虚拟仿真技术在师范院校化学实验教学中的应用

祁文静，胡萍萍

(1.重庆师范大学 化学学院,重庆 401331；2.重庆大学 药学院，重庆 401331)

1 引言

虚拟仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域中有关专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术，它综合集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程技术、信息处理技术、自动控制技术等多个高新技术领域的知识[1～3]。

2 虚拟仿真技术应用在实验教学中的意义

化学是一门实验性的学科。理论知识与实验知识结合起来，才能将化学学好。正是因为实验知识的重要性，化学实验教学一直是高等院校学生的重要环节，因而很多高校内化学及其相关专业的化学实验课都是独立开设的一门课程，让学生有充分的时间学习到实验操作技能和基础知识。然而，传统的实验教学实施过程中存在着一些制约，如：课时数不够长，实验室空间不足，出于实验安全考虑，每个独立的实验班学生人数不能安排太多，实验设备的套数也安排不了很多，并且更重要的是化学试剂通常易燃易爆，有时候还需要高温、高压、通风橱等苛刻条件，这些因素都在一定程度上限制了化学实验的展开。这个情形下很多学校都只能开设一些经典、时间短、安全性高、验证性的实验给学生做。而这种实验内容通常陈旧，与化学科研发展的现状脱节，很多本科生在继续深造时发现掌握的实验技能远远不够。因此实验课安排的现状存在问题，需要解决。

近年来，虚拟仿真技术作为一门新技术应运而生。与化学这门学科相结合，虚拟仿真实验技术可以将化学实验通过计算机虚拟来完成的一门新兴技术，利用计算机上各种虚拟的仪器设备取代传统的实验仪器，依照实验目的、要求与过程组装成一个完整实验系统来完成整个实验，还可以进一步改变实验条件和对实验数据进行分析处理[4]。 虚拟仿真实验技术有如下优点：①很好地将复杂的操作和枯燥的原理通过丰富多彩的图片和视频展示出来，在保证化学知识准确的基础上实现了趣味性实验教学，更大程度上激发学生的学习化学实验的兴趣，从而大大提高实验教学的课堂效率[5]。 ②在实验课正常上课之前，可以提前对欲做实验进行模拟，在讲授实验原理的同时，既可以给学生展示这节课的实验操作过程，以及实验过程中可能存在的安全隐患，这样既充分保证了实验的安全性，同时又可以让实验过程不顺利的学生再次通过仿真模拟反复练习，进一步巩固实验知识和技能，大大提高实验的课题效果。③可以实现网上实验教学、模拟实验教学、远程实验教学等课外知识的补充，特别是某些与化学科学研究密切相关的研究性的实验内容，在本科教学过程中难以开设，有了虚拟仿真实验技术，学生们将有能力有渠道摄入更深入的化学实验内容，可以做到本科教学与科研并轨，为其日后进一步深造做好铺垫[6]。

正是基于这些原因，国内很多高校都在讲虚拟仿真技术应用在高校是化学实验教学中。重庆师范大学也引入了这项新技术，希望使化学实验效果更优，学生能够更好地掌握实验知识和技能。

3 虚拟仿真实验平台几种实验教学模式

3.1 基础类的实验教学模式

在基础类的化学实验教学中，大多数实验内容为验证性的实验。这些验证性的实验通常是在大一和大二的时候开设。大一大二的学生对传统化学实验并不太了解，再加上实验室空间和时间等因素的限制，导致传统的实验课程往往实验内容过于简单，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。基于这个现实情况，虚拟仿真实验技术可以起到很好的指导作用。虚拟仿真实验软件可以提前装在学生的电脑和虚拟仿真实验室电脑里，学生可以随时随地打开使用。在教师的指导下，学生可以自由地进行实验学习模拟学习，体验下理论课堂上讲的原理和实验过程中是否相符合，理论指导实验，实验来验证理论，相辅相成，学习效果更好。同时，在有限的时间内实验失败了的情况下，学生可以尝试再来一次，或者反复试验某一个实验，实验过程安全可靠，符合大一大二初学者的特点。此外，通过虚拟仿真实验软件，学生已经对实验有了一个比较完整的概念，这样在实际做到实验的时候，学生都能亲自动手做实验，观察实验现象，记录实验数据，验证实验公式或原理等。通过这种在线平台的学习模式，使学生对理论知识有了更深入的理解；通过这种平台的实验模式，使学生在实验过程中格外注意某些实验操作，提高了本科实验教学的安全性；通过这种在线学习模式，大大激发了学生的学习兴趣。

3.2 能力提升类的综合性实验教学模式

在化学实验教学中，时常会有一些综合性的实验。综合性的实验能够培养学习观察问题、分析问题和解决问题的能力，是化学实验教学的重要环节。与基础类的验证性实验不同的是，综合性实验是理论与实践综合的结果，学生能获得比较全面的实验技能，能够大大提升其综合素质。然而受传统实验教学模式的影响，综合性实验通常耗时，占用大量的实验设备和资源，能够同时上实验课的学生人数不能太多，导致实验课时数不能满足综合实验的要求，并且老师需要精挑细选可以满足本科实验教学的实验。有了虚拟仿真实验这个平台，这些问题可以得到有效解决。很多综合性的实验都可以被选择进来，老师可以通过预先设置，把整个综合实验的过程输入到软件内，一些耗时、站空间、危险的综合性实验就可以应用在本科实验教学中，通过实验模拟，可以让学生掌握到整个实验的开设目的，试验前期准确、试验预处理等，这样学生可以比较系统地掌握这个实验的全过程，而不是像传统的综合性实验那样，学生主要局限于实验后期操作部分。这种方式，培养了学生设计实验过程的能力，大大提高了学生的创新意识、实践能力和综合素质。

3.3 基于化学领域研究热点的科研型实验教学模式

传统的实验教学中，大量化学领域的研究热点知识和实验材料、实验仪器、实验技巧应用不到本科教学工作中。有了虚拟仿真实验平台，化学领域比较前沿的科研成果和知识可以应用进来，可以开设一些科研型的实验课程，让本科生充分接触到化学领域的热点内容，能够接触到或者真正用到纳米材料等新材料，掌握新的仪器分析方法，了解到我们生活中很多的现象都是得益于化学这个学科的飞速发展，从而让学生对化学领域的现状有了了解，对生活的遇到的事物或者现象有了深层的理解，让他们充分体会到学有所用，极大加深了他们对化学学科的热爱，从而也为后续化学研究培养了后续储备人才。

4 结论

虚拟仿真实验能够解决传统化学实验教学中面临的诸多问题，提高实验室利用效率。可以建设通过3个化学实验教学模式，提高本科实验教学的安全性，激发了学生的学习兴趣；提高学生的创新意识、实践能力和综合素质，加深学生对化学热点领域的了解，提高他们对化学学科的热爱，从而为社会培养高质量、创新型的化学人才。