新冠疫情下《物理化学》虚拟仿真课程教学探究*

艾文英，李长林，杨 宇，李鹏宇，崔思文，马佰位

(中原工学院材料与化工学院，河南 郑州 450007)

物理化学贯穿了化学学科的方方面面，是化学领域一门重要的分支学科，也是化工、医药、材料、冶金、能源等化学相关专业本科生的必修课程，与国防、生命、环境、材料、能源等多个学科领域相互交叉、融合、渗透，其基本原理和相关知识可以为研究化学和上述专业领域提供理论、方法和实验技术手段[1]。学习物理化学有助于培养学生的科学思维、实践能力和创新能力等各项综合素质，其教学质量直接体现了化工专业的人才培养水平，因此，物理化学课程在各大高校均受到了广泛重视。

然而，物理化学课程作为化学中的“哲学”，具有公式繁多、理论性强、应用条件多变、概念抽象、晦涩难懂的特点，这不仅使学生在学习过程中增加了难度，在日常教学中也给任课教师提出了更高的要求，有的学生甚至会因此产生排斥、厌学心理，很大程度上影响了该课程的教学质量。特别是自2020年初新冠疫情爆发以来，各大高校都难以按时开学，线下教学改为线上教学后，更进一步增加了教学难度和学生的学习难度。因此，如何调动学生对物理化学课程的学习积极性、熟练掌握并合理运用物理化学知识要点，对保证该课程的教学质量意义重大。

1 传统物理化学教学中存在的问题

传统物理化学教学基本还是依赖于：学生课前预习，教师课堂板书或幻灯片讲解，课后学生完成作业后由教师批阅。在新冠疫情影响下，物理化学的线上教学模式基本是：教师线上讲授ppt，或观看相关教学视频。这种教学模式在实际教学中，暴露出许多弊端。

1.1 预习效果欠佳

对于学生而言，在没有形成完整的知识体系前，难以快速对知识吸收理解，抽象的理论使学生理解起来十分困难，往往花费大量时间预习后，却难以留下深刻的印象，对课本知识依旧陌生，难以达到课前预习的目的。特别是在新冠疫情这一特殊时期，各个地方的高校、中小学都难以如期开学，许多学生的学习都是居家开展，没有足够的辅导资料作为前期预习支撑，预习效果更加难以保证。

1.2 实验及理论教学剥离

传统教学中物理化学理论教学及实验教学区分为两门课程，即学生在课堂上由一名教师进行理论教学，再由另一名教师在实验室中向学生讲授实验部分。这种教学模式下，理论与实验教学相互剥离，学生在进行理论学习时，无法与实验学习相辅相成，互相加深理解。同时，大部分高校实验教学也受限于实验仪器台数或套数的影响以及试验场地的限制，采取循环教学的模式，即把学生分组完成相应的实验，这不仅给教师授课和学生听课造成了干扰，同时也大大增加了教学工作量。新冠疫情爆发后，各个学校开展了特殊时期的线上教学工作。《物理化学》课程作为一门实验及理论相结合的化学分支学科，如何让学生在进行网课学习时，即使不能亲临实验现场，仍旧可以如同身临其境般达到直观学习的效果，是在此特殊时期学生对该门课程的迫切需求。然而，当前大多数学校在网络教学过程中，只是把教室里的幻灯片演示改成了网络上的幻灯片演示，需要实际操作的物理化学实验也只能暂时停课，这进一步使教学效果下降，学生对知识的掌握理解程度深受影响。

1.3 实验教学存在安全隐患，教学成本高

物理化学实验通常需要使用大量仪器和化学试剂，这不仅大大增加了教学成本，有毒化学试剂的使用也存在安全隐患。例如在“二组分固液金属相图的测绘”实验中，需要采用热分析法分析测绘铅-锡二元金属相图，通过记录铅-锡金属熔融状态下在自然冷却时体系温度与时间的关系，即测绘出步冷曲线，从而得到相变温度与铅锡二组分之间关系相图。该实验是经典物理化学实验之一有助于学生深刻理解热分析法基本原理及步冷曲线分析法等相关理论知识。但上述铅、锡金属均为毒性重金属，其熔融过程中会产生有毒蒸气，不仅容易给实验人员的身体造成危害，还会对环境和设备造成污染。此外，由于金属熔点较高，也给实验过程带来了高温方面的安全隐患以及不必要的能源浪费。

1.4 授课效率低，学生接收少

物理化学教学需要在有限的课堂时间内由教师向学生传达大量的理论知识，包括：原理、计算、模型、数据处理等。这势必要加快教学节奏，以教师为中心，将复杂的知识原理压缩至时长有限的课堂内，学生不得不机械的接受“满堂灌”的教学模式，这大大影响了知识的吸收理解，降低学生对科学的求知欲和探索欲，学习过程中缺乏主动思考和深入理解，创新意识、工程意识无法得到培养，这些都在很大程度上影响了教学初衷。同时传统的教学方法往往采用幻灯片演示的方法，平面示意图难以将立体的模型以逼真的形象展示在学生面前，大大影响了教学效果。

2 虚拟仿真课程的优势

虚拟仿真技术是一种在多媒体技术基础上，融合了计算机仿真、人机交互、传感器等多种技术，通过计算机模拟出虚拟仿真场景，可以让使用者利用虚拟实验设备，在虚拟的环境中产生逼真的体验[2-3]。目前，该技术在航天、制造等领域已经广泛应用。在教育行业，特别是在实验类学科教学中，可以借助该技术构建一个三维可视化的虚拟仿真实验室，那些晦涩难懂、微观抽象的理论、分子模型、运动模型等，可以形象直观的展示在学生面前；实验室里无法完成的高危实验及破坏性实验，也可以借助这一平台让学生观看并“亲自动手体验”。使学生可以从任意视角、任意距离观察学习，身临其境般感受课程特点，打破固有思维。因此，将虚拟仿真技术应用在物理化学课程教学中是解决新冠疫情下课程需求难题的 “钥匙”。

2.1 突破时间、空间限制，提升学习效果

虚拟仿真课程的建立，不仅可以让学生突破时间、空间和终端设备的限制，在高度仿真的虚拟三维场景中时时进行科学漫游；还可以帮助学生轻松实现从宏观到微观、从微观到宏观的思维转化，将抽象的知识具体化。例如在学习物理化学中气体这一章节时，虚拟仿真平台可以让学生仿佛置身于3D微观世界，清晰的观察到气体分子的微观模型、运动规律，并从气体分子的微观运动去深刻理解压力、温度等宏观物理量的微观本质。由于化学反应的本质就是分子之间的相互转化，这种3D微观分子运动图像的建立，有助于学生从微观的角度理解化学转化，对学生来说是十分重要的。

2.2 提高教学质量

虚拟课程平台的建立，可以帮助教师在授课时将理论与实验相结合，实现高质量教学。例如在水的相图一节中，需要根据水、冰、水蒸气之间的相互转化绘制水的相图示意图，教师在进行课堂教学时，很难将实验直接搬进课堂，远程教学时只能通过视频向学生简单演示过冷水实验，这给学生深刻理解相图带来了困难。而虚拟仿真课程平台的建立，则可以让教师在进行理论教学时与仿真实验相结合，学生也可以在仿真实验平台上自己动手操作，这不仅能大幅度提升教学质量，还充分体现了“学生是学习的主体”这一教学核心。此外，教师也可以利用平台给学生布置实验作业，特别是在远程教学时，逼真的实验平台可以使学生即使在家里也可以进行实验操作练习。

2.3 安全性高、无污染

化学实验往往伴随危险，有毒化学试剂的使用、操作不规范导致的爆炸、燃烧等。近年来，时常有关于化学实验室发生事故的报道，这使许多人从内心深处对化学怀有恐惧心理。而虚拟仿真化学课程可以利用网络技术使化学实验变得绿色、安全、无污染。例如，在燃烧热的测定中，需要测定1 mol物质完全氧化时的反应热，因此，在实验过程中要用氧气钢瓶往氧弹内充入氧气，充气过程中不规范的操作很容易引起爆炸。而虚拟仿真实验平台则不仅可以让学生在安全的环境下进行操作，还可以让学生通过多次模拟实验以及破坏性实验，了解到哪种情况下会有危险，哪种规范操作可以避免危险。这对于规范学生实验操作，避免化学事故的发生意义重大。

2.4 降低教学成本

物理化学教学所需要的仪器、化学试剂往往价格昂贵、难以获得、且属于易耗品，例如，在电极电势的测定实验中，需要用到电位差计，而一台数字式直流电位差计的市场价格是 2 500元左右，这就要求学校投入大量资金。对于精密仪器还需要长期人工精心维护，这不仅前期需要花费大量资金购买，后期还需要支付高昂的人工维护费用。而虚拟仿真教学平台的使用则可以省去仪器和试剂的购置费用，更不需要支付后期维护费用，可以大大降低教学成本，并且可以让学生反复在虚拟平台上操作练习，而不用担心仪器的损坏和试剂的消耗。

3 虚拟仿真化学课程教学的发展现状

虚拟仿真技术在化学教学中具有得天独厚的优势。可以在教学过程中引入仿真实例，模拟化学反应历程和环境，将反应微观机理动态展示给学生，激发学生对知识的兴趣，加深对理论知识的理解与应用，激发学生的创新思维。这不仅可以丰富课堂教学形式，还可以利用该技术将实验压缩至课堂教学中，强化理论与实践的关联，实现理论—实践—理论的闭环教学，为突破传统理论教学壁垒提供强大的技术支持[4-5]。

目前，国内多所大学在虚拟仿真课程教学改革方面展开了探索，其中，北京师范大学化学系针对实验中存在易燃易爆、毒害性强、危险性高的化学实验，以及较为抽象、难懂的化学理论，依托虚拟仿真实验教学中心，构建并开放共享了多个化学实验虚拟仿真项目。河南科技大学也建设了虚拟仿真实验教学中心，并开展了多门虚拟仿真课程，包括焊接、热处理、塑性成形、铸造、冶金等多门实践性课程。这些课程让学生通过“云端”实验室学习，在实训基地以外也可以身临其境的理解冶金、焊接等操作，甚至还能让学生亲手“把玩”，那些“死”的器件通过虚拟平台“活”了起来。学生也可以在千里之外实时进行实验数据的记录，这不仅使知识学习变得更加容易，也可以引导学生增强创新意识和工程意识，加深学生对知识的理解。同济大学与北京欧倍尔通过校企合作建立了挥发性有机物净化以及资源化工艺相关的虚拟仿真综合实验平台，学生通过软件中心对实验室小试实验、工程工艺设计、工程应用等流程进行实训模拟，满足了不同层次学生的学习需求。

其他高校在虚拟平台的建设方面也做了许多探索工作，例如天津大学开展了《工程图学》仿真实验课，西安建筑科技大学开设了《电路与模电数电实验》虚拟仿真课程，浙江大学医学院建立了医学虚拟仿真实验教学中心，贵州大学、中南大学也都开始建立本校的化学虚拟仿真实验室。这种把虚拟仿真技术融入到实验教学的模式，形成了“时时能学、处处可学、人人爱学”的积极氛围，有助于调动学生的探索意识和自主学习意识，奠定扎实的工科基础，拓宽学生的视野，为培养学生创新思维起到了重要作用。总之，虚拟仿真课程已成为课程教学改革的重点之一。

4 结 语

当前疫情肆虐，远程教学必不可少，要保证学生在此特殊时期仍旧可以高质量的学习物理化学知识，就需要进行教学改革。将虚拟仿真技术手段与物理化学教学、实验相结合，可以使学生即使远在千里之外，也可以不受空间、时间以及终端设备的限制，宛如在真实的课堂。对于微观抽象的理论模型，虚拟仿真技术又可以为学生提供三维立体场景，使学生在宏观与微观之间实现思维的自由轻松切换。总之，不论是理论教学还是实验教学，都可以在虚拟仿真技术的帮助下让教师轻松教，学生轻松学，对于教学质量的提高有重要作用。因此，虚拟仿真课程的发展将成为未来教学改革的方向之一。