虚拟实验在大学化学教学中的作用

摘 要：化学实验是化学课程的一个重要组成部分，是培养学员实际动手能力和科研能力的重要实践环节。提出传统化学实验教学的缺陷，阐述开设虚拟化学实验的意义，通过开设虚拟实验，提高学员实验兴趣，更好地培养学员的能力和素质。

关键词：虚拟现实技术；虚拟实验；意义

21世纪国家高等教育改革一个很突出的方面就是对理论课和实验课的学时进行了调整[1]，缩短了理论课的教学学时，而增加了实验课的教学学时，强调加强培养学员的实际动手能力和实践能力，提高了实验教学在高等教育中的地位和作用，在我校新一轮的实验课程标准制订中也明确规定了实验课程所占比例不得少于理论课程20%的学时。

一、传统大学化学实验课程授课模式的缺陷

大学化学实验是化学课程的一个重要组成部分，是一门实践性很强的基础实验课程，通过实验不仅可以更好地巩固和验证理论课程所讲授的知识，更重要的是可以培养学员的动手能力和严谨的科学素养。但是，学员通常对化学实验课程不够重视，其原因主要有以下几个方面：

1.学员多。大学化学作为一门公共基础必修课，通常采取大班授课的模式进行，每个班的学员人数都很多，而实验场地相对有限，所以开设实验往往比较困难。

2.实验课时少，场地有限。大学化学理论授课时间为40学时，而大学化学实验的授课时间仅仅为8学时，由于学时的限制，想开设综合性、创造性、开放性实验往往不可能。

3.开设实验内容相对单一。由于受到学员人数、课时、实验场地等诸多因素的影响，实验内容往往以验证性实验为主，这些实验内容相对单一，只需要参照实验教材按部就班地进行操作就行了，这些实验的开展通常起不到培养学员能力和素质的作用。

二、开设虚拟实验的意义

计算机科学的快速发展，对我国教育观念和教学理念产生了深刻的影响，尤其是给传统实验教学方式和方法注入了新的活力。充分运用现代教学手段，利用多媒体和网络教学等资源构建网络虚拟实验平台，改进实验教学方法，提高实验教学质量，已成为现代实验教育发展的必然趋势。

虚拟现实技术是利用计算机构建一个逼真的三维虚拟环境，并通过传感设备与之交互的新技术[2]。运用虚拟现实技术建立起的模拟现实化学实验场景的实验室称为化学虚拟实验室，而在化学虚拟实验室中可以进行自主设计和模拟操作实验项目。

化学虚拟实验弥补了传统实验的不足，丰富了传统实验的内容，其主要有四个方面的优点：

1.节省实验授课时间，弥补了学员学时少的缺陷。在实验课前，学员通过计算机预习将要开设的实验内容，对仪器设备进行基本了解，对实验过程中可能涉及的问题有初步的认识。这样教员在课上就可以重点介绍实验内容及注意事项，留给学员足够的时间动手操作与练习。

2.激发学员兴趣，弥补了非专业学员实验内容相对单一的不足。传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一[3]，缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仿真实验，可灵活地增加各种设计性实验内容，激发学员的学习兴趣，同时也锻炼和培养学员的独立思考和创造性能力，使实验教学朝着培养学员能力和素质的方向发展。

3.减少实验所需仪器及药品，解决了学员人数多，仪器设备少的问题。对于非化学专业来说，大学化学实验作为一门公共必修课，面临着学员多、实验教员少、实验场地有限的困难，一项实验能否顺利开展很大程度上取决于该实验过程中的花费。开设虚拟化学实验过程中，不需要耗费实验药品，也不会对实验仪器造成损坏。虚拟实验操作也可以指导传统化学实验，通过虚拟实验可以了解所用仪器的结构组成、使用方法、注意事项等，在实际操作中就会减少出错机会，减少了实验过程中的药品浪费，仪器损毁率也大大降低。特别是针对某些昂贵仪器设备缺乏的情况，通过开设虚拟实验可以得到有效的弥补。

4.对环境无污染，绿色环保，实验过程不存在危险性。在开设化学实验的过程中，涉及的药品很多都是有毒性的，对人和环境都具有一定的危害性，特别是一些涉及剧毒化学药品的化学实验内容，在实验教学中通常是不允许开设的，利用虚拟实验就可以很好地解决这些问题。虚拟实验通过计算机模拟实验过程，学员通过操作软件，既能掌握实验的过程及要领，又不会对个人和环境造成任何危害。

三、开设虚拟实验的效果

2011年，我系实验室在大学化学实验中开设了半自动电光分析天平的使用和酸碱滴定这两个小的虚拟实验项目。通过半自动电光分析天平的使用实验，学员很好地掌握了天平的内部构造、使用方法、注意事项等，在实际动手操作实验过程中，比没有参与虚拟实验的学员明显熟练且出现操作错误的几率明显降低。通过酸碱滴定虚拟实验，学员学会了选择合适的玻璃仪器及指示剂的方法，很好地掌握了移液管、酸式滴定管、碱式滴定管的使用方法以及滴定接近终点时的1/2滴操作，在实际动手操作过程中，学员已经熟练掌握了仪器的使用方法，对实验的注意事项也了然于心，比没有参与虚拟实验的学员明显熟练且对玻璃仪器的损毁情况明显降低。

通过两项小虚拟实验的引入，提高了学员上实验课的兴趣，更好地培养了学员独立思考的能力。当然，建立虚拟化学实验，并不是说完全丢弃传统实验方法，由虚拟化学实验来代替，而是更好地利用虚拟实验资源，丰富补充和完善传统实验教学，加深学员对实验原理、步骤、注意事项的理解，进一步加强学员对实验过程中涉及的仪器设备的掌握。此外，还可使学员在课前自主预习，增强实际实验过程的熟练程度，同时课后学员也可以对化学实验内容进行反复操作，达到熟练掌握的目的。

参考文献：

[1]张昱，王彦斌.适应新时期工程人才培养的化工专业实验模式的探讨[J].西北民族大学学报：自然科学版，2011，32（2）：88.

[2]申蔚，夏立文.虚拟现实技术[M].北京：北京希望电子出版社，2002：2-5.

[3]王晓娟，刘慧君，魏传晚，等.虚拟仿真技术用于开放性化学实验的必要性[J].工程技术，2010（11）：53.

（作者单位 海军工程大学化学与材料系）