COVID-19疫情下虚拟仿真化学实验开放教学模式探究和实践

王军锋 费菲 聂迎春 李连庆 梁攀

摘  要：新冠疫情爆发期间为响应“停课不停教”的号召，迅速展开虚拟仿真化学实验的研究和实践。研究线上实践教学的规律和模式，对照课程大纲和教学目标，遴选专业虚拟仿真实验教学平台，用创新教学设计落实线上实验教学方案。实践表明特殊时期虚拟仿真化学实验教学模式可行和有效，也将会是常态下化学实验教学的重要补充，助力实现真实实验中一些难以完成的教学功能。以虚拟仿真技术为支撑，以传统实验教学与虚拟仿真实验平台共同建设为抓手，可以带动化学实验教学示范中心的全面建设。

关键词：新冠疫情;“停课不停教”;虚拟仿真技术;化学开放实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）05-0030-04

Abstract： During the outbreak of the COVID-19 epidemic， in response to the call of "suspend classes but keep teaching"， the research and practice of virtual simulation chemistry experiment were carried out rapidly. This paper studies the rules and patterns of online practice teaching， selects professional virtual simulation experiment teaching platform according to the curriculum outline and teaching objectives， and implements online experiment teaching innovation scheme with the new teaching design. The practice shows that the virtual simulation chemistry experiment teaching mode is feasible and effective in the special period， and it will be an important supplement to the normal chemistry experiment teaching， helping to realize some difficult teaching functions in the real experiment. With the support of virtual simulation technology and the joint construction of traditional experiment teaching and virtual simulation experiment platform as the key initiatives， the comprehensive construction of chemical experiment teaching demonstration center can be increasingly promoted.

Keywords： COVID-19 epidemic; "suspend classes but keep teaching"; virtual simulation technology; reform and open of chemical experiment teaching

2020年注定是不平凡的一年。一场突如其来的COVID-19疫情，让春季高校正常的教学、科研工作遇到了前所未有的挑战，针对COVID-19肺炎疫情的影响，教育部要求春季学期大学生延期返校，并印发了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》《关于在疫情防控期间有针对性地做好教师工作若干事项的通知》等指导性文件，其中的核心是希望各级各类学校，能克服困难，做到“停课不停教、不停学”。

陕西学前师范学院化学实验教学示范中心（ Chemical Experiment Teaching Demonstration Center）是一家省级教学师范中心，承担着化学化工学院及相关理科学院化学实践教学的主体任务。该中心也正在开展着以学生为中心，以应用型人才的培养为主旨的各项实践教学模式的创新活动;承担着化学实验示范中心开放实验运行模式研究的各项课题。面对疫情化学示范中心上下一致，积极响应教育部号召、学校各项要求，以“疫情倒逼创新、困难促进改革”的理念，加快了也已开展的化学实验在线开放教学改革的步伐。加快创新实验教学模式研究，实施信息化实验教学管理，以更加开放和多元方式开展实践教学是落实实践教学。本周解决“停课不停教”的关键目标，创造性寻找解决问题的着力点。

通过采用专业的化学实验虚拟仿真模拟平台，辅之以在线的直播加线下学习群落，建立了在疫情期间开展化学实验教学的创新、开放也便捷的实践教学新模式。该模式经过近一个学期的实践，证明具有一定的实用性，也收到了良好的效果。

一、线上教学组织与实施

（一）统筹谋划，精心部署

化学实验中心评估了学生不能按期返校情况下实践教学开启面临的问题和困难，深入分析教师和学生在疫情仍然严峻的形势下教和学的准备度状态，特别研究了将实践教学大面积的转移到线上开展的可行性。在深入分析和調研的基础上，制定了系统的线上教学工作方案，包括教学资源的调配、硬件设施的保障、技术指导、条件保障等。并迅速对相关老师、教辅人员及教学管理人员做了动员和部署，通过“我在校园”智慧管理平台和电话通知到每一位学生。

（二）协调资源，科学配置

无论理论教学还是实践教学，都面临一个学生不能返校，如何实现线上教学的问题。为了保证任课教师在短时间内迅速掌握相关教学平台的使用方法，中心组织承担实验课教学任务的老师参加了多个教学平台如中国大学慕课、学堂在线智慧树等平台使用的培训;提供了包括腾讯会议系统、腾讯课堂、QQ、微信等多个教学互动平台供教师在教学中选用，有力的保障了“停课不停教”的顺利实施。

二、线上实验教学的谋划和开展

（一）基于实践课程要求 遴选专业虚拟仿真平台

相对于线上理论教学而言，需要操作训练的化学实验该如何进行教和学，一下子成了老师、学生甚至是家长关心的问题，也是最有价值的探究的领域。化学实验教学师范中心承担化学化工学院化学及应用化学2个专业和生科院2个专业共计15门实验课程，涵盖基础实验、综合实驗及创新和设计等几乎所有层级的实验。在系统梳理春季学期化学实验教学后，对现有化学实验专业虚拟仿真平台进行比对，精心筛选最契合的虚拟仿真平台。发现微瑞科技化学虚拟仿真实验平台与中心当下的实验开设的需求最为匹配。以其U系列三维虚拟化学仿真实验为例。其主要的功能包括：[1]

1. 知识原理模块

主要介绍与该实验相关的知识，包括但不限于仪器原理、仪器结构、实验操作方法和相关注意事项等。

2. 实验演示、模拟和考核模式

该软件提供虚拟实验的演示、模拟和考核等不同模式，并且在整个实验过程中可以在不同模式之间无缝自由切换。在演示模式中，系统自动执行虚拟实验演示操作方法。在学习模式中，通过打开提示，可以根据详细的步骤提示、3D物体上的灯光闪烁引导对于实验操作步骤进行学习，完成虚拟实验。在考核模式下，操作者在没有提示的情况下独立完成整个实验。

3. 考核和评估系统

系统预设标准和实验数据，根据学生模拟进展，对照规范操作标准进行打分和计时，并会在实验结束时报告详细的信息。在不通过管理平台修改设置的情况下，系统按照预先设定的默认方式进行打分和计时。按照默认的规则，每个小步骤如果在完全没有提示的情况下（即考核模式）进行操作则不扣分;如果查看了文字提示，则扣分;如果查看了灯光闪烁提示也扣分;如果打开演示模式演示了任何一个小步骤或者大步骤，则严厉扣分。

4. 多样化的菜单界面

系统菜单有“全屏”“皮肤”“退出”和“帮助”四个选项;教学菜单中有“实验目的”“实验原理”“仪器介绍”以及实验相关的其它介绍，每个实验的具体内容有所不同;信息中会显示实验进行时实验室内的温度、气压及湿度等相关要求。同时还有一个调整视角的菜单通过初始视角、实验视角、仪器视角、辅助视角、放大视角、缩小视角等，可以将人物和视野快速移动至合适的状态。

（二）聚焦教学目标 多措并举 多元化在线实验教学

根据实验教学大纲的要求，任课教师参照虚拟平台上实验的资源信息，结合学生和课程实际情况，针对性制定各个课程的线上教学方案，做到“一课一案，一班一策”，要求、标准不降但方式方法可以不同。

首先，教学计划根据新的教学模式进行更新。化学实验中心要求各个课程小组组织线上讨论，充分发挥集体智慧进行课程重塑，形成创新线上实验教学课程设计方案。每周一讨论，在正式开课一周前，提交下周的网络课程上课计划。尽量做到提前设计，实践中不断优化。所有的实验教师需要根据新的教学模式重新编撰教学教案、课堂设计及学员讲义，以期让教学内容与全新线上模式相匹配，并力求在实践中不断优化调整。

其次，与中心确立的虚拟仿真实验软件开发公司积极联系确定项目内容，开通虚拟仿真实验项目的权限。并对这学期承担实验教学任务的老师组织全员培训，以保证每位老师能自如运用平台的各项使用功能开展线上教学，将平台赋予的各项潜能最大化的发挥出来。对老师线上教学能力，特别是线上与学生互动技巧及线上“翻转课堂”授课能力进行强化培训，并建立专项技能讨论组群进行经验分享，很快大家的这项能力在实战中都得到快速的提升。

另外，在丰富教学资源方面，除了依托化学实验虚拟平台的数据资源，主动将近年来化学实验中心在教学过程中积累的教学视频资料储备投入使用，并积极搜寻合适的网上资源不断丰富资料库。引导老师将虚拟实验、网上课程资源及原始视频资料交叉使用，既丰富了教学内容，也激发了对混合式实验教学模式的大胆尝试。

三、线上教学的模式创新

（一）将资源效能最大化，线上与线下相融合，形成在线教学的闭环

疫情期间为了确保“要求不变，标准不降”的总体原则，依据实验课程的大纲要求，在教学设计上进行重塑，将创新教学模式实施落地。以教学目标为指导，依托虚拟仿真实验平台，充分利用微信学习群落，腾讯会议直播工具将学校效果不断提升。在具体实施中探索不同平台在教学活动中可以发挥的作用，用最恰当的方式完成最合适的教学内容，将资源效能最大化。在后期基本针对每个平台都进行了清晰的定位。如虚拟平台进行课堂演示效果很好，但是用这个平台进行实验原理、目的的讲解就显得很呆板;同时在学生开始平台模拟前就利用腾讯会议等直播平台进行实验原理、重点及难点的讲解就显得很高效;而辅导答疑、重难点指导、作业反馈则在微信群落里效果就特别好。据此将多种平台潜能发挥，与教学各个环节匹配，让学习过程在线上也能形成完整的闭合循环，让线上实验课创新模式在一次次实验实训中日趋完善。

（二）以学生为中心，人机交互，使教和学在线上也浑然天成

1. 以学生为主体，激发学生的学习热情

虚拟仿真给到一个很好的师生互动的平台。特别是把实验原理、目的这些枯燥文字形式转变成动画，同时又把复杂仪器内部结构显现化，直观化，让仪器内部结构不再是神秘的黑匣子。[2]尤其是Flash动画呈现方式，及随着授课进展随时暂停开启讨论模式，激发了学生的参与感。巧妙运用这些“激发学习兴趣”的因素，极大调动了学生的学习热情。

2. 人机交互，实验模式多样和阶梯式设计，循序渐进

虚拟仿真平台上学生除了完成常规实验之外，学生还可以自己搭建实验装置。[3]选择试剂和实验条件，设计实验流程，模拟实验环境，完成实验。通过对实验结果的分析来评估实验室操作时的条件，流程及环境是否恰当。这样一个回顾性评估使学生独立思考问题、分析解决问题以及创新能力都得以提升。

3. 多重互动，师生教与学的粘度在提升

由于线上模拟时间有更广泛的自由选择空间，课表上教学时间可有全部用于线上交流研讨。无论腾讯会议的集体直播，还是课前、课后在微信群、QQ群落的互动，都提升了教学中师生互动的频次和质量。其中直播互动是整体性对所有学生进行重点、难点的提示;而学习群落中的互动则是利用碎片时间个性化的辅导。内容包括答疑、重点强化、难点研讨及思考题反馈，以全面解决学生的疑难、重点的强化及关键操作上点拨。

在教学过程中，还会邀请平台工程师作为技术顾问，及时解决平台使用过程中遇到的技术问题。与服务商约定“随需随叫，随叫随到”，以保证学生全天候学习的需求和学习过程的连续性。

（三）充分发挥虚拟仿真实验平台优势，促进绿色实验室全面开放

1. 打破時空限制，实现“实验室”全面开放

仿真实验软件可以放到校园局域网上，后台匹配账号和密码。师生在疫情期间，虽然时空有差距，但只要有网络，无论是电脑端还是智能手机端，都可以即时进行实验操作，师生互动。没有了实验室固定场所的限制，没有了严苛环境的要求。学生可根据自身的时间安排、多次反复的到平台上完成实验。同时还能做到根据学生的兴趣爱好和培养方案的更高层次要求，有针对性的选择一些实验项目开放给完成基本学习任务的学生。这些学生一旦获得授权，利用其账号和密码，如同完成常规实验一样，登录仿真实验平台，完成高阶实验的所有内容。这种打破时空的全方位开放，给因材施教或者说根据学生的个体状况，进行定制化实验，提供了各种可能，也会推动教师教学方法的创新。

2. 高性价比的绿色实验方案

虚拟仿真模式，开放实验到更广阔的时空，学生不受地域环境、时间限制，使在相同时间内，为更多学生提供实验机会;这不但大大减少了耗材的使用，还节约了巨大的人力成本，使教学成本降低，实现了高性价比解决问题方案。

传统化学实验中心各学科实验涉及到很多化学试剂，有些甚至是有毒有害的，如“原子荧光法分析土壤中砷铅汞”实验中重金属对人的剧毒，也会对环境造成巨大的污染;有机化学实验各种有机试剂都有强致癌物质，无论是对师生健康还是对环境的污染都是严重的;实验过程中排放的“三废”不可避免的对环境造成污染;仪器分析实验的各种大型仪器在实验操作中都或多或少存在危险与不安全隐患。将这些实验搬到虚拟仿真模拟平台上模拟，通过计算机键盘和鼠标就可以完成实验，实现药品零投入，毒物零接触，污染物的零排放。可以说在源头上杜绝了污染的产生，避免了潜在不安全隐患，实现了高性价比绿色教学。

3. 多种形式开展综合创新实验

虚拟仿真实验平台提供了开展综合性、创新性实验的新选择。利用软件设计的便捷性，针对性的对实验模块进行调整，很容易衍生出各种创新、综合性实验项目，在不确定性增加的情况下，让学生探索最理想的方案，以此培养学生的综合创新能力。这一功能及其带来的获益和化学实验中心一直以来强调的“一体化、三层次、一拓展”的实验教学模式非常契合。这里的一体化是指以培养应用型人才为宗旨，提升综合素质为核心，追求知识、能力、方法和价值观的协同发展;三层次中，第一层次——基础实验是重在基础、夯实根基;第二个层次——综合性实验是着力于能力提高、科学素质的养成;第三个层次——设计实验，旨在培养化学科学研究方法和创新能力。一个拓展是着力培养学生自主研究的综合能力。虚拟仿真实验平台在推进设计创新实验中开辟新的、高效率的一个路径，值得大力提倡和推动。

4. 线上实验教学管理自动化

化学实验模拟平台各项功能的开放和利用，可以实现完整的教学管理环节。系统详细记录学生学习完成的过程，包括针对某个实验模拟时间，模拟次数，实验成绩;学生可利用系统平台进行实验报告的撰写和提交;教师可以利用平台评分和批改。系统提供实验考试管理和实验考试模块，并总体对实验成绩进行汇总等，实现实验教学的闭环管理。

四、虚拟仿真化学实验教学局限及后续发展

（一）虚拟仿真化学实验教学中所存在的问题

1. 虚拟仿真实验教学在全面达成教学目标上的差距

虚拟仿真模式即使使用在线3D模式，无论模拟的如何逼真，总是和眼见为实的现场实物有一定的差别。如仿真中，学生主要是以软件操作的形式进行，即使学生出现操作不当导致的事故及其后果也仅限于系统软件中既定的严重警告，没有实物损坏和现场危险场景的强烈刺激感。所以学生在操作中，即使出现很严重的问题，也不以为然，导致学生对危险状况的认知，危险状况的预警和防范意识比较薄弱。同样的原因，在某些学科如化工实验需要对设备、工艺及控制有较高的目标要求时，可能达不到培训的要求。[3]

2. 虚拟仿真实验对操作技能培养还有欠缺

总体来说，虚拟仿真模拟实验模式，由于用键盘鼠标方式控制实验设备，其对实验原理、方法及流程的培训其效果是明显的，但对有些需要训练学生实际操作技能的实验则效果欠佳。与之对应，由于缺乏现场实际操作，对现象观察、判断及因此而期望提升的学生分析问题、解决问题的能力，效果也会下降。

例如分析化学实验模拟中，由于相关数据为系统预设，这降低了学生对数据分析判读及后续数据处理及对实验误差的分析判断能力。

3. 仿真软件设计中存在的缺陷

仿真软件是由相关的专业人员根据实验教材、讲义或实际情况来进行开发的，在开发过程中，所遵循的原则很难完全契合到实践教学大纲目的和要求，有些还只是照搬了教材上实验目的、原理及操作流程，很难做到实际教学活动中根据学生实际技能水平因材施教或有针对性的及时调整。同时软件的开发需要各个专业的人员共同完成，在完成和调试过程中，难免会出现一些问题，包括软件设计中一些理论和操作流程的错误，如不能及时纠正，会让学生在操作中按照错误的操作和理解进行，造成严重误导。

（二）虚拟仿真在实践教学中的发展趋势

1. 虚拟仿真软件迭代更新速度加快

虚拟仿真实验背后的支撑是新生代的软件不但的推陈出新，这是由IT业的特征所决定的。虚拟仿真实验平台和所有的在线教学模式一样，在疫情过后将会迎来一个快速的发展期。依托对实验需求的多元化和更高的要求，在加上软件迭代更新本身就很快，虚拟仿真实验平台模式将迎来好的发展。为了弥补其与真实实验室场景效果的差别，3D技术的运用及VR技术的加入将会其显现出勃勃生机。同时多样化的表现形式，如3D及VR技术将使操作更为直观、有趣，界面更加友好。

2. 虚拟仿真高性价比，将其与传统实验教学相融合，促进创新性人才的培养

由于虚拟仿真实验模式的高性价比、多样化设计、快速发展，传统以验证为主的实验方式将面临挑战。按照既定的实验步骤、严格按照操作规程一步一趋的实验方式，其训练的能力必然会和虚拟仿真实验平台训练学生能力进行有效的区隔。这意味着虚拟仿真模拟实验将会和传统实验教学相融合，进入常规实践教学序列，作为有益和必不可少的补充，一起来促进创新应用型人才的培养。

五、结束语

实践表明应急状态下虚拟仿真化学实验教学模式将会是常态下化学实验教学的重要补充，其打破时空的便利性、低风险、低污染、绿色化、线上管理的自动化及灵活创新性，可以实现实验实景难以完成的教学任务和目标。据此作者认为，以虚拟仿真技术为支撑，以传统实验教学与虚拟实验教学共同建设为抓手，加强虚拟仿真实验平台的建设，将带来化学实验室实践教学革命性的改变。

参考文献：

[1]北京微瑞集智科技有限公司.微瑞U系列三维虚拟仿真软件使用手册[Z].

[2]刘来玉，陈晨，董焱，等.虚拟仿真实验教学助推双创教育的探索与实践[J].实验技术与管理，2017，34（12）：128-131.

[3]周凯，侯国安，马少宁.化工仿真在本科教学中的探索与实践[J].化学工程与装备，2017（12）：343-345.