前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的虛擬仿真化學實驗教學軟件設計淺析，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
[摘要]為解決化學目前化學實驗虛擬仿真軟件單一演示性的不足，更好的啟發學生在仿真實驗操作中有更多的思考和創新，實現虛擬仿真化學實驗的自由操作，激發學習興趣，推進仿真軟件的創新發展，開發多通道邏輯判斷的智慧型虛擬仿真化學實驗教學軟件，使用化學實驗仿真教學軟件可設置實驗條件參數，實現不同條件不同結果的智慧仿真，探索化學實驗仿真教學軟件發展的新方向。
[關鍵詞]仿真；化學實驗；教學軟件；設計；智慧型
在COVID-19疫情的背景下組織網絡課程教學，新穎的教學方式，教學內容豐富，教學素材更新迅捷，課堂組織形式也靈活多變，網課受到師生接受并喜歡，也催生了一大批優質的網絡課程資源。相對于理論課而言，實踐類課程資源建設速度慢、周期長，而且無法讓學生親自動手操作，體驗感和參與度相對于理論網絡課程要弱一些，如何創新實踐類網絡課程發展的問題顯得格外突出。
1化學實驗虛擬教學軟件的作用和現狀
化學實驗教學虛擬仿真軟件，在突破實驗時空限制、微觀過程可視化、開闊學生視野、共享教學資源、輔助教學過程等方面起到了重要的作用[1-3]，在實驗教學改革和創新上具有重要的意義，從上世紀九十年代發展至今，取得不少的成果。目前常見的化學實驗教學虛擬仿真軟件多屬于演示型，存在著操作流程化、內容演示化和步驟預制化的不足在流媒體空前高度發展的當下顯得尤為突出，值得在化學實驗教學改革中思考和創新。事實上，很多化學實驗中操作步驟并無必然的先后邏輯順序，如果在仿真實驗中被強行規定了先后順序，反而使得實驗操作失去了操作彈性顯得刻板；過多過細的步驟提示和操作指引在方便學生操作的同時，卻“剝奪”了學生開動腦筋的機會；無論參數如何設置，過程怎樣多變，最終仿真操作只有一種實驗結果，背離了化學實驗的實際過程，以上傳統“非智慧型”化學實驗虛擬仿真軟件存在的種種問題，在培養學生的實驗思考、創新能力等方面都有著很大的局限性，學生在實驗學習中沒有了思考的空間自然就沒有了學習興趣，使得虛擬仿真教學的意義和效果都打了折扣，改進虛擬仿真實驗設計很有必要，值得探究。
2存在問題的解決辦法
針對化學實驗虛擬軟件存在的問題，在設計仿真實驗的時候融入多通道的邏輯思維，設計的虛擬實驗具有多通道的實驗路徑，能模擬實驗中各種可能性，開發具有“智慧”的化學實驗虛擬仿真軟件，在軟件中增加真正的參數設置功能和智能實時評分系統，搭建實驗流程數學模型大幅提升軟件的交互能力，結合云計算技術和網絡技術[4]，構建全新的智慧型虛擬仿真化學實驗教學軟件，解決目前演示性仿真軟件的弊端，要著眼于多方面：
2.1變仿真軟件的單一演示性為多通道的邏輯判斷
摒棄現有的單一性邏輯流程化的虛擬化學實驗軟件，建立多發通道邏輯判斷的智能型化學實驗軟件，并在過程中對學生的操作進行記錄、判斷，并根據學生的不同操作產生不同的實驗結果，在實驗報告反饋學生，并對這個實驗結果給出合理的解釋。體現仿真實驗軟件的智慧，啟發學生在實驗中思考，反饋學生實驗過程中的操作，激發學生仿真實驗興趣和探索，讓化學實驗仿真軟件像真正的實驗室一樣可以自由思考、操作。
2.2數據共享
建立與學校數據中心技術標準一直的課程數據庫，利用數據中心交換實驗課程所對應的數據，學生信息與學籍管理系統對接，考試成績與教務系統對接，讓實驗教學管理過程有跡可循、記錄完整、準確規范，避免信息孤島。
2.3模塊化發展
虛擬仿真課程教學平臺涉及很多課程及不同的教學項目，做好規劃、模塊發展很重要，在統一的技術標準下，不斷完善更新課程教學內容，后期建設中做到事半功倍、持續發展。
3智慧型仿真化學實驗教學軟件實例
以氫氧化鈉溶液的配制和標定實驗為例，實驗過程表述為：將玻璃儀器洗凈，用電子臺秤稱取NaOH0.4g放于250mL燒杯中，用100mL量筒量取蒸餾水100mL，加到燒杯中，用玻璃棒攪拌，溶解形成無色均一透明的溶液。用20mL的移液管移取0.1025mol/L的鹽酸溶液至250mL的錐形瓶，在錐形瓶中滴加酚酞指示劑2滴，將配制好的0.1mol/LNaOH溶液裝入無色滴定管中，滴定至錐形瓶中呈前紅色半分鐘不褪色，讀數并記錄，平行滴定三次，清洗儀器，整理桌面，計算實驗結果[5]。所用的儀器和試劑包括：儀器：通用型滴定管(無色，25mL)、移液管(20mL)、錐形瓶(250mL)、量筒(100mL)、洗耳球、燒杯(50mL)、燒杯(250mL)、電子臺秤(500g，d=0.01g)、玻璃棒、小藥匙、洗瓶(300mL)、廢液缸(500mL)、廢紙簍(1000mL)試劑：自來水、蒸餾水、NaOH(固體，AR)、HCl(0.1025mol/L)、酚酞指示劑(5%)材料：吸水紙條、稱量紙
3.1根據實驗內容和所用儀器，我們將氫氧化鈉溶液的配制和標定實驗過程分解設計成16個大步驟：
(1)燒杯、錐形瓶、量筒的洗滌。(2)移液管的洗滌。(3)滴定管的檢漏。(4)滴定管的洗滌。(5)玻璃棒、小藥匙洗滌。(6)NaOH的稱量。(7)NaOH溶液的配制。(8)小燒杯(50mL)的潤洗。(9)移液管的潤洗。(10)將HCl標準溶液移至錐形瓶中。(11)潤洗滴定管。(12)將NaOH溶液裝入滴定管。(13)加指示劑。(14)滴定。(15)清洗各玻璃儀器及整理實驗臺面。(16)實驗結果計算。結合實驗操作中的實際操作，實驗從(1)、(2)、(5)、(8)步開始均符合實驗要求，按可以允許的各操作步驟的先后順序，列出16個大步驟之間的順邏輯關系如圖1。氫氧化鈉溶液的配制和標定實驗過程邏輯關系示意圖簡要說明：①向下的箭頭表示操作從。②箭頭表示步驟之間可以從上一步到下一步③(1)~(15)執行完畢，NaOH溶液的配置與滴定練習實驗結束④如果未執行(1)、(2)、(3)、(5)，實驗報告提示該儀器沒有清洗；⑤如果未執行(4)，實驗報告提示滴定管沒有檢漏；⑥如果未執行(8)、(9)、(11)，實驗報告提示該儀器沒有潤洗；
3.2將大的步驟分解成小的實驗步驟，再以氫氧化鈉溶液的配制和標定實驗分解的第6步“NaOH的稱量”為例，我們將其分解成19小步：
(1)按電子臺秤的電源鍵，接通電源，顯示0.00g(2)拿起稱量紙(3)將稱量紙放在電子臺秤托盤上，顯示質量m1g(4)按電子臺秤的“T”鍵調零點，顯示0.00g(5)拿起NaOH試劑瓶(6)打開NaOH試劑瓶蓋(7)拿起小鑰匙(8)用小鑰匙取用NaOH試劑瓶中固體(9)將小鑰匙中的NaOH試劑放到稱量紙上，顯示質量為mxg(10)判斷mX的大小(11)用小鑰匙從稱量紙上取少量NaOH試劑，臺秤顯示質量為mxg(12)將小鑰匙上的NaOH試劑放回廢液缸(13)蓋上NaOH試劑瓶蓋(14)放回小鑰匙(15)取用一個250mL干凈的燒杯(16)從電子臺秤上將稱好的試劑連稱量紙拿起來(17)將稱量紙上的試劑完全倒入燒杯(18)將稱量紙放入廢紙簍(19)按電子臺秤上的電源鍵，關閉電源系統認可正確的邏輯關系可以是多通道的，實驗從(1)、(2)、(5)、(6)、(7)、(15)小步開始均符合實驗要求，按可以允許的各操作步驟的先后順序，列出19個小步驟之間的順邏輯關系如圖2。NaOH的稱量小步驟操作順序邏輯關系示意圖簡要說明：①向下箭頭表示操作從這一小步驟開始均可②箭頭方向表示可以從上一步到下一步③(1)~(10)、(13)~(20)執行完畢，NaOH的稱量步驟完成；④如果未執行(4)，實驗報告提示稱量實際質量m=mx-m1；⑤如果未執行(8)，實驗報告提示沒有稱量NaOH試劑；⑥如果未執行(17)，實驗報告提示稱量的NaOH試劑沒有放入小燒杯；⑦當觸發了(1)、(8)、(9)、(17)中任意三條，視為進入了稱量NaOH試劑步驟。我們構建仿真實驗過程時，先設定每個小步驟中間的關鍵操作，根據學生的操作來判斷并記錄實驗過程處在那個小的步驟中，然后根據學生操作情況判斷并記錄小步驟的完成程度；同理，我們根據大的步驟之間的邏輯關系，來判斷并記錄整個實驗的完成情況。這樣我們采用雙層邏輯關系的判斷，來讓軟件仿真實驗的過程，讓學生有“隨心所欲”的實驗操作體驗。
3.3條件實驗，引入實驗誤差參數
學生的操作是否符合操作的規范；根據學生是否完成這個小的操作步驟來判斷在整個實驗中是否會產生影響，并將可能產生的影響在實驗結果中體現出來。比如實驗中，移液管沒有洗滌、就直接移取溶液，會對實驗結果產生多大的影響？移液管沒有潤洗對是實驗結果產生多大的影響？潤洗移液管時，溶液用量不足或者潤洗的次數不夠又會對實驗結果產生多的大影響？都要通過條件實驗來總結規律，并將規律引入的實驗的邏輯判斷，在學生出現相關情況時，將這種影響在實驗結果中體現出來，并通過實驗報告的形式反饋給實驗者，這樣讓我們的實驗很“智能”，達到智慧型虛擬仿真化學實驗的目標。以移液管的潤洗為例，我們設計了不同潤洗液用量，考察20mL移液管用不同體積鹽酸溶液潤洗對實驗的影響，使用鹽酸標準溶液濃度為0.1021mol/L、氫氧化鈉標準溶液濃度為0.1090mol/L，以酚酞為指示劑，用鹽酸標定氫氧化鈉溶液，終點為淺紅色半分鐘不褪色。室溫25℃時，滴定管裝氫氧化鈉標準溶液前充分潤洗三次，20mL的移液管用0mL、1.0mL、3.0mL、5.0mL、7.0mL、9.0mL鹽酸標準溶液潤洗三次，然后準確移取鹽酸標準溶液20.00mL至錐形瓶中，滴入酚酞指示劑2滴，搖勻，用氫氧化鈉溶液滴定至溶液顏色變為淺粉色且在空氣中30s不褪色，記錄消耗氫氧化鈉的溶液體積，平行測定三次，計算氫氧化鈉溶液濃度(CNaOH)、濃度偏差(d%)和相對平均偏差(Rd%)所得數據見表1。從表1可以看出：隨著潤洗液體積的增加，滴定消耗氫氧化鈉標準溶液的體積趨于穩定，當潤洗液體積為5mL時，|d%|＜0.2%，Rd%＜0.2%，達到實驗允許的合理誤差范圍；當潤洗液體積為0mL、1.0mL、3.0mL時，也就是移液管不潤洗或者潤洗溶液量偏少，不能充分潤洗到移液管內壁，導致移液管內壁有蒸餾水殘留，移取的鹽酸溶液偏小，消耗氫氧化鈉溶液體積偏小，濃度偏大，偏差也較大和相對平均偏差都偏大；當潤洗溶液體積為7.0mL、9.0mL時，實驗數據符合誤差要求。從上面的數據分析，發現潤洗20mL移液管時，取鹽酸溶液量約5.0mL，已能充分潤洗移液管了，實驗結果達到實驗誤差要求，潤洗液體積偏少時，潤洗不充分，實驗誤差也大，潤洗溶液體積繼續增加，對實驗結果已不在有影響，還會造成試劑浪費和環境污染。依據我們的預設條件實驗的數據，我們在設計成仿真實驗程序的時候引入因潤洗液用量引起的誤差邏輯判斷，這樣就可以“真實”的還原實驗操作對實驗結果的影響，并在實驗報告中反饋給學生，提醒在移液管潤洗時要注意潤洗液用量的問題。
4小結
針對演示型的虛擬仿真化學實驗軟件存在操作流程化、內容演示化和步驟預制化的缺憾，我們采用多通道邏輯判斷構建仿真化學實驗軟件，相當于在仿真軟件中引入至智慧，學生通過身臨其境的操作，可以自由設計完成實驗任務。通過多通道邏輯判斷，可以確定學生實驗完成情況，并將實驗情況都反饋在輸出的實驗報告中，對實驗過程中出現的問題給與指正，讓學生在虛擬實驗中有思考、有設計、有問題、有結論、有反饋，做到人機交互，激發學生的學習興趣，體現仿真軟件的智慧。在設計軟件的過程中，設計條件實驗驗證不同的操作，將產生的實驗誤差引入到實驗模擬中，建立合理多通道邏輯引入到實驗過程判斷中是設計成功的關鍵所在。這種充滿智慧的化學仿真實驗軟件目前還在探索建設中，值得進一步努力探究。
參考文獻
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[2]王軍鋒，費菲，聶迎春，等．COVID-19疫情下虛擬仿真化學實驗開放教學模式探究和實踐[J]．高教學刊，2020(5)：30-33．
[3]劉瓊，何潔凝，關冠恒，等．虛擬仿真實驗室對教學的作用研究[J]．中國教育學刊．2015(S2)：318-319．
[4]楊中秋，于三三，王愛文，等．基于云技術的虛擬仿真實驗教學平臺設計[J]．實驗室科學，2020，23(5)：70-74．
[5]戴靜波，田宗明．基礎化學實訓[M]．北京：化學工業出版社，2019．
作者:田宗明 秦永華 毛燕 單位:浙江藥科職業大學基礎學院
