虛擬仿真資源在化學專業(yè)教學中的綜合應用探索

張連明* 聶瑾芳 李建平 阮貴華

（桂林理工大學化學與生物工程學院 廣西·桂林 541006）

教育信息化是信息時代教育改革發(fā)展的必然要求，也是教育現(xiàn)代化的核心特征?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃》中所述：“以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，破解制約我國教育發(fā)展的難題，促進教育的創(chuàng)新與變革，是加快從教育大國向教育強國邁進的重大戰(zhàn)略抉擇”。在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導下，信息化技術(shù)在教育、管理、科研等過程中的廣泛應用推動了教育觀念、教育模式、學習方式等的深刻改革。根據(jù)教育部《教信息化十年發(fā)展規(guī)劃》，我國從2013 年開始啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的評審活動，共批準了300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心，且到2020 年，教育部即將完成1000 個“示范性虛擬仿真實驗教學項目”的認定。[1]到目前為止，全國各高校已經(jīng)建立了覆蓋理工類、農(nóng)林醫(yī)藥類、人文社科類等各個學科方向的虛擬仿真實驗教學資源。

1 教育信息化發(fā)展中的虛擬仿真

虛擬仿真實驗教學發(fā)展到今天，已經(jīng)不單單影響了教學內(nèi)容和教學手段，更是一種教學理念和模式。其具有以下幾個特征：

（1）學習過程立體化。虛擬仿真實訓教學環(huán)境可以創(chuàng)設(shè)多種情境，采用計算機技術(shù)依照實驗實景建立三維動畫模型，虛擬的操作環(huán)境和沉浸式的操作模式更能夠激發(fā)學生的學習興趣，促進學生從被動學習向主動學習轉(zhuǎn)變。同時，由于其較強的交互性及實時結(jié)果反饋等優(yōu)點，在一定程度上能夠?qū)W生在學習過程中所提出的假設(shè)模型進行驗證，為學生綜合能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)提供了保障。

（2）教學空間多元化。近些年多種新型的教學模式興起，但是難以徹底的普及，根本原因還是受限于硬件設(shè)備和教學空間。然而，虛擬仿真實訓教學不受課程、空間、時間、地域、學科類別及專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的限制，是一種普遍適用的教學手段。學生借助于虛擬仿真軟件便可以無限制、無浪費、無污染的模擬實訓，利用過程記憶可還原的特點完成在真實環(huán)境中難以完成的實踐過程，從而獲得等價乃至優(yōu)于真實訓練的體驗。

（3）教學場景虛擬化。依托虛擬技術(shù)及真實環(huán)境的數(shù)學模型，構(gòu)建高標準、高要求、高危險的實驗環(huán)境，并可以實現(xiàn)真實環(huán)境、偶發(fā)性自然現(xiàn)象及設(shè)備和運行過程的“再現(xiàn)”，可以使學生在虛擬的場景中進行人機交互、師生交互及生生交互，減少對理論或者實踐知識掌握不足而造成的設(shè)備損壞及安全事故，從整體上提高學習質(zhì)量和專業(yè)水平。

（4）教學模式普適化。虛擬仿真技術(shù)作為一種教學手段，其具有極強的兼容性，多數(shù)通用型應用軟件均具有實訓教學的仿真功能，適用于教學設(shè)計、教學過程、測評考核等實訓教學全過程。所有能夠以實物形式展開的實地教學內(nèi)容，理論上虛擬仿真技術(shù)都可以呈現(xiàn)、深化和拓展。利用虛擬仿真技術(shù)輔助教學，還可以節(jié)省大量的時間為學生開設(shè)綜合性、設(shè)計性及探究性等實驗，有助于學生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。[2,3]

但是，我國絕大多數(shù)的虛擬仿真教學過于片面化，一般院校均將虛擬仿真實驗資源作為實踐教學內(nèi)容的拓展，或作為模擬大型生產(chǎn)過程的實訓教學資源，未能有效將教育部支持建設(shè)的免費共享資源利用起來，未能綜合性培養(yǎng)學生的專業(yè)思維和創(chuàng)新性思維。[4]因此，高等學校必須更新教學觀念和模式，以虛擬仿真綜合訓練課程為基礎(chǔ)，倡導綜合利用虛擬仿真資源，借助其不受時間和空間限制的優(yōu)點，強化拓展專業(yè)知識的同時，注重學生專業(yè)思維模式的引導和培養(yǎng)，加強學生創(chuàng)新性思維實現(xiàn)能力的培養(yǎng)。

2 高?；瘜W教學中虛擬仿真教育

化學所研究的對象是不能直接觀察到的，同時化學反應的本質(zhì)及規(guī)律也隱藏在復雜化學現(xiàn)象中，而化學反應中強調(diào)變化和動態(tài)平衡，所有的化學都是基于化學實驗來驗證的，這就要求我們的學生要用思維去分析、用模型去具現(xiàn)化、用歸納統(tǒng)計、抽象概括去揭示化學規(guī)律。同時，化學教育對實踐性的要求很高，要求學生必須走進實驗室并請自動手操作才能獲得感性的認識，這個過程是課堂理論教育和在線理論教育所不能代替的。但是，由于一些客觀原因，比如實驗場地有限、實驗課時少、實驗設(shè)備不充足等，尤其是大型儀器設(shè)備臺套數(shù)不充足，難以滿足人人有效動手操作，學生對教師所講授的知識內(nèi)容缺乏直觀的認識，對學生創(chuàng)新思維和學以致用的能力培養(yǎng)無法切實到位。當今社會對復合型、創(chuàng)新型人才的需求越來越大，行業(yè)層面大型精密儀器的普及率飛速增長，變革傳統(tǒng)實驗教學模式，引入現(xiàn)代化教學手段進行輔助教學勢在必行。[5,6]

高?；瘜W理論教學中不僅存在不同層面、不用應用領(lǐng)域的理論，同時還大量存在如核磁共振譜儀、質(zhì)譜儀、高效液相色譜儀等復雜的儀器工作原理知識、難以具現(xiàn)化如酸堿平衡、氧化還原平衡、沉淀平衡、熱力學三大定律等方面的化學反應原理知識，以及原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、配合物空間結(jié)構(gòu)等難以具象化的概念性知識，對于這些理論和概念，不能掌握就不能正確應用。這也是大部分學生感覺大學化學難以理解透徹的原因所在。

虛擬仿真技術(shù)是一種可供創(chuàng)建并體驗高度擬真的虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，達到真實的體驗效果和提高人機交互的功能。虛擬仿真技術(shù)不但改變?nèi)祟悘氖驴茖W研究、技術(shù)設(shè)計和生產(chǎn)實踐的方式，而且為促進人的認識能力的全面發(fā)展提供了新的工具，將改變?nèi)藗兊乃季S方式，人們對世界、自己、實踐和空間的認識?？梢灶A見，虛擬仿真技術(shù)在教育中的應用會越來越廣泛，特別是網(wǎng)絡及人工智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，將使其在教育的應用更加智能化、信息化、以及多感知、沉浸式、交互性、構(gòu)象性，有利于實訓教學手段的開發(fā)和學生專業(yè)核心技能的培養(yǎng)及訓練。[7]

借助于虛擬仿真實驗教學資源，可以將上述抽象的化學概念、復雜的儀器工作原理以及化學微觀反應過程具象化，通過精密儀器的透視化，分子結(jié)構(gòu)的空間化讓學生對所學的知識有直觀的概念和印象，在虛擬空間內(nèi)，學生可以不斷重復實驗，研究每一個細節(jié)，掌握每一個關(guān)鍵點，同時還可以借助于虛擬仿真實驗教學資源幫助學生驗證完成專業(yè)學習中的創(chuàng)新性想法，培養(yǎng)學生在專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性思維。

目前，針對虛擬仿真的教學應用研究主要圍繞教學特別是實踐教學(含實驗、實習、實訓等)領(lǐng)域，以提高教學質(zhì)量，推進教學內(nèi)容、教學內(nèi)容、教學方法、教學模式的改革，培養(yǎng)造就更多合格的復合型人才與創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才。同時，虛擬仿真技術(shù)還能夠在一定程度實現(xiàn)個性化教學、標準化演示、智能化考核，解決實訓實習內(nèi)容開放性及縮短實際操作時間等問題。

為最大化發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在教學應用中的優(yōu)勢，進一步提高教學質(zhì)量和教學效果，各高校都在嘗試進行各種各樣的教學改革。然而，隨著虛擬仿真實驗教學資源的擴大化建設(shè)，綜合利用、深入利用、交互式容錯利用、創(chuàng)新性智能化應用均遠遠強于知識面的補充，建立虛擬仿真綜合性訓練課堂，針對專業(yè)技能和思維的培養(yǎng)，專一性研究虛擬仿真實驗的高效應用是非常有必要。

3 化學虛擬仿真綜合訓練課程教學體系的建設(shè)

3.1 化學虛擬仿真綜合訓練教學團隊的構(gòu)建

隨著社會的快速發(fā)展，化學專業(yè)面臨的問題越來越國際化、多元化和復雜化，同時虛擬仿真實驗平臺和軟件的科學應用不僅僅是網(wǎng)絡技術(shù)人員的問題，因其實驗內(nèi)容涉及較多理論課程、實驗課程以及科研轉(zhuǎn)化的實驗內(nèi)容，需要充分利用多個學科專業(yè)的研究資源和治理資源。虛擬仿真綜合訓練課程的建設(shè)，其教學內(nèi)容涵蓋虛擬實驗設(shè)計、虛擬仿真實驗軟件應用等，因而并不局限于某一門專業(yè)理論課程及實踐課的專業(yè)教師，還應配置有專業(yè)的網(wǎng)絡技術(shù)人員和軟件制作公司的技術(shù)支持人員。為更好綜合性培養(yǎng)學生的專業(yè)思維，須有效結(jié)合專業(yè)的師資力量和軟件開發(fā)公司的技術(shù)力量，作為一個團隊，共同在教學過程中發(fā)揮作用。

3.2 以教學對象為導向，篩選提煉教學資源和內(nèi)容

雖然國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺中與化學相關(guān)的虛擬仿真教學資源已超過300 個，同時，各個高校都在建設(shè)和拓展自己的化學虛擬仿真實驗教學平臺和資源。但是，由于各院校均有自己的專業(yè)特色和專業(yè)方向，因此，并不是所有的虛擬仿真教學資源都可以強化本專業(yè)方向?qū)W生的技能和素養(yǎng)，必須要有針對性對資源進行選擇和利用。以應用化學虛擬仿真綜合訓練課程為例，必須從中篩選化學基礎(chǔ)、儀器分析、科研實踐訓練方面的資源，與社會需求和專業(yè)特色相結(jié)合，突出專業(yè)特性，從專業(yè)基礎(chǔ)到學科前沿，從學習興趣到自主虛擬實驗設(shè)計，由淺入深，逐步完成學生對專業(yè)及行業(yè)的思想認同及思維模式的培養(yǎng)。另一方面，其他化學相關(guān)資源均可作為拓展性訓練資源，以自主實驗設(shè)計的方式，完成對專業(yè)輔助知識的應用。

3.3 以虛擬實驗設(shè)計及驗證為導向的思維培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實驗設(shè)計更傾向于主要過程的合理性，在實驗方案的選取中通常選擇樣品易得、過程簡單、設(shè)備簡單的項目，即方便簡單快捷的進行結(jié)果驗證，教學重心在于學會設(shè)計實驗、掌握實驗設(shè)計流程，對于實驗實施細節(jié)很少有關(guān)注。但是化學實驗的成敗在于對實驗細節(jié)和試劑用量的把控，該問題制約了實驗設(shè)計的深度。虛擬仿真實驗設(shè)計，不受實驗條件、實驗經(jīng)驗及藥品用量的制約，可以隨時開設(shè)耗時長、耗費大及危險性高的設(shè)計性實驗，理論上只要設(shè)計合理的參數(shù)，便可以利用虛擬仿真軟件對實驗內(nèi)容進行驗證。同時，學生還可以直觀的對實驗細節(jié)過程進行把控和分析，可以有效提升學生對專業(yè)知識的掌握程度和應用能力。