虚拟仿真实验在物理化学实验教学的应用

物理化学实验作为化学类专业学生必修实验课程之一，旨在通过实验操作加深学生对理论知识点的理解和应用，是各大高校开设较早的实验课程之一。本文针对传统物理化学实验教学过程中存在的问题，探讨了虚拟仿真实验在物理化学实验课程中的应用。

[关键词]虚拟仿真实验；物理化学实验；教学改革

物理化学实验是化学类专业基础实验之一，通常与物理化学理论课程一同开设，是各个大学开设较早的实验课程，通过实验可使学生加深对物理化学理论知识的理解、熟悉实验仪器并掌握近现代物理化学实验技术。

1物理化学实验

目前各本科院校开设的实验中多以验证性实验为主，如环己烷-异丙醇二元液系相图的绘制，而综合性实验项目开设较少，实验项目的设置与人才培养目标有一定差距。物理化学实验教学沿用教师讲授-学生实验-撰写实验报告传统实验教学模式，前期学生自主预习效果不佳，实验教学内容单一容易导致教学过程流程化，教师的引导性不足，整体教学效果有待提高。同时，物理化学实验开设的项目多为3至4人共用一套实验设备(部分院校为1至2人)，导致部分同学在实验中袖手旁观或者只能负责其中一部分操作，实验结束后学生对于实验原理的了解度不足，操作较少，这与实验类课程设定的教学目标不符。

2虚拟仿真实验

在教师的教学过程中运用多媒体已是常态，在集中学生注意力、丰富课堂内容和强化教学效果等方面起到了重要作用。对于实验教学而言，在实验过程中引入多媒体可强化实验前预习效果，提高数据处理效率和实验教学效果[1]。美国弗吉尼亚大学WilliamWolf于1989年提出了虚拟实验室这一概念，虚拟实验室是除理论与实验之外的第3种设计手段和形式[2]。借助图形图像、动画和虚拟现实等技术，虚拟仿真实验可构建虚拟的实验环境和实验操作过程，进而可部分或全部代替传统实验的各个环节[3]。国内部分高校在虚拟实验技术方面投入了大量资源，已建设一批虚拟仿真实验中心，如厦门大学2004年成立虚拟现实实验室，在机械专业采用虚拟现实、人机交互等信息化手段进行实验教学，成立了虚拟现实技术研究室，致力于研究虚拟仿真实验教学技术；集美大学2006年成立物理实验中心和基础物理虚拟仿真实验教学中心，先后开发了预习辅导系统、虚拟仿真教学系统、仿真实验预习系统等系统，并且于2004年开始实行基础物理实验开放式教学管理。近几年国家大力发展虚拟仿真技术，在《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》中明确指出，以学生中心、产出导向、持续改进为原则，国家将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建设。教育部早在2015年遴选了常州大学、扬州大学、浙江大学和东南大学等100个国家级虚拟仿真实验教学中心，于2018年批准认定了首批105个国家级示范性虚拟仿真实验教学项目，涵盖了生物科学类、机械类、电子信息类和交通运输类等学科类别。

3虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的应用

3.1提高预习效果

利用仿真软件，学生可在课前练习实验操作步骤并熟悉实验流程，通过模拟可有效提高学生的实验成功率[4]。在实验动手操作前，教师利用虚拟仿真实验平台布置课前预习作业，实现预习质量在线监控，当绝大部分学生的预习效果达到预期后再开设实际操作部分，利用此方法可有效提高实验前预习效果，对实验操作复杂且用时较长的实验项目还可以提高实验效率。

3.2提升设计能力

物理化学实验综合性项目开设较少，学生沿着既定的仪器设备并按照已设计好的操作步骤完成实验，对学生思考能力和综合实验设计能力的提升效果并不明显。虚拟仿真实验的优点之一是操作自由度较高，利用虚拟仿真实验平台，教师根据教学内容拟定实验题目，学生根据实验目的在仿真平台的一系列仪器中选择合适仪器，自主设计实验步骤并开展虚拟实验，记录实验数据并根据实验结果分析是否达到实验目的，该方法可提高学生实验设计能力，同时设计得到的实验项目又可替换已有的实验项目。

3.3绿色环保安全

物理化学实验利用现代科学仪器测得对应实验数据，在实验中会产生一定量的固体废弃物或液体废液，对环境造成了污染。近几年来，绿色化学的理念在高校实验教学中常被提及，通过多种方法有效促进化学实验室的绿色化建设，尽量做到零污染和零排放[5]。在虚拟仿真实验过程中，学生所用药品为虚拟药品，学生只需要通过点击实现药品的取用，实验过程中药品零投入，实验全程无污染，既实现了实验过程绿色化和无毒无害化，同时学生不与试剂实物接触，可提高实验安全性。

3.4强化教学效果

学生在课后难以进一步巩固教学效果是传统实验教学方法的不足之处，实验过后学生在撰写实验报告时要求描述实验现象、处理分析实验数据并进行总结，对于实验整个过程的全程再次回顾难以实现，而通过虚拟仿真实验技术可有效解决此难题，将虚拟仿真实验平台在线开放，学生可在宿舍重新复习实验内容，对于不熟悉部分可以重新虚拟操作加强理解，强化实验教学效果。

3.5改革考核模式

传统物理化学实验往往采用笔试或者选取部分实验项目对学生进行考核，而利用虚拟仿真实验技术，教师可选定虚拟实验项目在机房进行测试，学生按照要求独自完成虚拟实验操作，该方法不受实验室条件限制，如采用在线考试系统甚至可不受时间限制，学生只需要在指定时间段内完成随机实验项目的考核即可。

4结语

随着虚拟仿真实验技术的发展和国家虚拟仿真实验教学项目的推广，虚拟仿真实验将在高校实验教学改革中扮演重要角色。在实验教学过程中，作为主导者的教师可将虚拟仿真实验作为教学辅助工具之一，把虚拟实验和真实操作有机结合，通过线上虚拟、线下动手和课后巩固可有效提高学生的实验能力。

参考文献

[1]安锋利．多媒体技术辅助物理化学实验教学的探究[J]．信息技术与应用，2016(9)：41-42．

[2]李亮亮，赵玉珍，李正操，等．材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J]．实验技术与管理，2014，31(2)：5-8．

[3]张艳娟，田福平，贾翠英，等．引入虚拟实验及多媒体技术，促进高等物理化学实验绿色化[J]．广东化工，2016，43(17)：211．

[4]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，2016，45：132-133．

[5]汪秀，王宏伟，方皓文．浅谈绿色化学理念在高等化学教育中的融入[J]．山东农业工程学院学报，2018，35(6)：183-184.

作者:谢波赵锟单位:遵义师范学院

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