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)發(fā)展的，不局限于具體的場(chǎng)景使用，學(xué)生可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)通過(guò)登錄虛擬仿真平臺(tái)來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，提高學(xué)生的化學(xué)化工學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有可拓展性的特點(diǎn)，在平臺(tái)上學(xué)生可以對(duì)虛擬裝置進(jìn)行靈活的組合和更新，按照自己習(xí)慣的方式對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)，具有較強(qiáng)的可拓展性。

2化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用價(jià)值

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)化工教學(xué)中的應(yīng)用，能夠調(diào)動(dòng)起學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)驗(yàn)積極性，具有可重復(fù)操作、安全性高等特點(diǎn)，為教師和學(xué)生提供自由探究的虛擬空間，有效地提高化學(xué)化工教學(xué)的質(zhì)量和水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化工化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，體現(xiàn)為人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，通過(guò)為學(xué)生提供逼真的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)和聲音來(lái)呈現(xiàn)出真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生和教師都可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性和興趣，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上自主地通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)化工教學(xué)中的運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法提供的化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。化學(xué)學(xué)科作為以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，會(huì)涉及大量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，有些化學(xué)實(shí)驗(yàn)由于成本較高或者化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染等，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，因此，在教師化學(xué)化工教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，借助虛擬的實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在提高實(shí)驗(yàn)安全性的同時(shí)，能開(kāi)展化學(xué)學(xué)習(xí)中的所有實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)。

3化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用方法

3.1通過(guò)虛擬仿真，便捷實(shí)驗(yàn)操作

化學(xué)化工會(huì)涉及一些較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生如果僅在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或者對(duì)于實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用到的工具缺少了解，無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，使理論知識(shí)與實(shí)踐過(guò)程出現(xiàn)脫節(jié)，對(duì)化學(xué)化工專業(yè)學(xué)習(xí)造成不利影響。因此，在化學(xué)化工教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)和平臺(tái)，學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，提高對(duì)知識(shí)的理解，積累實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，從而促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高。

教師在化學(xué)化工教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。教師在學(xué)生實(shí)驗(yàn)開(kāi)展前需要對(duì)實(shí)驗(yàn)中所涉及的物品以及設(shè)備進(jìn)行講解，使學(xué)生能夠具備專業(yè)化的知識(shí)后再開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，幫助學(xué)生樹(shù)立化學(xué)學(xué)習(xí)的自信心，為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)和工作奠定良好基礎(chǔ)。例如：在利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化工企業(yè)常涉及的實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于學(xué)生缺少實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，加之化工企業(yè)中涉及的實(shí)驗(yàn)都較為復(fù)雜，學(xué)生無(wú)法在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，在確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全的基礎(chǔ)上，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。

對(duì)于化工企業(yè)中運(yùn)用到的設(shè)備，像管式加熱爐單元、精餾塔、離心泵裝置、硫化床裝置、液面控制裝置、真空系統(tǒng)操作單元等，虛擬仿真平臺(tái)上都有相應(yīng)的虛擬設(shè)備，學(xué)生可以通過(guò)這些虛擬設(shè)備來(lái)開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生呈現(xiàn)出與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過(guò)程，使學(xué)生在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中積累化學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)踐過(guò)程，對(duì)化學(xué)知識(shí)做到深入的探究和理解，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和化學(xué)核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面發(fā)展。

3.2構(gòu)建模擬計(jì)算，避免實(shí)驗(yàn)污染

化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)使用到大量的化學(xué)物質(zhì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)時(shí)可能不會(huì)一次性就取得實(shí)驗(yàn)的成功，多次實(shí)驗(yàn)又會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)廢棄物，造成環(huán)境污染。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠有效地解決實(shí)驗(yàn)廢棄物等問(wèn)題。因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)是通過(guò)虛擬技術(shù)將實(shí)驗(yàn)的真實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中可以進(jìn)行重復(fù)操作、多次實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)廢棄物，可重復(fù)操作的特點(diǎn)也為學(xué)生提供了多次實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)和平臺(tái)，這是提高學(xué)生動(dòng)手操作能力和知識(shí)探究能力發(fā)展的有效方式。

教師在利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)展化學(xué)化工實(shí)踐教學(xué)時(shí)，可以運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的模擬計(jì)算中心，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)反應(yīng)以及化學(xué)物品的配比進(jìn)行精確的計(jì)算，提高學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)成功率，使學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算中心來(lái)得出科學(xué)合理的化學(xué)實(shí)驗(yàn)配比，從而幫助學(xué)生樹(shù)立化學(xué)學(xué)習(xí)的信心，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)，按照所學(xué)過(guò)的化學(xué)理論知識(shí)對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)利用模擬計(jì)算中心來(lái)進(jìn)行計(jì)算，得出科學(xué)準(zhǔn)確的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作方案，為后續(xù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)奠定良好的基礎(chǔ)。教師運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)展化學(xué)化工實(shí)踐教學(xué)，給予學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)和試錯(cuò)的平臺(tái)，使學(xué)生運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算中心來(lái)多次調(diào)整自己的實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)學(xué)生分析能力和判斷能力的發(fā)展，進(jìn)而提高化學(xué)化工教學(xué)課堂的質(zhì)量和教學(xué)水平［4］。

3.3優(yōu)化實(shí)訓(xùn)形式，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)交流

化學(xué)作為一項(xiàng)以實(shí)驗(yàn)為主體的基礎(chǔ)學(xué)科，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)涉及大量的合作交流性的實(shí)驗(yàn)，需要多人來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，教師在化學(xué)化工教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量時(shí)，需要優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，采用小組合作的方式來(lái)提高學(xué)生的交流溝通能力，從而促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的合作習(xí)慣，提高學(xué)生的綜合能力，包括團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。教師在運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)展化學(xué)化工教學(xué)時(shí)，需要注重學(xué)生交流溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇多人協(xié)作的實(shí)驗(yàn)來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合作探究，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力的全面發(fā)展。例如：在開(kāi)展“丙烯酸甲酯工藝”實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，需要多個(gè)學(xué)生來(lái)共同完成實(shí)驗(yàn)，教師便可以運(yùn)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生的合作交流能力。教師在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，可以先為學(xué)生進(jìn)行講解丙烯酸甲酯工藝的工藝流程，使學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的過(guò)程有一個(gè)基本的了解，為后續(xù)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)奠定良好的知識(shí)基礎(chǔ)。教師在講解理論知識(shí)后，將全班同學(xué)分成多個(gè)小組，小組間通過(guò)交流合作來(lái)共同完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)要做真實(shí)有效的記錄，小組內(nèi)的學(xué)生通過(guò)交流合作發(fā)散自己的思維，提出實(shí)驗(yàn)意見(jiàn)，通過(guò)小組合作來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生交流溝通能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的提高?；瘜W(xué)化工中運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生交流溝通提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，小組內(nèi)的成員可以發(fā)表自己的意見(jiàn)，并運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次試錯(cuò)，最終得出最佳的化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)思維能力和實(shí)踐交流能力的穩(wěn)步發(fā)展。

4結(jié)語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，信息技術(shù)為化學(xué)化工提供了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用到化學(xué)化工教學(xué)中來(lái)，加深了學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，做到了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合，促進(jìn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和水平的提高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)化工教學(xué)中的運(yùn)用，給予學(xué)生多次重復(fù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，多次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深了對(duì)化學(xué)知識(shí)的探究和理解，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的，促進(jìn)化學(xué)化工行業(yè)的發(fā)展。

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