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[摘要]物理化學實驗作為化學類專業學生必修實驗課程之一，旨在通過實驗操作加深學生對理論知識點的理解和應用，是各大高校開設較早的實驗課程之一。本文針對傳統物理化學實驗教學過程中存在的問題，探討了虛擬仿真實驗在物理化學實驗課程中的應用。
[關鍵詞]虛擬仿真實驗；物理化學實驗；教學改革
物理化學實驗是化學類專業基礎實驗之一，通常與物理化學理論課程一同開設，是各個大學開設較早的實驗課程，通過實驗可使學生加深對物理化學理論知識的理解、熟悉實驗儀器并掌握近現代物理化學實驗技術。
1物理化學實驗
目前各本科院校開設的實驗中多以驗證性實驗為主，如環己烷-異丙醇二元液系相圖的繪制，而綜合性實驗項目開設較少，實驗項目的設置與人才培養目標有一定差距。物理化學實驗教學沿用“教師講授-學生實驗-撰寫實驗報告”傳統實驗教學模式，前期學生自主預習效果不佳，實驗教學內容單一容易導致教學過程流程化，教師的引導性不足，整體教學效果有待提高。同時，物理化學實驗開設的項目多為3至4人共用一套實驗設備(部分院校為1至2人)，導致部分同學在實驗中袖手旁觀或者只能負責其中一部分操作，實驗結束后學生對于實驗原理的了解度不足，操作較少，這與實驗類課程設定的教學目標不符。
2虛擬仿真實驗
在教師的教學過程中運用多媒體已是常態，在集中學生注意力、豐富課堂內容和強化教學效果等方面起到了重要作用。對于實驗教學而言，在實驗過程中引入多媒體可強化實驗前預習效果，提高數據處理效率和實驗教學效果[1]。美國弗吉尼亞大學WilliamWolf于1989年提出了虛擬實驗室這一概念，虛擬實驗室是除理論與實驗之外的第3種設計手段和形式[2]。借助圖形圖像、動畫和虛擬現實等技術，虛擬仿真實驗可構建虛擬的實驗環境和實驗操作過程，進而可部分或全部代替傳統實驗的各個環節[3]。國內部分高校在虛擬實驗技術方面投入了大量資源，已建設一批虛擬仿真實驗中心，如廈門大學2004年成立虛擬現實實驗室，在機械專業采用虛擬現實、人機交互等信息化手段進行實驗教學，成立了虛擬現實技術研究室，致力于研究虛擬仿真實驗教學技術；集美大學2006年成立物理實驗中心和基礎物理虛擬仿真實驗教學中心，先后開發了預習輔導系統、虛擬仿真教學系統、仿真實驗預習系統等系統，并且于2004年開始實行基礎物理實驗開放式教學管理。近幾年國家大力發展虛擬仿真技術，在《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》中明確指出，以“學生中心、產出導向、持續改進”為原則，國家將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設。教育部早在2015年遴選了常州大學、揚州大學、浙江大學和東南大學等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，于2018年批準認定了首批105個國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目，涵蓋了生物科學類、機械類、電子信息類和交通運輸類等學科類別。
3虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的應用
3.1提高預習效果
利用仿真軟件，學生可在課前練習實驗操作步驟并熟悉實驗流程，通過模擬可有效提高學生的實驗成功率[4]。在實驗動手操作前，教師利用虛擬仿真實驗平臺布置課前預習作業，實現預習質量在線監控，當絕大部分學生的預習效果達到預期后再開設實際操作部分，利用此方法可有效提高實驗前預習效果，對實驗操作復雜且用時較長的實驗項目還可以提高實驗效率。
3.2提升設計能力
物理化學實驗綜合性項目開設較少，學生沿著既定的儀器設備并按照已設計好的操作步驟完成實驗，對學生思考能力和綜合實驗設計能力的提升效果并不明顯。虛擬仿真實驗的優點之一是操作自由度較高，利用虛擬仿真實驗平臺，教師根據教學內容擬定實驗題目，學生根據實驗目的在仿真平臺的一系列儀器中選擇合適儀器，自主設計實驗步驟并開展虛擬實驗，記錄實驗數據并根據實驗結果分析是否達到實驗目的，該方法可提高學生實驗設計能力，同時設計得到的實驗項目又可替換已有的實驗項目。
3.3綠色環保安全
物理化學實驗利用現代科學儀器測得對應實驗數據，在實驗中會產生一定量的固體廢棄物或液體廢液，對環境造成了污染。近幾年來，綠色化學的理念在高校實驗教學中常被提及，通過多種方法有效促進化學實驗室的綠色化建設，盡量做到零污染和零排放[5]。在虛擬仿真實驗過程中，學生所用藥品為虛擬藥品，學生只需要通過點擊實現藥品的取用，實驗過程中藥品零投入，實驗全程無污染，既實現了實驗過程綠色化和無毒無害化，同時學生不與試劑實物接觸，可提高實驗安全性。
3.4強化教學效果
學生在課后難以進一步鞏固教學效果是傳統實驗教學方法的不足之處，實驗過后學生在撰寫實驗報告時要求描述實驗現象、處理分析實驗數據并進行總結，對于實驗整個過程的全程再次回顧難以實現，而通過虛擬仿真實驗技術可有效解決此難題，將虛擬仿真實驗平臺在線開放，學生可在宿舍重新復習實驗內容，對于不熟悉部分可以重新虛擬操作加強理解，強化實驗教學效果。
3.5改革考核模式
傳統物理化學實驗往往采用筆試或者選取部分實驗項目對學生進行考核，而利用虛擬仿真實驗技術，教師可選定虛擬實驗項目在機房進行測試，學生按照要求獨自完成虛擬實驗操作，該方法不受實驗室條件限制，如采用在線考試系統甚至可不受時間限制，學生只需要在指定時間段內完成隨機實驗項目的考核即可。
4結語
隨著虛擬仿真實驗技術的發展和國家虛擬仿真實驗教學項目的推廣，虛擬仿真實驗將在高校實驗教學改革中扮演重要角色。在實驗教學過程中，作為主導者的教師可將虛擬仿真實驗作為教學輔助工具之一，把虛擬實驗和真實操作有機結合，通過線上虛擬、線下動手和課后鞏固可有效提高學生的實驗能力。
參考文獻
[1]安鋒利．多媒體技術輔助物理化學實驗教學的探究[J]．信息技術與應用，2016(9)：41-42．
[2]李亮亮，趙玉珍，李正操，等．材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J]．實驗技術與管理，2014，31(2)：5-8．
[3]張艷娟，田福平，賈翠英，等．引入虛擬實驗及多媒體技術，促進高等物理化學實驗綠色化[J]．廣東化工，2016，43(17)：211．
[4]邱會華，周鵬．虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的作用[J]．山東化工，2016，45：132-133．
[5]汪秀，王宏偉，方皓文．淺談綠色化學理念在高等化學教育中的融入[J]．山東農業工程學院學報，2018，35(6)：183-184.
作者:謝波 趙錕 單位:遵義師范學院
