高校虚拟仿真实验教学中心的建设思考

2016-03-28孙二军唐艳茹

长春师范大学学报 2016年8期

关键词：仪器化学实验教学

孙二军，赵仑，唐艳茹

(长春师范大学化学学院，吉林长春 130032)

高校虚拟仿真实验教学中心的建设思考

孙二军，赵仑，唐艳茹

(长春师范大学化学学院，吉林长春 130032)

随着信息技术在教学领域中的应用，虚拟仿真实验教学成为实验教学的重要组成部分。虚拟仿真实验教学可以实现化学专业真实实验不具备或难以完成的教学功能。本文介绍了长春师范大学化学虚拟仿真实验教学中心建设现状，分析了建设中存在的问题，并对中心将来的发展建设提出了规划和思考。

虚拟仿真；实验教学中心；化学；信息技术

长春师范大学化学实验教学中心自成立以来，高度重视实践教学，逐步形成了实践教学与理论教学协同培养高素质人才和创新人才的先进实验教学理念；不断将最新科研成果转化为综合性、设计性与创新性实验，有效提高学生的实践能力，促进学生多样化成才；以中青年教师为骨干，重视人才的引进和培养，已经形成一支结构趋于合理，具有丰富教学经验、较强科研能力的实验教学团队。2009年，长春师范大学化学实验教学中心通过吉林省教育厅和财政厅验收，被评为“吉林省化学实验教学示范中心”。2014年申报国家级实验教学示范中心，在吉林省的评比中取得了优异的成绩，在全省参评的实验教学中心中排名第四。

根据国家教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知要求，2015年计划遴选产生100个左右国家级虚拟仿真实验教学中心[1]。虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目[2]。虚拟仿真实验教学中心重点开展资源、平台、队伍和制度等方面的建设，形成持续服务实验教学、保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。虽然我院在化学实验教学方面取得了很大的进展，有很多成功的经验，但在虚拟仿真实验教学中作还很欠缺。因此，本文着力探讨长春师范大学化学虚拟仿真实验教学中心建设中存在的问题，并提出一些建议。

1 建设化学虚拟仿真实验教学中心的意义

虚拟仿真实验是现代教育的一种新兴辅助技术虚拟实验教学方式，可以利用图形、动画、视频等计算机手段，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到提高实验技能的目的。

1.1 虚拟仿真实验教学中心是实验教学中心的组成部分

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》都指出信息技术对教育发展具有重要影响，要建设具有中国特色的教育信息体系，加快推进教育信息[3-4]。

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，因此，国家教育部高等教育司在2013、2014、2015年先后发文，要求开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设。截至2016年4月，已建设300个国家级虚拟仿真实验教学中心。教育部同时大力推进国家级实验教学示范中心建设，经多年努力，国家级实验教学示范中心已逐渐形成规模。

虚拟仿真实验教学中心与实验教学中心的建设并不矛盾。《教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高厅函[2015]24号文件)明确指出：“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。”虚拟仿真实验教学是教育信息化在实验教学中的体现，虚拟仿真实验与专业实验密切结合，为实验教学提供了重要补充，为实验教学改革提供了新的方向[1]。因此，我们在抓好实验教学中心建设的同时，要重点抓好虚拟仿真实验教学中心的建设工作。

1.2 虚拟仿真实验在化学实验中的广泛应用

众所周知，化学是一门以实验为基础的学科，实验教学是化学教学中最重要的一环。传统的实验教学以教师讲解、学生动手操作为主，这样可以锻炼学生的实验技能。虚拟仿真实验与真实实验并不矛盾，实验室的操作实验能够锻炼学生的动手操作能力，提高学生的实验技能，这样的真实实验不应该减少，反而应该加强。虚拟仿真实验教学更侧重的是实验室里不容易进行的实验教学[5]。

1.2.1 仪器分析实验

在学生学习仪器分析课程时，要进行大量的仪器分析实验。由于条件所限，很多学校不可能购置所有昂贵的仪器分析设备；有些仪器比较贵重、精密，例如荧光光谱仪、红外光谱仪，教师比较担心初学者会损坏仪器。在以往的仪器分析实验中，由于仪器数量少，每次实验7～8名学生为一组。有的学生对大型仪器的使用缺少经验和训练，在使用时畏手畏脚，因而每次实验往往都是由少数动手能力强的同学操作，其他同学记录数据或是在旁边观望，达不到锻炼的效果[6]；还有些学生对仪器掌握不熟练，容易误操作而损坏仪器。使用大型仪器的虚拟仿真实验教学就能比较好地解决这个问题，学生利用虚拟仿真软件就能够学习仪器操作，且不必担心对仪器造成损坏。对于已经具备的大型精密仪器，笔者建议学生先进行虚拟实验操作，了解具体的仪器构造和使用方法，经过反复练习，等到能够真正掌握仪器操作技术，再到真实的仪器上操作，这样才能取得更好的学习效果。

1.2.2 化工原理实验

化工原理是化学工程、化学工艺、生物工程和食品工程等相关专业的专业基础课，化工原理实验是理论教学的重要辅助内容和补充。在传统的化工实验中，由于设备、空间限制等因素影响，学生常常不能独立操作，在得不到理想的实验结果后也难以重复实验。化工虚拟仿真实验可以让学生有足够的时间在仿真设备上操作，减轻对大型、昂贵设备的损坏[7]。通过3D交互操作，实验者能亲手做实验，观察实验现象，记录实验数据，验证公式原理，真正做到虚拟现实、人机交互[8]。很多化工实验需要学生到工厂实际考察实习，如合成氨、硫酸等生产过程等，然而化工企业危险性高，经常会发生一些安全事故，因此无论是学校还是企业都非常担心学生实习时出现问题。因此，学生到工厂实习的机会减少，即使能到工厂实习，也是以参观为主，很难有机会进行实际操作。我们利用虚拟仿真软件，采用3D技术模拟真实的工厂环境，进行交互式模拟实训，所有步骤都逼真地呈现在学生面前。学生亲身操作，从而达到工厂实习的目的。

1.2.3 有机化学实验和无机化学实验

部分有机化学实验和无机化学实验需要使用易燃、易爆药品，如氢气的制备、乙醚的蒸馏实验等。大一和大二的学生实验技能欠缺，动手能力差，一旦发生错误会给心理带来较大的影响，甚至在以后的实验中不敢进行操作。在蒸馏乙醚的实验中，乙醚气体难以避免地挥发到空气中，对师生身体健康影响很大。在蒸馏过程中，一旦有学生违反实验规程，很有可能发生乙醚燃烧、爆炸事故，十分危险。这类实验建议运用仿真实验方式，减少危险性；或者先利用虚拟实验，熟悉实验过程和实验中的注意事项，再进行真实实验。另外，在有机和无机实验中也会经常用到毒性较大的药品和试剂，如有机溶剂苯胺、硝基苯、苯等，这类药品容易通过呼吸系统和皮肤接触而进入体内，给身体健康带来影响。还有一些药品污染严重，实验结束后不易处理，如含铬电镀液的分析，汞、铅重金属性质等，这些实验不符合绿色化学发展趋势，对环境污染严重[9]。因此，这样的实验最好改为虚拟仿真实验，以尽可能减少污染和毒性，保护环境。

1.2.4 物理化学实验

传统的物理化学实验教学中也存在一些不足，可以用虚拟仿真实验进行补充。物理化学实验原理往往比较复杂，学生预习难度大，教师在有限的时间内很难把原理讲透彻，如果学生只是按照教材重复实验，没有认真思考、融会贯通，就难以达到教学效果。另外由于实验条件限制，仪器数量少，部分学生会失去动手操作的机会。计算机虚拟物理化学实验可以起到很好的补充作用，学生借助视频或动画可以直观了解各种操作过程、仪器使用情况，如金属相图实验、燃烧热实验等。虚拟实验练习可以帮助学生了解实验目的、原理及仪器使用的注意事项，更好地进行实验。

综上所述，利用虚拟仿真技术会为传统实验教学带来很大帮助，弥补传统实验教学的不足，更具备时间上的灵活性，调动学生积极性，解决以往实验中想做不能做、想做不敢做等难题。

2 化学虚拟仿真实验教学中心的建设现状

化学学院对虚拟仿真实验教学的认识是有一个渐进过程的。之前，我们对虚拟仿真实验的认识不足，没有认识到高等教育信息化建设对实验教学的重大改变和影响。随着学院领导和老师对教育信息化认识的不断深入，通过对兄弟院校的虚拟仿真实验教学中心参观学习，逐步对虚拟仿真实验加深了认识和了解，从而加快了化学虚拟仿真实验教学中心建设的步伐。

2013年，为了解决化工实验中存在的部分实验难以开展的问题，我们首先购置了合成氨工艺仿真软件和硫磺制硫酸工艺仿真软件，并配置了电脑，在化工实验中率先引入了虚拟仿真实验，解决了去化工工厂实习难、没有办法实际操作的难题，取得了较好的实验效果。

2015年，学院与北京欧倍尔软件技术开发有限公司合作，开发了化学实验虚拟仿真培训平台。该平台构建了基础化学实验基本教学资源体系，包括了无机化学实验、有机化学实验、物理化学实验、分析化学实验和大型仪器分析实验等。该平台适合学院一级的在线学习和培训，集资源浏览、在线仿真、虚拟实验、理论学习于一体。教师对已有的教学资源(软件、视频、2D或3D动画、课件、文档)进行整合，分配使用权限，通过组织仿真考试和理论考试，将已有的资源和课程相结合，使学生系统理论地进行专业学习。教师通过在线监控和在线答疑，可实时掌握各种资源的使用情况并进行在线辅导。学生通过该平台可与教师互动、与同学分享学习经验、做课程笔记、提交实验报告、参加考试，真正做到随时随地学习。结合学校的教务网、和实验室管理系统，教师和学生可方便地开展资源共享、仿真操作、虚拟实验等教学工作。

根据学院经费情况及实验需求，我们初步选择了以下虚拟仿真实验，包括：有机化学3D虚拟仿真实验：乙酰乙酸乙酯的制备、苯甲酸的制备、安息香及其氧化重排产物合成及表征；无机化学3D虚拟仿真实验：[CoCl(NH3)5]Cl2的制备、水合反应速率及活化能的测试；物理化学3D虚拟仿真实验：纯液体的饱和蒸汽压的测定；分析化学3D虚拟仿真实验：石灰石中钙含量的测定；大型仪器仿真软件：X射线多晶衍射仿真软件(德国布鲁克AXS D8 ADVANCE)等。其他实验内容将在以后的虚拟仿真实验中心建设中逐渐增加。

3 化学虚拟仿真实验教学中心的建设建议

3.1 建设开发体系

完善现有的实验平台，增加实验数量和种类，形成多层次的实验教学体系。首先，在今后的建设中，要逐步加大基础化学实验的数量，特别是大型分析仪器实验和化工实验，解决基础化学实验中想做不能做、想做不敢做的实验。其次，要适当增加探究性的综合性实验以及开放性实验。综合实验和开放实验能够提高学生实验能力，但在实验开设过程中，存在实验内容单一、实验条件有限等问题。虚拟仿真综合实验和开放实验的开设，可以丰富实验内容，增强学生的实验能力。再次，适当增加与科研相关的综合性虚拟仿真实验的开设。根据学院科研特色，开设一些与教师科研相关的、具有一定特色的虚拟实验，如中药中有效成分含量测定实验、金属卟啉配合物合成及液晶性质研究等。

3.2 建设共享体系

虚拟仿真实验教学中心的建设需要大量的资金、设备、人员、软件、硬件等，因此中心建成后不能只是作为一个学院使用，而应该得到更广泛的应用。虚拟仿真实验教学的核心精神在于共享[10]。中心首先要成为学校多学科、多专业的共享平台，除了化学专业，学校其他开设化学课程的专业都可以共享这个平台的实验资源。其次，中心可以与实习基地建立一定的联系，如与吉林出入境检验检疫局检验检疫技术中心、长春市环境监测站、吉林省固废处理中心、吉林省职业病防治院等企事业单位建立稳定的合作关系，共同开发一些具有实践性的实验教学软件并共享成果。最后，中心可以与吉林省内各大高校、科研院所合作，互通有无，避免重复建设。

3.3 建设管理和保障体系

规范管理，完善各项制度。我们在吉林省化学实验教学示范中心建设过程中，已经取得了一定经验，在此基础上，将继续制订和各项管理制度，确保实验中心工作顺利开展。

培养、引进优秀人才，加大师资建设。化学学院教师学历层次高、教学经验丰富、科研能力较强，这是我们在师资上的优势；同时也存在不足之处，就是既懂专业知识又懂网络技术的综合性人才较少。我们今后要加强这方面人才，尤其是青年教师的培养和引进工作，对年纪较大的教师也要进行一定的培训，使其能够胜任虚拟仿真实验的教学工作。

加大投入，保障中心运行。化学虚拟仿真实验教学中心还处于起步阶段，各项条件还不完备，如教学场地、实验数目、平台建设、师资等还需要学校加大投入，确保化学实验教学及开放管理等得到有效的保障。同时，我们要申报各类专项基金、重点学科，利用学科经费加强实验中心的建设。

[1]教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2015-06-04)[2015-08-12].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/201506/t20150618 190671.html.

[2]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013(1):5-8.

[3]教育信息化十年发展规划(2011-2020年)[EB/OL].(2012-03-13)[2015-07-23].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk 133322.html.

[4]国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2015-08-02].http://www.moe.gov.cn/s78/A05/cws_left/s7495/s7496/201308/t20130805_155119.html.

[5]王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理,2014(8):9-11.

[6]白雁,张娟,潘瑾,等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(12):169-171,174.

[7]宋建争,李建军,张永强.化工虚拟仿真实验教学探索与实践[J].教学研究职工,2014(3):107-109.

[8]高晓新,马江权,徐淑玲.3D化工仿真在生产实习中的应用[J].实验室科学,2013(4):168-170.

[9]孙长霞.“虚拟实验室”在高等院校化学基础课程中的作用研究[J].安徽农业科学.2012(34):16942-16943.

[10]钟宏,韩响玲,刘有才,等.矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心“四位一体”建设模式的探索与实践[J].实验技术与管理,2014,31(9):10-13.