远程教学物理化学虚拟仿真实验应用

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摘要:物理化学实验不仅可以帮助学生直观地理解理论知识，还能使学生提高动手操作能力及分析解决问题的综合能力。传统物理化学实验存在学生预习效果不佳、实验过程指导难度大、成本高等缺点。尤其在COVID－19疫情期间，传统物理化学实验难以开展，学生实验教学的问题也更加突出。而虚拟仿真实验正是解决疫情期间理工科学生难以完成实验难题的“钥匙”。本文详细阐述了传统物理化学实验课程的不足之处，探讨了虚拟仿真实验的优势及其应用现状。

关键词:物理化学实验;虚拟仿真技术;远程教学;教学改革

物理化学以大量物理学的理论成果和实验技术，探索、研究化学的基本规律和理论，是无机化学、分析化学、有机化学四大化学中理论最深的一门课程。另外，由于物理化学涉及大量从宏观到微观与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究等抽象内容［1］，所以它也是四大化学中最难理解的一门理论课程。物理化学实验课使学生通过具体的实验现象和过程，更加直观地理解理论知识，同时还能使学生通过亲手操作实验的，学习仪器的操作方法、提高动手操作能力及结合理论知识分析解决问题的综合能力。

1传统物理化学实验教学的不足

传统“教师讲授理论－指导学生做实验－撰写实验报告”的教学方法存在许多不足之处:(1)预习效果不佳对于学生而言，实验所用仪器陌生，光靠书本预习印象不深刻，很难掌握仪器的使用方法。(2)实验过程指导难度大传统实验课程大多是一个教师指导十组左右学生实验，实验过程中教师很难同时顾及到每位学生，学生在自己操作实验的过程中很容易出现错误操作，导致实验失败或发生危险。(3)学生参与度低传统实验课基本是多个学生共同使用一套实验设备，实验过程中每个同学都不能参与全部的实验操作，甚至部分学生全程只是旁观实验，致使学生动手能力得不到充分锻炼。(4)成本高物理化学实验所需仪器设备多，学生频繁操作和错误操作加快设备老化，维护成本增加。(5)教学效果不理想由于实验课的时间限制，教师一般更注重实验操作的讲解，学生只是按照所教实验步骤简单重复，并没有进行深入思考;另外实验过程一般只做一遍，不能重复，学生印象不够深刻，对实验原理的了解不够充分，不能满足物理化学实验课程教学目标的要求。

2虚拟仿真实验的优势

虚拟仿真实验教学被誉为是具有跨时代意义的课程。顾名思义，其就是依托虚拟现实技术生成一个逼真、具有视、听、触等感知的“虚拟实验室”。学生可以在虚拟空间里完成远程无法操作的复杂实验，体验真实实验室里难以实现的高危险性和破坏性实验，从而提高教学效果［2］。相较于传统实验课程，虚拟仿真实验具有如下优势。(1)绿色安全传统物理化学实验所用到的试剂毒性和腐蚀性等还比较温和，但也具有一定的毒性、腐蚀性和易燃易爆性等，对仪器和人员造成一定的安全隐患。而且传统物理化学实验过程中也会产生一定量的有害物质(废气、废液等)，污染环境。而虚拟仿真实验中用到的所有试剂都是虚拟的，实验过程不会产生任何有毒、有害物质，是真正意义上的污染物零排放［3］。同时，由于实验过程中学生不会接触到真正的药品，降低实验成本的同时，学生的人身安全也得到了绝对的保障。(2)无时间、地点限制，提高学生学习主动性虚拟仿真实验可以在网络上开展，不受时间和地点的限制，学生可以随时通过电脑或手机进行仿真实验学习，非常适用于疫情当下的网络教学。另外，虚拟实验可以模拟出实验的微观环节，将原本不是很明显或不容易测量的实验现象，以更直观的方式展现出来，使学生更容易理解实验。而且，学生可以根据自己对实验原理的理解，反复多次地“亲手操作”实验，通过直观动态的人机互动系统，增加实验兴趣性、提高学生学习主动性的同时能够激发学生的创新思维。(3)降低成本传统物理化学实验需要购置多种昂贵的仪器设备和大量的药品试剂，学生进行大量频繁实验会加快仪器设备的老化，增加维护成本。而虚拟仿真实验软件非常便宜，实验过程中也不需要真实的仪器设备和试剂，通过网络资源共享，可以节约购买仪器设备和药品的费用［4］。另外，通过虚拟仿真实验预习后，学生在真正做实验时会减少对仪器的误操作，从而有效保护昂贵的仪器，降低维护费用。(4)提高教学效果学生可以通过虚拟实验中的各种模拟来熟悉将要进行的实验操作，能够快速掌握其中的关键步骤，从而在进行真实实验时学生就能做到胸有成竹、得心应书，提高实验效率。而且，对于很长时间之前的实验，学生可以通过虚拟仿真实验进行复习，从而能够快速回忆起该实验的重难点，是学生巩固所学知识，提高教学效果。

3虚拟仿真实验的现状

随着当前信息技术与互联网技术的快速发展，在国家信息化发展战略指导下，虚拟现实技术在教育教学领域和管理过程中的应用正在逐步深入，有力促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革［5］。为了顺应教育信息化的发展趋势和适应化学虚拟仿真实验教改的需要，浙江大学、天津大学、中南大学、贵州大学等诸多高校比如开始建立自己的虚拟仿真化学实验室。比如，中国科学技术大学化学实验教学在现有基础上，从分子模拟计算、仪器仿真、网络教学等多方面切实开展了虚拟仿真化学实验的教学探索和平台建设，研究和开发了多种类型的虚拟仿真实验教学项目，作为实验室实验教学的重要补充和扩展，以实现虚实结合、相互补充。北京师范大学化学虚拟仿真实验教学中心针对放射性、高危险、高污染、学生难以理解的抽象的理论和概念，以及化学实验中有毒有害、易燃易爆等真实实验难以开展的实验项目，围绕四个主题和八个模块，设计并建设了一系列化学虚拟仿真实验项目，并通过虚拟仿真实验教学平台实现开放共享。湖南师范大学化学化工虚拟仿真实验教学中心针对某些理论知识高度概括抽象或者所涉及的领域属于宏观和微观，现实世界难以找到具体的案例进行演示的缺点，开发出一系列针对理论课教学的分子模拟小实验项目，实现了课堂教学的实验仿真应用，大大改善了一些理论课中高度概括抽象理论知识的讲授教学效果。目前，病毒正在全球施虐，虽然国内疫情得到了很好的控制，但为了防止疫情反弹，高等院校迟迟不能开学。2020年1月29日，教育部了《教育部:利用网络平台，“停课不停学”》中指出，“不停学”既是战疫情应急之举，也是互联网+教育的重要成果应用展示，任务艰巨，使命光荣［6］。多种形式的网课包括MOOCs、微课、网络直播式教学等使学生在家也能学习理论知识，然而实验教学由于受到实验场地等多种限制，难以在网上进行，这使学生接受知识的全面性大打折扣，学生实验教学的问题也更加突出。而虚拟仿真实验刚搞能够解决这一难题，是解决疫情期间理工科学生难以完成实验难题的“钥匙”。许多高校也积极开展了网上虚拟实验教学工作，比如，天津大学开展的《工程图学》虚拟实验课上，将抽象的知识点变得具象化，课本上的零件和仪器都“活”了起来，甚至还能让学生360度无死角地亲手“把玩”。而课堂进度和随堂测验则成为“游戏通关”一样的小竞赛。西安建筑科技大学开展了虚拟仿真《电路与模电数电实验》课程，学生们在“云”实验室中，一边反复地练习和不断地试错开展实验，加深了对电路结构、实验原理等知识的理解，一边实时地记录实验数据，完成一系列实验操作和实验报告。然而，目前关于开展网上化学虚拟仿真实验课程的高效并不多，只有浙江大学在报道了正在开展相关化学虚拟仿真课程。

4结语

物理化学虚拟仿真实验具有绿色安全，无时间、地点限制，成本低，教学效果好等优势，学生在家也可以亲临其境地预习和复习实验，能提高物理化学实验的教学效率，是解决疫情期间理工科学生难以完成实验等难题的最佳手段。

参考文献

［1］傅献彩，沈文霞，姚天阳，等.物理化学.5版［M］．北京:高等教育出版社，2005:2－3.

［2］谢波，赵锟.初探虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的应用［J］．广东化工，2019，46(1):200－211.

［3］王敏，陈艳燕，吴小磊，等.虚拟仿真技术在有机化学实验教学中的应用研究［J］．山东化工，2018，47(10):142－144.

［4］张文英，袁帅.物理化学虚拟实验教学法的应用［J］．当代教育理论与实践，2012，4(6):108－109.

［5］邱会华，周鹏.虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的作用［J］．山东化工，2016，45(17):132－133.

［6］教育部:利用网络平台，“停课不停学”［OL］．

作者：李鹏宇 杨宇 吴学领 刘园园 米立伟 陈卫华 单位：中原工学院材料与化工学院