虚拟仿真实验教学用以改进高校传统化学实验课程的思考

肖 巍

（武汉大学 化学与分子科学学院，武汉 430072）

作为化学学科的基石和支柱，实验与化学专业密不可分。受限于传统实验教学模式的不足，无法在化学实验教学中实现实践技能操作与理论知识学习有效融合。在近年来发展中，信息技术取得了突破性的发展进步，并在短短几年内在我国大面积地铺开，渗透进我们生活中的方方面面，“互联网+教育”的教学模式也日臻成熟，这极大地便利了我们的生活。为加快建设高水平本科教育、全面提高本科人才培养，需通过采用现代信息教学技术充分调用优质教学资源，实现现代信息技术与大学教育教学深度融合。作为教学人，我们要敏锐地抓住信息技术发展进步所带来的红利，将虚拟仿真技术应用到化学实验教学中。扩展学生对于基础化学实验的认识，引发他们对于更深入实验的兴趣，激发学生对实验本质的探索精神。

1 虚拟仿真实验的相关情况概述

1.1 虚拟仿真实验定义

虚拟仿真实验是指通过使用计算机，用一个智能化的系统模仿现实世界中的真实实验操作过程，实现可视化的实验操作环境的技术。[1]虚拟仿真实验得益于虚拟仿真技术的发展进步，它将虚拟现实和仿真模拟有机的结合起来，形成了这一开创性的技术。虚拟仿真实验教学的开展依托于虚拟仿真实验室这一平台，在这个实验室平台上，学生不仅可以在模拟的虚拟实验台上亲手进行操作，还能够根据现有的实验经验和知识自行设计和完成实验，有很强的自由性；开展教学工作的教学人员可以依据数据库挑选合适的器材和试剂设计实验，以供给学生学习。虚拟仿真实验最大的特点是其别具一格的沉浸性，能够带给使用者几乎与现实无异的沉浸式体验，可以从视觉、听觉等层面的感知上带给使用者身临其境的感觉。总体来说就是将现实中的化学实验搬了一个家，将其置于虚拟仿真实验室这一平台上进行，但与实验相关的操作，步骤等都没有任何改变。这对于学生学习知识的准确性没有任何影响。故相较于真实实验，虚拟仿真实验具备低成本、高效率、智能化等特点。[2-3]

1.2 虚拟仿真实验预期教学效果

著名教育家布鲁姆在其教育目标分类系统中将教学目标分为认知、情感和动作技能三大板块。传统化学实验教学方式仅仅聚集在对实验知识的浅层次学习和对实验操作的简单记忆方面，而针对于学生更高维度的综合应用和实践性操作来说，它并没有展现出明显的作用。相关研究表明，在虚拟实验中，学生所获得的科学探索能力和熟练的实验技能会对应迁移、转换，能够为真实的实验工作奠定基础。[4]尤其是在大学化学课程的教授过程中，利用虚拟仿真技术来模拟实验过程可以显著弥补传统教学模式存在的实验成本高、操作存在安全隐患、难复习相关操作的不足。能够在不限制学生自由尝试的情况下，减少实验装置安装、维护和使用成本。通过模拟真实化学反应，让学生们在线上便可以观察到他们在书本上看到的化学反应、仪器使用方法、操作注意事项及相关理论知识是如何在真实环境中使用的。同时，也便于学生在后续的学习过程中进行复习回顾，为学生带来更佳的学习体验。

1.3 国内外虚拟仿真实验教学的发展状况

在全世界范围内，虚拟仿真技术蓬勃发展。国外顶尖高校技术成熟，在这方面开展早，发展快，覆盖范围广阔。例如，美国斯坦福大学商学院开发了一种适用于金融投资的虚拟实验平台，旨在为学生提供一套完整的具有时效性的行业内标准应用程序，供实际训练使用。美国密歇根州立大学开发了一款名为LogicTools LogicNet的软件工具，学生们可以在这款软件中模拟进行从产品包装到销售部门的布局设计，包括后续的物流和运输的全部过程。在该平台上，学生们可以自由地发挥他们的想象力和创新能力，自行设计他们认为合适的物流管理流程。

国内对于虚拟仿真实验的发展的起步相比较来说更晚，但仍然在以较快速度发展。尤其是在经历了疫情时代后，实际的需求要远大于实际的发展状态。因此，在疫情这一“催化剂”的作用下，虚拟仿真实验教学得到了迅速的扩展。具体而言，在疫情防控期间，由于化学专业不可避免地亟需开展实验培训，而学校无法在校内开展正常的线下教学任务，这便使得线上教学的需求有了极大的提高。虚拟仿真实验教学能够有效解决以上需求。谢幼如等人就针对在疫情期间开展的线上教学进行了系统性的阐述。他们对线上教学的明显特征、所出现的问题以及相应的创新性进行了讨论，并指出线上教学是可行的。[5]虽然现阶段各高校都在一定程度上进行了虚拟实验室的建设，但受限于技术短缺、资金不足以及对于实际化学实验操作的实际要求高等问题，总体来看虚拟仿真实验的发展呈现出不平衡、不充分的特点。因此，教学体系的改革和虚拟仿真实验教学的扩展性发展仍然需要教学人采用开创性思维来进一步优化解决。

2 高校化学传统基础实验教学模式存在的不足

化学是一门以实验为基础的科学学科，对学生进行基础实验教学是培养理工科学生实验技能最重要的组成部分。目前大多数高等院校对化学实验教学依旧是按照“课前预习—课堂着重讲解主要操作难点及理论知识点—学生上手操作—完成实验报告”这种传统模式。这样基于师生现场指导交流的线下、单一的教学模式会使学习形式过于机械化，学习过程变得枯燥乏味，最终达到的效果也仅仅是令学生掌握了孤立的、具体的某一项化学实验，并没有形成完整的、连贯的实验思路和知识体系。总结来说，传统实验基础教学模式显露出的不足有如下四点：

2.1 课前准备费时、费力，学生预习效果差

在上述的教学模式下，实验管理老师须准备大量的实验药品及仪器。如出现纰漏，实验课的进程会受到影响，因此需要老师花费很多时间和精力来核对所需物品是否完备，导致老师工作量大。由于同学在课前不能实地接触到实验仪器，只能依靠教材上的图片进行了解，因此对实验的预习程度不够深入，无法形成自己的思考并提出问题，这会使得学生在后续课程中被动地接受信息，按部就班地仿照实验操作手册上的实验步骤进行实验，学习效果大打折扣。

2.2 课中容错性低、安全隐患高

尽管目前大多数高校在化学基础实验教学过程中已尽力避免所选用的试剂具有毒性或腐蚀性，但实验过程中仍存在一定的危险性。尤其是学生做实验时不够认真，稍有差错便会出现安全问题。鉴于本科生操作技术不够熟练，为达到预期效果，实验试剂的用量会比较大，因此会产生大量会污染环境的废液废渣等，由于需要集中处理，教学成本过高。

2.3 实验条件有限，学习体验感不佳

根据目前的教学资源，一位实验老师需要指导至少十几名学生，加上实验室面积有限、实验装置老化等要素的限制，甚至有时因实验资源短缺，教学会以小组为单位展开，无法保证每位同学都可以完全参与到实验过程中来。因此，在这样的教学模式下，难免会有学生抱有敷衍了事的心态，在一定程度上妨碍学生探索化学实验的好奇心，不利于学生的创新意识和创新能力的发挥。除此之外，化学实验只有一次机会，或成功或失败，倘若学生觉得实验还有改进的地方，但实验室没有足够的条件提供给他们第二次尝试的机会，这会导致实验失败的学生得不到“满足感”，打击学生学习积极性。

2.4 课后复习难度高、操作遗忘率大

目前有很大一批本科生选择在本科毕业后进入化学化工行业发展，这便需要他们有扎实的实验基础。然而，基于传统化学基础实验“一遍过”的特点，学生只能在限制好的时间内学习完一整套实验操作，并且再也没有机会复盘，这使得学生复习相关实验要点的难度大幅增加，进而造成了学生“学过就忘”的状况十分普遍，严重阻碍了教学效果的体现，也不符合我国对于培养创新型人才的要求和学生自我学习发展的需求。

3 虚拟仿真用于改进高校传统化学基础实验课程的实践研究

3.1 虚拟仿真用于改进高校传统化学基础实验课程的可行性

作为化学学科的基石和支柱，实验与化学专业密不可分。如何在化学实验教学中实现实践技能操作与理论知识学习的有效融合，是各大高等院校培养化学专业人才过程中都无法回避的问题。但传统教学模式受到各种现实条件的限制，上述的两个模块往往被割裂开来，无法真正实现理论知识学习与实际操作训练的高效融合。而将虚拟仿真技术应用于改进大学化学基础实验传统教学模式中可以有效改善这一问题，延伸实践教学的广度和深度。因为虚拟仿真实验侧重于对教学实验的操作训练，而传统线下的教学模式重在对同学们进行理论知识的教授，所以通过将两种教学方式充分地融合，无疑会为大学化学基础实验课程教学模式改革提供强大的助推力。

习近平主席在致国际教育信息化大会的贺信中指出，“因应信息技术的发展，推动教育变革和创新，构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，建设‘人人皆学、处处能学、时时可学’的学习型社会”。[6]《教育部2022年工作要点》也明确提出“实施国家教育数字化战略行动”。[7]而建设化学虚拟仿真实验是化学学科响应国家加快教育高质量发展的重要举措，因此国家会给予很大的政策及经济上的帮扶，推动虚拟仿真实验技术后续持久、稳定地大步发展。

随着教育数字化战略的不断深入强化，我国的虚拟仿真技术发展之貌势如破竹，且其在教学领域的应用也是风生水起。据统计，截至2022年12月，国家虚拟仿真实验共享平台“实验空间”上的虚拟仿真实验项目数量目前已经高达3000余项。[8]技术的不断发展，也为虚拟仿真实验改进传统的线下实验教学课程提供了稳固的保证。

3.2 开展虚拟仿真实验教学所面临的困难

其一，教师对虚拟仿真实验教学缺乏认识和新的理念。大部分高校从事实验教学课程的教师长期从事传统的线下实验教学，对传统教学有一套更加成熟的教学体系。新式的虚拟教学会对传统教学造成冲击，他们接受起来更困难，这就造成了教师对虚拟实验教学的认识不足，难以提高教学质量。在起步阶段，教师会认为虚拟实验与传统实验相似，只是一些软件的简单操作。没有充分发挥虚拟仿真实验室的优势，限制了学生的积极性和自主性。

其二，高校对于搭建和扩充虚拟仿真实验室的投入不足。虚拟仿真实验室因其优异的延展性可以作为传统线下教学的优秀补充。补充扩展的深度和广度取决于虚拟实验室的环境设备的建设。部分学校由于缺乏资金或是对其重视不足，虚拟实验室的建设相对落后，没有合适的设备条件，虚拟实验教学的效果会大打折扣，无法充分扩展学生的思维，激发学生的兴趣和探索精神。

其三，熟练掌握传统教学和虚拟实验教学的复合型教师人员不足。虚拟仿真实验室结合了虚拟仿真等信息技术，教师要对这类技术有一定的基础性了解，这样才能更好地实现技术融合，设计出更优质的实验范例作为教学资源，以满足虚拟实验教学的迫切需要。同时，虚拟仿真实验室这一系统平台从运行、管理到维护都需要专业的人员团队来接手，以保证虚拟实验教学的持续性。但现阶段，各高校都十分缺乏这一类教师人员，这在很大程度上阻碍了高质量、高水平的虚拟仿真实验教学的广泛开展。

其四，虚拟实验教学体系的不完善。高校对于建设虚拟仿真实验室还处于起步的摸索阶段，没有建立一个标准化的、规范化的建设体系。不管是对实验教学的重新设计、资源的投入、教学人员的培养以及后续虚拟实验教学的开展都需要一套完善的体系制度来保驾护航。根据教育部印发的通知精神，我们要加快完善对虚拟实验教学体系的建设。[9]

3.3 虚拟仿真实验教学的实践

新冠疫情期间，武汉各大高校的化学专业都积极开展了线上虚拟仿真实验教学，为因疫情离校居家的化学专业学生开展线上教学。学校教学人员自行搭建虚拟实验室平台，依据平台上的虚拟仪器，材料以及相关数据，设计出教材上的一比一实验，供给学生居家学习使用。教学人员编写了详细的实验操作方案，学生在操作方案的一步一步地指导下，循序渐进逐步地完成实验，之后在没有操作方案的指导下，一次次自行完成实验。学生在实验过程中所遇到的问题，可以集中反馈到教学人员处，再由教学人员给出详细的解答。得益于实验平台的开放性，学生可以在现有实验的基础上，根据自己的理论知识自行设计兼具延伸性，扩展性以及独创性的实验，并自主完成。并且与教学人员讨论实验中出现的各种现象，与同学分享实验的经验。

4 虚拟仿真用于改进大学化学基础实验传统教学模式的意义

虚拟仿真实验教学被称作是“具有跨时代意义的课程”，它是以化学实验的理论知识为基础，通过利用计算机仿真模拟真实的实验仪器和较为复杂的实验步骤，达到和真实实验近乎无差别的教学目的和教学要求。[2]相比于传统的教学模式，虚拟仿真实验用以改进高校化学基础实验课程的教学具有以下的意义：

4.1 丰富教学方式，提升学习体验

开发设计与教学课程相关的虚拟仿真实验，将其作为一种新型的教学资源与线下的传统教学模式互为照应，可以开展线上线下共同教学的新型模式，丰富大学化学实验的教学方式。利用虚拟仿真实验，可以使学生在预习时能够进行除看实验教材和实验视频外的学习方式，学生通过自己操作智能设备，提前感受一遍实验流程。基于此种预习方式，会极大程度上激发学生的自我思考能力，在实际上课时可以产生“提出问题—解决问题”的学习效果，加深学生对知识的理解。

4.2 增加试错机会，激发学生学习兴趣

在真实的化学实验中，经常会用到一些价格较高的试剂或管制试剂，学生实验成本高、购买手续繁琐。在虚拟仿真实验中，所有仪器、试剂创造都是仿真的，实验条件可以调节至最适宜的水平，可满足各类实验需求，这便大大降低了实验成本。同时，在虚拟仿真实验室中，学生可以不被限制地重复实验，打破以前每个学生只有一次实验机会的常态，给予学生自主探索、合作学习的学习环境和实验环境，彻底摆脱了原有实验设备条件的约束，增加了学生们试错的机会；在反复训练的过程中，激发学生的学习兴趣，让学生们从被动的知识接受者转变成创新者，最终达到技能养成的目的。[10]

4.3 实现多向互动，增强学习自主性

有研究表明，多向互动对学生的认知发展有很强的作用。[11]在传统的实验教学过程中，基本沿袭着老师随机提问学生问题，学生思考很短的时间后做出简要回答的上课流程。这样的单向课程互动会造成师生间的沟通不及时，学生需求不能被老师直接获知的情况。而通过虚拟实验室，同学可以在平台内公开提出自己对该实验存在的疑问；教师可以更加方便地完成开课、跟踪学生的学习进度等操作。由此能够实现师生之间、学生和学生之间，甚至学生还可以同虚拟环境中的虚拟对象进行多向的互动，这有助于学生获得全面的学习体验，自主思考实验的优化与改进方法，更加具体地掌握实验知识。

4.4 课后回顾便捷，提高学习效率

由于传统实验的授课模式具有“一遍过”的特点，学生难以对课上的实验进行复习回顾，这会导致实验操作遗忘率高。但通过虚拟实验，学生能够不被时间、场地限制，在任何有网络终端的地方，利用网络实验平台，随时随地进行实验操作。同时，学生可以自主调节学习进度，对重点和自己掌握不深入的内容展开有目的、有计划的学习。这种方式对学生复习遗忘的实验操作、实验现象、实验原理等有很大的帮助。

5 结语

在信息时代下，教学人员要与时俱进，将化学实验教学推向高水平、高质量的新格局。通过利用虚拟仿真实验技术与传统线下实验课程相混合的教学模式，延伸了实践教学的广度和深度，在化学专业人才培养教学中展现出了诸多优势。在保留传统线下教学优势的前提下，虚拟仿真实验技术的引进不仅为学生构建了全方位的“线上+线下”学习模式，帮助在校师生突破了时间和空间的限制，彻底摆脱了原有繁杂实验条件的约束，还大大降低了化学教学实验中的实验安全隐患及消耗试剂器材所产生的实验成本，突破了原有传统教学模式所存在的实验成本高、操作存在安全隐患、难复习相关操作的不足。有效提升了实验教学的效果。

在化学专业人才培养上，虚拟仿真实验技术与传统线下实验教学有机结合起来，各取其利，可以同时兼顾理论学习与实验技能培养，尤其是在需要将相关的多种理论知识和实验操作方法紧密联系起来的综合性和设计性实验中，学生可以在线上反复学习、多次实验，从而提高学生对理论知识的掌握及解决复杂实验操作的能力，进一步满足当下对化学专业人才培养的要求。