物理化学虚拟实验教学法的应用①

张文英，袁 帅

(重庆邮电大学生物信息学院，重庆400065)

物理化学虚拟实验教学法的应用①

张文英，袁 帅

(重庆邮电大学生物信息学院，重庆400065)

传统物理化学实验教学模式存在诸多弊病，为了提高教学效果，我们将计算机仿真应用于本校的物理化学实验教学中。这种教学方式充分体现计算机技术在化学学科领域中的优势，极大提高了学生的学习积极性。但这种教学方式毕竟是仿真实验，必须与实际实验操作有机结合才能更好地建立一个合理、有效的化学实验教学体系。

计算机仿真;物理化学实验;虚拟实验

化学实验是各大中专院校化学、生物、制药工程等学科专业的基础必修课程，通过实验可以使学生获得较全面的训练，巩固课堂所讲授的基本理论，培养动手能力、观察能力、独立思考能力和创新能力。国务院总理温家宝在2012年政府工作报告中指出:“要全面加强人才工作，加快培养造就一大批创新型科技人才和急需紧缺人才。”过硬的实验教学质量是培养这样的人才关键。国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010－2020年)明确指出:“加强实验室、校内外实习基地建设，支持学生参与科学研究，强化实践教学环节，从而培养学生实验科学素质和实践创新能力是实验教学改革的中心任务。”然而，传统的化学实验教学模式存在诸多弊端，例如实验内容陈旧、存在环境污染等。为了提高教学效果，必须引入新的理念和手段。我们以重庆邮电大学制药工程专业的物理化学实验为例，探讨虚拟仿真技术在物理化学实验教学改革中的应用

物理化学实验的目的是使学生通过实验加深对物理、化学基本原理的理解，学习基本的物理、化学实验方法和测量技术，学习用先进的仪器进行科学实验，提高应用物理、化学理论知识解决实际问题和进一步创新的能力［1］。在物理化学实验教学中，存在以下不足:(1)由于教学条件的限制，比如仪器设备不足，往往是数个实验同时开设，学生轮流做，这既增加了教师的工作强度，也影响到实验效果;(2)由于物理化学实验一般耗时较长，对于实验中遗漏的细节，无法回头观察．而且实验操作一般只做一遍．不易形成深刻的记忆;(3)物理化学实验所需仪器设备多，原理复杂，预习难度很大。学生往往是在实验室里按照实验教材匆匆重复一遍，没有仔细思考，难以达到预期的教学效果。基于上述情况，我们在物理化学实验中引入虚拟仿真实验，以弥补传统实验方式的不足。

一 计算机虚拟实验的优势

计算机虚拟化学实验是以计算机虚拟仿真技术为核心，创建一个可视化的实验操作环境，每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种实验［2，3］。使用者既可以借助视频或flash动画直观地了解各种操作过程、仪器的使用，也可以通过鼠标的点击以及拖曳在虚拟实验软件平台上对这些实验项目进行操作。譬如物理化学虚拟实验中使用三维动画仿真技术，详细地描述了气液平衡相图、燃烧热、饱和蒸汽压、表面张力、粘度法测分子量、凝固点下降法测分子量、皂化反应、金属相图、原电池电动势等经典物理化学实验的目的、原理、操作过程及注意事项，而且还提供了物理化学实验常用仪器的使用介绍。这种新型的教学模式解决了传统物理化学实验中的多方面问题，在实验教学中显示出显著的优势。

1．减少环境污染，有利于实验者安全

一般说来，化学实验室除了通风设施外，基本上没有更好的保障措施，而绝大部分实验药品和实验产物都具有毒性、腐蚀性、挥发性且易燃、易爆，因此很难避免化学物质对实验员和科学工作者的身体造成的危害。此外，很多化学实验的反应物和产物都会严重污染水体和大气，造成整个自然环境的污染，给环境保护带来了极大的压力［4］。特别是一些具有剧烈毒性、腐蚀性、设备复杂的实验，很多学校无法开展，使得学生难以深入地理解这一部分内容。虚拟实验室里做实验远比在现实实验室里安全，有些化学反应比较剧烈，学生在虚拟实验室中做这些实验，既能对实验现象和过程很好地仿真而又不必冒着发生伤害或意外爆炸的危险。学生也可放心地在虚拟实验室里试用新的实验技术，不用担心发生事故。

2．打破时间、空间限制

由于受到实验室场地容积限制，而参与实验的学生人数众多，传统的实验教学必需严格按照事先安排的固定时间进行。由于实验中通常会出现意外而导致失败，在规定的时间内无法完成，因而严重影响了实验教学效果。虚拟实验教学客观上实现了实验室空间和时间上的延伸，随着计算机和网络的普及，学习者既可以在规定的上课时间和地点进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验，也可以在自由时间时在宿舍、公共机房等任意连接互联网的地点进行虚拟实验操作［5］。时间和空间的延展为虚拟实验提供了极大的自由度，有利于学生随时随地预习和操作。

3．提高学生的学习主动性

在传统实验教学中，学生往往对预习不够重视，只是根据实验教案重复实验步骤，导致学生在实验过程中的盲目性和对实验课程的不重视，产生了仅为完成实验而“照单抓药的”现象，而不是先认识实验原理，实验中仔细观察现象，出现问题思考、分析、解决问题的良好实验态度。此外，某些实验比如“饱和蒸汽压的测定”等的仪器设备复杂，而只能几个同学一组来完成的实验中，难免出现一部分学生不积极主动，依赖其他同学，抄录实验结果，甚至干脆直接抄袭同学实验报告的现象。学生这种不认真的态度不利于其实验操作技能的提高，也不利于其观察、发现、分析、解决问题等应用性能力的提升。

虚拟实验室模拟了一个逼真的、强交互性的实验环境，在其中，学生可以通过鼠标和键盘自由地进行各种实验。计算机仿真实验平台将实验过程设计成形象、直观的操作软件，让学生在计算机上模拟实验操作。虚拟实验的屏幕上将出现该实验的学习菜单，包括实验原理学习、实验步骤、实验演示、课堂复习、问题讨论、实验要点等．这种模式使学生对实验过程有了形象具体的认识，激发了学生的学习兴趣，同时如果不事先仔细预习，实验步骤就无法继续下去，加强了预习的效果。而且模拟操作实验可以反复进行，直到将所学知识熟记于心，不仅有利于强化教学效果，而且降低教学成本、提高教学效率。

4．弥补实验经费不足的问题

网络教学最大的优点是共享资源，传统实验教学对仪器设备和药品试剂资源的需求量比较大，费用也比较昂贵。在某些专业性较强或经济能力有限的院校更是不可能将大量的资金花费在化学实验室的建设上。一套虚拟实验软件仅需几千元，可以覆盖大多数验证性实验，节约了实验药品和仪器，而且利用网络轻松实现资源共享，较好地缓解了缺乏昂贵仪器，学生动手操作机会少的普遍矛盾。

二 计算机仿真化学实验的局限性

计算机仿真实验，由于其高度逼真的仿真能力，生动的界面与灵活的互动画面，在操作性极强的化学实验教学中能弥补传统化学实验教学的不足，具有许多优点，但是如果完全用仿真实验来进行化学实验教学会淡化学生对真实仪器的感受，减弱学生的基本实验操作技能。因此不能将仿真实验完全取代传统化学实验教学。其次，虽然虚拟实验不受时间地点限制，学生可在任意时间地点进行实验，但减少了师生间的互动。学生操作时发现的问题不能及时反馈给教师，教师也不能及时掌握实验情况和发现教学中存在问题，难以贯彻因材施教原则，更减少了师生之间的感情交流。再次，计算机仿真实验按指令要求运行相应的程序，一般实验都能完美无缺地进行，实验结果与理论分析完全一致，学生很难在实验中思考新问题，这也在一定程度上禁锢了学生的创新思维。因此，计算机仿真实验不适用于创新性的探索实验。

三 结 语

为了改进传统物理实验教学模式存在的诸多弊病，提高教学效果，提高资源利用率，我们首先将计算机仿真实验应用于本校的物理化学实验教学中，经过一段时间的实践表明这种教学方式极大提高了学生的学习积极性，是物理化学实验教学的一大突破，充分体现计算机技术在化学学科领域中的具体应用，今后我们会将其推广实施到其他化学实验教学中。但这种方式毕竟是仿真实验，而不是全真，必须与实际实验操作有机结合才能更好的为今后的化学教育建立一个合理、有效的化学实验教学体系。

［1］郑传明，吕桂琴．物理化学实验［M］．北京:北京理工大学出版社，2005．

［2］胡晓波，李 琰，王艳芳．计算机仿真技术在实验教学中的应用［J］．实验室科学，2007(2):121－124．

［3］师书恩．计算机辅助教学［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［4］凌育赵．计算机在化学实验绿色化中的应用［J］．中山大学学报论丛，2005(4):507－509．

［5］陈 田．计算机仿真实验在化学实验教学中的应用［J］．实验室科学，2009(6):43－44．

(责任编校 罗 渊)

G42

A

1674－5884(2012)06－0108－02

2012－04－13

重庆市教委教改项目(0833227);重庆邮电大学专业提升计划(TSJHD904);重庆邮电大学教改项目(XJG1106)

张文英(1976－)，女，云南个旧人，讲师，博士，主要从事物理化学教学与科研工作。