化学实验与虚拟仿真的融合发展研究

［摘 要］ 随着数字化教学手段的不断迭代，全国高校陆续搭建起可供本科生、研究生线上学习的“云课堂”。尽管线上教学组织迅速、种类丰富，但长期的线上授课也暴露出诸多问题，如受到平台App限制，线上教学互动不够充分，学生课程主动性偏弱导致容易分神，甚至自律性不强的学生可能游离于课堂之外。化学类实验课程与理论课程传授知识的模式不同，偏重操作性的学习和考查，需要在特定的实验室内完成授课。虚拟仿真实验的出现虽然不能完全代替线下实验的体验，但其不拘泥线下实验室场地与设备的限制，其特有的丰富动画、严密实验操作逻辑及超高的安全性为实验类教学开辟了新的教学模式。

［关键词］ 化学实验课；虚拟仿真；线上实验；高安全性

［基金项目］ 2021年度黑龙江省教育厅和中国学位与研究生教育学会关于研究生教育研究课题“创新驱动转型背景下的研究生产科教融合培养模式研究”（2020MSA230）；2023年黑龙江省高等教育教学改革研究一般研究项目“省属高校依托双创竞赛的创业人才培养新探”（SJGY20220197）

［作者简介］ 陈 硕（1985—），男，黑龙江齐齐哈尔人，博士，黑龙江大学化学化工与材料学院副教授，主要从事有机光电材料研究；张 静（1987—），女，黑龙江绥化人，博士，黑龙江大学化学化工与材料学院教授，主要从事有机发光材料研究；许 辉（1978—），男，湖北宜昌人，博士，黑龙江大学化学化工与材料学院教授（通信作者），主要从事有机发光材料研究。

［中图分类号］ N42 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）46-0033-04 ［收稿日期］ 2023-09-02

引言

2020年以来，全国各高校认真组织开展线上教学。教育部高等教育司负责人就《教育部等五部门关于加强普通高等学校在线开放课程教学管理的若干意见》答记者问时表示，在线教学、线上线下混合式教学已逐步成为高校教学新常态。利用腾讯会议、钉钉会议等App通常能够解决传统的线下授课模式存在的问题，但理工科培养计划中大量的实验类课程通常需要在实验室开展教学，需要使用特殊的实验仪器和试剂，线上教学完全不具备实验课程的硬件条件。化学类实验作为化学理论课程的补充，不仅有利于巩固基础理论知识，还可通过实验操作锻炼学生的基本操作及夯实相应的实验理论。但鉴于当下实验课教学模式及化学类实验课程自身的复杂性、不可预知的危险性、受限于实验成本及耗材价格等诸多因素，亟须开发并探索多媒体虚拟仿真教学方法，改变枯燥的语言授课模式。多媒体的动画使学生身临其境地感知实验操作步骤和实验现象，符合机动的授课方式，能够给实验教学质量带来本质的提升。但虚拟仿真平台属于流程模式的操作平台，暴露出诸多在传统线下教学过程中无法规避的问题。在当前大环境下，本文以高等学校化学类实验为着眼点，从辩证的角度剖析虚拟仿真平台的优缺点、未来的使用模式和发展方向，触类旁通至高校其他学科实验类课程虚拟仿真平台的建设和发展中。

一、虚拟仿真技术的引进与化学类实验的融合

虚拟仿真技术从诞生至今经历了几个关键的发展历程：20世纪50—70年代，虚拟仿真技术主要应用于军事、航空航天和工程等领域。随着信息化技术的不断迭代，20世纪80—90年代，虚拟仿真技术逐渐应用于工业设计、医学模拟、建筑设计等领域。至今，虚拟仿真技术在人类生活的各种领域均得到了广泛发展和应用，包括虚拟现实、增强现实、计算机模拟等多种形式，应用领域涵盖教育培训、医疗保健、娱乐游戏、城市规划等多个领域。我国多所知名“985”高校、国家重点实验室和中国科学院等机构最早引入虚拟仿真平台开展相关的科研和实践教学，前期通过计算机辅助教学，播放视频或动画资源提高学生的学习兴趣，由于制作水平有限，视频资源的内容和质量较为粗糙。随着信息化资源进入高校，越来越多的资金向教育倾斜，一大批制作精良的虚拟仿真资源注入高校［1］，多媒体资源辅助化学实验从早期的被动观看发展到如今的自主式情景带入学习。对比国内外的虚拟仿真教学系统，国外的虚拟仿真平台开发至少比国内早10年，且软件制作水平和内容相较于国内同类资源不仅功能多，细节也更加丰富。但国外虚拟仿真资源也有一些弊端：如软件价格过高；技术难度上不完全适合中国学生使用；国外很多成熟的实验产品尚不支持网络化操作，只能安装到本地计算机上独立运行；没有配套的教学管理和知识辅助学习等。我国高校自主研发的虚拟仿真平台针对上述不足和弊端开发出了更加适合于国内高校和研究院所的实验平台［2］。同时，针对国内授课现状，虚拟仿真化学类实验增加了课上师生互动和课后平台练习与反馈，学生对课堂中没有理解的实验内容或失误操作有更多的机会练习，能够进一步加深对实验的理解［3-5］。

虚拟仿真的不断发展为教育方式的变革提供了有益助力。在过去两年期间我们将化学专业学生使用虚拟仿真有机化学平台上课的实验成绩，与相同专业学生的有机化学实验成绩进行对比（见图1），使用虚拟仿真平台上课对学生实验成绩的提升效果显著，60—80分的人数占比明显较小，80—100分的人数占比相应增加。

二、虚拟仿真技术与化学实验结合的优势

高等学校化学类实验属于操作性极强的实践类课程，实验过程会因操作者的方法和微环境的改变产生截然不同的实验现象和结果。利用多媒体虚拟仿真技术将复杂的实验操作可视化，相应的实验现象通过栩栩如生的动画展示给学生，如同学生身临其境地开展实验，具有极高的代入感，抓住学生的兴趣点，短时间内掌握实验内容和实验重点，仿佛置身于真实的实验操作中，更快地掌握实验操作技能，避免操作错误导致的实验失败甚至安全隐患，软件设计工程师和化学教师协同合作，借助虚拟仿真平台的优势设计出多样的实

验场景，使学生“掌握”更多的实验操作能力［6-7］。高等学校近年来的线上教学实践愈加完善，发展出一系列针对课前预习、课后巩固的教学方式。化学实验不同于理论课程，在无法确保线下顺利开展时亟须通过虚拟仿真平台“救场”，顺利完成高校化学类本科培养计划。虚拟仿真具有如下优势：（1）降低教学成本。有效降低实验仪器、实验试剂和耗材的使用，从而节约实验成本。（2）提高实验安全性。在虚拟的情景中进行实验，能够最大程度地避免真实实验带来的潜在风险。（3）灵活的时间、空间控制。高校本科生具有大量的碎片化时间，可在课间等时间内随时随地开展虚拟实验学习，不受限于时间和空间。（4）快捷的资源共享。通过网络共享资源的便捷性和时效性，可将学习后生成的数据资料和自己整理的学习心得共享给内网的用户或外网的所有用户，大家相互借鉴学习结果和经验，快速提高学习效率和成绩。（5）不限次数的使用性。学生遇到没有理解和掌握的知识和操作方法时，可反复在虚拟平台中练习，加深或巩固实验原理、操作方法、关键步骤的各个方面。即便在正常线下化学实验教学过程中，虚拟仿真教学同样具有高效的辅助学习作用，结合其他教学方法同样能够提高教学效果，精致的多媒体动画可以传达语言无法描述的现象和情景，使学生仿佛沉浸在实验中。通过仿真动画，将实验中危险操作产生的后果呈现给学生，有利于加深学生对危险的预判，从而减少线下实验过程中产生的安全隐患。

在传统的教学模式中，实验课程通常是基于理论课程之后开展，这与常规的先理论后实践的学习模式相符。但高校的理论课程和实验课程的教学存在严重的割裂，理论和实验的授课时间不同步，陈旧的实验内容往往脱离了最新的科研、生产前沿，从而导致实验内容滞后于理论甚至理论知识的学习也会大打折扣。传统的实验教学仅限于提供的几个固定实验，学生只需按照预定实验方案操作就可完成实验，然而在实际操作中可能受到仪器的型号、种类，实验药品的种类等各种因素制约，有些实验耗时较长，占用6～8学时，大部分的时间用于加热等待，且实验过程会消耗大量的一次性资源，不利于节能减排，且无形中增加了实验成本。虚拟仿真平台可作为化学实验课程前期的预习平台使用，学生可提前掌握实验仪器、试剂、操作流程等，有意识地在课上整理预习中的难点和疑点解。针对自律性不强的学生进入实验室实验时处于被动状态，虚拟仿真平台通过课前预习—课堂实验—课后报告的形式预防事故发生，使学生高效地进行实验。同时，虚拟仿真平台不依赖于实验环境、场地、仪器的限制，通过尽可能多的动画展示丰富的实验细节，与教师的授课内容形成对照和互补，相得益彰，在提高学生理解实验本质、掌握实验关键要点、加深实验操作水平上有重要意义。

三、虚拟仿真技术融入化学实验的不足

首先，虚拟仿真技术与真实的实验场景相比最大的缺点是某些实验环节与真实情景的再现脱节，这也是虚拟与现实无法规避的问题。更重要的是，化学实验更加看重培养学生的动手能力，虚拟仿真平台无法实现动手能力的培养。其次，学生在化学仿真实验平台操作过程中，涉及的回流、萃取、重结晶、蒸馏/分馏等操作的操作时间被极大地压缩，2～3小时的回流在几秒钟内完成，无法体会“漫长的”实验过程，通过点按鼠标即可完成整套实验流程。最后，虚拟仿真化学实验是完全程序化的，特定的情景通过软件工程师编程在虚拟实验场景中，如果学生按照设定的程序进行实验操作，会弹出提示窗口指出实验操作中的错误，一些偶然和意想不到的情况会被规避，而这些正是化学实验的魅力所在，因此虚拟实验不利于学生科学精神的培养。实验结束后需要清洗所有仪器和处理实验废物，从某种意义上讲，虚拟实验的结束情景不利于使学生体会完整的实验流程，培养劳动意识。实验成绩的评定过于模块化，合成实验的成果没有良好的定性和定量评价，对成绩的得失有失客观。

四、虚拟仿真化学实验的实施与发展方向

利用虚拟仿真平台的演示、教师讲解、设计提问等教学环节建立行之有效的教学模式，提高学生灵活运用理论知识理解实验操作能力，紧密结合科研前沿和生活实际内容开展化学实验教学，以理论知识在科学研究和生产实践中的应用推进实验课内容选择，激发学生学习的积极性，培养学生用所学理论知识分析、解决实际问题的能力［8］。虚拟仿真平台用于化学实验课程包含几个环节：课前预习，课上辅助讲解，课后回顾教学内容及测验等，具体教学方式如下。

1.以“有机化学实验”中经典的乙酸正丁酯的合成为试点，学生通过虚拟仿真平台提前了解分水器的原理和操作方法，厘清实验流程脉络和相关实验步骤间的联系与注意事项。

2.课上对实验目的、实验原理和实验步骤进行讲解，强调实验操作的注意事项，建立与前沿科学、现实生活的紧密联系的授课内容和思政元素的结合。

3.课后可以通过仿真平台继续练习实验操作，巩固课上知识点的理解，在知识结构体系上构建内容丰富的课程网络互动App（网上答疑系统、微信/QQ自助预习/复习平台、网上自主练习系统等），激发学生学习兴趣。采用问卷调查、访谈等方法及时反馈学生对课程的评价，从而进一步跟进教学效果并进行数据分析、总结和持续改进虚拟仿真平台的界面，提高展示的准确性和精美性。

高等学校化学类实验以应用型人才培养为目标，以提高学生的知识水平和实验操作能力为目的，注重教学内容与实际生产应用的结合。建设化学实验类虚拟仿真平台的共享，对促进化学实验和理论课的教学质量具有重要作用。化学实验配合理论课并行开展，对学生从根本上理解掌握理论知识起着关键性作用，更重要的是在培养能为地方经济社会建设服务的应用型人才方面起着十分重要的作用。化学类课程理论性强、内容抽象、机理多变，容易使学生感觉到难学，产生厌倦的心理。仿真平台的化学实验使学生提前感知课程内容，培养学生用已掌握的基础知识提出问题根源、分析问题本质，并从根本上解决问题的能力，进而使学生学会结合具体条件应用理论解决实际问题。因此，围绕应用型人才的培养目标，进行虚拟仿真化学实验软件的开发与教学内容改革是当下高校实验课教学的大势所趋。

开发虚拟仿真实验平台，由于其独特的虚拟性质并将其作为辅助型教学工具，具有真实的教学模式过程中不可替代的作用。有些实验受限于实验成本过高，实验过程具有不确定的风险因素，实验场地不具备开展实验的情景，毒害化学品的使用等因素，开展虚拟仿真实验可以有效规避因空间、时间、经济成本、实验条件等方面的不利因素。特别是对于演示实验的开展具有特殊的意义，学生可在仿真平台上自主学习教学大纲以外的资源，不仅可以扩展学生的知识广度，还能够培养学生的学习兴趣。当前，虚拟仿真平台已在全国各大高校全面投入使用，有效的虚拟实验和真实实验结合势必能够提高教学质量和学生的成绩，为全新的教学思路提供参考。

结语

通过有效的虚拟仿真课件与课前、课上、课后教学紧密地结合，能够使理工类本科生做好预习，增加课堂互动与巩固教学成果。高等院校前期可投入部分资金搭建虚拟仿真平台，购买或自主开发虚拟仿真软件。平台的灵活运用可以为学生提供全新的学习体验，借助互联网资源共享模拟实验的数据和结果，最终使学生的基础理论和实验操作得到全面的提升。

参考文献

［1］乔晋忠，廉永健，杨晓峰，等.正溴丁烷合成虚拟仿真系统的设计与辅助实验教学研究［J］.化学教育（中英文），2021，42（24）：92-96.