基于高校虚拟化学实验研究若干问题的建议*

茹婷婷　石莹岩　初学峰（吉林建筑大学基础科学部，吉林长春130118）



基于高校虚拟化学实验研究若干问题的建议*

茹婷婷石莹岩初学峰
（吉林建筑大学基础科学部，吉林长春130118）

摘要：文章阐述了虚拟化学实验的基本概念，重点分析了高校虚拟化学实验具有的优势，分析了其与传统化学实验的差异性，并针对高校虚拟化学实验研究提出了若干建议。

关键词：虚拟实验；化学实验教学；虚拟技术

Abstract:This paper describes the basic concepts of virtual chemistry experiment，analyzes the advantages and disadvantages of the virtual chemistry experiment in university，and puts forward some suggestions for the studies of virtual experiment.

Keywords:virtual experiment；chemical experiment teaching；virtual technology

随着计算机技术的快速发展，虚拟现实技术不断发展进步，虚拟化学实验在高等院校教学中的地位不断提高，其所具有的优势不断显现。通过虚拟的化学实验操作，可以生动形象地展现出化学实验的过程、实验现象，从而增强化学实验教学的沉浸感、安全性，超时空性。

一、虚拟化学实验的概念

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称为化学虚拟实验，在化学虚拟实验中可以进行工业设计、虚拟实验和虚拟制造［1-3］。它是一个由实验教学、技术交流、共同研究、协同工作构成的网络平台。它是美国弗吉尼亚大学教授威廉·沃尔夫于1989年首次提出的“无墙的研究中心”［4，5］。他提出基于计算机网络化的虚拟实验环境，是将多种工具和技术的信息化、网络化相综合的集成网络环境，使其具有传统化学实验无法比拟的特点［6］。如具有较强的沉浸感和超时空性、安全性；实现实验容量无限和实验的零损耗；实验技能自动测评和化学实验数字化等。

二、高校虚拟化学实验的优势

由于受到时间和空间的限制，传统的化学实验的表现形式不灵活，主要表现为以下两方面：一方面，实验室的开放时间是固定的，使实验室的使用率较低，不利于学生充分利用实验资源；另一方面，要在同一实验室完成所有实验数据的采集和处理，对于实验的顺利完成不利。虚拟化学实验是通过远程访问特定网站，用虚拟仪器代替真实仪器的虚拟实验过程。在此过程中能够进行相关参数的设定，并按特定过程完成实验，从而获得实验结果。这样不仅能够提高化学实验教学质量、实验效率，还能够实现资源共享，解决实验室的时空限制。虚拟实验室的主要优点如下：

（一）安全性高

虚拟化学实验可以有效避免由于实验操作失误而引发的各种危险。对于一些危险或者在实验过程中能够产生有害物质的实验，通常都会利用多媒体展示来替代真实实验，这样学生不能直接参与实验，也不能获得直观的感性认识，不利于学生兴趣的培养。而利用虚拟化学实验，就可以让学生在虚拟实验环境中，去体验具有毒性、破坏性的实验，还可以设计综合性、研究性实验。

（二）实验容量无限和实验的零损耗

传统实验的限制条件比较多，如经费、场地、试剂等制约，而随着虚拟化学实验的应用，学生只需利用可上网的计算机进入网上虚拟化学实验室便可以随意选择实验项目进行实验操作，不会受到时间、空间和其他条件的限制。学生在进行了模拟实验操作后再进入传统实验室操作实验，可以减少操作失误，提高实验成功率，有效减少化学药品的损耗，提高实验效率。

（三）实现化学实验数字化

在进行虚拟化学实验过程中，学生可以通过改变各种实验参数来进行形象化操作或自然操作，有效控制实验进程。操作者输入的参数不同或操作行为不同，在虚拟环境中会直观的显示不同的实验结果，这样有利于学习者进行数据的分析比较和深入思考，提高科学探究能力，使实验教学达到事半功倍的效果。

三、高校虚拟化学实验与传统实验的比较

（一）实验元件与传统实验元件的差异

在虚拟实验中，仿真实验在电路设计过程中，所有的电子元器件都是理想状态的，而在传统实验中，实际的电子元器件受到制造材料、体积大小以及外观差异的影响都很大，元器件在不同工作条件下参数的差异性、元器件老化参数的离散性等因素在实际电路设计中是必须要考虑的。因此，在虚拟实验中，由于学生对真实元器件的认识不够，并且缺乏相关的知识积累，会导致其在以后的实际工作中产生不利影响。

（二）虚拟实验仪器和传统实验仪器的差异

与传统化学实验相比，虚拟化学实验智能化程度较高。在实验过程中，如果学生的实验操作不规范时，会有提示窗口弹出，指出实验操作中存在的错误。而在传统的化学实验过程中，要求学生必须先规范熟练掌握各实验仪器的使用方法，然后才能开始进行实验。如果学生只在虚拟实验室中做实验，而不学会传统的实验方法以及实验仪器的使用，可能会直接导致学生离开虚拟实验室将不能够正确使用各种实验仪器，不利于以后进行综合设计实验的学习和操作。

四、高等院校虚拟化学实验研究的若干建议

（一）虚拟实验和传统实验的有机结合

虚拟化学实验和传统化学实验各有优势，不能将二者对立起来，也不能使虚拟化学实验完全替代传统化学实验，应该将两者有机的结合起来，优势互补，更好的发挥各自的作用。例如，在比较复杂的综合设计实验中，可以利用虚拟实验进行设计、模拟实验，如果得到合理的实验结果后，在回到传统实验室开展实验，如果在实验过程中遇到问题，再进行分析和讨论。这样既能够缩短实验设计的过程，还能够有效的提高实验效率。

（二）虚拟化学实验的自我完善

虚拟实验的最大问题就是在实验过程中实验的真实性较差，针对这一缺点在建设虚拟实验室的过程中要特别注意提高其实验过程中的真实性，可以使网络虚拟现实实验室技术和沉浸虚拟实验室技术［7，8］有效结合起来，这样不仅可以使试验者与虚拟仿真环境全面接触与体会，还能够有身临其境的感觉。在硬件方面为了使实验环境更逼真，交互仿真界面以及虚拟仪器更加智能化，可以改用性能更高的处理器，提高显示器的分辨率，安装容量大的硬盘及存储器，更新的软件。这些配置与传统仪器相比较，在图像显示、数据处理及存储方面有较大的优势，不仅可以增加虚拟实验仪器的功能，还能够在数据处理，图像分析等方面显示出更大的优势。

（三）多元化的实验技能自动测评

对于学生的实验技能测评方式可将传统的测评方式与虚拟实验系统有效结合，形成多元化的测评方式。最常见的测评方式有纸笔测验法、实验报告法和表现性评定法，但是这些测评方法具有很大的局限性，并不能对学生的整个实验过程进行观测和考察。因此，采用这些传统的测评方式与虚拟实验中的录制与回放技术相结合，可对学生实验过程中的每步操作进行对照分析，将错误的操作筛选出来，这样不但能使学生对实验进行自我完善、及时改正不正确以及不规范的实验操作，还能够提高实验的成功率，极大地增强学生的自信心。这种多元化的测评方式，能够有效避免部分学生进行实验数据抄袭，解决实验技能测评中只重实验结果，而轻实验过程的局限性。

（四）虚拟化学实验教学资源共享

目前，虚拟化学实验的发展并不完善，其分布式、协作式实验功能还没有完全实现。大部分院校的虚拟实验室规模还比较小，在化学实验教学中还是一种辅助教学方式，并没有完全取代传统的实验教学方式，因此，相关的软件开发和实验教育资源具有很大的局限性。并且，如果每个高校的虚拟化学实验室都开发自己的虚拟实验系统软件，还会造成不必要的资源浪费。因此，虚拟实验室的建设应该将多个学院、多个小型局域网或多个学校的校园网等进行教育资源整合，实现多个高校之间协作研究的实验室。

五、结束语

随着计算机技术以及虚拟化学实验等相关技术的不断发展和完善，其显著的教学优势和潜力将会得到越来越多的教育工作者的青睐。但是，要使其在高等学校教学中充分发挥其辅助教学作用，在应用虚拟化学实验的过程中，必须要注意与传统化学实验有效结合，两者相辅相成，在我国高等学校实验教学中发挥重要作用的同时，推动实验教学内容与教学方法的深刻改革。

参考文献

［1］周宝成，黄建花.建立虚拟化学实验室进一步开放实验室［J］.教育教学论坛，2013（1）：248-249.

［2］付英秋.虚拟化学实验室的功能特点和应用效果［J］.中国教育技术装备，2014（9）：34-35.

［3］闫晓丽，郑延斌，姚飞，等.基于虚拟现实技术的网络虚拟化学实验室的设计实现［J］.科技视界，2013（33）：26-27.

［4］朱亚辉，闫亚星.虚拟现实技术在化学实验教学中的应用研究［J］.计算机时代，2014（10）：5-7.

［5］曾凡斌，刘汉兰，谢劲松.利用虚拟化学实验促进有机化学教学［J］.中国现代教育装备，2008（12）：89-90.

［6］朱敏，刘鹏飞.虚拟实验在化学实验教学中的应用策略研究［J］.软件导刊，2013（6）：166-168.

［7］熊焰，姚俊.在线仿真物理化学虚拟实验系统的开发［J］.化工高等教育，2012（1）：26-29.

［8］朱亚辉，闫亚星.虚拟现实技术在化学实验教学中的应用研究［J］.数码世界，2015（11）：78-80.

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）12-0054-02

*基金项目：吉林省教育科学“十二五”规划课题（编号：GH150336）；吉林省高教学会高教科研课题2015年度立项课题“基于建构主义学习理论的工科院校化学实验教学设计适应性研究与实践”（编号：JGJX2015D115）成果。

作者简介：茹婷婷（1985-），女，汉族，吉林省长春市人，硕士研究生，吉林建筑大学讲师，研究方向：有机化学。