计算机仿真对传统教学模式革新的作用

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本文作者：桑雪梅、王敏、李军、尚宏利、许俊强、林勇 单位：重庆理工大学化学化工学院

为充分发挥物理化学实验教学的积极作用，摒弃传统实验教学的弊端，并适应二十一世纪培养人才的需要[1]，利用计算机仿真技术对传统的教学模式进行改革，从而实现物理化学实验教学的绿色化、开放化、素质化和节约化。

1计算机仿真实验教学平台

计算机仿真实验平台是以计算机仿真技术为核心，利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种实验[2-3]。

具体的仿真实验项目可采取如下操作过程：(1)在Windows下运行“化学实验计算机仿真系统”；(2)授权登陆，选择实验；(3)根据需要选择相关内容进行学习，在“实验演示”中，根据实验要求，用户可选择仪器及药品自己组装装置，实验过程采用动画方式来演示全过程；(4)实验结束后，返回主菜单。选择课堂练习和实验要点总结相关思考题或进行练习；(5)退出系统。

2物化实验教学改革的实现

2.1实现实验教学的绿色化

绿色化学[5](GreenChemistr)又称环境无害化学(EnvironmentalBenignChemistry)是指从污染预防的基本思想出发，在化学品生产的始端就采用预防的科学手段，整个过程和终端均为零排放或零污染。

传统的物理化学实验涉及到很多化学试剂，有些甚至是有毒有害的，如“原电池电动势的测定”实验中制备锌电极就需要使用到硝酸亚汞；并且在各实验过程中排放的“三废”不可避免的对环境造成污染，虽然看起来量好像不大，但这种“聚沙成塔”的效应不容忽视，因此我们很早就提出要在教师和学生的头脑中树立绿色化学的思维方式，并把绿色化学理念融会到实验教学中[5]。

在计算机仿真实验中学生通过鼠标就可以完成实验，实验药品零投入，在过程中也就不存在三废的产生，可以说在源头上杜绝了污染的产生，特别是那些传统实验中必需使用有毒有害药品的实验，计算机仿真无疑可以实现实验的绿色化。

2.2实现开放式的教学模式

近几年我国高等教育发展步伐的加快，高教规模逐年扩大、数量增多，使得我国高等教育由原来的精英教育向大众教育转变，同时也给高校软硬件设施构成了相当的压力。为了解决传统实验教学模式的不足，提出了开放式教学模式[6-7]，我们也在这方面进行了一定的探索。实践表明，该种教学模式有其一定的优点，但由于受到实验场地、仪器数量及指导教师配备等诸多因素的限制，很难收到理想的实验教学效果。

计算机仿真实验只需要一间微机室，20~40台电脑，1~2名指导教师，甚至可以将仿真实验软件放到校园局域网上，学生在寝室就可以完成实验，更加打破了时间和地点的限制。学生根据自身的时间安排、兴趣爱好和培养方案等选择实验项目，登录仿真实验平台，通过自学了解实验目的，实验原理，仪器构造，使用说明及注意事项等，通过观看动画熟悉实验过程，再进入实验模块自行搭建装置，连接电路进行实验。

2.3以学生为主体，激发学生的学习热情

传统的物理化学实验仪器多、原理复杂、概念抽象、信息密度大、数据处理繁琐，学生很容易产生畏难情绪；物化实验涉及药品、仪器、水、热、电等诸多方面的使用，注意事项相对较多，为了学生人身和实验仪器的安全，指导教师对注意事项反复强调，导致有些学生缩手缩脚，不敢动手，这样都发挥不出学生的学习热情和在教学中的主体作用。

在计算机仿真实验中枯燥的实验原理变成了生动的动画，仪器设备的内部构造不再是黑匣子，仪器使用方法和实验的操作流程可以动画演示，并反复播放，实验中的错误操作会得到警示音或文字的及时提醒，对于会造成严重后果的错误，还可以动画的形式模拟。比如“金属相图的绘制”实验，步冷曲线的折点标志着新相的产生和旧相的消失，在传统实验中将样品加热到熔化，学生通过搅拌“感觉到”熔化了，但之后降温过程样品管中固相是怎样产生的，液相是如何消失的，则完全不解。计算机仿真实验在步冷曲线出现折点或平台时，相变过程就可以通过动画形式生动地呈现出来。这样使物化实验化静为动，化繁为简，化抽象为具体，化枯燥为生动，在视觉和听觉的刺激下，学生不仅打消了对实验的顾虑，而且激发了实验的积极性，学生通过点击鼠标人机交互，从预习到操作、记录完全可以独立完成，真正体现了“教师为辅，学生为主”的教学理念。

2.4人机交互，师生素质共同提高

通过计算机仿真实验学生有了学习热情，自主完成实验；可以通过回放、慢动作、反复操作等方式对实验原理、仪器使用等加深理解，提高仪器使用的能力；学生可以自己搭建实验装置，连接电路，选择试剂和实验条件进行实验，甚至可以自己设计实验，使独立思考问题和解决问题的能力以及创新能力得以提升。计算机仿真实验使教师从以前反复讲解，强调、提醒的劳动中解脱出来，有精力将自己的教学经验、教学思想加以整理，编入仿真实验软件中，实现教师—计算机—学生三者的交互，及时发现问题，反馈信息，有助于教师教学水平的提升。

2.5减少浪费，提高效率，实现实验节约化

物化实验仪器设备较为昂贵，每学期用于运行和维修的费用都较高，有些仪器一旦损坏，必需等待专业技术人员上门或返厂维修；仪器数量有限，往往同一实验要开几十次，需要配备的指导教师较多，实验周期较长；物化实验耗时长，学生大部分时间都是在“等实验”，对于失败的实验在有限的实验教学时间里往往无法重做，这些无疑在人力、物力、财力和时间上都造成了很大的浪费。计算机仿真实验几乎是药品设备“零投入”，日常只需要对计算机和仿真软件进行维护；而通过仿真实验在保证实验现象和结果的同时可缩短实验时间，原来4学时的实验2学时即可完成，教师在原有的学时计划下可以开设更多的实验项目，扩大学生的知识面。

3结束语

计算机仿真实验药品试剂、仪器设备“零投入”，“污染物零排放”，因而实现了实验教学绿色化；利用计算机多媒体技术对实验原理、装置、流程、实验过程等，用文字、声音、图像、动画、影视等方式进行仿真，形象生动，迎合当代大学生的学习心理，能大大激发学生的学习热情，变被动为主动，使综合素质得到明显提升。当然计算机仿真实验也不是万能的，现有的实验软件可再开发性还不强，应用于设计性实验还不得力，如何发挥计算机仿真技术的优势，使之更好地为实验教学改革和培养人才服务，还需要物化教学工作者不断努力探索和研究。