虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型化學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用

林雪梅

（河北民族師范學(xué)院，河北承德 067000）

隨著國(guó)家不斷增加對(duì)應(yīng)用型本科人才的需求，對(duì)人才培養(yǎng)也提出了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)中的重要組成部分，具有培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、提升學(xué)生創(chuàng)新能力的重要作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。

對(duì)于化學(xué)專業(yè)，由于其實(shí)驗(yàn)的特殊性，會(huì)用到不同種類的化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，并且實(shí)驗(yàn)完成后的廢棄物需要清理，否則會(huì)存在污染環(huán)境的問(wèn)題，將虛擬仿真技術(shù)引入到化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，能夠提高實(shí)驗(yàn)的安全性，并避免部分實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真可以理解為利用計(jì)算機(jī)對(duì)一些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)性模仿，獲得接近于實(shí)際情況的效果。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著高性能計(jì)算機(jī)、嵌入式操作系統(tǒng)、圖像處理專用芯片及電子元器件技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于生活和生產(chǎn)，如儀器儀表、虛擬制造、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真訓(xùn)練等領(lǐng)域。電子電氣工程等中常用到的LabVIEW虛擬儀表，日常生活中常見(jiàn)到的VR游戲，甚至是今年開(kāi)始大力發(fā)展元宇宙概念等，都是具有代表性的虛擬仿真技術(shù)。

與文字、圖片、視頻等傳統(tǒng)的表現(xiàn)形式相比，虛擬仿真最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行交互，反復(fù)操作，因此，虛擬仿真可以用來(lái)加強(qiáng)教學(xué)培訓(xùn)、提升操作演練效果。解決“三高”（高危險(xiǎn)、高成本、高污染）與“四難”（難看到、難動(dòng)作、難進(jìn)入、難再現(xiàn)）問(wèn)題。

2 應(yīng)用型本科教學(xué)的培養(yǎng)模式和特點(diǎn)

應(yīng)用型本科學(xué)校的辦學(xué)宗旨是應(yīng)用，重點(diǎn)也突出在“應(yīng)用”上，在學(xué)生的培養(yǎng)上，也會(huì)側(cè)重其社會(huì)適應(yīng)力，加強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力，專注于應(yīng)用型人才產(chǎn)出。應(yīng)用型本科的教學(xué)中，各個(gè)專業(yè)也必須能夠結(jié)合學(xué)校所在地，挖掘自身特色優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力，因此，“應(yīng)用”要體現(xiàn)在實(shí)踐教學(xué)及教學(xué)體系的建設(shè)中。

應(yīng)用型本科中培養(yǎng)的是“理論應(yīng)用型”人才，他們首先要接受本科及以上的專業(yè)理論學(xué)習(xí)，然后再具備理論知識(shí)的應(yīng)用能力。應(yīng)用型本科重點(diǎn)在應(yīng)用，因此知識(shí)結(jié)構(gòu)上，必須以本專業(yè)行業(yè)的實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)；從能力上來(lái)說(shuō)，應(yīng)用型本科要根據(jù)各行業(yè)特點(diǎn)，使學(xué)生學(xué)會(huì)利用專業(yè)理論知識(shí)和方法，具備解決實(shí)際工作中可能面臨問(wèn)題的綜合能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。

3 虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用

3.1 提高實(shí)驗(yàn)室利用率

當(dāng)前的大學(xué)中，不同的學(xué)院、專業(yè)都建立了實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室只能滿足單一專業(yè)、單一課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，隨著大學(xué)生人數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)室資源也較為緊張。隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備會(huì)逐步地老化、陳舊、無(wú)法跟上時(shí)代發(fā)展的節(jié)奏，而更新?lián)Q代實(shí)驗(yàn)室設(shè)備也會(huì)需要更多的投入。應(yīng)用型大學(xué)中，如果建立了虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，那么可以將實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行專業(yè)擴(kuò)展，讓不同的專業(yè)學(xué)生進(jìn)行在線教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，利用較小的實(shí)驗(yàn)室，提升實(shí)驗(yàn)室的利用率。

3.2 提升人才培養(yǎng)質(zhì)量

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的需求不僅要有系統(tǒng)的理論知識(shí)，還應(yīng)掌握必要的動(dòng)手能力，虛擬仿真技術(shù)能夠與學(xué)科交叉應(yīng)用，一些傳統(tǒng)上只能理論學(xué)習(xí)的學(xué)科，在引入了虛擬仿真技術(shù)后，可以做到模擬實(shí)際場(chǎng)景、過(guò)程、內(nèi)容，為理論知識(shí)的落地提供了機(jī)會(huì)，因此，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用，很多專業(yè)的學(xué)生的理論和實(shí)踐能力會(huì)得到進(jìn)一步提高。

3.3 提升學(xué)校辦學(xué)質(zhì)量

虛擬仿真技術(shù)具有可擴(kuò)展性，在硬件平臺(tái)不改變的前提下，通過(guò)軟件技術(shù)可以進(jìn)行新的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，擴(kuò)展學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)展，使學(xué)生具有更好的綜合素質(zhì)，同時(shí)也能間接地提高學(xué)生的就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)水平。學(xué)校會(huì)得到更多的正反饋，提升學(xué)校的辦學(xué)能力和教學(xué)質(zhì)量。

4 虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)專業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)合現(xiàn)在的文獻(xiàn)資料來(lái)看，目前的研究主要集中在技術(shù)基礎(chǔ)和一些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建方面，在教學(xué)方法改革、學(xué)生專業(yè)能力以及實(shí)踐能力方面的涉及較少，并且，虛擬仿真技術(shù)主要是應(yīng)用在理工科背景，在人文社會(huì)學(xué)科中應(yīng)用較少。已經(jīng)有一些學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面的研究，如交通工程[1]、智能化現(xiàn)代工廠[2]、安全工程[3]、通信專業(yè)[4]、輸電線路[5]等。在化學(xué)專業(yè)的教學(xué)應(yīng)用中，也有學(xué)者做了相關(guān)的探討分析，具體可以總結(jié)為兩方面：①對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)應(yīng)用；②對(duì)具體學(xué)科理論課程教學(xué)方面。

4.1 專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)應(yīng)用

在化工與制藥專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，聶麗蓉等對(duì)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，總結(jié)出傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)久、教學(xué)內(nèi)容有限、實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法跟上行業(yè)技術(shù)發(fā)展角度、實(shí)驗(yàn)使用有機(jī)溶劑的安全隱患大等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提出了虛擬仿真技術(shù)，建立虛擬仿真訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來(lái)突破教學(xué)資源的限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并對(duì)虛擬仿真技術(shù)在“化工原理”“藥物分析實(shí)驗(yàn)”及“藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

覃其品以水銀的處理實(shí)驗(yàn)為例探索了虛擬仿真技術(shù)在無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，其開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠逼真地模擬出實(shí)驗(yàn)室的界面，開(kāi)關(guān)窗、通風(fēng)櫥等操作。通過(guò)軟件的利用，可以使學(xué)生都積極地參與到實(shí)驗(yàn)中，得到全方位的鍛煉。這種安全無(wú)害、覆蓋面高的虛擬教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，必然是教改的新方向。

秦倩等為應(yīng)對(duì)當(dāng)下線上教學(xué)中分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將虛擬仿真平臺(tái)引入教學(xué)，構(gòu)建了新的教學(xué)模式和考核方法。以“鈣鹽中鈣含量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生利用MLabs 移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室在手機(jī)客戶端即可進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，并探索了“線上線下-虛實(shí)結(jié)合”的教改新模式。

4.2 具體的學(xué)科理論課程教學(xué)方面

在課程教學(xué)方面，郭艷等將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到了材料化學(xué)專業(yè)的核心課《現(xiàn)代材料分析方法》，虛擬仿真平臺(tái)可以充當(dāng)實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)的工具，給學(xué)生提供重復(fù)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，這種實(shí)驗(yàn)形式新穎，并且電子化的教學(xué)過(guò)程能夠輔助完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系建設(shè)。

陳凱等則在制藥工程專業(yè)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中利用虛擬仿真技術(shù)，將有機(jī)化學(xué)中抽象的分子結(jié)構(gòu)、分子軌道、反應(yīng)機(jī)理等進(jìn)行了直觀的可視化，幫助學(xué)生更容易理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。他們以構(gòu)型與構(gòu)象的區(qū)分、反應(yīng)機(jī)理的動(dòng)態(tài)演示為例，在有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中進(jìn)行了虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，達(dá)到了提升有機(jī)化學(xué)教學(xué)效果的目的。

綜上可以看出，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高?；瘜W(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用中，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，能夠以虛擬的形式把儀器展示出來(lái)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投資少、無(wú)污染，但目前的應(yīng)用中，存在與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合不充分，虛擬軟件價(jià)格較貴等問(wèn)題，合適的途徑是將線上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和線下的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，做到相互補(bǔ)充，來(lái)切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和思考能力。

5 應(yīng)用型本科教學(xué)中存在的問(wèn)題

近年來(lái)，國(guó)家重視應(yīng)用型本科學(xué)校的建設(shè)和支持，應(yīng)用型本科的概念也在國(guó)內(nèi)得到了快速普及和發(fā)展，然而，我國(guó)的高等教育體系還并不完善，因此，在應(yīng)用型本科的建設(shè)以及教學(xué)中還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。

1）雖然很多大學(xué)和學(xué)院已將名字改為了應(yīng)用大學(xué)或者應(yīng)用技術(shù)學(xué)院等，但是，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐方面并未形成一致的觀念。一些師生對(duì)應(yīng)用型人才的認(rèn)識(shí)不足，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)模式還是沿用之前的純理論教學(xué)模式，缺乏對(duì)虛擬仿真技術(shù)教學(xué)實(shí)踐的深層次理解，更沒(méi)有將虛擬仿真技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

2）部分實(shí)力雄厚的院校，已經(jīng)建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)或者課程，配備有電腦端、手機(jī)端，方便學(xué)生的接入和實(shí)驗(yàn)。但是相當(dāng)多的院校還僅停留在理論階段，沒(méi)有建立起完善的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，而短缺的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源也使應(yīng)用型人才的培養(yǎng)掣肘。

3）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的比例還需調(diào)整和完善，盡管隨著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)踐環(huán)節(jié)已經(jīng)大幅提升，但是在具體的課程設(shè)計(jì)中，用于學(xué)生實(shí)踐、實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)仍顯不足。

4）作為應(yīng)用型本科的核心教學(xué)力量，雙師型教師必不可少，但是目前的高校教師中，多以理論教學(xué)的教師為主，很多教師自身也缺乏企業(yè)和行業(yè)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法在虛擬課程和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及教學(xué)中給予學(xué)生更多的實(shí)踐指導(dǎo)，難易滿足對(duì)實(shí)踐教學(xué)的需求。

5）應(yīng)用型人才的建設(shè)需要完善的校外實(shí)習(xí)基地，但是很多院校缺少校外實(shí)習(xí)基地，有的學(xué)校即便有校外基地，可能也不能滿足實(shí)習(xí)實(shí)踐的需求。

6）教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制不完善，當(dāng)前的教學(xué)評(píng)價(jià)以理論教學(xué)成績(jī)?yōu)橹鳎瑢?duì)實(shí)踐教學(xué)的考核、評(píng)定不足，或者是沒(méi)有細(xì)化好對(duì)實(shí)踐教學(xué)的考量機(jī)制和方式，無(wú)法顯示應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的教改需求。

6 構(gòu)建應(yīng)用型本科學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的思考

6.1 開(kāi)設(shè)創(chuàng)新性的化學(xué)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

現(xiàn)實(shí)中企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品都在快速地更新?lián)Q代，針對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)需求，應(yīng)用型本科院校需要與時(shí)俱進(jìn)，與行業(yè)保持密切的聯(lián)系，積極開(kāi)設(shè)能夠在各專業(yè)領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的新項(xiàng)目，提高學(xué)生與時(shí)代的適用關(guān)系。以化學(xué)專業(yè)為例，可以深入調(diào)研與化學(xué)、化工、生物、制藥、能源等相關(guān)企業(yè)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，以培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，拓展面向多專業(yè)學(xué)生的新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，充分利用當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室、圖書(shū)館、校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等資源，構(gòu)建出適用于化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的開(kāi)放式、激發(fā)式的學(xué)習(xí)平臺(tái)，促進(jìn)學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)跨專業(yè)的綜合素質(zhì)提升。

6.2 建設(shè)系統(tǒng)性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)階段單一的專業(yè)建設(shè)平臺(tái)有其必要性和易實(shí)現(xiàn)性，但從學(xué)校更高的角度考慮，應(yīng)用型本科院校應(yīng)該構(gòu)建出跨學(xué)科、跨專業(yè)的系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)一個(gè)綜合性平臺(tái)的構(gòu)建，能夠滿足某一學(xué)科下相關(guān)專業(yè)的全流程、跨專業(yè)、多崗位的虛擬仿真綜合訓(xùn)練平臺(tái)。以化學(xué)學(xué)科為例，構(gòu)建適用于化學(xué)學(xué)科的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，既能夠滿足化學(xué)學(xué)科下不同專業(yè)的需求，也能滿足生物、能源等跨學(xué)科中涉及到化學(xué)背景等專業(yè)的教學(xué)需求，通過(guò)集成課程教學(xué)仿真，更加直觀地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)構(gòu)建服務(wù)器、客戶端等，讓學(xué)生、教師、管理崗人員都參與到教學(xué)和應(yīng)用實(shí)踐中，充分發(fā)揮出綜合性平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。形成“認(rèn)、學(xué)、練、評(píng)、用”的層次遞進(jìn)式學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生能夠得到系統(tǒng)化的培訓(xùn)，全方位提升學(xué)生的能力。

6.3 構(gòu)建長(zhǎng)效性的激勵(lì)機(jī)制

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)不是一朝一夕能夠完成，其面臨的教學(xué)需求和環(huán)境是非常復(fù)雜的，平臺(tái)的建設(shè)要有很大的投入，后續(xù)實(shí)踐教學(xué)中的效果如何也需要時(shí)間的檢驗(yàn)。為了保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)效果，就需要建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)效發(fā)展的機(jī)制，將實(shí)踐教學(xué)中教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)室管理員、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、行業(yè)企業(yè)等各方人員的積極性都充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，主動(dòng)改進(jìn)、積極完善，打造出穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，以此來(lái)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成果，使應(yīng)用性人才培養(yǎng)真正落地，為行業(yè)源源不斷輸出應(yīng)用型人才。

7 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用型人才培養(yǎng)是應(yīng)用型本科建設(shè)的重點(diǎn)，也是未來(lái)高等教育的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)在應(yīng)用型本科教學(xué)實(shí)踐中有很大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力，特別是當(dāng)前面對(duì)新冠肺炎疫情，線上授課也成為了一種重要的教學(xué)方式，應(yīng)用型本科學(xué)校、教師乃至學(xué)生都應(yīng)該思考和堅(jiān)持，將虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用到實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，做好實(shí)踐教學(xué)的改革，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出更多的應(yīng)用型人才。