虚拟仿真技术在大学化学教学中的应用

姜广策 王志敏 吕东灿 徐翠莲

[摘 要] 在丰富实验教学形式和教学效果的同时，虚拟仿真技术也促进了实验教学与理论教学的融合。文章主要论述了在大学化学教学实践中，虚拟仿真技术的应用和对教学效果的影响，总结了虚拟仿真技术在课程中的切入点和展开形式，为数字化和信息技术在化学教学中的推广应用提供实践支持和借鉴。

[关键词] 虚拟仿真;大学化学;化学教学

[基金项目] 2017年度河南省教育教学改革研究与实践立项项目“基于在线开放课程背景下农科有机化学教学模式改革的研究与实践”（2017SJGLX031）

[作者简介] 姜广策（1984—），男，山东昌邑人，博士，讲师，研究方向为化学教育和绿色化学催化;王志敏（1974—），男，河南辉县人，博士，副教授，研究方向为纳米材料催化和生物质转化;徐翠莲（1965—），女，河南西平人，博士，教授（通信作者），研究方向为化学教育和有机化学。

[中图分类号] G642.423    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）39-0387-02    [收稿日期] 2020-02-10

化學是一门实践的科学，理论教学与实践教学的融合是高等学校化学教学中的核心问题之一，两者的有机结合将有助于学生加深对于物质结构和反应机理的理解[1]。然而由于时间、空间的限制，化学实验与化学理论教学往往被分成两个平行的教学课程，因此不少学生在学习中存在机理—结构—现象之间的割裂，只能依靠死记硬背学习理论知识，无法做到活学活用和真正掌握。随着信息化技术在教学中的深入，虚拟仿真技术在化学教学中越来越受到重视[2]。虚拟仿真技术在教学中的应用，是对传统课堂的数字化延伸，其具有可视化，直观，沉浸感强的独特优点，又能够实现一些由于时间、空间、成本、安全等因素无法开展的实践内容，在工科实验教学中有着广阔的应用前景[3]。除了在化学实验教学中的应用之外，虚拟仿真技术还能够将实验压缩进课堂，动态呈现微观机理，在丰富课堂教学形式的同时强化实验与理论之间的联系，在激发学习兴趣的同时提升学生知识理解程度，实现由理论到实践再到理论的良性循环[4]。

一、微观结构的宏观三维呈现

高等学校化学教学中，反应机理往往是相关章节的难点。该部分内容相对抽象，考验学生对于分子微观结构的思考能力。以旋光异构为例，本章节涉及大量内容需要同学认识分子结构的空间构型，传统教学依赖课本和PPT课件的平面化教学往往无法将教师所理解的知识完整传递给学生，尤其是对一些空间思维能力较弱的同学来说，面对这种教学方式存在不少理解上的难点。依靠虚拟仿真技术的三维建模，可以将原本抽象化的空间微观结构在宏观层面呈现出来，允许学生对三维模型自由旋转，进而对分子结构的空间构型产生直观认识，不仅能够做到根据规则判断旋光异构类型的基本要求，还能深入直观地理解该部分知识的本质，而这正是传统教学方案相对欠缺的。

二、反应过程的动态呈现

化学反应是高等学校化学教学的重要内容，而反应机理又是该部分教学内容的重点和难点。传统教学中，呈现在学生面前的是静态的反应方程式，以烯烃加成反应为例，尽管作为亲电加成反应表象相对简单，但实际涉及原子轨道杂化、π键电子云分布、诱导与共轭效应等内容。仅仅通过死记硬背记住规律虽然可以应付考试，但这种方式其实是对后续知识点的学习留下隐患，对于结构和反应性质之间的关联，也仅仅停留在规则的简单记忆上，一旦遇到复杂过程，学生便无法正确把握反应规律。利用虚拟仿真技术的空间表达和动态表达，能够使复杂的反应历程在生动起来的同时，富有条理性，将老师所想和学生所学所思真正连接在一起。不仅如此，通过合理设计，虚拟仿真还能对反应历程中一些抽象的概念，比如电子云分布，吸电子效应，供电子效应等做出具象化的描绘，从而加深学生对抽象概念的理解，从贴近科学事实的角度，全面立体地理解反应历程的本质。

三、将微缩的精品实验引入课堂

虚拟仿真技术的三维呈现、动态化等优势决定了其在课堂教学过程中具有直观性、连续性、注重条理的优势，符合学生的认知规律，除此之外，虚拟仿真实验还克服了一些化学实验开展时成本高，耗时长，实验条件危险等困难。采用虚拟仿真技术和合理地教学设计，可以将大多数实验过程的关键步骤压缩到十分钟，甚至更短的时间在课堂上呈现出来。与虚拟仿真的化学实验教学不同，在课堂上引入的虚拟仿真实验弱化了对具体实验过程的把握，强化了学生从实验设计探索反应特征、性质、结构之间的联系，深化学生对于核心知识的理解的同时，提升教学的趣味性和丰富性，化被动传授为主动学习。以固体酸的性质为例，本部分教学的核心内容在于使同学们理解固体酸中酸性位产生的原因，以及固体酸结构、性质和催化效果之间的联系。在本章节中，可将典型的固体酸的制备过程和固体酸催化过程以虚拟仿真试验的形式引入课堂教学中，教师采用问题导向法设计教学过程、例如“如何制备固体酸催化剂可以使生物柴油产率最高”，让学生在虚拟仿真试验中自由发挥，并将其中的核心环节以思考题的形式提出。虚拟仿真可以允许学生在很短的时间内将试验预想的数据结果呈现出来，通过分析表征数据，学生能够主动发掘出理论知识的本质，以及其中蕴含的关联，这一过程有其适合配合线上课程采用翻转课堂的混合式教学模式。

四、虚拟仿真技术对在线课程的强化

近年来，在线课程的建设极大地促进了教育传播，与课堂教学不同，在线课程形式更加灵活，更符合学生碎片化学习习惯，因此受到学生的欢迎;学生通过线上教学学习基础知识，老师在教学过程中就可以腾出更多的时间解决课程的重点难点问题，不仅节约了教学时间，也与翻转课堂等新教学方法具有良好接口。线上课程建设的两个关键问题是资源的积累与课程设计。资源的积累应该围绕课程设计，将优质内容呈现在课程中，加深学生对知识体系的认知。虚拟仿真技术不仅打破了一些代表性实验的时间约束，借助网络技术，也打破了实验对于地点和环境的约束。在线上课程中嵌入精心选择的虚拟仿真实验，能够进一步缩短学生在理论学习和科学实践之间的联系，将线上课程从传统课堂的补充和延伸，变成学生自由探索，主动认知的线上园地。化学是实践的科学，与线上课程对接的虚拟仿真实验体系恰恰给学生提供了一个随时随地进行探索的实践平台，这种模式不受授课时间和授课环境的限制。这种开放的学习认知环境允许学生独立自主地思考问题，从多个角度对课本理论加以验证，基于实践，而不是基于死记硬背实现对于理论知识的学习，这一点对于本科化学课程教学质量的提升具有重要意义。

目前，虚拟仿真试验体系的建设无论从国家政策、还是从学校层面均得到了重视，而将虚拟仿真技术从实验教学引入课堂教学，对于高等学校化学类科目的课程设计又具有独特意义[5]。在问题导向下、以学生为主导的实验设计探索中，虚拟仿真技术促进了化学教学中理论知识和实验的深度融合，使抽象的机理落到实处，在这一过程中，学生们加深了知识的理解，树立了基础科研思维，对于教师来说，丰富了教学模式、解决了传统课堂学生参与度不高的难题。将虚拟仿真技术引入课堂，是信息技术在化学教学中的延伸，其与线上课程建设和翻转课堂等新型教学方式均有良好的接口。

参考文献

[1]袁望章.高校化学实验教学实践与思考[J].教育教学论坛，2019（30）：257-258.

[2]应少明，谢丹华，黄剑华.虚实结合、产教融合的应用化学专业应用型人才培养模式的构建与实践[J].大学教育，2020（1）：156-159.

[3]蔡丁友.优课虚拟仿真实验室在化学实验教学中的应用[J].教育信息技术，2013（6）：13-15..

[4]Davenport J L，Rafferty A N，Yaron D J.Whether and How Authentic Contexts Using a Virtual Chemistry Lab Support Learning[J].Journal of Chemical Education，2018，95（8）：1250-1259.

[5]许鹏，陈建欣.虚拟仿真在工程化学教学中的实践探索[J].广东化工，2019（3）：229-231.