虚拟仿真技术在大学化学教学中的应用综述*

李 伟，杨 博

（西藏大学生态环境学院，拉萨 850000）

0 引言

在当前科技快速发展和教育创新变革的背景下，虚拟仿真技术逐渐成为教育领域的热门话题。虚拟仿真技术即虚拟现实技术，通过信息技术系统模拟真实世界中的系统[1]，培养学生创新意识和创新能力，满足社会对综合性和应用型人才的需求，为学生提供交互式、沉浸式的学习体验，带来前所未有的教育机会[2]。在这一趋势下，将虚拟仿真与化学教学相结合引起了国内外许多高校的广泛关注。

近年来，国家在高校实验室建设投入了大量资金，使得实验室的数量和质量都得到了明显改善。但仍然存在实验室建设发展的统筹规划不足、资源使用效益有待提升、实验室安全等问题。随着教育改革的不断深化，学生自主实验、创新实验数量的激增，实验室的流动性、开放性的加大，实验室在安全管理方面的问题日渐凸显[3]。其中，化学实验室因自身特性不可避免地使用各种危险化学品以及各类高低压电器和装置，涉及到高温、高压、真空及辐射等多种危险因素，存在诸多安全隐患[4]，据2010—2015年的数据分析，国内外高校发生了95起实验室事故，其中内地高校占了66起。这些事故无不说明实验室安全的重要性[5]。此外，传统的化学教学注重理论知识的传授和实验操作的训练。然而，传统实验受到时间、资源和安全等方面的限制，无法完全满足学生的实验需求，限制了学生对化学原理的深入理解。将虚拟仿真融入到化学教学则可以为解决这些问题提供新的途径。本文系统地总结了虚拟仿真化学教学的现状和发展趋势，为推动虚拟仿真在化学教学中的研究和应用提供参考。

1 虚拟仿真技术与软件工具

在化学教学中，虚拟仿真技术和软件工具为学生提供了交互式和沉浸式的学习体验，可以更好地帮助学生理解和应用化学原理。常见的虚拟仿真技术和软件工具包括虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、化学模拟软件和分子建模软件。通过虚拟现实技术，学生可以身临其境地进行化学实验和探索化学环境，如图1所示。

图1 基于虚拟仿真技术的化学教学示意图

1.1 虚拟现实

VR 是一种以计算机生成的虚拟环境为基础的技术，通过头戴式显示设备、交互设备等，使用户能够与虚拟世界进行身临其境的互动和探索[7]。在化学教学中，虚拟现实技术结合了ChemVR、VR Chemical Lab 和VMD 等软件，为学生提供了进入虚拟实验室和化学环境的机会[8]。学生能够模拟实验室操作、可视化化学反应和分子结构，实现真实的化学实验和观察反应过程。虚拟现实技术和软件的应用，不仅提供了安全、经济和可控的学习平台，更深化了学生对化学原理和现象的理解。通过自主调整实验参数、观察实验结果，并在虚拟环境中获得真实的反馈和交互体验。虚拟现实技术的优势在于其沉浸式的学习体验，使用者能够更深入地参与化学实验，提高实验技能和掌握化学原理。通过虚拟现实技术的应用，为化学实验教学提供了新的途径[9]，拓展并丰富大学化学教学的内容，提供了更具交互性和实践性的学习环境，促进了学生学术成长和专业发展。

1.2 增强现实

AR是一种将计算机生成的虚拟元素与真实世界叠加的技术，旨在提供增强的感知体验。在化学教学中，可以通过智能手机、平板电脑或AR 眼镜等交互设备，利用化学相关的AR 应用程序和软件（如ChemAR、AR Chemical Lab 和ChemistryAR 等）与虚拟化学实验和现象进行互动[10]。AR技术提供了沉浸式的学习环境，通过智能设备观察和操作虚拟分子结构、反应机制和实验装置，将抽象的化学概念具体化，有助于更清晰地理解分子结构、化学键和反应机制[11]。此外，AR技术还可创建虚拟化学实验室或场景，提供模拟实验环境，使学生能自由进行实验预习和实验技能训练，提高实验技能水平。AR技术的应用，在化学教学中具有潜力，可为化学教学提供安全、经济和可控的学习平台，并丰富教学的方法和资源。

1.3 化学模拟软件

化学模拟软件是一类专门用于模拟和研究化学体系的计算工具，通过结合计算机算法和数值模拟方法对分子结构、化学反应和物理性质进行建模和预测[12]。在化学研究和教学中，常见的化学模拟软件有Gaussian、GAMESS、VASP 和LAMMPS 等。这些软件提供了丰富能量计算、力场模拟、光谱模拟、电子结构计算和分子动力学模拟等功能。利用这些软件可以进行分子结构优化、能量和能级计算、反应路径和速率预测，以及物理化学性质和相互作用研究等。此外，化学模拟软件还可以揭示分子和材料的微观行为和性质，提供直观观察分子的几何形状、稳定性和反应机理等重要信息，为新化合物的设计和反应机理的研究提供指导。这些化学模拟软件在化学教学中的应用，为学生提供了一个实验室外的虚拟环境，帮助他们更好地理解和应用化学原理，促进他们的科学探索和创新能力的培养[13]。

1.4 分子建模软件

分子建模软件是一种强大的工具类，是基于分子力学、量子力学和分子动力学等理论方法的计算工具，用于构建、研究和模拟分子的结构与性质[14]。常见的分子建模软件包括Gaussian、CHARMM、AMBER 和GROMACS 等。这些软件可以对分子模型构建、几何优化、能量、光谱和电子性质的计算以及分子动力学模拟等。通过分子建模软件，学生能够直观地观察到分子的几何形状、稳定性、反应机理和物理性质等关键信息。在化学研究领域，分子建模软件在药物设计、分子相互作用研究和反应机制解析等方面具有重要应用[15]。此外，在化学教学中，分子建模软件发挥着关键作用，学生可以通过模拟实验更加深入理解分析分子结构和性质。

综上所述，虚拟仿真技术方法在化学教学中显示各具特色。VR 技术提供了沉浸式的学习体验，AR 技术增强了感知和互动，化学模拟软件提供了计算工具，而分子建模软件则结合了理论方法和实践应用。这些虚拟仿真技术的选择应根据教学目标和需求来确定，多种方法的结合为学生提供了更好的学习和理解化学知识的机会，对推动化学研究和教学发展具有重要意义。因此，在化学教育中，积极探索和应用虚拟仿真技术，不断创新教学内容和方法，将为学生提供更丰富的学习体验和更深入的化学理解，促进教育的进步和质量的提高。

2 虚拟仿真在化学教学中的应用

目前，虚拟仿真实验教学在国内已受到广泛关注，众多虚拟仿真实验教学如雨后春笋般层出不穷。2017—2020年，教育部共公布了728 门国家示范性虚拟仿真实验教学课程[16]。

南开大学将扫描电镜的工作原理、仪器结构、测试方法和结果分析与虚拟仿真技术相结合，开发出了扫描电镜虚拟仿真系统，解决了类似扫描电镜的贵重精密仪器，由于成本较高，操作较为复杂所导致的“一机多人”教学模式，致使学生无法上机实操的弊端[17]，此外，该校运用Unity3D 和3D Studio Max 等开发平台，通过三维立体仿真、动画以及虚拟现实等技术手段，开展了ICPOES 仪器分析的虚拟仿真实验，实验涵盖了ICP-OES 仪器的构造、工作原理、样品前处理、仪器操作、仪器维护和仪器故障等6 个关键部分的教学和实践[18]；浙江理工大学基于校园网平台，设计并开发了仪器分析虚拟仿真实验系统，该系统包含身份验证、实验演示、独立实验、考核管理4 大功能模块，比如其液相色谱虚拟实验系统，学生进入虚拟实验室，通过鼠标操作高压泵、梯度淋洗装置、进样装置、色谱分离柱和紫外检测器等液相色谱的主要组成部分，系统完整地模拟了液相色谱实验操作的整个过程，学生可以通过改变流动相中甲醇和水的比例、流动相的流速和分离温度等色谱分离条件，观察色谱峰的变化，系统可对学生的虚拟实验结果进行评价和评分，实现了学生的在线实验实践训练[19]；陕西师范大学利用陕西省虚拟仿真实验教学项目，开展了在线光伏发电驱动高效催化水分解制氢气的虚拟仿真实验教学，通过校园网平台，学生可以在黑板教学平台进行课前预习，并使用腾讯会议等在线教学工具进行实验教学，学生使用手机、电脑或平板电脑，通过虚拟仿真平台自主进行电催化剂浆料的制备、玻碳电极的处理、电催化分解水装置的组装、电催化产氢与收集等实验环节，这种在线虚拟实验教学模式为学生提供了便捷灵活的学习方式，促进了实践能力和理论知识的结合[20]；同济大学采用信息技术将虚拟、仿真和真实实验相结合，开发了一个虚拟仿真实训系统，包括在线连续运行工艺真实实验和污水处理模拟系统，学生可通过参与常规实验、拓展创新实验和实习实训，实现虚实结合的学习过程，这种综合实践教学方法使学生能够全面掌握污水处理的理论知识，并将其应用到实际操作中，从而显著提升了他们在专业领域的实际能力[21]；东北大学依托虚拟现实与多媒体技术，构建了化学实验安全教育国家级虚拟仿真教学平台，该平台基于实验室实际布局，构建一个高仿真度、高交互操作、全程参与式、可提供实时信息反馈与操作指导的场景，利用VR 眼镜及手柄与虚拟实验室的物件进行交互，使学生能够在安全的环境下沉浸式的进行化学实验的安全教育[22]；渭南师范学院依托专业软件和仿真技术，开发了巨介电陶瓷材料的制备及性能探究的虚拟仿真实验，真实模拟了实验过程中的设备、仪器、药品、场景以及精密贵重仪器的操作过程，解决了实际实验中的高危操作、超长实验周期和高温实验环境等问题，并通过线上线下结合和虚实融合的方式，增强学生的参与感和实践能力，优化了实验教学效果[23]；吉林大学通过10年的努力，将虚拟仿真技术应用于晶体模型的构建，实现了结构化学教学数字化和可视化，并通过互联网技术实现了云端教学，学生仅需通过电脑、智能手机和平板电脑等硬件设备，就可查看平台实时生成的图形变换：多面体构成及变形，原子的振动及变色，晶体模型的翻转及缩放，化学键的形成及解离和结构基元及等同点的闪烁显示等变换或者动画，充分发挥了虚拟仿真技术的趣味化、场地泛在性、真实场景强再现和教学过程高兼容的特点[24]。

此外，虚拟仿真技术除在化学实验教学方面的应用外，还广泛应用于环境领域。环境工程作为一个新兴的交叉学科，涵盖多个专业领域，如大气、水、土污染的控制工程，固体废物的处理与处置以及物理性污染控制工程等[25]。这些领域涉及到综合性的实验，例如废气治理实验和污水处理实验，这些实验一般需要大面积的场地、高昂的运行维护成本和较长的周期，因此开设全面的环境工程专业实验存在一定的困难[26]。为解决这一问题，一些高校采取了虚拟仿真技术，为环境工程实验提供了替代方案。例如，华中科技大学建设了“互联网+”环境工程原理虚拟仿真实验教学项目，实现了离心水泵性能曲线测定模块、板式换热器传热系统测定模块和SO2吸收效率测定模块等代表了环境工程原理三大现象和过程的典型模块的虚拟仿真[27]；哈尔滨工业大学建设了生活垃圾焚烧的虚拟仿真实验，以实际焚烧处理厂为原型，基于动态仿真对生活垃圾焚烧的过程进行模拟，再现垃圾焚烧从垃圾运输、焚烧工况到烟气成分分析的全过程，拟通过分析烟气成分结果，探究焚烧过程中的不足，减少固态气态产物的二次污染[28]。

虚拟仿真在化学教学中应用广泛，它提供了安全的学习环境，学生可以进行模拟实验，探索化学原理和实验技巧虚拟仿真还可可视化抽象的化学概念和现象，帮助学生理解分子结构、化学键和反应机制。此外，它提供交互式学习体验，学生可以自主进行实验操作、调整参数和观察结果。虚拟仿真补充了传统实验教学的不足，解决了资源限制和安全问题，并提供灵活和个性化的学习方式。总而言之，虚拟仿真在化学教学中为学生提供了安全、互动和可视化的学习环境，促进了他们对化学原理的理解和应用能力的培养。此外，虚拟仿真技术在高校中的应用越来越多，但多集中于中东部地区，83.4%的虚拟仿真实验教学分布于中东部地区，西部地区占比仅为16.6%[16]，因此今后需加强对西部地区的虚拟仿真教学的建设和发展。

3 虚拟仿真教学的挑战与应对

化学化工虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和化学化工实验教学中心的重要组成部分，同时也代表了化学化工专业与信息技术深度融合的成果[29]。通过虚拟仿真实验，学生能够在安全、经济、环保的条件下进行实验操作，实践化学化工理论知识，并培养解决实际问题的能力。这种教学方法不仅提供了学生与真实实验相似的体验，还拓展了学生的学习空间和实验内容，促进了理论与实践的紧密结合。化学化工虚拟仿真实验教学的推广和应用将进一步推动化学化工教育的现代化发展，为培养高素质的化学化工人才提供有力支持，为化学教学带来了诸多便利。但在当下仍面临着一些挑战，包括技术要求、资源投入和真实性限制等方面。首先，虚拟仿真技术通常需要特定的硬件设备和软件支持，这对学生的设备获取和适应性可能带来一定限制[30]。其次，开发和维护虚拟仿真应用需要一定的技术支持和资源投入，包括软件开发、内容更新和技术支持等方面的成本。此外，虚拟仿真在模拟真实化学实验和反应过程时可能存在一定的真实性限制，如材料特性和实验条件的模拟等。

为了应对这些挑战，可以采取以下方法和未来发展方向。首先，可以进行技术改进，不断提升虚拟仿真技术的质量和效果，改进用户体验和真实感。通过引入更高级的图形处理和物理模拟算法，提供更逼真的化学实验场景和交互体验。其次，可以促进资源共享和合作研究，建立共享虚拟化学实验和资源的平台，使更多学校和教育机构能够共享先进的虚拟仿真教学资源。通过共享资源，可以减轻单个学校的资源压力，并提供更广泛的学习机会。此外，还可以加强师资培训和教学指导，提高教师的虚拟仿真教学能力和教学设计水平，从而更好地利用虚拟仿真技术进行化学教学。

未来的发展方向包括进一步整合虚拟仿真技术与其他教学手段，如在线教育平台和远程教学技术，提供多样化的学习方式和场景。通过与在线教育平台结合，学生可以在虚拟实验室中进行化学实验，然后在实际实验室中进行验证和巩固。同时，可以加强与实际实验室的结合，通过实验室实践和虚拟仿真相结合的方式，提供更全面的化学教学体验。学生可以先在虚拟环境中进行实验设计和模拟，然后在实验室中进行实际操作，加深对化学实验原理和技能的理解。此外，随着人工智能和机器学习等技术的发展，可以进一步探索虚拟仿真技术在化学教学中的智能化和个性化应用，为学生提供个性化的学习支持和反馈。

综上所述，虽然虚拟仿真在化学教学中面临一些挑战，但可以通过采取一系列措施来克服这些挑战，并提升虚拟仿真在化学教学中的应用效果。其中，技术改进、资源共享和师资培训是关键的方面。通过不断改进虚拟仿真技术，提高其性能和稳定性，可以更好地满足化学教学的需求。此外，资源共享是重要的，可以通过建立共享平台，让教师和学生分享教学资源和经验，提高教学效果。另外，师资培训也至关重要，教师需要掌握虚拟仿真技术的操作和应用，以便能够有效地指导学生进行虚拟实验。未来的发展方向包括整合不同的教学手段，如结合传统实验室和虚拟实验室，以及探索智能化应用，如人工智能和机器学习在化学教学中的应用。通过这些努力可以进一步提升化学教学的质量和效果，培养学生的实验技能和科学思维能力。

4 结束语

虚拟仿真化学教学在化学教育中发挥着重要作用，并具有多项优势。通过利用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、化学模拟软件和分子建模软件等技术，可以模拟真实世界中的化学情境和过程，为学生提供交互式和沉浸式的学习体验。这种教学方式丰富了实验空间和机会，提高了学生的学习动机和兴趣，培养了实验技能和科学思维能力。同时，虚拟仿真化学教学还能降低化学实验中的风险隐患，为学生提供一个自由安全的学习环境。

在未来的教育中，我国的高校应该持续发展和应用虚拟仿真技术。教师们应积极探索虚拟仿真化学教学的潜力，并结合相关研究和实践案例，不断丰富教学内容和方法。通过充分利用虚拟仿真技术，创造更多元化的教学方式和实验环境，可以帮助学生更好地理解化学知识和掌握实验技能。这将为我国的化学教学创造更好的学习环境，为学生提供更便利的学习方式，更好地培养他们的实践能力和科学素养，促进化学教育的发展并提高教学质量。因此，在我国教育改革的大背景下，应呼吁更多的高校和教师积极探索虚拟仿真化学教学的潜力，创建更多的化学实验仿真平台，并实现开放共享的目标。