应用化学专业实验采用虚拟仿真技术的探讨

应用化学专业实验采用虚拟仿真技术的探讨

周琳琳

万华化学集团股份有限公司 山东烟台 264006

摘要：实验在高中实用教材中起着重要作用，直观、操作方便。它们是将理论知识转化为实践能力的主要途径。化学作为独立学科的应用，需要培养在化学的基础理论、基础知识以及相应的技术和实验知识等领域具有基本知识的人才。可以说实验教学贯穿整个应用化学体系。但是，一些实验受到地点、条件、资源、设备和时间等各种因素的限制，严重影响了学生的学习效果，给教学质量带来了巨大挑战。信息技术的发展为改变传统教学方法奠定了基础，虚拟仿真实验的广泛传播为改进实践和提高教学质量提供了重要的保障。在虚拟仿真研究的发展过程中，创造了一个网络化、集成化的环境，使学生能够将听觉、视觉和触觉等感觉的虚拟实验环境融入课堂教学，为化学实验学习提供了新的思维模式。

关键词:虚拟仿真;应用化学;实验教学

引言

虚拟仿真教学是高等教育信息化建设和实验教学建设的重要内容，是高校本科实践教学的重要发展方向之一。在数字摄影教学中，虚拟摄影仿真教学是教学体系的补充，并不是替代，让学生学习课程内容、通过虚拟实验环节后，能发现问题，并带着问题在课堂上与教师沟通，这样能提高学习效率，从而节约了授课时间，增加交流沟通的时间，促进教学的整体效果。

一、虚拟仿真技术概述

虚拟模拟使学习者可以在PC和手机上进行实验，而无需依赖固定实验室设施。它们能使人们真实般的体验时间和地点，这不仅增加了学习，而且降低了设备购置成本。虚拟仿真平台通常是开放式的共享在线体验，允许用户开发符合学生学习需求的新实验，适用于大多数技术实验，极大地方便了培训资源和实践的共享，并实现了真正的创新。虚拟仿真类似于真实仪器，其技术代表仪器的外部部件、内部构造和经验原理，支持基于WebGL的虚拟仿真实验对实验室仪器进行360度全方位观察，并对化学反应理论进行动态学习，从而实现了多种屏幕交互。数据可视化、内容缩减、微调、模型可用性等优点比枯燥的理论课更令人印象深刻。

二、虚拟仿真实验技术的优势

将虚拟仿真应用于教程有许多优点:(1)建立虚拟仿真培训中心是一种低成本的实验练习方法，可以降低传统练习的成本，而无需购买大量的测试模型即可直接在计算机上进行学习。(2)虚拟仿真软件中各种方法、设备等的结构非常直观，允许教学环境的多样性。虚拟仿真软件清楚地显示了该设备在不同的工作状态或过程的特定区域中的响应方式，有助于学生了解整个过程。(3)虚拟仿真教程可确保试验项目的可靠性，在计算机上操作危险化学品，避免接触危险物质。(4)虚拟仿真客观地提高了实验课的互动性，提高了学生的学习兴趣，重现了情况，发现了问题，解决了最后的问题。(5)虚拟实验更智能客观，解决了智力测试和考试的问题。(6)向学生传授专业经验，在污染过程中，净化工厂化操作人员的直觉。(7)在传统课程中，理论教学独立于实验教学，理论课程中没有实验，利用虚拟仿真，可以将实践引入理论教学，完善理论课程。

三、应用化学专业实验传统教学模式的不足

（一）传统授课模式缺乏互动，影响教学质量

应用化学专业实验传统的教学模式是任课老师首先讲解实验知识点和实验操作要点，然后由学生自主操作完成实验。学生接受知识的能力不同，所掌握的基础知识程度也有差异，导致实验过程中必然有学生对实验知识或操作存在疑惑，有的学生会主动向老师请教讨论，但更多的学生是在“只知其然，不知其所以然”的情形下按部就班完成实验，对实验现象的观察没有目的性，对出现的实验结果缺乏预见性，很多学生在对实验还存在疑问的情况下就离开了实验室，使得实验课的教学效果不明显，不利于专业人才的培养。

（二）自主性实验能力不足

ICP-OES仪器设备价格昂贵，数量有限，实验操作往往采取2~4人分组合作的形式，无法保证学生单人上机操作，学生的参与度有所下降，个别学生出现浑水摸鱼的现象。加之仪器维修价格昂贵，维修周期长，学生有畏惧心理，仪器操作严格按照讲义内容“照单抓药”，学生自主实验、思考及操作的设计无法得到实践。

四、虚拟仿真应用化学专业实验教学平台的建设思路

（一）仿真实验平台建设

仿真技术应用于有机化学实验教学，首先根据有机化学实验特点，利用网络及现代多媒体技术，建设一个灵活且可以不断改进的有机化学仿真实验平台。有机化学仿真实验平台包括实验目的、实验原理、实验操作视频、实验操作模块和思考题在内的基本模块及包括练习测试、在线提问等内容的附加模块。学生不仅可以在平台上准确地模拟实际实验状态和仪器“操作”，而且可以与老师进行交互，力求虚拟实验室与真实的实验室“一致”。通过仿真实验平台，学生将枯燥的文字转化为生动形象的动画。

（二）实验课程的设计

根据基础实验、综合实验和创新实验建立三个阶段的虚拟仿真实验。基础实验室水平旨在为学生提供化学实验应用中的背景、基本操作技能和实验安全知识。综合实验旨在让学生获得专业的实验知识，从而逐步解决实验问题，并有针对性地进行实验开发。创新实验旨在拓宽学生的视野，提高他们的创新思维和创新能力。

（三）虚实结合

虚拟仿真实验教学和传统实验教学方法各有其优势和局限性，采用“虚实”结合的实验教学方法，有助于提高实验教学质量。首先，通过在理论课上引入虚拟仿真实验内容，引导学生自觉开展线上自学，促进学生掌握基本的工艺设计、结构、原理等。其次，在实验教学过程中引入实践操作环节，进行课堂演示和情景模拟训练，通过与前期线上虚拟仿真实验对照，深化学习内容的理解和记忆。综合考虑传统实验教学和虚拟仿真教学的优势，采用“虚实”结合的教学方法，可以达到优势互补、实用高效的教学效果，有利于高质量应用型人才的培养。

(4)师资力量的培训

虚拟仿真实验平台应由学校和相关企业共同合作开发和维护，然而，大多数任课老师可能不懂虚拟仿真技术，也不会操作虚拟仿真实验教学平台。因此，为了更好地开展虚拟仿真实验课程，应该对任课老师进行虚拟仿真技术和相关信息技术的培训，以利于提高虚拟仿真教学平台的使用效率和教学质量。

结束语

虚拟仿真实验教学可以拓展实验教学的深度和广度、提高实验教学时效、提升实验教学效果，实现理论与实践教学的密切结合，同时也尽可能减少实验成本和潜在危害。虚拟仿真实验，既可以解决环境工程专业对工艺设计复杂、实验周期长、占地面积大等的限制，又可以解决环境科学专业安全风险高、污染大等的限制，促进环境类专业应用型人才的培养。传统实验教学方法也有其优势，要利用虚实结合、以虚补实的方式，提高环境类专业人才的培养质量。

参考文献

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