虚拟仿真实验教学的探究与创新人才的培养

李婷婷 代健民 潘洪志

随着时代的发展，科技的进步，人才市场对高校毕业生的综合素质要求逐年提高，社会对创新型人才的需求与日俱增。高等院校为社会输送人才的质量水平，是评判高校声誉的依据之一。学生群体作为人才培养的基石，在充满信息化技术的日常生活环境中，由于接触的网络信息、兴趣爱好、教育背景、学习意愿、发展潜力以及主观能动性等的不同，会产生较大的个性化[1]。因此，应该以学生为中心，从学生个性化的角度出发，改变传统的教育教学方式，以信息技术为基础构建多层次综合性实验教学模式，为学生搭建由理论走向实践的便捷桥梁，充分开发学生的潜力，为社会培养大批高素质、创新型人才。上海健康医学院定位于医学及医学相关类应用型本科医学院校，培养特色鲜明、实用性强、服务于临床医学和人类健康的专业人才。我校卫生检验检疫本科专业于2017年第一届招生，本虚拟仿真实验项目主要面向卫生检验与检疫专业，同时还可应用于医学检验、食品监管、生物技术等相关中高职专业学生。给学生提供一个高效的学习平台和发展空间，将学生培养成公共卫生基本能力强、综合素质能力强，可在出入境检验与检疫局和海关、疾病预防控制中心、卫生监督部门、质量技术监督局、环境卫生监测部门、食品药品和化妆品生产企业和社会检测机构、高等医药院校等机构从事卫生检验、公共卫生和国境检验与检疫实际工作的卫生检验与检疫复合性应用型人才。在下文中，以综合性化学虚拟仿真实验教学模式为例进行说明：

1 传统化学实验教学模式存在的问题

1.1 实验设备和课时的限制

由于我国现阶段教育行业发展的不平衡、不充分，教育资源的缺乏的问题在某些地区一直存在[2]。教学经费有限，耗资巨大的实验许多学校不能开设；学生人数过多，实验代课教师太少，过多重复的课时，增加了实验管理和实验设施的维护难度。如此以来，只能压缩实验课时，学生通过课堂上老师的讲述对实验仪器及实验操作进行想象，缺乏实际操作经验。仅有的实验受到实验教室和课时的限制，在规定的时间内学生无法真正完成实验，造成实验课走过场的现象，极大的影响了教学质量和教师的热情，也不符合新时代的教育教学要求[3]。

1.2 化学实验的安全、污染处理及环境保护

在化学实验中，经常使用各种化学药品和仪器设备，以及水、电、气等，还会经常遇到高温、低温、高压、真空、高电压、高频和带有辐射源的实验条件和仪器，容易产生很强的不安全因素，若缺乏必要的安全防护知识，会造成生命和财产的巨大损失[4]。化学实验废弃的物质一般浓度较高，相对集中。例如：无机酸、碱等，这些物质如果不加处理直接排放，会腐蚀下水管道，污染附近土壤。有机实验挥发性、有毒性物质较多，三废污染物往往得不到妥善的处理[5]。

1.3 以教师为中心的实验授课传统

传统的实验教学在内容选取和实施中，不能充分满足各层次学生个体发展需求[6]。教师按照自己的方式授课，主导着课堂和知识。受限于教学条件（种种因素），很多实验课程（尤其是基础实验课程）在授课过程中随意性较大，时间周期跨度长，连贯性差。学生在此类课程中获取知识较少，实践和综合应用能力提升很小，教学效果很差，学生失去继续学习的积极性。

2 虚拟仿真实验平台构建多层次实验教学模式

2.1 全面的基础类实验

化学基础类实验作为基础层次实验，一般多为验证性实验，可设置在大学一年级课程中。由于新生刚入学，对学校内的传统化学实验并不了解，不能贸然进入实验室实践。受到场地和时间等因素的限制，传统实验课程往往进程缓慢，学生课前预习、复习的积极性并不是高，学习连贯性不足。因此，对于学有余力的学生而言是在时间上的浪费，限制了他们的快速进阶；对于学习积极性不高的学生，这种缓慢的教学进程是对于他们的纵容和不负责任。

虚拟仿真实验软件预装在学生的个人电脑和虚拟仿真实验室，并可以随时随地打开使用。学生可以在教师的指导下，自由地进行实验学习；也可以把虚拟仿真软件用于理论课堂，认识各种化学分子式结构、化学现象、化学反应和变化，使课堂变的更加生动有趣，学生课堂的参与度更高；学生也可自主的探索和解锁更多的基础类化学实验，也可以反复实现某一类实验，实验过程安全可靠，符合各层次学生的学习特点。经过虚拟仿真实验软件的精确练习，学生基础扎实，在进入传统化学实验室时，学生才会显得从容不迫，获得最优化的实验教学效果。模拟仿真实验软件利用动态数学模型实时模拟真实实验现象和过程，可以使每位学生都能亲自动手做实验，观察实验现象，记录实验数据，验证公式、原理定理等。

通过在线平台的学习，加深了对理论知识的理解之后，再进入卫生检验检疫实验室，进行相关的实验。通过该平台，一方面让学生熟悉了实验的操作，避免安全事故，另一方面，通过仿真模拟形式的在线学习，激励了学生的学习兴趣，加深了对实验的理解。本在线平台面向全校师生开放，使全体学生都受到了广泛的训练，通过这种仿真教学模式，学生的创新意识、实践能力和综合素质都得到了培养和提高。

2.2 有利于能力提升的综合性实验

综合性实验是多层次实验教学模式中重要的一环。完成基础层次实验的前提下，学生可以在虚拟仿真实验平台上进行综合实验。不同于基础类验证性实验，综合性实验是理论走向实践的绝佳方式，是学生获得实践技能和提升综合素质的重要途径[7]。然而传统教学模式下的综合实验也存在一些问题，比如：教师为了教学的便利性，往往指定几个综合性实验题目，学生可选余地不大。由于受到实验场地和实验室开放时间的限制，综合性实验的设计验证环节占用大量的设备和资源，学生不能同时展开实验[8]。

利用虚拟仿真实验平台辅助综合实验可解决上述问题：虚拟仿真实验平台的在线实验数据库和综合案例库是便捷的资料查找和学习的工具；学生可在虚拟仿真实验平台上模拟综合实验，并向老师提交实验结果，当没有理论和原则上错误时可进行实际的综合实验验证，提高实验室的有效利用率，并节约实验资源，减少实验室安全事故发生的可能性。

2.3 基于行业热点的创新型实验

随着虚拟仿真实验平台的研发进步，各类元素、单质、化合物等材料的研究成熟，这些物质的特性都可以录入虚拟仿真实验数据库，建立一个“真实”的化学世界[9]。因此，行业生产应用中遇到的一些问题，都可以在虚拟仿真实验中模拟，以求得到有利的最优化结果，提高生产和应用效率效果，也可以此作为课题项目申报，进行论文和著作的发表。

2.4 建立学生实践档案

在多层次综合性虚拟仿真实验教学模式中，是以学生为中心，教师监督指导为辅助，充分考虑学生个性化的教学模式，并且极大限度的提高了实验室的有效利用率。因此，虚拟仿真实验软件的在线网络管理系统，可以记录学生的实验日志，并形成实验档案[10]。教师很方便的阅览学生实验学习进度，以便因材施教和竞赛选拔，也把教师从每学年都重复而繁琐的实验教学中解放出来。

综上所述，虚拟仿真实验不但能解决传统实验教学中面临的诸多现实问题。而且，还可以建设多层次综合性实验教学模式，最大限度的提高实验室利用效率，进一步提高实验室的开放程度。使得学生在有限的大学学习生活中，更高效的获取综合知识和创新能力，培养出社会需要的高质量、创新型人才[11-12]。