基于虚拟仿真技术的分析化学实验辅助教育模式探讨

陈娟 陶亮

摘 要：分析化学实验是化工类专业的核心课程。该课程的线下教学中，存在学生预习效率低、实验效果欠佳以及一定的安全隐患等问题。为提高课程教学质量，本文基于常规的线下实验教学模式，引入虚拟仿真实验进行辅助教学。阐明了该课程线下教学模式中存在的问题，探讨了虚拟仿真实验辅助教学模式的开展方法、手机端虚拟仿真实验平台构建等内容。所采用的研究方法还可用于其它实验类课程的辅助教学中。

关键词：虚拟实验；分析化学；辅助教学

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.01.086

0 前言

分析化学实验是化工类专业的核心课程，具有实验原理复杂、应用性强、对学生操作技术要求高等特点。通过这门课程的学习，不仅可以强化学生对分析化学等前期相关课程理论知识的掌握程度，还可以提高学生的实验操作技能和解决实际问题的能力。当前，该课程仍以线下教学为主。由于复杂的实验原理、繁琐的实验过程，以及学生操作水平的差异，导致课程教学面临一些挑战，如实验效果不佳，学生在课后复习困难，存在一定程度的安全隐患，以及化学试剂的浪费等问题，从而制约了课程教学质量的提升。在此背景下，如何巩固学生对实验原理和方法的掌握程度、提高学生实验技能以及实验教学效果，成为分析化学实验课程建设迫切需要解决的问题。

随着虚拟技术和现代信息技术的快速发展，虚拟仿真实验受到广泛的关注。虚拟仿真实验具有以下三个主要优势：（1）卓越的交互性、实时性和逼真性。虚拟仿真实验平台操作界面友好，能够方便地实现人/机互动。模拟环境与现场实验环境一致性好，可实时反馈学生的操作情况和实验结果，激发学生对实验操作的兴趣。（2）不受时间和空间的限制。虚拟仿真实验的教学不受时间和地点的限制，学生可以随时随地进行实验操作，重复实验的次数也没有限制。（3）安全性好且成本低。虚拟仿真实验消除了实验过程中可能出现的安全隐患，同时减少了实验耗材的浪费，降低了实验成本。因此，将虚拟仿真技术引入实验课程的教学中，有助于解决学生在实验操作中可能出现的“不能做”“不敢做”以及“不好做”等问题。

为了提高分析化学实验的教学质量，本文在传统的线下实验教学模式基础上，引入虚拟仿真技术进行辅助教学。讨论了线下教学模式存在的问题，虚拟仿真实验辅助教学模式的开展方法以及虚拟仿真实验平台的构建。

1 课程教学现状

经过前期调研，发现该课程的教學仍主要依赖线下教学，并通过以下五个环节来完成教学任务：（1）课前准备。教师为学生提供与实验相关的各类资料，并准备所需的化学试剂和仪器。学生在这个阶段需要自主预习实验基础知识、实验原理和方法等课程内容。（2）理论讲解与操作演示。教师采用板书、PPT等形式，向学生解释实验原理、实验步骤，并强调实验的重难点知识。同时，教师进行操作示范，以确保学生理解并掌握实验的关键要点。（3）实验操作。学生在这个环节进行现场实验操作。同时，教师纠正学生在实验中存在的问题，并解答他们的疑问。（4）实验报告撰写。学生根据实验数据和结果撰写实验报告，作为成绩评定的依据之一。（5）成绩评定。教师根据学生的考勤、实验报告质量以及课堂表现来评定综合成绩。值得注意的是，在课程的线下实验教学中，任课教师为提高教学效果，尽管采取了多种教学改革措施，但仍存在下述问题。

（1）学生预习效率低，实验知识接受慢，实验效果欠佳。

学生在实验前的预习效率不高，这主要由多重因素的综合影响。首先，学生对于实验的重要性认识不足，同时，不同学生在理论知识掌握方面存在较大的差异。此外，学生的预习方法也存在不合理之处。

实验内容本身具有复杂性，而学生的预习效率较低，因此在课堂教学中，学生较难理解教师传授的实验知识。此外，实验的繁琐性、对学生操作技巧的高要求以及学生对实验原理的理解不足等因素，导致实验效果欠佳。

（2）实验过程存在安全隐患，实验材料与试剂有浪费现象。

在实验教学中，学生可能会接触到一些易燃、易腐以及有毒的化学试剂，例如硫酸和硝酸。此外，部分实验需要使用加热设备。然而，由于学生在初次进行实验时的操作技术尚不熟练，因此容易因操作不当导致的实验失败。在严重的情况下，甚至出现学生受伤或火灾等安全问题。

当实验失败时，学生需要在确定解决方案后重新进行实验。这可能导致实验材料和试剂的浪费，同时增加废液和废渣的产生。

（3）课后复习难度高、操作遗忘率大。

由于实验学时有限，学生在实验结束后很难获得机会进行重复实验。这导致了学生在后期容易忘记实验技巧和原理，出现所谓的“学完就忘”的情况。学生在后期需要回顾实验知识时，面临较大的困难，因为他们没有相关的实验条件，这不利于他们进行自主学习。

（4）成绩评定模式单一。

线下实验中，学生成绩的评定主要依赖于考勤、实验表现和实验报告质量三个方面，然而，这一评定模式相对较为单一，未充分考虑学生在前期的预习效果、理论知识掌握程度以及学习主动性等方面的情况。为了更科学地评估学生的实验成绩，提高他们的学习主动性和实验知识掌握程度，有必要对现有的评定模式进行调整。

2 虚拟仿真实验辅助教学模式的实施

为解决线下教学中存在的问题，课程团队提出了基于虚拟仿真技术的线上辅助教学模式。为此，课题组在教学内容改革、课程思政融入以及虚拟仿真实验实施等方面进行了探索。

2.1 实验教学内容改革

根据专业需求和实际教学情况，课题组对实验教学内容进行了调整。在围绕分析化学核心知识的基础上，确定了包括天平称量练习、水的总硬度测定等8项实验（详见表1），总共需要32个学时完成。调整后的实验教学内容更具针对性，能够更好地加强学生对分析化学核心理论知识的理解，满足学生培养目标和专业发展的需求。

2.2 课程思政元素的融入

将课程思政元素有效地融入到实验教学中，不仅可以培养学生的民族自豪感和严谨的科学精神，还可以提高学生对专业知识的学习主动性。为此，课题组根据实验内容特点，制作了专门的思政案例，并将这些案例的素材以文字、图片以及视频等形式嵌入到虚拟仿真平台中。制作的思政案例除了在课堂上由任课教师讲解外，还要求学生在课前和课后自主学习。

2.3 虚拟仿真实验的实施

根据线下教学和虚拟实验的特点，课题组对教学环节进行了调整和优化。这些调整包括以下环节：

（1）课前预习阶段。学生首先观看任课教师发布在虚拟实验平台上的实际教学视频。随后，根据平台提供的操作提示进行相应实验的虚拟练习，以初步掌握实验内容和操作技巧。

（2）课中实际教学。学生参与线下实验教学，听取教师的讲解后独立开展实验。教师在实验过程中提供答疑和纠正学生存在的问题。该部分安排与线下教学一致。

（3）课后复习与问卷调查。学生除了完成常规的实验报告撰写任务外，还需要在不同时间点进行虚拟实验复习操作，并对实验过程和结果进行总结。在实验结束后，学生被要求填写实验内容掌握程度的问卷调查，并评估实验内容的难易程度。

2.4 成绩评定模式改革

为更好地评估学生在实验教学中的综合表现，激励学生积极主动地参与实验学习与操作，提高学生对实验内容的理解和掌握程度。课题组对传统的成绩评定模式进行了改革，将学生的课程综合成绩分为四个部分，且各部分成绩占比相同：

（1）实验报告质量。通过实验报告系统评估学生对实验结果的分析能力，解决实验问题的能力，对重难点知识和实验步骤、技巧的掌握情况。

（2）课前预习效果。学生在预习后，需要将观看实际教学视频、实验内容和试验步骤，以及虚拟练习的过程截图等材料进行整理，教师根据学生提交的材料评估学生的预习效果。

（3）主动参与性。根据学生的考勤记录、在实验课中分析和解决问题的主动性，以及参与后期虚拟实验复习和实验问卷调查的情况，综合评估学生的主动参与性。

3 虚拟仿真实验平台构建

3.1 平台总体框架

根据分析化学实验实验课程的教学目标、教学内容以及学科特点，课程团队对虚拟实验平台进行了系统规划，将典型的分析天平称量练习和水的总硬度测定两个实验内容嵌入平台内。此外，还预留了其他实验内容嵌入通道，确保在条件成熟时能够添加新的实验内容，以满足课程的发展和教学改革需求。基于该实验平台，学生可以通过观看现场教学视频、实验演示动画、进行虚拟实验练习等方式，熟悉实验内容、设备功能和试验操作流程。图1展示了虚拟实验平台的总体框架，它分为系统初始界面、实验选择以及模块选择三个层次。

图1 虚拟仿真实验平台总体框架

（1）初始界面。系统的初始界面设置了五个子界面，包括系统介绍、系统设置以及实验选择等。在系统介绍和系统设置子界面中，学生可以了解有关实验平台的内容和功能，并进行相关参数的选择。帮助子界面则提供了软件开发者和授课教师的联系方式，以便学生在对软件或实验内容有疑问时能够方便地联系相关人员。

（2）实验选择界面。学生可以在该界面中通过左右滑动的方式方便地选择具体的实验内容。当前，只将天平称量练习和水的总硬度的测定两个实验嵌入进该平台。后续可根据需要制作并嵌入其它实验。

（3）功能模块选择界面。该界面展示了虚拟实验平台提供的六个主要功能模块。学生可根据自身需求选择相应的模块，进行学习实验知识、进行虚拟实验练习等操作。该模块主要内容会在3.3节中进行详细介绍。

3.2 平台开发流程

采用了Unity 3D软件开发虚拟实验平台。Unity 3D软件具有出色的实时性、互动性和逼真性等优点，适用于开发大型的三维视频和动画游戏。为了创建实验所需的各种设备，首先使用Solidworks建立三维零件或装配模型，然后将其保存为stl格式，接着导入3Dmax软件进行渲染。渲染后的模型以FBX格式导入Unity 3D软件，用于制作动画和其他资源。最后，基于这些资源创建了适用于手机端的应用程序。

3.3 主要功能模块

虚拟仿真实验平台包括六个主要功能模块，分别是实验介绍、实验演示、实验练习、实验考核、实验视频以及辅助资料。

（1）实验介绍。该模块提供所选实验的具体信息，包括实验目的、实验原理、所需仪器和试剂，以及实验内容。学生通过仔细阅读这一模块的內容可以全面了解所选实验，帮助他们更好地理解实验的背景和目的。

（2）实验演示。学生可以通过单击图标进入虚拟实验界面。在该界面，系统会通过语音播放和动画演示的方式详细介绍实验操作流程和注意事项。通过这一模块的学习能够迅速了解所选实验的操作方法、设备以及控制功能。如果学生对某些不熟悉的操作细节有疑问，他们还可以通过反复播放来巩固理解。

（3）实验练习。在学习完实验演示模块的内容后，学生可以通过实验练习模块开展虚拟实验操作，以掌握实验操作技能。这一模块是整个仿真平台的核心，提供交互式的实验环境，学生按照系统的提示选择实验参数和设备，并逐步完成各个实验环节。

（4）实验考核。该模块的主要目的是考核学生对实验操作的掌握情况。学生在选择该模块后，将在没有提示的情况下独立完成整个实验流程。系统会逐项扣分以反映学生的错误操作，评估学生虚拟练习效果。

（5）实验视频播放。为了方便学生的预习和复习实验内容以及操作步骤，指导教师录制每次实验课的授课内容，并将其嵌入到这一模块中。学生可以根据需要自行观看学习，解决了线下教学模式中教师讲授内容无法重复学习的问题。

（6）辅助资料。该模块给学生提供了其它的辅助学习资源，包括分析化学理论教学核心知识点、分析化学实验相关仪器设备介绍与操作教程、化学实验开展安全注意事项等其他教学和实验管理相关资源的视频、文字、图片以及链接信息。

4 结论

虚拟仿真辅助教学模式可改善分析化学实验线下教学模式中存在的学生预习效果差、实验知识接受速度较慢、实验效果不佳以及实验试剂浪费等问题，同时还减少了实验过程中的安全隐患。在未来的教学改革中，可以根据需要开发更多虚拟实验项目并将其嵌入平台中，以不断扩展平台功能，更好地满足课程教学需求。此外，所采用的研究方法还可应用于其它实验类课程的辅助教学中。

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