茹婷婷　石瑩巖　初學(xué)峰（吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部，吉林長(zhǎng)春130118）

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基于高校虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究若干問(wèn)題的建議*

茹婷婷石瑩巖初學(xué)峰
（吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部，吉林長(zhǎng)春130118）

摘要：文章闡述了虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本概念，重點(diǎn)分析了高校虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)勢(shì)，分析了其與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的差異性，并針對(duì)高校虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提出了若干建議。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬技術(shù)

Abstract:This paper describes the basic concepts of virtual chemistry experiment，analyzes the advantages and disadvantages of the virtual chemistry experiment in university，and puts forward some suggestions for the studies of virtual experiment.

Keywords:virtual experiment；chemical experiment teaching；virtual technology

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)在高等院校教學(xué)中的地位不斷提高，其所具有的優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)。通過(guò)虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，可以生動(dòng)形象地展現(xiàn)出化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的沉浸感、安全性，超時(shí)空性。

一、虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的概念

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起的模擬現(xiàn)實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)稱為化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，在化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中可以進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬制造［1-3］。它是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。它是美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)教授威廉·沃爾夫于1989年首次提出的“無(wú)墻的研究中心”［4，5］。他提出基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是將多種工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化相綜合的集成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使其具有傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的特點(diǎn)［6］。如具有較強(qiáng)的沉浸感和超時(shí)空性、安全性；實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)容量無(wú)限和實(shí)驗(yàn)的零損耗；實(shí)驗(yàn)技能自動(dòng)測(cè)評(píng)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化等。

二、高校虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

由于受到時(shí)間和空間的限制，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)形式不靈活，主要表現(xiàn)為以下兩方面：一方面，實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放時(shí)間是固定的，使實(shí)驗(yàn)室的使用率較低，不利于學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)資源；另一方面，要在同一實(shí)驗(yàn)室完成所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的順利完成不利。虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)特定網(wǎng)站，用虛擬儀器代替真實(shí)儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在此過(guò)程中能夠進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，并按特定過(guò)程完成實(shí)驗(yàn)，從而獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣不僅能夠提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享，解決實(shí)驗(yàn)室的時(shí)空限制。虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（一）安全性高

虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以有效避免由于實(shí)驗(yàn)操作失誤而引發(fā)的各種危險(xiǎn)。對(duì)于一些危險(xiǎn)或者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠產(chǎn)生有害物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，通常都會(huì)利用多媒體展示來(lái)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生不能直接參與實(shí)驗(yàn)，也不能獲得直觀的感性認(rèn)識(shí)，不利于學(xué)生興趣的培養(yǎng)。而利用虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就可以讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，去體驗(yàn)具有毒性、破壞性的實(shí)驗(yàn)，還可以設(shè)計(jì)綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)。

（二）實(shí)驗(yàn)容量無(wú)限和實(shí)驗(yàn)的零損耗

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制條件比較多，如經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、試劑等制約，而隨著虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，學(xué)生只需利用可上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)入網(wǎng)上虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室便可以隨意選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不會(huì)受到時(shí)間、空間和其他條件的限制。學(xué)生在進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)操作后再進(jìn)入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)，可以減少操作失誤，提高實(shí)驗(yàn)成功率，有效減少化學(xué)藥品的損耗，提高實(shí)驗(yàn)效率。

（三）實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化

在進(jìn)行虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)改變各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)進(jìn)行形象化操作或自然操作，有效控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。操作者輸入的參數(shù)不同或操作行為不同，在虛擬環(huán)境中會(huì)直觀的顯示不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣有利于學(xué)習(xí)者進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析比較和深入思考，提高科學(xué)探究能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

三、高校虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較

（一）實(shí)驗(yàn)元件與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)元件的差異

在虛擬實(shí)驗(yàn)中，仿真實(shí)驗(yàn)在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有的電子元器件都是理想狀態(tài)的，而在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際的電子元器件受到制造材料、體積大小以及外觀差異的影響都很大，元器件在不同工作條件下參數(shù)的差異性、元器件老化參數(shù)的離散性等因素在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中是必須要考慮的。因此，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生對(duì)真實(shí)元器件的認(rèn)識(shí)不夠，并且缺乏相關(guān)的知識(shí)積累，會(huì)導(dǎo)致其在以后的實(shí)際工作中產(chǎn)生不利影響。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)儀器和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的差異

與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)智能化程度較高。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范時(shí)，會(huì)有提示窗口彈出，指出實(shí)驗(yàn)操作中存在的錯(cuò)誤。而在傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求學(xué)生必須先規(guī)范熟練掌握各實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，然后才能開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果學(xué)生只在虛擬實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)，而不學(xué)會(huì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)儀器的使用，可能會(huì)直接導(dǎo)致學(xué)生離開(kāi)虛擬實(shí)驗(yàn)室將不能夠正確使用各種實(shí)驗(yàn)儀器，不利于以后進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和操作。

四、高等院校虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的若干建議

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合

虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)各有優(yōu)勢(shì)，不能將二者對(duì)立起來(lái)，也不能使虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)完全替代傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該將兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更好的發(fā)揮各自的作用。例如，在比較復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、模擬實(shí)驗(yàn)，如果得到合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，在回到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題，再進(jìn)行分析和討論。這樣既能夠縮短實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程，還能夠有效的提高實(shí)驗(yàn)效率。

（二）虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自我完善

虛擬實(shí)驗(yàn)的最大問(wèn)題就是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性較差，針對(duì)這一缺點(diǎn)在建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中要特別注意提高其實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的真實(shí)性，可以使網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和沉浸虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)［7，8］有效結(jié)合起來(lái)，這樣不僅可以使試驗(yàn)者與虛擬仿真環(huán)境全面接觸與體會(huì)，還能夠有身臨其境的感覺(jué)。在硬件方面為了使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更逼真，交互仿真界面以及虛擬儀器更加智能化，可以改用性能更高的處理器，提高顯示器的分辨率，安裝容量大的硬盤(pán)及存儲(chǔ)器，更新的軟件。這些配置與傳統(tǒng)儀器相比較，在圖像顯示、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)方面有較大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以增加虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的功能，還能夠在數(shù)據(jù)處理，圖像分析等方面顯示出更大的優(yōu)勢(shì)。

（三）多元化的實(shí)驗(yàn)技能自動(dòng)測(cè)評(píng)

對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能測(cè)評(píng)方式可將傳統(tǒng)的測(cè)評(píng)方式與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效結(jié)合，形成多元化的測(cè)評(píng)方式。最常見(jiàn)的測(cè)評(píng)方式有紙筆測(cè)驗(yàn)法、實(shí)驗(yàn)報(bào)告法和表現(xiàn)性評(píng)定法，但是這些測(cè)評(píng)方法具有很大的局限性，并不能對(duì)學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)和考察。因此，采用這些傳統(tǒng)的測(cè)評(píng)方式與虛擬實(shí)驗(yàn)中的錄制與回放技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每步操作進(jìn)行對(duì)照分析，將錯(cuò)誤的操作篩選出來(lái)，這樣不但能使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自我完善、及時(shí)改正不正確以及不規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，還能夠提高實(shí)驗(yàn)的成功率，極大地增強(qiáng)學(xué)生的自信心。這種多元化的測(cè)評(píng)方式，能夠有效避免部分學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)抄襲，解決實(shí)驗(yàn)技能測(cè)評(píng)中只重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而輕實(shí)驗(yàn)過(guò)程的局限性。

（四）虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享

目前，虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展并不完善，其分布式、協(xié)作式實(shí)驗(yàn)功能還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)。大部分院校的虛擬實(shí)驗(yàn)室規(guī)模還比較小，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還是一種輔助教學(xué)方式，并沒(méi)有完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，因此，相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)教育資源具有很大的局限性。并且，如果每個(gè)高校的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室都開(kāi)發(fā)自己的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，還會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)該將多個(gè)學(xué)院、多個(gè)小型局域網(wǎng)或多個(gè)學(xué)校的校園網(wǎng)等進(jìn)行教育資源整合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)高校之間協(xié)作研究的實(shí)驗(yàn)室。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其顯著的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力將會(huì)得到越來(lái)越多的教育工作者的青睞。但是，要使其在高等學(xué)校教學(xué)中充分發(fā)揮其輔助教學(xué)作用，在應(yīng)用虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，必須要注意與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合，兩者相輔相成，在我國(guó)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮重要作用的同時(shí)，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的深刻改革。

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中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）12-0054-02

*基金項(xiàng)目：吉林省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（編號(hào)：GH150336）；吉林省高教學(xué)會(huì)高教科研課題2015年度立項(xiàng)課題“基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的工科院校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)適應(yīng)性研究與實(shí)踐”（編號(hào)：JGJX2015D115）成果。

作者簡(jiǎn)介：茹婷婷（1985-），女，漢族，吉林省長(zhǎng)春市人，碩士研究生，吉林建筑大學(xué)講師，研究方向：有機(jī)化學(xué)。