李 偉，楊 博

（西藏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，拉薩 850000）

0 引言

在當(dāng)前科技快速發(fā)展和教育創(chuàng)新變革的背景下，虛擬仿真技術(shù)逐漸成為教育領(lǐng)域的熱門話題。虛擬仿真技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)信息技術(shù)系統(tǒng)模擬真實(shí)世界中的系統(tǒng)[1]，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，滿足社會(huì)對(duì)綜合性和應(yīng)用型人才的需求，為學(xué)生提供交互式、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，帶來(lái)前所未有的教育機(jī)會(huì)[2]。在這一趨勢(shì)下，將虛擬仿真與化學(xué)教學(xué)相結(jié)合引起了國(guó)內(nèi)外許多高校的廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，國(guó)家在高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入了大量資金，使得實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量和質(zhì)量都得到了明顯改善。但仍然存在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)發(fā)展的統(tǒng)籌規(guī)劃不足、資源使用效益有待提升、實(shí)驗(yàn)室安全等問(wèn)題。隨著教育改革的不斷深化，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)數(shù)量的激增，實(shí)驗(yàn)室的流動(dòng)性、開(kāi)放性的加大，實(shí)驗(yàn)室在安全管理方面的問(wèn)題日漸凸顯[3]。其中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室因自身特性不可避免地使用各種危險(xiǎn)化學(xué)品以及各類高低壓電器和裝置，涉及到高溫、高壓、真空及輻射等多種危險(xiǎn)因素，存在諸多安全隱患[4]，據(jù)2010—2015年的數(shù)據(jù)分析，國(guó)內(nèi)外高校發(fā)生了95起實(shí)驗(yàn)室事故，其中內(nèi)地高校占了66起。這些事故無(wú)不說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室安全的重要性[5]。此外，傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)注重理論知識(shí)的傳授和實(shí)驗(yàn)操作的訓(xùn)練。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受到時(shí)間、資源和安全等方面的限制，無(wú)法完全滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，限制了學(xué)生對(duì)化學(xué)原理的深入理解。將虛擬仿真融入到化學(xué)教學(xué)則可以為解決這些問(wèn)題提供新的途徑。本文系統(tǒng)地總結(jié)了虛擬仿真化學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為推動(dòng)虛擬仿真在化學(xué)教學(xué)中的研究和應(yīng)用提供參考。

1 虛擬仿真技術(shù)與軟件工具

在化學(xué)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)和軟件工具為學(xué)生提供了交互式和沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，可以更好地幫助學(xué)生理解和應(yīng)用化學(xué)原理。常見(jiàn)的虛擬仿真技術(shù)和軟件工具包括虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、化學(xué)模擬軟件和分子建模軟件。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以身臨其境地進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)和探索化學(xué)環(huán)境，如圖1所示。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的化學(xué)教學(xué)示意圖

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

VR 是一種以計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境為基礎(chǔ)的技術(shù)，通過(guò)頭戴式顯示設(shè)備、交互設(shè)備等，使用戶能夠與虛擬世界進(jìn)行身臨其境的互動(dòng)和探索[7]。在化學(xué)教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合了ChemVR、VR Chemical Lab 和VMD 等軟件，為學(xué)生提供了進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室和化學(xué)環(huán)境的機(jī)會(huì)[8]。學(xué)生能夠模擬實(shí)驗(yàn)室操作、可視化化學(xué)反應(yīng)和分子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀察反應(yīng)過(guò)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和軟件的應(yīng)用，不僅提供了安全、經(jīng)濟(jì)和可控的學(xué)習(xí)平臺(tái)，更深化了學(xué)生對(duì)化學(xué)原理和現(xiàn)象的理解。通過(guò)自主調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)、觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在虛擬環(huán)境中獲得真實(shí)的反饋和交互體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使用者能夠更深入地參與化學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)技能和掌握化學(xué)原理。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的途徑[9]，拓展并豐富大學(xué)化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容，提供了更具交互性和實(shí)踐性的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)術(shù)成長(zhǎng)和專業(yè)發(fā)展。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

AR是一種將計(jì)算機(jī)生成的虛擬元素與真實(shí)世界疊加的技術(shù)，旨在提供增強(qiáng)的感知體驗(yàn)。在化學(xué)教學(xué)中，可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦或AR 眼鏡等交互設(shè)備，利用化學(xué)相關(guān)的AR 應(yīng)用程序和軟件（如ChemAR、AR Chemical Lab 和ChemistryAR 等）與虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象進(jìn)行互動(dòng)[10]。AR技術(shù)提供了沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過(guò)智能設(shè)備觀察和操作虛擬分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)制和實(shí)驗(yàn)裝置，將抽象的化學(xué)概念具體化，有助于更清晰地理解分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)機(jī)制[11]。此外，AR技術(shù)還可創(chuàng)建虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或場(chǎng)景，提供模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能自由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，提高實(shí)驗(yàn)技能水平。AR技術(shù)的應(yīng)用，在化學(xué)教學(xué)中具有潛力，可為化學(xué)教學(xué)提供安全、經(jīng)濟(jì)和可控的學(xué)習(xí)平臺(tái)，并豐富教學(xué)的方法和資源。

1.3 化學(xué)模擬軟件

化學(xué)模擬軟件是一類專門用于模擬和研究化學(xué)體系的計(jì)算工具，通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)算法和數(shù)值模擬方法對(duì)分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)和物理性質(zhì)進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)[12]。在化學(xué)研究和教學(xué)中，常見(jiàn)的化學(xué)模擬軟件有Gaussian、GAMESS、VASP 和LAMMPS 等。這些軟件提供了豐富能量計(jì)算、力場(chǎng)模擬、光譜模擬、電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬等功能。利用這些軟件可以進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能量和能級(jí)計(jì)算、反應(yīng)路徑和速率預(yù)測(cè)，以及物理化學(xué)性質(zhì)和相互作用研究等。此外，化學(xué)模擬軟件還可以揭示分子和材料的微觀行為和性質(zhì)，提供直觀觀察分子的幾何形狀、穩(wěn)定性和反應(yīng)機(jī)理等重要信息，為新化合物的設(shè)計(jì)和反應(yīng)機(jī)理的研究提供指導(dǎo)。這些化學(xué)模擬軟件在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，為學(xué)生提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室外的虛擬環(huán)境，幫助他們更好地理解和應(yīng)用化學(xué)原理，促進(jìn)他們的科學(xué)探索和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[13]。

1.4 分子建模軟件

分子建模軟件是一種強(qiáng)大的工具類，是基于分子力學(xué)、量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等理論方法的計(jì)算工具，用于構(gòu)建、研究和模擬分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[14]。常見(jiàn)的分子建模軟件包括Gaussian、CHARMM、AMBER 和GROMACS 等。這些軟件可以對(duì)分子模型構(gòu)建、幾何優(yōu)化、能量、光譜和電子性質(zhì)的計(jì)算以及分子動(dòng)力學(xué)模擬等。通過(guò)分子建模軟件，學(xué)生能夠直觀地觀察到分子的幾何形狀、穩(wěn)定性、反應(yīng)機(jī)理和物理性質(zhì)等關(guān)鍵信息。在化學(xué)研究領(lǐng)域，分子建模軟件在藥物設(shè)計(jì)、分子相互作用研究和反應(yīng)機(jī)制解析等方面具有重要應(yīng)用[15]。此外，在化學(xué)教學(xué)中，分子建模軟件發(fā)揮著關(guān)鍵作用，學(xué)生可以通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)更加深入理解分析分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)方法在化學(xué)教學(xué)中顯示各具特色。VR 技術(shù)提供了沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，AR 技術(shù)增強(qiáng)了感知和互動(dòng)，化學(xué)模擬軟件提供了計(jì)算工具，而分子建模軟件則結(jié)合了理論方法和實(shí)踐應(yīng)用。這些虛擬仿真技術(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和需求來(lái)確定，多種方法的結(jié)合為學(xué)生提供了更好的學(xué)習(xí)和理解化學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，對(duì)推動(dòng)化學(xué)研究和教學(xué)發(fā)展具有重要意義。因此，在化學(xué)教育中，積極探索和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，不斷創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容和方法，將為學(xué)生提供更豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和更深入的化學(xué)理解，促進(jìn)教育的進(jìn)步和質(zhì)量的提高。

2 虛擬仿真在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在國(guó)內(nèi)已受到廣泛關(guān)注，眾多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)如雨后春筍般層出不窮。2017—2020年，教育部共公布了728 門國(guó)家示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程[16]。

南開(kāi)大學(xué)將掃描電鏡的工作原理、儀器結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法和結(jié)果分析與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了掃描電鏡虛擬仿真系統(tǒng)，解決了類似掃描電鏡的貴重精密儀器，由于成本較高，操作較為復(fù)雜所導(dǎo)致的“一機(jī)多人”教學(xué)模式，致使學(xué)生無(wú)法上機(jī)實(shí)操的弊端[17]，此外，該校運(yùn)用Unity3D 和3D Studio Max 等開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)三維立體仿真、動(dòng)畫(huà)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段，開(kāi)展了ICPOES 儀器分析的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)涵蓋了ICP-OES 儀器的構(gòu)造、工作原理、樣品前處理、儀器操作、儀器維護(hù)和儀器故障等6 個(gè)關(guān)鍵部分的教學(xué)和實(shí)踐[18]；浙江理工大學(xué)基于校園網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含身份驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)演示、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)、考核管理4 大功能模塊，比如其液相色譜虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)鼠標(biāo)操作高壓泵、梯度淋洗裝置、進(jìn)樣裝置、色譜分離柱和紫外檢測(cè)器等液相色譜的主要組成部分，系統(tǒng)完整地模擬了液相色譜實(shí)驗(yàn)操作的整個(gè)過(guò)程，學(xué)生可以通過(guò)改變流動(dòng)相中甲醇和水的比例、流動(dòng)相的流速和分離溫度等色譜分離條件，觀察色譜峰的變化，系統(tǒng)可對(duì)學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和評(píng)分，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的在線實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練[19]；陜西師范大學(xué)利用陜西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開(kāi)展了在線光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)高效催化水分解制氫氣的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)校園網(wǎng)平臺(tái)，學(xué)生可以在黑板教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，并使用騰訊會(huì)議等在線教學(xué)工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生使用手機(jī)、電腦或平板電腦，通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)自主進(jìn)行電催化劑漿料的制備、玻碳電極的處理、電催化分解水裝置的組裝、電催化產(chǎn)氫與收集等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，這種在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為學(xué)生提供了便捷靈活的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)了實(shí)踐能力和理論知識(shí)的結(jié)合[20]；同濟(jì)大學(xué)采用信息技術(shù)將虛擬、仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，包括在線連續(xù)運(yùn)行工藝真實(shí)實(shí)驗(yàn)和污水處理模擬系統(tǒng)，學(xué)生可通過(guò)參與常規(guī)實(shí)驗(yàn)、拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)過(guò)程，這種綜合實(shí)踐教學(xué)方法使學(xué)生能夠全面掌握污水處理的理論知識(shí)，并將其應(yīng)用到實(shí)際操作中，從而顯著提升了他們?cè)趯I(yè)領(lǐng)域的實(shí)際能力[21]；東北大學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體技術(shù)，構(gòu)建了化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全教育國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際布局，構(gòu)建一個(gè)高仿真度、高交互操作、全程參與式、可提供實(shí)時(shí)信息反饋與操作指導(dǎo)的場(chǎng)景，利用VR 眼鏡及手柄與虛擬實(shí)驗(yàn)室的物件進(jìn)行交互，使學(xué)生能夠在安全的環(huán)境下沉浸式的進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全教育[22]；渭南師范學(xué)院依托專業(yè)軟件和仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)了巨介電陶瓷材料的制備及性能探究的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，真實(shí)模擬了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的設(shè)備、儀器、藥品、場(chǎng)景以及精密貴重儀器的操作過(guò)程，解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的高危操作、超長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)周期和高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境等問(wèn)題，并通過(guò)線上線下結(jié)合和虛實(shí)融合的方式，增強(qiáng)學(xué)生的參與感和實(shí)踐能力，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[23]；吉林大學(xué)通過(guò)10年的努力，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于晶體模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)數(shù)字化和可視化，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了云端教學(xué)，學(xué)生僅需通過(guò)電腦、智能手機(jī)和平板電腦等硬件設(shè)備，就可查看平臺(tái)實(shí)時(shí)生成的圖形變換：多面體構(gòu)成及變形，原子的振動(dòng)及變色，晶體模型的翻轉(zhuǎn)及縮放，化學(xué)鍵的形成及解離和結(jié)構(gòu)基元及等同點(diǎn)的閃爍顯示等變換或者動(dòng)畫(huà)，充分發(fā)揮了虛擬仿真技術(shù)的趣味化、場(chǎng)地泛在性、真實(shí)場(chǎng)景強(qiáng)再現(xiàn)和教學(xué)過(guò)程高兼容的特點(diǎn)[24]。

此外，虛擬仿真技術(shù)除在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用外，還廣泛應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。環(huán)境工程作為一個(gè)新興的交叉學(xué)科，涵蓋多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，如大氣、水、土污染的控制工程，固體廢物的處理與處置以及物理性污染控制工程等[25]。這些領(lǐng)域涉及到綜合性的實(shí)驗(yàn)，例如廢氣治理實(shí)驗(yàn)和污水處理實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)一般需要大面積的場(chǎng)地、高昂的運(yùn)行維護(hù)成本和較長(zhǎng)的周期，因此開(kāi)設(shè)全面的環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)存在一定的困難[26]。為解決這一問(wèn)題，一些高校采取了虛擬仿真技術(shù)，為環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)提供了替代方案。例如，華中科技大學(xué)建設(shè)了“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境工程原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了離心水泵性能曲線測(cè)定模塊、板式換熱器傳熱系統(tǒng)測(cè)定模塊和SO2吸收效率測(cè)定模塊等代表了環(huán)境工程原理三大現(xiàn)象和過(guò)程的典型模塊的虛擬仿真[27]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)建設(shè)了生活垃圾焚燒的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以實(shí)際焚燒處理廠為原型，基于動(dòng)態(tài)仿真對(duì)生活垃圾焚燒的過(guò)程進(jìn)行模擬，再現(xiàn)垃圾焚燒從垃圾運(yùn)輸、焚燒工況到煙氣成分分析的全過(guò)程，擬通過(guò)分析煙氣成分結(jié)果，探究焚燒過(guò)程中的不足，減少固態(tài)氣態(tài)產(chǎn)物的二次污染[28]。

虛擬仿真在化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用廣泛，它提供了安全的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，探索化學(xué)原理和實(shí)驗(yàn)技巧虛擬仿真還可可視化抽象的化學(xué)概念和現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和反應(yīng)機(jī)制。此外，它提供交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生可以自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、調(diào)整參數(shù)和觀察結(jié)果。虛擬仿真補(bǔ)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，解決了資源限制和安全問(wèn)題，并提供靈活和個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式?？偠灾摂M仿真在化學(xué)教學(xué)中為學(xué)生提供了安全、互動(dòng)和可視化的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)了他們對(duì)化學(xué)原理的理解和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。此外，虛擬仿真技術(shù)在高校中的應(yīng)用越來(lái)越多，但多集中于中東部地區(qū)，83.4%的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)分布于中東部地區(qū)，西部地區(qū)占比僅為16.6%[16]，因此今后需加強(qiáng)對(duì)西部地區(qū)的虛擬仿真教學(xué)的建設(shè)和發(fā)展。

3 虛擬仿真教學(xué)的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)

化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要組成部分，同時(shí)也代表了化學(xué)化工專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的成果[29]。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠在安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)踐化學(xué)化工理論知識(shí)，并培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這種教學(xué)方法不僅提供了學(xué)生與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的體驗(yàn)，還拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促進(jìn)了理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合?；瘜W(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推廣和應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)化學(xué)化工教育的現(xiàn)代化發(fā)展，為培養(yǎng)高素質(zhì)的化學(xué)化工人才提供有力支持，為化學(xué)教學(xué)帶來(lái)了諸多便利。但在當(dāng)下仍面臨著一些挑戰(zhàn)，包括技術(shù)要求、資源投入和真實(shí)性限制等方面。首先，虛擬仿真技術(shù)通常需要特定的硬件設(shè)備和軟件支持，這對(duì)學(xué)生的設(shè)備獲取和適應(yīng)性可能帶來(lái)一定限制[30]。其次，開(kāi)發(fā)和維護(hù)虛擬仿真應(yīng)用需要一定的技術(shù)支持和資源投入，包括軟件開(kāi)發(fā)、內(nèi)容更新和技術(shù)支持等方面的成本。此外，虛擬仿真在模擬真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和反應(yīng)過(guò)程時(shí)可能存在一定的真實(shí)性限制，如材料特性和實(shí)驗(yàn)條件的模擬等。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，可以采取以下方法和未來(lái)發(fā)展方向。首先，可以進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，不斷提升虛擬仿真技術(shù)的質(zhì)量和效果，改進(jìn)用戶體驗(yàn)和真實(shí)感。通過(guò)引入更高級(jí)的圖形處理和物理模擬算法，提供更逼真的化學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和交互體驗(yàn)。其次，可以促進(jìn)資源共享和合作研究，建立共享虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)和資源的平臺(tái)，使更多學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)能夠共享先進(jìn)的虛擬仿真教學(xué)資源。通過(guò)共享資源，可以減輕單個(gè)學(xué)校的資源壓力，并提供更廣泛的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。此外，還可以加強(qiáng)師資培訓(xùn)和教學(xué)指導(dǎo)，提高教師的虛擬仿真教學(xué)能力和教學(xué)設(shè)計(jì)水平，從而更好地利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)。

未來(lái)的發(fā)展方向包括進(jìn)一步整合虛擬仿真技術(shù)與其他教學(xué)手段，如在線教育平臺(tái)和遠(yuǎn)程教學(xué)技術(shù)，提供多樣化的學(xué)習(xí)方式和場(chǎng)景。通過(guò)與在線教育平臺(tái)結(jié)合，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，然后在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行驗(yàn)證和鞏固。同時(shí)，可以加強(qiáng)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐和虛擬仿真相結(jié)合的方式，提供更全面的化學(xué)教學(xué)體驗(yàn)。學(xué)生可以先在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)際操作，加深對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和技能的理解。此外，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)一步探索虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的智能化和個(gè)性化應(yīng)用，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)支持和反饋。

綜上所述，雖然虛擬仿真在化學(xué)教學(xué)中面臨一些挑戰(zhàn)，但可以通過(guò)采取一系列措施來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，并提升虛擬仿真在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果。其中，技術(shù)改進(jìn)、資源共享和師資培訓(xùn)是關(guān)鍵的方面。通過(guò)不斷改進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，提高其性能和穩(wěn)定性，可以更好地滿足化學(xué)教學(xué)的需求。此外，資源共享是重要的，可以通過(guò)建立共享平臺(tái)，讓教師和學(xué)生分享教學(xué)資源和經(jīng)驗(yàn)，提高教學(xué)效果。另外，師資培訓(xùn)也至關(guān)重要，教師需要掌握虛擬仿真技術(shù)的操作和應(yīng)用，以便能夠有效地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。未來(lái)的發(fā)展方向包括整合不同的教學(xué)手段，如結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室，以及探索智能化應(yīng)用，如人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。通過(guò)這些努力可以進(jìn)一步提升化學(xué)教學(xué)的質(zhì)量和效果，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真化學(xué)教學(xué)在化學(xué)教育中發(fā)揮著重要作用，并具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、化學(xué)模擬軟件和分子建模軟件等技術(shù)，可以模擬真實(shí)世界中的化學(xué)情境和過(guò)程，為學(xué)生提供交互式和沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。這種教學(xué)方式豐富了實(shí)驗(yàn)空間和機(jī)會(huì)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維能力。同時(shí)，虛擬仿真化學(xué)教學(xué)還能降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)隱患，為學(xué)生提供一個(gè)自由安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。

在未來(lái)的教育中，我國(guó)的高校應(yīng)該持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。教師們應(yīng)積極探索虛擬仿真化學(xué)教學(xué)的潛力，并結(jié)合相關(guān)研究和實(shí)踐案例，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容和方法。通過(guò)充分利用虛擬仿真技術(shù)，創(chuàng)造更多元化的教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)知識(shí)和掌握實(shí)驗(yàn)技能。這將為我國(guó)的化學(xué)教學(xué)創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供更便利的學(xué)習(xí)方式，更好地培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)化學(xué)教育的發(fā)展并提高教學(xué)質(zhì)量。因此，在我國(guó)教育改革的大背景下，應(yīng)呼吁更多的高校和教師積極探索虛擬仿真化學(xué)教學(xué)的潛力，創(chuàng)建更多的化學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享的目標(biāo)。