虚拟实验室在化学实验教学中的应用

朱夏绯，杨昊语，林妍君，王宇飞

（云南师范大学 化学化工学院，云南昆明 650500）

化学是一门实验课很强的学科，传统的化学实验课中，教师要花费大量的时间向学生讲解实验原理、操作步骤和注意事项，学生实验技能训练时间有限，很难在规定的时间完成既定的目标，开设的实验内容多限于验证性实验和模仿训练，缺乏创新性实验。实验仪器投资大，维护复杂，实验过程中许多有毒、有害物质造成环境污染日益显现等。虚拟仿真实验教学技术是对传统教学模式的补充和完善，解决了实验教学中传统的教育思想、教学方法和教学手段存在的问题。已逐渐成为化学实验教学资源中不可缺少的部分，为化学学科发展开辟了一个全新的领域。

随着计算机技术、网络技术、多媒体技术的发展，虚拟现实技术在20世纪后期获得了极大的关注。进入21世纪，人们对虚拟现实技术的研究更加深入，在这样的背景下，基于虚拟现实技术的虚拟实验室研发及应用当前已经成了新型实验教学研究的重点和难点之一。

虚拟实验室就是借助于多媒体技术、网络技术以及虚拟现实技术等在计算机或其他多媒体设备终端上营造出一种虚拟的实验环境，实验者可以通过与设备的交互，仿佛身处真实的实验环境中完成各种实验项目，所取得的实验效果等同于甚至优于在真实环境中的效果。

作为虚拟现实技术的重要载体和信息化教育不可或缺的一部分，虚拟实验室以其独特的魅力正逐渐被社会各界所认可，也广泛应用在医学、军事、物理、化学等领域。将虚拟实验室引入化学实验教学中，突破传统的实验教学方式，不仅能有效解决现实中某些化学实验难以展开的问题，也能促进虚拟实验自身的发展。

1 虚拟实验室的特点

1.1 开放性

虚拟实验室的开放性体现在资源开放和平台开放两个方面。虚拟实验室给实验者提供了非常丰富的实验仪器、设备，实验环境和实验模式也可以依据需要自行调整，每一种实验资源都是可以由实验者自行选择的，即“资源开放”；虚拟实验室通过多媒体终端向每一位有需要的实验者开放，不论你是教师、学生还是科研人员，都可以享受虚拟化学实验带来的乐趣，即“平台开放”。

1.2 交互性

虚拟实验室作为虚拟现实技术的一大分支，它继承了虚拟现实技术最主要的特性——交互性。交互性指的是实验者进行操作时，处在虚拟环境下的物体会根据情况做出反应，并通过多媒体终端反馈给实验者，即实验者在操作虚拟实验的过程中捕捉到了实验现象。一款优秀的虚拟实验平台应具备丰富多彩的人机交互方式，才能尽可能完整地模拟真实实验。

1.3 自主性

虚拟实验室与真实实验室不同，不受时间和空间的限制，实验者可以随时随地随心所欲利用多媒体终端进行实验模拟、实验操作、实验分析等，只要是虚拟实验室能够提供的条件都可以灵活选用，不用担心成本、安全等问题。一旦操作失误，实验者可以更换存在问题的部分，在短时间内重新开始实验，省时省力。

1.4 共享性

实验者可以通过互联网与世界各地使用该虚拟实验室的用户交流感想，分享实验资源、素材以及作品等，也可以与他人在互联网上进行实验合作。

2 利用虚拟实验室进行化学实验教学的优势

2.1 安全性强

《义务教育化学课程标准》中提到，化学实验应注重安全问题。某些化学药品对人的身体极易造成危害，例如有毒的氯气、一氧化碳，强腐蚀性的浓硫酸、硝酸等。由于化学实验在反应的过程中，常常伴随着能量的变化，因此大部分化学实验也具有一定的危险性，如碱金属与水的反应、铝热反应等。除此之外，在真实实验中难免会遇到学生因操作失误或其他原因导致实验的失败，同样也可能对生命和财产造成威胁。而虚拟实验室中的一切都是对真实实验室的一种模拟，并非真实存在，学生与实验仪器和药品不需要接触就能完成实验，避免了危险的发生。

2.2 突破实验条件的限制，节约成本

真实的化学实验过程中，药品是不能回收再利用的，用过的仪器也要及时清洗干净，在重复操作同一个实验的时候，要使用新的药品和干净的仪器进行实验，一定程度上浪费了时间和财力；学校为了能让学生更好地进行学习，会按照课程要求购买仪器来完善实验室，对于贫困、偏远地区而言，这项开支或许太过沉重。另一方面，对于一些特殊的化学反应，实验条件和实验环境都要严格掌控[1]，而真实实验受到实验时间和空间的制约，难以进行此类实验。使用虚拟实验室，学生只需要调整实验参数就能完成条件严苛的化学实验，实验室中的仪器和药品都是仿真的，可以进行无限次的重复实验，解决了购买药品和仪器带来的成本问题。

2.3 能直观展现抽象内容

化学是在分子、原子层次上研究物质组成、性质、结构与变化规律的科学，因此免不了与分子、原子等微观粒子打交道。对于现实中难以捕捉的抽象概念，例如“原子结构”“化学键”等内容，学生不好理解，只能凭借想象在头脑中形成概念。虚拟实验室可以通过构建具体模型给予学生直观的感受，将抽象转化为具体，微观转化为宏观，方便学生更加轻松地学习这部分内容。

3 虚拟实验室在化学实验教学中的应用

3.1 辅助课堂实验教学

目前国内的化学虚拟实验室基本涵盖了初高中乃至大学常见的仪器和药品，在条件允许的情况下，教师可以利用虚拟实验室向学生演示实验过程和实验现象，尤其是遇到危险性大、条件严苛的实验时，用虚拟实验室进行展示未尝不是一个好方法。有些虚拟实验室软件数据库中已经存储了大量经典化学实验，教师除了自己“组装”实验装置外可以利用现成的模板开始实验，节省课堂时间。

3.2 巩固实验课知识点

在化学课程中，存在一些操作难度大、知识点多的实验，例如酸碱滴定实验，初次面对滴定管的学生很难在课堂上就掌握其原理和操作流程，实验课课时有限，很难让学生重进实验室再次操作。为了在课堂上能更快地掌握知识点或是在课后更好地理解重难点，学生可使用虚拟实验室进行实验的课前预习和课后复习，通过计算机对滴定实验的原理、滴定管的使用方法和标准的滴定操作进行学习和模拟。学生利用虚拟实验室及时地进行必要的实验，在很大程度上帮助了学生对知识的理解，同时也提高了化学实验课的效率。

3.3 给学生进行创新实验提供平台

在虚拟实验室中，学生可以根据自己的需要和兴趣灵活选用仪器和药品，进行课本上没有的创新实验。系统会根据设定的环境、选用的药品等参数模拟出整个实验的过程，并给出与真实实验相同或相似的实验结果。创新实验可以激发学生的自主探究欲望和创造的热情，有助于培养学生的化学学科核心素养，因此可以说虚拟实验室是一个能够帮助学生活跃思维发挥想象力的优秀平台。

3.4 可进行网络实验授课，足不出户也能“做实验”

今年年初的新冠肺炎疫情牵动人心，学校、商场、电影院等公共场所都暂时关闭防止疫情的蔓延。但为了教学进度能够正常推进，各个学校搭建“云课堂”通过线上授课的方式来响应国家“停课不停学”的号召。对于化学这样一门以实验为基础的学科，若是延续传统的教学方式，实验只能用教师演示来替代，学生将失去亲自动手操作的机会。而虚拟实验室不受时间和空间的限制，学生只需要下载“虚拟实验室学生端”软件，连接互联网后通过计算机在家中进行实验。教师可以通过教师端对学生进行远程辅导，尽管这种方式不如亲自动手操作实验得到的学习效果好，但能在特殊情况下解燃眉之急。

4 虚拟实验室的不足之处

尽管虚拟实验室有不少优点，但也并不是万能的，它在实际的应用上也存在很多不足。首先，虚拟实验室只能给实验者带来视觉和听觉上的感受，“真实感”不如传统的真实实验室，只能作为真实实验室的辅助，不能完全替代它；其次，虚拟实验室的操作环境都不是真实存在的，并不能有效培养学生的实践能力和动手操作能力；最后，虚拟实验室的实验环境过于理想，缺少误差，不利于培养实验者的错误处理能力[2]。

5 开展虚拟仿真实验，实施化学实验教学改革实践

5.1 理论和实践融合创新，构建虚拟仿真教学模式

任课教师结合课程内容和目标，借助虚拟实验平台，通过实验辅助理论的教学模式，使学生更容易理解和掌握所学知识。如，有机化学中原子轨道杂化、原子顺序重组、空间结构变化等化合物性质的实验教学很难描述其微观变化。借助虚拟仿真教学技术就可以把反应活性中心的原子变化、基团进攻时间先后顺序等反应过程详细的演示清楚，形象生动准确。又如，次氯酸见光分解实验，真实环境中分解速度慢，很难观察到气泡产生和氯水颜色变化，在虚拟环境中学生可以集中精力研究实验现象本身的特性和规律。还有滴定过程中突变范围的出现、丝朊—聚丙烯腈系接枝共聚物的制备、无机粉体（CaCO3）的聚合物胶囊化改性、合成氨操作等实验，使用虚拟仿真技术，实验现象更简单、直接，有说服力，教学效果更显著。

5.2 正确安排虚拟仿真实验与常规实验的关系，扬长避短，合理安排两者比例，充分发挥虚拟仿真技术教学的优势

虚拟仿真实验和常规实验，两者要合理安排、取长补短。对具有代表性的基本操作实验采用常规实验，对安全性低、毒性大和反应时间长的实验采用虚拟仿真实验。二者相辅相成，既有真实的动手操作练习，又有灵活可靠的虚拟实验教学环境，使学生真正掌握实验知识，达到虚拟仿真实验教学的真正目的。

5.3 提供了开放式实验环境，为学生大型实验提供条件，真正实现实验室随时随地向学生长期开发

学生是课堂的主体，在教学过程中更应该考虑学生的需求，打造出最适合的教学环境。采用虚拟仿真实验教学可以呈现操作性好、真实感强和直观精确的实验场景，可以为学生搭建规模宏大的实验平台，比传统的实验室开发出更多的大型、复杂的实验项目，让学生在任何地方都能完成实验任务，促进学生的学习自主性，使他们获得扎实的实验操作技能。提高学生对科学实验的理解，启发他们的创造性思维，增强科学研究的意识。

5.4 利用虚拟仿真实践教学，缓解现实实践教学资源不足问题，实现教学资源的高效利用和广泛共享

利用虚拟仿真实践教学，全部或部分取代高成本、高危险的生产现场实习。通过虚拟仿真教学软件的演示和操作，让学生了解企业的化工生产流程、重点设备及关键的工艺参数，熟练掌握各种大型仪器操作要领，在仿真的生产场景中安全高效地开展实践实训活动。学校不用购置大规模实验设备，缓解了学校实践教学资源不足问题，有效地提高教学质量，推进高校现代教育技术的快速发展，加快高校化学实验教学改革和教育信息化的进程。

6 结束语

综上所述，虚拟实验室确实具有潜力，能够帮助化学实验教学更好地展开，但同时也不可忽略其不足之处，希望教育工作者能灵活运用虚拟实验室，让它在今后的教学中更好地发挥作用。