張文英，袁 帥

(重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院，重慶400065)

物理化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的應(yīng)用①

張文英，袁 帥

(重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院，重慶400065)

傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在諸多弊病，為了提高教學(xué)效果，我們將計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用于本校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。這種教學(xué)方式充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。但這種教學(xué)方式畢竟是仿真實(shí)驗(yàn)，必須與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合才能更好地建立一個(gè)合理、有效的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

計(jì)算機(jī)仿真;物理化學(xué)實(shí)驗(yàn);虛擬實(shí)驗(yàn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是各大中專院?；瘜W(xué)、生物、制藥工程等學(xué)科專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生獲得較全面的訓(xùn)練，鞏固課堂所講授的基本理論，培養(yǎng)動(dòng)手能力、觀察能力、獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力。國(guó)務(wù)院總理溫家寶在2012年政府工作報(bào)告中指出:“要全面加強(qiáng)人才工作，加快培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新型科技人才和急需緊缺人才。”過(guò)硬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量是培養(yǎng)這樣的人才關(guān)鍵。國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010－2020年)明確指出:“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地建設(shè)，支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)科學(xué)素質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的中心任務(wù)。”然而，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在諸多弊端，例如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、存在環(huán)境污染等。為了提高教學(xué)效果，必須引入新的理念和手段。我們以重慶郵電大學(xué)制藥工程專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，探討虛擬仿真技術(shù)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)物理、化學(xué)基本原理的理解，學(xué)習(xí)基本的物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量技術(shù)，學(xué)習(xí)用先進(jìn)的儀器進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高應(yīng)用物理、化學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題和進(jìn)一步創(chuàng)新的能力［1］。在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在以下不足:(1)由于教學(xué)條件的限制，比如儀器設(shè)備不足，往往是數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)開設(shè)，學(xué)生輪流做，這既增加了教師的工作強(qiáng)度，也影響到實(shí)驗(yàn)效果;(2)由于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一般耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中遺漏的細(xì)節(jié)，無(wú)法回頭觀察．而且實(shí)驗(yàn)操作一般只做一遍．不易形成深刻的記憶;(3)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備多，原理復(fù)雜，預(yù)習(xí)難度很大。學(xué)生往往是在實(shí)驗(yàn)室里按照實(shí)驗(yàn)教材匆匆重復(fù)一遍，沒(méi)有仔細(xì)思考，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果?；谏鲜銮闆r，我們?cè)谖锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的不足。

一 計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

計(jì)算機(jī)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)為核心，創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)［2，3］。使用者既可以借助視頻或flash動(dòng)畫直觀地了解各種操作過(guò)程、儀器的使用，也可以通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳在虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上對(duì)這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行操作。譬如物理化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中使用三維動(dòng)畫仿真技術(shù)，詳細(xì)地描述了氣液平衡相圖、燃燒熱、飽和蒸汽壓、表面張力、粘度法測(cè)分子量、凝固點(diǎn)下降法測(cè)分子量、皂化反應(yīng)、金屬相圖、原電池電動(dòng)勢(shì)等經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的、原理、操作過(guò)程及注意事項(xiàng)，而且還提供了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器的使用介紹。這種新型的教學(xué)模式解決了傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的多方面問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯示出顯著的優(yōu)勢(shì)。

1．減少環(huán)境污染，有利于實(shí)驗(yàn)者安全

一般說(shuō)來(lái)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室除了通風(fēng)設(shè)施外，基本上沒(méi)有更好的保障措施，而絕大部分實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物都具有毒性、腐蝕性、揮發(fā)性且易燃、易爆，因此很難避免化學(xué)物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)員和科學(xué)工作者的身體造成的危害。此外，很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物和產(chǎn)物都會(huì)嚴(yán)重污染水體和大氣，造成整個(gè)自然環(huán)境的污染，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了極大的壓力［4］。特別是一些具有劇烈毒性、腐蝕性、設(shè)備復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)校無(wú)法開展，使得學(xué)生難以深入地理解這一部分內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)比在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里安全，有些化學(xué)反應(yīng)比較劇烈，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中做這些實(shí)驗(yàn)，既能對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過(guò)程很好地仿真而又不必冒著發(fā)生傷害或意外爆炸的危險(xiǎn)。學(xué)生也可放心地在虛擬實(shí)驗(yàn)室里試用新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不用擔(dān)心發(fā)生事故。

2．打破時(shí)間、空間限制

由于受到實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地容積限制，而參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)眾多，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)必需嚴(yán)格按照事先安排的固定時(shí)間進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)中通常會(huì)出現(xiàn)意外而導(dǎo)致失敗，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成，因而嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)客觀上實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間上的延伸，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的普及，學(xué)習(xí)者既可以在規(guī)定的上課時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，也可以在自由時(shí)間時(shí)在宿舍、公共機(jī)房等任意連接互聯(lián)網(wǎng)的地點(diǎn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作［5］。時(shí)間和空間的延展為虛擬實(shí)驗(yàn)提供了極大的自由度，有利于學(xué)生隨時(shí)隨地預(yù)習(xí)和操作。

3．提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生往往對(duì)預(yù)習(xí)不夠重視，只是根據(jù)實(shí)驗(yàn)教案重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的盲目性和對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的不重視，產(chǎn)生了僅為完成實(shí)驗(yàn)而“照單抓藥的”現(xiàn)象，而不是先認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)觀察現(xiàn)象，出現(xiàn)問(wèn)題思考、分析、解決問(wèn)題的良好實(shí)驗(yàn)態(tài)度。此外，某些實(shí)驗(yàn)比如“飽和蒸汽壓的測(cè)定”等的儀器設(shè)備復(fù)雜，而只能幾個(gè)同學(xué)一組來(lái)完成的實(shí)驗(yàn)中，難免出現(xiàn)一部分學(xué)生不積極主動(dòng)，依賴其他同學(xué)，抄錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，甚至干脆直接抄襲同學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象。學(xué)生這種不認(rèn)真的態(tài)度不利于其實(shí)驗(yàn)操作技能的提高，也不利于其觀察、發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題等應(yīng)用性能力的提升。

虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬了一個(gè)逼真的、強(qiáng)交互性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在其中，學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤自由地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)成形象、直觀的操作軟件，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)的屏幕上將出現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)菜單，包括實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)演示、課堂復(fù)習(xí)、問(wèn)題討論、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)等．這種模式使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有了形象具體的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)如果不事先仔細(xì)預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)步驟就無(wú)法繼續(xù)下去，加強(qiáng)了預(yù)習(xí)的效果。而且模擬操作實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)進(jìn)行，直到將所學(xué)知識(shí)熟記于心，不僅有利于強(qiáng)化教學(xué)效果，而且降低教學(xué)成本、提高教學(xué)效率。

4．彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)是共享資源，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)儀器設(shè)備和藥品試劑資源的需求量比較大，費(fèi)用也比較昂貴。在某些專業(yè)性較強(qiáng)或經(jīng)濟(jì)能力有限的院校更是不可能將大量的資金花費(fèi)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)上。一套虛擬實(shí)驗(yàn)軟件僅需幾千元，可以覆蓋大多數(shù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)藥品和儀器，而且利用網(wǎng)絡(luò)輕松實(shí)現(xiàn)資源共享，較好地緩解了缺乏昂貴儀器，學(xué)生動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少的普遍矛盾。

二 計(jì)算機(jī)仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)的局限性

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，由于其高度逼真的仿真能力，生動(dòng)的界面與靈活的互動(dòng)畫面，在操作性極強(qiáng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是如果完全用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)淡化學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的感受，減弱學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作技能。因此不能將仿真實(shí)驗(yàn)完全取代傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其次，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間地點(diǎn)限制，學(xué)生可在任意時(shí)間地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但減少了師生間的互動(dòng)。學(xué)生操作時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題不能及時(shí)反饋給教師，教師也不能及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)情況和發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在問(wèn)題，難以貫徹因材施教原則，更減少了師生之間的感情交流。再次，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)按指令要求運(yùn)行相應(yīng)的程序，一般實(shí)驗(yàn)都能完美無(wú)缺地進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析完全一致，學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)中思考新問(wèn)題，這也在一定程度上禁錮了學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)不適用于創(chuàng)新性的探索實(shí)驗(yàn)。

三 結(jié) 語(yǔ)

為了改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的諸多弊病，提高教學(xué)效果，提高資源利用率，我們首先將計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于本校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐表明這種教學(xué)方式極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大突破，充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，今后我們會(huì)將其推廣實(shí)施到其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。但這種方式畢竟是仿真實(shí)驗(yàn)，而不是全真，必須與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合才能更好的為今后的化學(xué)教育建立一個(gè)合理、有效的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

［1］鄭傳明，呂桂琴．物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2005．

［2］胡曉波，李 琰，王艷芳．計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2007(2):121－124．

［3］師書恩．計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2001．

［4］凌育趙．計(jì)算機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化中的應(yīng)用［J］．中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢，2005(4):507－509．

［5］陳 田．計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009(6):43－44．

(責(zé)任編校 羅 淵)

G42

A

1674－5884(2012)06－0108－02

2012－04－13

重慶市教委教改項(xiàng)目(0833227);重慶郵電大學(xué)專業(yè)提升計(jì)劃(TSJHD904);重慶郵電大學(xué)教改項(xiàng)目(XJG1106)

張文英(1976－)，女，云南個(gè)舊人，講師，博士，主要從事物理化學(xué)教學(xué)與科研工作。