虚拟仿真实验在高校化学课堂教学中的应用研究

石 莹 宋世杰

（包头师范学院 化学学院，内蒙古 包头014030）

1 介绍

虚拟模拟实验室是基于尖端技术（如虚拟现实）的开放网络虚拟实验教育系统。在这个实验室中，学生可以在虚拟测试台上进行操作，设计自己的实验以及预定自己实验项目。教师可以使用虚拟设备库中的设备自由构建任何合理的实验案例。虚拟模拟体验作为一种新型的教学模式，具有简捷、安全和模拟真实情况的功能。它可以模拟所有受仪器、药物、毒性、污染等限制的经验，并填补了传统化学实验教学中的空洞。在实验教学中，将多媒体引入实验过程可以增强实验前通知的效果，提高数据处理效率和实验教学成果[1]。使用图形图像，动画和虚拟现实，虚拟仿真实验可以创建虚拟实验环境和实验操作程序，这些工作可以部分或完全被传统体验的各个方面所取代。我国的一些大学已经在虚拟实验技术上投入了大量资源，并建立了许多虚拟模拟实验中心。近年来，我国大力开发虚拟仿真技术，不断开展仿真技术培训。在教育部开发的虚拟仿真国家工程建设咨询实验教育项目中已明确指出，应本着“以学生为中心”“以生产为中心”和“持续改进”的原则，开展实验教育，更多更好的虚拟仿真实验平台正在逐步进入高校大学教育阶段，科学合理的运用这些平台并将这些平台与线下实验相结合，是目前大学教师面临的挑战。

2 虚拟仿真实验的特点

传统的化学实验课授课方式往往处于教师一个人在讲授，学生完全对知识的学习处于被动接受的状态。这样模式不但会使学生学习效率低下，而且会逐渐削弱学生动手能力[3]。传统教学方法存在实验成本较高、造成环境污染、教学效果不理想等典型问题，尤以环境污染问题较为严重，大量实验有毒有害废液还具有处理成本高的特点。虚拟仿真实验平台为学生提供了足够的共享学习资源，可重复性激发学生主观能动性。通过仿真实验过程，成功避免了有毒有害废液的产生，同时学生实验安全得到极高的保障，学生可以通过虚拟仿真实验先对实验知识有一定掌握，进而再更快更好的进行线下实验。虚拟仿真实验具有以下几个特点：

2.1 投资费用少

线下实验过程中有相当多仪器价格昂贵，容易被实验药品污染，而且有许多化学原材料难以获取或价格昂贵，众多原因造成线下实验投资费用多，而虚拟仿真实验只需要学生在电脑上登录开发商提供的网址，在技术人员的指导下或参阅说明书后，学生就可以亲自动手进行操作。在做实验的过程按照软件提示进行操作最大亮点在于可以反复操作执行。仿真实验在化学实验室投资费用方面是跨越式的降低。

2.2 无污染

在虚拟仿真实验操作过程中，学生是通过鼠标点击页面上药品进行操作。实验整个过程所用的药品全为虚拟药品。传统实验操作过程往往产生大量废液物和有毒气体，进而对环境造成一定污染。仿真实验具备无污染的特点，可高效来解决线下实验的污染问题。

2.3 安全性能高

标签老旧模糊、药品混入杂质、用药过度、违反操作规定等都会引起严重化学事故。近些年化学事故接连不断在实验室发生，对此造成大部分人从内心产生对化学实验的恐惧害怕心理，但是仿真实验利用网络信息技术进行操作，逼真的情景改善学生对化学实验以往的偏见，同学们只需在网上进行实验，而非实际对药品进行操作，有效避免了化学事故的发生，具有安全性能高的特点。

2.4 提高预习效果

使用模拟软件，学生可以练习实验程序，并在上课前熟悉实验过程。仿真模拟可以有效地提高学生实验的成功率。在动手实验之前，教师可以使用虚拟模拟实验平台来安排课前准备作业，以实现对预测质量的在线监控。当大多数学生的预览效果达到预期水平时，将打开实际的操作部分。这种方法可以有效地提高实验前的预览效果，也可以提高复杂耗时的实验项目的实验效率。

2.5 增强学生仿真设备的基本操控能力

在化学实验过程中，化学实验通常是在仪器和设备的帮助下进行的。在学生进入实验室进行操作化学实验之前，这些仪器设备药品大多数都没有被触及过。在实验前教师只是使用本书的介绍，而在预览中缺少图像模型。在教学中，由于学生人数众多，对实验仪器的观察视野相对较小，并不是每个学生都能清晰看到。通过虚拟仿真教学软件的仿真实验，学生可以加深对实验仪器操作方式。实验仪器的操作步骤详尽，清晰。可以循环播放，加强了学生对实验仪器的基本操作能力和对知识的掌握，给学生留下了深刻的印象，提高了传统实验的成功率[4]。

2.6 数据处理、结果分析方便快捷

传统分组实验学生需手写记录实验数据，将数据代入公式进行处理计算，计算较为烦琐易出错，并且根据计算出的数据描点绘制曲线会有一定偏差，一系列操作导致长时间完成实验报告。相比较仿真实验而言，学生输入所需的原理公式，然后计算机将列表数据替换为原理公式[6]，以获取相应的理论结果。最后根据原理公式遵循坐标图上的数据，绘制相应的曲线图并且对曲线图加以归纳整理。整个过程在计算机操作下完成，从而缩短了在数据处理和绘图上花费的时间。

尽管虚拟仿真实验在化学教学过程中具有如上的一些优点，但是虚拟仿真实验与线下实际实验相比还具有一定的局限性。比如，仿真程度低、技术员缺乏、与传统实验室结合不充分、软件昂贵等缺点。

3 仿真实验与传统实验互补性

仿真实验给学生提供良好预习效果，传统实验为仿真实验提供真实实验情景。合理结合虚拟仿真实验和线下实验进行教学，可使学生在了解实验原理之后，进一步利用传统实验验证实验原理，确保实验的可信度。高校教师需要高度利用二者优点达到预期效果。

4 结论与展望

加强虚拟仿真技术与传统实验效益互补，确保实验教育质量提高。虚拟仿真实验教学是现今教育界的新型学习方式，打破了传统实验教育模式。在未来的不久，仿真实验将涉及在教育界每个角落。随着虚拟仿真实验室在越来越多领域的开发和利用，虚拟仿真技术将变得越来越成熟，但仿真实验并不能整体代替线下实验，两者互通有无才可以实现教学质量最优化。如何高效地将模拟实验与传统实验相结合，以及如何培养复合型专业人才是目前实验教学研究的核心课题。总而言之，化学虚拟仿真平台是目前提高学生的主观能动性，培养学生创新及动手能力的途径[7]。伴随教学不断改革，电子科技不断发展，仿真技术也在不断完善。相信仿真实验未来充满着无限潜力。