虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

于穎

【摘要】依據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)和要求，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中引入虛擬仿真技術(shù)。通過(guò)理論分析和教學(xué)實(shí)踐，探索出虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的最佳應(yīng)用辦法，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，加深了學(xué)生對(duì)化學(xué)理論知識(shí)的理解，促進(jìn)了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源優(yōu)化和操作簡(jiǎn)潔化。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真技術(shù)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)改革

化學(xué)是一門(mén)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(kāi)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)正是因此應(yīng)運(yùn)而生的新型輔助教學(xué)手段，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(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)上各種虛擬的儀器設(shè)備取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，依照實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁笈c過(guò)程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)的，聚合了教、學(xué)、練、考、管、評(píng)等完備的教學(xué)功能，具備高仿真性、安全性、專(zhuān)業(yè)性和效率高的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中強(qiáng)大優(yōu)越性體現(xiàn)在：（1）有助于轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的以教師為主導(dǎo)的單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。（2）避免了實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)安全隱患，保證了學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的人身安全。（3）不受空間和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，可以隨時(shí)隨地的在高度自主性和交互性的虛擬環(huán)境中完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，具有很大的開(kāi)放性和較強(qiáng)的擴(kuò)展性。（4）功能齊全，使用方便，容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新，展現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)化、系統(tǒng)化及現(xiàn)代化。（5）實(shí)驗(yàn)成本較低，無(wú)需藥品和消耗器材，尤其是那些在極端的或毒性較高的有害環(huán)境下進(jìn)行的操作以及耗時(shí)耗力的大型的或綜合性復(fù)雜場(chǎng)景，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)更為明顯，更利于環(huán)境保護(hù)，體現(xiàn)綠色化教學(xué)。（6）能夠體現(xiàn)教、學(xué)的互動(dòng)性，將抽象、深?yuàn)W的學(xué)習(xí)內(nèi)容具體化、形象化。學(xué)生可以任意完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)習(xí)和訓(xùn)練效果等同于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。（7）為遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及培訓(xùn)提供途徑，改善了網(wǎng)絡(luò)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件等。可見(jiàn)加強(qiáng)虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)對(duì)現(xiàn)代高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言意義重大。

二、開(kāi)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

（一）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(jiàn)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—聚丙烯睛系接枝共聚物的制備、無(wú)機(jī)粉體（CaC03）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。

（二）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。

（三）提供了開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)。

（四）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)景中安全高效的開(kāi)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，加快高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教育信息化的進(jìn)程。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中合理應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，為學(xué)校節(jié)省了教學(xué)資源，豐富了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)化學(xué)理論知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。虛擬仿真教學(xué)模式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)新方向、新趨勢(shì)，其巨大的教學(xué)作用也符合新課改的實(shí)驗(yàn)要求。相信虛擬仿真技術(shù)將在高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

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