張連明* 聶瑾芳 李建平 阮貴華

（桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院 廣西·桂林 541006）

教育信息化是信息時代教育改革發(fā)展的必然要求，也是教育現(xiàn)代化的核心特征?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃》中所述：“以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，破解制約我國教育發(fā)展的難題，促進(jìn)教育的創(chuàng)新與變革，是加快從教育大國向教育強(qiáng)國邁進(jìn)的重大戰(zhàn)略抉擇”。在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，信息化技術(shù)在教育、管理、科研等過程中的廣泛應(yīng)用推動了教育觀念、教育模式、學(xué)習(xí)方式等的深刻改革。根據(jù)教育部《教信息化十年發(fā)展規(guī)劃》，我國從2013 年開始啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的評審活動，共批準(zhǔn)了300 個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，且到2020 年，教育部即將完成1000 個“示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目”的認(rèn)定。[1]到目前為止，全國各高校已經(jīng)建立了覆蓋理工類、農(nóng)林醫(yī)藥類、人文社科類等各個學(xué)科方向的虛擬仿真實驗教學(xué)資源。

1 教育信息化發(fā)展中的虛擬仿真

虛擬仿真實驗教學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)不單單影響了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，更是一種教學(xué)理念和模式。其具有以下幾個特征：

（1）學(xué)習(xí)過程立體化。虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境可以創(chuàng)設(shè)多種情境，采用計算機(jī)技術(shù)依照實驗實景建立三維動畫模型，虛擬的操作環(huán)境和沉浸式的操作模式更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。同時，由于其較強(qiáng)的交互性及實時結(jié)果反饋等優(yōu)點，在一定程度上能夠?qū)W(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所提出的假設(shè)模型進(jìn)行驗證，為學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)提供了保障。

（2）教學(xué)空間多元化。近些年多種新型的教學(xué)模式興起，但是難以徹底的普及，根本原因還是受限于硬件設(shè)備和教學(xué)空間。然而，虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)不受課程、空間、時間、地域、學(xué)科類別及專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的限制，是一種普遍適用的教學(xué)手段。學(xué)生借助于虛擬仿真軟件便可以無限制、無浪費、無污染的模擬實訓(xùn)，利用過程記憶可還原的特點完成在真實環(huán)境中難以完成的實踐過程，從而獲得等價乃至優(yōu)于真實訓(xùn)練的體驗。

（3）教學(xué)場景虛擬化。依托虛擬技術(shù)及真實環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建高標(biāo)準(zhǔn)、高要求、高危險的實驗環(huán)境，并可以實現(xiàn)真實環(huán)境、偶發(fā)性自然現(xiàn)象及設(shè)備和運行過程的“再現(xiàn)”，可以使學(xué)生在虛擬的場景中進(jìn)行人機(jī)交互、師生交互及生生交互，減少對理論或者實踐知識掌握不足而造成的設(shè)備損壞及安全事故，從整體上提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和專業(yè)水平。

（4）教學(xué)模式普適化。虛擬仿真技術(shù)作為一種教學(xué)手段，其具有極強(qiáng)的兼容性，多數(shù)通用型應(yīng)用軟件均具有實訓(xùn)教學(xué)的仿真功能，適用于教學(xué)設(shè)計、教學(xué)過程、測評考核等實訓(xùn)教學(xué)全過程。所有能夠以實物形式展開的實地教學(xué)內(nèi)容，理論上虛擬仿真技術(shù)都可以呈現(xiàn)、深化和拓展。利用虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)，還可以節(jié)省大量的時間為學(xué)生開設(shè)綜合性、設(shè)計性及探究性等實驗，有助于學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。[2,3]

但是，我國絕大多數(shù)的虛擬仿真教學(xué)過于片面化，一般院校均將虛擬仿真實驗資源作為實踐教學(xué)內(nèi)容的拓展，或作為模擬大型生產(chǎn)過程的實訓(xùn)教學(xué)資源，未能有效將教育部支持建設(shè)的免費共享資源利用起來，未能綜合性培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)思維和創(chuàng)新性思維。[4]因此，高等學(xué)校必須更新教學(xué)觀念和模式，以虛擬仿真綜合訓(xùn)練課程為基礎(chǔ)，倡導(dǎo)綜合利用虛擬仿真資源，借助其不受時間和空間限制的優(yōu)點，強(qiáng)化拓展專業(yè)知識的同時，注重學(xué)生專業(yè)思維模式的引導(dǎo)和培養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新性思維實現(xiàn)能力的培養(yǎng)。

2 高?；瘜W(xué)教學(xué)中虛擬仿真教育

化學(xué)所研究的對象是不能直接觀察到的，同時化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)及規(guī)律也隱藏在復(fù)雜化學(xué)現(xiàn)象中，而化學(xué)反應(yīng)中強(qiáng)調(diào)變化和動態(tài)平衡，所有的化學(xué)都是基于化學(xué)實驗來驗證的，這就要求我們的學(xué)生要用思維去分析、用模型去具現(xiàn)化、用歸納統(tǒng)計、抽象概括去揭示化學(xué)規(guī)律。同時，化學(xué)教育對實踐性的要求很高，要求學(xué)生必須走進(jìn)實驗室并請自動手操作才能獲得感性的認(rèn)識，這個過程是課堂理論教育和在線理論教育所不能代替的。但是，由于一些客觀原因，比如實驗場地有限、實驗課時少、實驗設(shè)備不充足等，尤其是大型儀器設(shè)備臺套數(shù)不充足，難以滿足人人有效動手操作，學(xué)生對教師所講授的知識內(nèi)容缺乏直觀的認(rèn)識，對學(xué)生創(chuàng)新思維和學(xué)以致用的能力培養(yǎng)無法切實到位。當(dāng)今社會對復(fù)合型、創(chuàng)新型人才的需求越來越大，行業(yè)層面大型精密儀器的普及率飛速增長，變革傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，引入現(xiàn)代化教學(xué)手段進(jìn)行輔助教學(xué)勢在必行。[5,6]

高?；瘜W(xué)理論教學(xué)中不僅存在不同層面、不用應(yīng)用領(lǐng)域的理論，同時還大量存在如核磁共振譜儀、質(zhì)譜儀、高效液相色譜儀等復(fù)雜的儀器工作原理知識、難以具現(xiàn)化如酸堿平衡、氧化還原平衡、沉淀平衡、熱力學(xué)三大定律等方面的化學(xué)反應(yīng)原理知識，以及原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、配合物空間結(jié)構(gòu)等難以具象化的概念性知識，對于這些理論和概念，不能掌握就不能正確應(yīng)用。這也是大部分學(xué)生感覺大學(xué)化學(xué)難以理解透徹的原因所在。

虛擬仿真技術(shù)是一種可供創(chuàng)建并體驗高度擬真的虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，達(dá)到真實的體驗效果和提高人機(jī)交互的功能。虛擬仿真技術(shù)不但改變?nèi)祟悘氖驴茖W(xué)研究、技術(shù)設(shè)計和生產(chǎn)實踐的方式，而且為促進(jìn)人的認(rèn)識能力的全面發(fā)展提供了新的工具，將改變?nèi)藗兊乃季S方式，人們對世界、自己、實踐和空間的認(rèn)識。可以預(yù)見，虛擬仿真技術(shù)在教育中的應(yīng)用會越來越廣泛，特別是網(wǎng)絡(luò)及人工智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，將使其在教育的應(yīng)用更加智能化、信息化、以及多感知、沉浸式、交互性、構(gòu)象性，有利于實訓(xùn)教學(xué)手段的開發(fā)和學(xué)生專業(yè)核心技能的培養(yǎng)及訓(xùn)練。[7]

借助于虛擬仿真實驗教學(xué)資源，可以將上述抽象的化學(xué)概念、復(fù)雜的儀器工作原理以及化學(xué)微觀反應(yīng)過程具象化，通過精密儀器的透視化，分子結(jié)構(gòu)的空間化讓學(xué)生對所學(xué)的知識有直觀的概念和印象，在虛擬空間內(nèi)，學(xué)生可以不斷重復(fù)實驗，研究每一個細(xì)節(jié)，掌握每一個關(guān)鍵點，同時還可以借助于虛擬仿真實驗教學(xué)資源幫助學(xué)生驗證完成專業(yè)學(xué)習(xí)中的創(chuàng)新性想法，培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性思維。

目前，針對虛擬仿真的教學(xué)應(yīng)用研究主要圍繞教學(xué)特別是實踐教學(xué)(含實驗、實習(xí)、實訓(xùn)等)領(lǐng)域，以提高教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式的改革，培養(yǎng)造就更多合格的復(fù)合型人才與創(chuàng)新型專業(yè)技術(shù)人才。同時，虛擬仿真技術(shù)還能夠在一定程度實現(xiàn)個性化教學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)化演示、智能化考核，解決實訓(xùn)實習(xí)內(nèi)容開放性及縮短實際操作時間等問題。

為最大化發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，各高校都在嘗試進(jìn)行各種各樣的教學(xué)改革。然而，隨著虛擬仿真實驗教學(xué)資源的擴(kuò)大化建設(shè)，綜合利用、深入利用、交互式容錯利用、創(chuàng)新性智能化應(yīng)用均遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于知識面的補(bǔ)充，建立虛擬仿真綜合性訓(xùn)練課堂，針對專業(yè)技能和思維的培養(yǎng)，專一性研究虛擬仿真實驗的高效應(yīng)用是非常有必要。

3 化學(xué)虛擬仿真綜合訓(xùn)練課程教學(xué)體系的建設(shè)

3.1 化學(xué)虛擬仿真綜合訓(xùn)練教學(xué)團(tuán)隊的構(gòu)建

隨著社會的快速發(fā)展，化學(xué)專業(yè)面臨的問題越來越國際化、多元化和復(fù)雜化，同時虛擬仿真實驗平臺和軟件的科學(xué)應(yīng)用不僅僅是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員的問題，因其實驗內(nèi)容涉及較多理論課程、實驗課程以及科研轉(zhuǎn)化的實驗內(nèi)容，需要充分利用多個學(xué)科專業(yè)的研究資源和治理資源。虛擬仿真綜合訓(xùn)練課程的建設(shè)，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋虛擬實驗設(shè)計、虛擬仿真實驗軟件應(yīng)用等，因而并不局限于某一門專業(yè)理論課程及實踐課的專業(yè)教師，還應(yīng)配置有專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員和軟件制作公司的技術(shù)支持人員。為更好綜合性培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)思維，須有效結(jié)合專業(yè)的師資力量和軟件開發(fā)公司的技術(shù)力量，作為一個團(tuán)隊，共同在教學(xué)過程中發(fā)揮作用。

3.2 以教學(xué)對象為導(dǎo)向，篩選提煉教學(xué)資源和內(nèi)容

雖然國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享服務(wù)平臺中與化學(xué)相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)資源已超過300 個，同時，各個高校都在建設(shè)和拓展自己的化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和資源。但是，由于各院校均有自己的專業(yè)特色和專業(yè)方向，因此，并不是所有的虛擬仿真教學(xué)資源都可以強(qiáng)化本專業(yè)方向?qū)W生的技能和素養(yǎng)，必須要有針對性對資源進(jìn)行選擇和利用。以應(yīng)用化學(xué)虛擬仿真綜合訓(xùn)練課程為例，必須從中篩選化學(xué)基礎(chǔ)、儀器分析、科研實踐訓(xùn)練方面的資源，與社會需求和專業(yè)特色相結(jié)合，突出專業(yè)特性，從專業(yè)基礎(chǔ)到學(xué)科前沿，從學(xué)習(xí)興趣到自主虛擬實驗設(shè)計，由淺入深，逐步完成學(xué)生對專業(yè)及行業(yè)的思想認(rèn)同及思維模式的培養(yǎng)。另一方面，其他化學(xué)相關(guān)資源均可作為拓展性訓(xùn)練資源，以自主實驗設(shè)計的方式，完成對專業(yè)輔助知識的應(yīng)用。

3.3 以虛擬實驗設(shè)計及驗證為導(dǎo)向的思維培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實驗設(shè)計更傾向于主要過程的合理性，在實驗方案的選取中通常選擇樣品易得、過程簡單、設(shè)備簡單的項目，即方便簡單快捷的進(jìn)行結(jié)果驗證，教學(xué)重心在于學(xué)會設(shè)計實驗、掌握實驗設(shè)計流程，對于實驗實施細(xì)節(jié)很少有關(guān)注。但是化學(xué)實驗的成敗在于對實驗細(xì)節(jié)和試劑用量的把控，該問題制約了實驗設(shè)計的深度。虛擬仿真實驗設(shè)計，不受實驗條件、實驗經(jīng)驗及藥品用量的制約，可以隨時開設(shè)耗時長、耗費大及危險性高的設(shè)計性實驗，理論上只要設(shè)計合理的參數(shù)，便可以利用虛擬仿真軟件對實驗內(nèi)容進(jìn)行驗證。同時，學(xué)生還可以直觀的對實驗細(xì)節(jié)過程進(jìn)行把控和分析，可以有效提升學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度和應(yīng)用能力。