虚拟仿真资源在化学专业教学中的综合应用探索

张连明* 聂瑾芳 李建平 阮贵华

（桂林理工大学化学与生物工程学院 广西·桂林 541006）

教育信息化是信息时代教育改革发展的必然要求，也是教育现代化的核心特征。《教育信息化十年发展规划》中所述：“以教育信息化带动教育现代化，破解制约我国教育发展的难题，促进教育的创新与变革，是加快从教育大国向教育强国迈进的重大战略抉择”。在国家信息化发展战略指导下，信息化技术在教育、管理、科研等过程中的广泛应用推动了教育观念、教育模式、学习方式等的深刻改革。根据教育部《教信息化十年发展规划》，我国从2013 年开始启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的评审活动，共批准了300 个国家级虚拟仿真实验教学中心，且到2020 年，教育部即将完成1000 个“示范性虚拟仿真实验教学项目”的认定。[1]到目前为止，全国各高校已经建立了覆盖理工类、农林医药类、人文社科类等各个学科方向的虚拟仿真实验教学资源。

1 教育信息化发展中的虚拟仿真

虚拟仿真实验教学发展到今天，已经不单单影响了教学内容和教学手段，更是一种教学理念和模式。其具有以下几个特征：

（1）学习过程立体化。虚拟仿真实训教学环境可以创设多种情境，采用计算机技术依照实验实景建立三维动画模型，虚拟的操作环境和沉浸式的操作模式更能够激发学生的学习兴趣，促进学生从被动学习向主动学习转变。同时，由于其较强的交互性及实时结果反馈等优点，在一定程度上能够对学生在学习过程中所提出的假设模型进行验证，为学生综合能力和创新思维能力的培养提供了保障。

（2）教学空间多元化。近些年多种新型的教学模式兴起，但是难以彻底的普及，根本原因还是受限于硬件设备和教学空间。然而，虚拟仿真实训教学不受课程、空间、时间、地域、学科类别及专业技术领域的限制，是一种普遍适用的教学手段。学生借助于虚拟仿真软件便可以无限制、无浪费、无污染的模拟实训，利用过程记忆可还原的特点完成在真实环境中难以完成的实践过程，从而获得等价乃至优于真实训练的体验。

（3）教学场景虚拟化。依托虚拟技术及真实环境的数学模型，构建高标准、高要求、高危险的实验环境，并可以实现真实环境、偶发性自然现象及设备和运行过程的“再现”，可以使学生在虚拟的场景中进行人机交互、师生交互及生生交互，减少对理论或者实践知识掌握不足而造成的设备损坏及安全事故，从整体上提高学习质量和专业水平。

（4）教学模式普适化。虚拟仿真技术作为一种教学手段，其具有极强的兼容性，多数通用型应用软件均具有实训教学的仿真功能，适用于教学设计、教学过程、测评考核等实训教学全过程。所有能够以实物形式展开的实地教学内容，理论上虚拟仿真技术都可以呈现、深化和拓展。利用虚拟仿真技术辅助教学，还可以节省大量的时间为学生开设综合性、设计性及探究性等实验，有助于学生专业素养的培养和提升。[2,3]

但是，我国绝大多数的虚拟仿真教学过于片面化，一般院校均将虚拟仿真实验资源作为实践教学内容的拓展，或作为模拟大型生产过程的实训教学资源，未能有效将教育部支持建设的免费共享资源利用起来，未能综合性培养学生的专业思维和创新性思维。[4]因此，高等学校必须更新教学观念和模式，以虚拟仿真综合训练课程为基础，倡导综合利用虚拟仿真资源，借助其不受时间和空间限制的优点，强化拓展专业知识的同时，注重学生专业思维模式的引导和培养，加强学生创新性思维实现能力的培养。

2 高校化学教学中虚拟仿真教育

化学所研究的对象是不能直接观察到的，同时化学反应的本质及规律也隐藏在复杂化学现象中，而化学反应中强调变化和动态平衡，所有的化学都是基于化学实验来验证的，这就要求我们的学生要用思维去分析、用模型去具现化、用归纳统计、抽象概括去揭示化学规律。同时，化学教育对实践性的要求很高，要求学生必须走进实验室并请自动手操作才能获得感性的认识，这个过程是课堂理论教育和在线理论教育所不能代替的。但是，由于一些客观原因，比如实验场地有限、实验课时少、实验设备不充足等，尤其是大型仪器设备台套数不充足，难以满足人人有效动手操作，学生对教师所讲授的知识内容缺乏直观的认识，对学生创新思维和学以致用的能力培养无法切实到位。当今社会对复合型、创新型人才的需求越来越大，行业层面大型精密仪器的普及率飞速增长，变革传统实验教学模式，引入现代化教学手段进行辅助教学势在必行。[5,6]

高校化学理论教学中不仅存在不同层面、不用应用领域的理论，同时还大量存在如核磁共振谱仪、质谱仪、高效液相色谱仪等复杂的仪器工作原理知识、难以具现化如酸碱平衡、氧化还原平衡、沉淀平衡、热力学三大定律等方面的化学反应原理知识，以及原子结构、分子结构、晶体结构、配合物空间结构等难以具象化的概念性知识，对于这些理论和概念，不能掌握就不能正确应用。这也是大部分学生感觉大学化学难以理解透彻的原因所在。

虚拟仿真技术是一种可供创建并体验高度拟真的虚拟世界的计算机仿真系统，达到真实的体验效果和提高人机交互的功能。虚拟仿真技术不但改变人类从事科学研究、技术设计和生产实践的方式，而且为促进人的认识能力的全面发展提供了新的工具，将改变人们的思维方式，人们对世界、自己、实践和空间的认识。可以预见，虚拟仿真技术在教育中的应用会越来越广泛，特别是网络及人工智能与虚拟现实技术的快速发展，将使其在教育的应用更加智能化、信息化、以及多感知、沉浸式、交互性、构象性，有利于实训教学手段的开发和学生专业核心技能的培养及训练。[7]

借助于虚拟仿真实验教学资源，可以将上述抽象的化学概念、复杂的仪器工作原理以及化学微观反应过程具象化，通过精密仪器的透视化，分子结构的空间化让学生对所学的知识有直观的概念和印象，在虚拟空间内，学生可以不断重复实验，研究每一个细节，掌握每一个关键点，同时还可以借助于虚拟仿真实验教学资源帮助学生验证完成专业学习中的创新性想法，培养学生在专业领域的创新性思维。

目前，针对虚拟仿真的教学应用研究主要围绕教学特别是实践教学(含实验、实习、实训等)领域，以提高教学质量，推进教学内容、教学内容、教学方法、教学模式的改革，培养造就更多合格的复合型人才与创新型专业技术人才。同时，虚拟仿真技术还能够在一定程度实现个性化教学、标准化演示、智能化考核，解决实训实习内容开放性及缩短实际操作时间等问题。

为最大化发挥虚拟仿真技术在教学应用中的优势，进一步提高教学质量和教学效果，各高校都在尝试进行各种各样的教学改革。然而，随着虚拟仿真实验教学资源的扩大化建设，综合利用、深入利用、交互式容错利用、创新性智能化应用均远远强于知识面的补充，建立虚拟仿真综合性训练课堂，针对专业技能和思维的培养，专一性研究虚拟仿真实验的高效应用是非常有必要。

3 化学虚拟仿真综合训练课程教学体系的建设

3.1 化学虚拟仿真综合训练教学团队的构建

随着社会的快速发展，化学专业面临的问题越来越国际化、多元化和复杂化，同时虚拟仿真实验平台和软件的科学应用不仅仅是网络技术人员的问题，因其实验内容涉及较多理论课程、实验课程以及科研转化的实验内容，需要充分利用多个学科专业的研究资源和治理资源。虚拟仿真综合训练课程的建设，其教学内容涵盖虚拟实验设计、虚拟仿真实验软件应用等，因而并不局限于某一门专业理论课程及实践课的专业教师，还应配置有专业的网络技术人员和软件制作公司的技术支持人员。为更好综合性培养学生的专业思维，须有效结合专业的师资力量和软件开发公司的技术力量，作为一个团队，共同在教学过程中发挥作用。

3.2 以教学对象为导向，筛选提炼教学资源和内容

虽然国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台中与化学相关的虚拟仿真教学资源已超过300 个，同时，各个高校都在建设和拓展自己的化学虚拟仿真实验教学平台和资源。但是，由于各院校均有自己的专业特色和专业方向，因此，并不是所有的虚拟仿真教学资源都可以强化本专业方向学生的技能和素养，必须要有针对性对资源进行选择和利用。以应用化学虚拟仿真综合训练课程为例，必须从中筛选化学基础、仪器分析、科研实践训练方面的资源，与社会需求和专业特色相结合，突出专业特性，从专业基础到学科前沿，从学习兴趣到自主虚拟实验设计，由浅入深，逐步完成学生对专业及行业的思想认同及思维模式的培养。另一方面，其他化学相关资源均可作为拓展性训练资源，以自主实验设计的方式，完成对专业辅助知识的应用。

3.3 以虚拟实验设计及验证为导向的思维培养

传统的实验设计更倾向于主要过程的合理性，在实验方案的选取中通常选择样品易得、过程简单、设备简单的项目，即方便简单快捷的进行结果验证，教学重心在于学会设计实验、掌握实验设计流程，对于实验实施细节很少有关注。但是化学实验的成败在于对实验细节和试剂用量的把控，该问题制约了实验设计的深度。虚拟仿真实验设计，不受实验条件、实验经验及药品用量的制约，可以随时开设耗时长、耗费大及危险性高的设计性实验，理论上只要设计合理的参数，便可以利用虚拟仿真软件对实验内容进行验证。同时，学生还可以直观的对实验细节过程进行把控和分析，可以有效提升学生对专业知识的掌握程度和应用能力。