高师类化工专业虚拟仿真实验教学改革及发展策略

于永生,葛 灵,李天天,姜通武,高爱萍，井强山

(信阳师范学院 化学化工学院，河南 信阳 464000)

化工专业实践性较强，主要依靠实验课程来提高学生动手实践能力和科研能力，其作用不仅验证学生所学到的基础理论知识，更重要的是通过实验课程训练，培养学生科学的思维方式方法及严格且规范的操作技能，并以此提高分析和解决实际问题的能力[1]。但传统高师类化工专业的实验教学存在诸多条件的约束，如部分师范类院系缺乏实验装置、化学实验药剂易燃易爆存在安全隐患、化学反应产物或副产物的污染、实验室空间不足等问题致使实验难以进行，导致高师类化工专业学生缺乏实验动手操作能力。同时，学生在进行实验时主要依靠实验讲义和老师指导，按部就班进行实验，制约了学生深入探究的学习动力，也易使学生失去对实验的学习兴趣，不利于教学活动的开展。另外，实验室建设及设备采购需校方院系投入大量的资金和人力，限制了传统实验教学的发展。由于传统实验教学方式出现的问题，对实验教学的改革创新也愈来愈强烈，而模拟实验教学的概念也引起了高校的广泛关注[2-3]。

近年来，虚拟仿真技术迅速发展，信息化、互联网等现代化的教育观念逐渐在高等院校得到发展，使高校的教育观念、教育方式得到改变。虚拟仿真技术利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建与传统实验室相仿的虚拟教学中心，创建出一种新的实验教学方法，使一些在传统实验室不能进行的成本高、危险系数高的实验在模拟实验室完成，同时也为大型、高成本的训练提供经济高效的虚拟实验操作[4-5]。学生在模拟实验室中可无限制、重复性实验，极大的降低了财力损耗，同时也提高了学生对实验教学学习的积极主动性，提升学生的动手操作能力、信息化应用能力、创新实践能力和新型技术的运用能力[6-7]。虚拟仿真平台的建设，可以使学生有更多动手实践的机会，以此来增强学生对于理论知识学习的兴趣，提高学生的动手实践能力及信息化应用能力，增强学生创新实践能力[8]。

1 高师类化工专业实验教学的现状分析

1.1 传统高师实验教学的弊端

高师类的化工专业实验在教学中通常是“照方抓药”式的教学模式，学生先预习实验并写预习报告，而后在老师的指导下进行实验，这种教学模式极易使学生失去对于实验的兴趣，也不利于学生探究能力的提高。

(1)验证性质的实验过多。高师类课程中设置的实验多为“照搬”式的实验，学生根据实验讲义中的操作步骤、药剂及其用量，得出可预知的结果。这种教学模式容易使学生失去对实验的主动探索和创新欲望，影响专业实验教学效果与教学质量的提高[9-10]。

(2)时间安排不妥。许多高师类院校的化工专业实验多安排在大三，且开设多门实验课程，撰写实验预习报告和实验报告会占据大量时间，已成为学生负担，部分学生会为了应付，不认真对待报告，学习质量难以保证[11]。

(3)实验教学测评体系不合理。对实验课的测试主要依据实验课的实际操作和实验报告来测评成绩，很少使用综合能力测评的考核方法，而平时实验都有老师在旁边指导，通过这样的测评不能反馈学生的实验动手操作能力。这种测评方法容易使学生产生错误的观点，只要把实验报告写好，不管实验做的怎样，就可以得到好成绩。使学生对于实验的积极性大大降低，不利于化工专业的实验教学[12]。

(4)缺少对学生创新意识的培养。课程规定的实验内容里，依靠理论的验证性实验居多，而设计、探究型的实验较少。学生根据实验讲义的内容，按照规定的步骤、药剂、仪器进行实验，之后完成实验报告。这种实验教学方式很难激发学生对实验的学习兴趣，不利于创新意识的养成[13]。

1.2 高师化工实验教学条件的不足

在部分师范类高校中，受师范性质和培养方向的影响，化工专业的实验教学条件与工科类院校存在不少差距。

(1)实验设备缺少。因实验经费短缺、缺少管理实验器材方面专业人才等诸多原因，导致缺乏专业方面的实验器材，使得在专业素养方面与工科类院校的学生存在差距。

(2)实践机会少。化工专业学生实习机会少，而且实习时，学生一般都是跟着指导老师参观化工生产装置和工艺流程，时间较短，实习过程中不能将理论知识与大型化工生产有机融合，不利于学生专业综合素质的培养，达不到实习目的[14]。

2 化工专业虚拟仿真实验教学

2.1 化工虚拟仿真实验教学的优势

虚拟仿真实验是将抽象的实验形象化、高危险的实验降级危险系数、成本高的实验减少经济消耗、难度高的实验变得更加简单易上手，有利于师范院校的教学及其质量的提升。利用虚拟仿真技术，实验教学过程中可逐渐尝试让学生自主完成实验，教师只在旁边起辅导作用，以应对学生无法处理的紧急情况，这样有利于激发学生的自主探究兴趣，是培养新型化工专业人才的重要辅助工具。

2.1.1 虚拟仿真技术与现实实验室结合创造虚实结合的教学模式

通过虚拟仿真平台，教师与学生之间建立联系，一生一平台账号，学生通过虚拟实验室学习原理及实验的操作步骤及过程，老师通过账号信息掌握学生的学习情况，虚拟实验通过的学生方能进入实验室完成实验及后续的实验报告、反思等。将虚拟仿真技术与现实实验有机结合，为学生的主动学习创造机会，锻炼学生的动手操作能力，不断通过实践为理论知识奠基，巩固基础知识，最终将知识完全消化吸收[15]。目前，一些关于包含实践与理论结合的实验教学的网课，被归入“慕课”(MOOCS)三大主流机构之一的Coursera在线学习平台[16]。

2.1.2 使学生由之前的照搬式的学习者向创新者转变

近年来，随着高等教育体系的不断发展，培养有创新型思维人才已成为高等教育的主要目标。国外部分高校对此已做出了改变：一是不断完善实验条件，并制定与实践有关的规定，将实践与学分结合，吸引和督促学生根据学到的理论知识、查阅资料进行创新设计；二是建造有利于学生自主学习、探究的环境，为学生提供先进的设备、增加开放实验室数量；三是将创客空间与实验教学有机结合，并对学生开放学习资源，让学生养成独立思考、解决问题的习惯，要求学生不能解决的问题，参考专家老师的意见，以自己的意向为主导，向其他专业的学生请教的方法进行创新研究[17]。

2.1.3 有利于实验教学水平的提升

实验教学是培养工科人才必不可少的环节，对培养学生的创造能力起至关重要的作用。随着信息技术的快速发展，建立完善的信息教育体系，并将它变成人人都能接触和使用的学习资源，这必将是未来发展的趋势。正如网课，利用互联网的特性，能使每个学生在各自空闲的时间里随时随地的使用学习资源。与网课一样，虚拟仿真实验可为高温、高压、高污染、易爆炸等极端条件的实验提供安全的实验操作环境，而对于实验成本高、消耗大的实验，虚拟仿真技术也可以提供经济有效的实验条件[18]。不止化工专业，对于涉及实验的专业，该技术都将为人才培养和教学水平的提高提供便捷的途径。

总而言之，在当今一切都趋于信息化的大时代背景下，合理利用先进技术，对传统高校的教育教学方式进行适当的改革，将更加有利于培养符合时代背景下的创新型专业人才。

2.2 化工虚拟仿真教学实验室建设成效

利用互联网技术与虚拟仿真技术结合的教学方法正在逐步进入高校的实验教学规划。以下是已完成的虚拟仿真实验室系统平台建设的情况。

2.2.1 分子设计虚拟教学实验

化学反应的本质是原子或原子团的重新排列，是原子或分子间的作用过程，并伴随电子的迁移，其反应历程在教学过程中难以详尽的解释或描述。但理论计算化学可为其提供技术上的支持，可以采用量子化学解决电子参与的反应及分子或原子之间的相互作用，而它的量子化问题可粗略不计，所以利用分子模拟便可将化学反应中所有可能的反应历程及其详细演变过程表示出来[18]。

2.2.2 化工单元操作实验实训仿真平台

涉及化工单元操作所需的实验设备，一般都比较复杂且投资巨大，而多数师范院校的教学空间和经费有限，不能满足每一位学生对每个实验的实际动手操作。虚拟仿真技术可以为此问题提供有效的解决方案，满足实验室的教学需求。教师可利用虚拟中心的器材，在理论教学过程中为学生演示操作过程，完成实验步骤的操作和模拟紧急故障处理等，激发学生对化工实验的探究兴趣。若将虚拟操作与实训结合，更能达到加深印象的作用，“虚实结合”更利于学生对化工单元操作的自主学习[18-19]。

2.2.3 化工虚拟仿真实训基地

部分师范类院校由于教学经费、课程安排等原因，使得化工专业的学生前往化工厂实习机会较少，且在有限时间的实习中，把安全培训和工厂参观列为重点，缺少对化工专业最重要的操作技能的锻炼。另外，化工厂的生产不同于实验室的实验，其生产规模更大、工艺流程更复杂、所用装置更多，即使学生掌握了教学实验，但进入化工厂后，由于缺少实际生产的操作技能，易造成生产原料的浪费、产品质量不过关、损坏生产装置等问题，给化工厂造成经济损失，甚至引发安全事故[20]。学生在学校很难接触到实际的化工生产，而建立化工虚拟仿真实训基地可以很好的解决这一问题。以上海应用技术学院建造的60万t煤制甲醇仿真工程为例，将实际工厂依照一定的比例缩小构建，并把工厂实际生产的数据设置在仿真软件中，搭建的缩小版生产装置与检测装置通过计算机控制系统实时检测。通过虚拟实训基地，使学生更直观的体会实际化工生产的操作流程及其与实验室教学性质实验的差距；通过基本接近真实化工生产的培训，培养学生对实际化工生产的操作认知[21-22]。化工虚拟实训基地的建立，对高校化工专业人才的全方位培养能起到积极的推动作用。在师范类院校建立化工虚拟实验室，将许多在传统化学实验室不能进行的操作变为现实，可使师范院校中化工专业学生接触较为全面的专业教育，逐步缩小与专业工科院校的差距，结合传统实验教学的优点，可培养适应当代发展的化工专业知识基础夯实的高水平创新应用型人才。

3 虚拟仿真技术在应用中出现的问题

虚拟仿真实验教学的构想虽对高校培养具有创新思维的学生有很大的帮助，但由于这种技术在实验教学中的应用时间较短，在实际教学中仍面临着许多亟待解决的问题。

3.1 不能贯彻虚实结合的教学方法

关于虚拟仿真实验教学问题，教育部曾明文提出，在教学过程中要将虚实结合，相互补充，能实不虚作为教学准则，不能只单纯的运用数字信息化的虚拟操作，将本可以实际操作的实验也置于虚拟平台，在条件允许的情况下尽量让学生实际动手实验，增强动手操作能力，这是现阶段虚拟仿真教学平台应用中存在的主要问题之一[23]。在化学实验教学方面，虚拟仿真技术的应用对学生实验操作的规范性和减少实验出错等方面确实有一定的帮助，但实际化工生产受许多因素的影响，若只单纯依靠虚拟实验平台，虚拟仿真技术在培养学生解决实际问题的能力方面也会有所限制。将虚拟仿真平台与实际实验结合，弥补传统实验室教学的不足，两者共同作用培养专业人才，才是建立虚拟仿真平台的初衷。

3.2 实验室开放性及资源共享不足

将学校的教育教学资源共享，是高校培养人才的需要，同时也可以提高高校的知名度和影响力。虚拟仿真技术与互联网结合的虚拟仿真平台，其作用不再局限于实验教学，互联网的开放性将学校优质的资源共享，带动教育事业的发展也是高校应尽的义务。目前，许多优质的资源掌握在个别教师或者某些院系，其他人要用时，需要经过繁杂的流程，造成时间和资源的极大浪费[24]。为促进教育事业的发展，各院系、高校之间应尽量资源共享、相互借鉴，共同努力探索适应教育发展的共享模式。

3.3 缺少虚拟仿真技术方面的专业教师及管理团队

虚拟仿真实验平台的构建与发展需要专业的团队管理。无论是实验教学、设备管理还是共享平台的管理，都需要有关虚拟仿真技术的专业团队。但现在的应用状态下，虚拟仿真实验教学的师资力量和设备的管理人员都严重短缺，难以满足教学计划的目标。对年轻教师进行培训，引入有关计算机、互联网方面的新型人才，用以充斥实验室的教师资源与管理团队，来共同完成教学的发展目标。

除了以上主要问题，已运行的虚拟仿真平台还存在一些其他的问题，如针对性不强、缺少资金的投入、管理制度不完善、实验项目少等问题。这些问题对虚拟仿真实验教学的应用效果有一定的负面影响，也会阻碍学生对该技术的使用效果，不利于学校的发展。及时处理这些问题，与虚拟仿真技术不断地磨合，结合传统实验室教学，创造出一种适应学校教育和学生有效学习的新教学方法。

4 虚拟仿真实验教学改革及发展策略

虚拟仿真技术在实验教学中的应用，弥补了传统实验教学中出现的问题，在高校培养人才中起到了不可忽略的作用。但由于资金、管理团队、教育体系等方面的原因，虚拟仿真平台在运用过程中也出现了许多问题。这些暴露的问题使学生在实验时不能有很好的体验效果，不利于教学目标的实现及对学生的培养。解决出现的这些问题是虚拟仿真平台当前最紧要的任务。

4.1 逐步完善虚拟仿真实验中心的管理机制

从整体来说，在制定管理机制时，学校拥有整体控制权，但各学院、专业也要有一定的自主权。设备管理、人员组织、教学人员、平台管理人员各尽其责，相互协助，完善管理机制。各实验室的实验时间、设备安排要统筹规划，完成有限设备的协调和共享，进而实现设备资源利用最大化。

4.2 根据专业特点设计虚拟实验教学

在实际教学过程中，应用虚拟仿真平台教学时应结合学生专业特点，根据学科、专业以后可能出现的工作环境来设计符合教学目标的实验内容，加强专业的知识指导与交流[25-26]。这样的教学环境可以提高学生的专业技能，将理论知识与实际结合带入日常学习中，有利于学生专业素养的培养，对认知水平及社会工作适应能力亦有一定帮助，提高学生的综合能力。

4.3 加强教师与管理团队的师资力量建设

为保证虚拟仿真实验的教学质量，要求教师具备教学水平与新技术的运用能力。部分建立虚拟仿真平台的院校，其师资队伍缺少专业虚拟仿真平台管理团队，补充新的技术专业人才刻不容缓。可选拔年轻骨干教师进行培训，亦可根据教学需要，引入不同能力、不同技术特点的高学历人才，来补充教学、管理队伍，以带动整个实验团队各方面能力与素质的提升。实验室教师与管理团队资源的强大，才能确保实验室保质保量的完成教学目标计划。

4.4 与传统实验室教学相结合

对学生来说，虚拟平台的虚拟操作缺少现场操作的真实体验，掌握知识的实际效果不如传统实验室的现场操作更加印象深刻。在运用虚拟仿真平台进行实验教学时，应尽量做到虚实结合、能实不虚的原则。条件允许的情况下，能在实验室中进行的实验，可先在虚拟平台上练习，而后在实验室中进行实际操作，这样能使学生对实验操作的掌握有更深的印象，同时减少实验时的错误，能应对实验中突发情况。对于高危险、高成本的实验可让学生在平台上反复练习，以达到实验理想效果。在实际教学过程中，将虚拟仿真平台与传统实验室教学相结合，更有利于实验教学进行，有利于学生专业素养的培养与提升。

4.5 建立虚拟仿真教学新体系

教学过程中在完成规定教学目标前提下，将理论知识教学适当较少、压缩，增加实验课程所占的比例，将虚拟实验设置一定个数的学分，鼓励学生积极参与虚拟实验室的操作。这样的课程安排与之前相比，多出来的实验课程能培养学生的自主学习能力和实验动手操作能力，通过反复的实验操作可进一步加深对理论知识的理解和运用。同时按照创新型人才培养的要求，删除过时课程，将新增实验按照基础实验、探究实验、专题研究等加入课程规划[27-28]，以重视培养动手创新为目标，整合课程体系，突出化工专业特点，确保实验教学新体系的科学性、完整性。

4.6 加大资金投入，设立专项基金

部分师范院校对虚拟仿真平台的建设投入欠缺，无法满足平台建设的需求。基于虚拟仿真实验对学生综合能力提升的积极作用，校方需加大对虚拟仿真平台建设的投入，积极促进虚拟仿真平台的运用。另外，学院可设立专项基金，用于设备的维护和更新，对有研究成果的教师和学生进行奖励，以激励教师和学生积极参与创新实验。

5 结语

虚拟仿真实验平台的引入，解决了传统实验室教学设备不足、教学时间空间受限、高危险性、高成本等现实问题，为学生提供理论与实际结合运用的机会，同时在规范学生的操作步骤和提高学生的动手操作能力、整体教学水平的提高都起到举足轻重的作用。采用将虚拟实验与传统实验室教学紧密结合，以实为主、虚实结合的教学方法，共同提高学生的动手操作能力和创新实践能力，推动高校教育质量稳步提高。另外，院校在建设与改革时应加强与企业的合作，从态度上提高对虚拟仿真教学资源建设的重视，加大经费投入，加强与互联网的结合，开放对外资源共享，建设具有师范院校特色的虚拟仿真平台。随着改革建设工作的不断深入，将来的发展还会出现许多其他问题，需要我们在实践中不断加以完善改正。