孫二軍，趙 侖，唐艷茹

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

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高校虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)思考

孫二軍，趙 侖，唐艷茹

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

隨著信息技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，虛擬仿真實驗教學(xué)成為實驗教學(xué)的重要組成部分。虛擬仿真實驗教學(xué)可以實現(xiàn)化學(xué)專業(yè)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。本文介紹了長春師范大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀，分析了建設(shè)中存在的問題，并對中心將來的發(fā)展建設(shè)提出了規(guī)劃和思考。

虛擬仿真；實驗教學(xué)中心；化學(xué)；信息技術(shù)

長春師范大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心自成立以來，高度重視實踐教學(xué)，逐步形成了實踐教學(xué)與理論教學(xué)協(xié)同培養(yǎng)高素質(zhì)人才和創(chuàng)新人才的先進實驗教學(xué)理念；不斷將最新科研成果轉(zhuǎn)化為綜合性、設(shè)計性與創(chuàng)新性實驗，有效提高學(xué)生的實踐能力，促進學(xué)生多樣化成才；以中青年教師為骨干，重視人才的引進和培養(yǎng)，已經(jīng)形成一支結(jié)構(gòu)趨于合理，具有豐富教學(xué)經(jīng)驗、較強科研能力的實驗教學(xué)團隊。2009年，長春師范大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心通過吉林省教育廳和財政廳驗收，被評為“吉林省化學(xué)實驗教學(xué)示范中心”。2014年申報國家級實驗教學(xué)示范中心，在吉林省的評比中取得了優(yōu)異的成績，在全省參評的實驗教學(xué)中心中排名第四。

根據(jù)國家教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知要求，2015年計劃遴選產(chǎn)生100個左右國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[1]。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[2]。虛擬仿真實驗教學(xué)中心重點開展資源、平臺、隊伍和制度等方面的建設(shè)，形成持續(xù)服務(wù)實驗教學(xué)、保證優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源開放共享的有機整體。雖然我院在化學(xué)實驗教學(xué)方面取得了很大的進展，有很多成功的經(jīng)驗，但在虛擬仿真實驗教學(xué)中作還很欠缺。因此，本文著力探討長春師范大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中存在的問題，并提出一些建議。

1 建設(shè)化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的意義

虛擬仿真實驗是現(xiàn)代教育的一種新興輔助技術(shù)虛擬實驗教學(xué)方式，可以利用圖形、動畫、視頻等計算機手段，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到提高實驗技能的目的。

1.1 虛擬仿真實驗教學(xué)中心是實驗教學(xué)中心的組成部分

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》都指出信息技術(shù)對教育發(fā)展具有重要影響，要建設(shè)具有中國特色的教育信息體系，加快推進教育信息[3-4]。

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，因此，國家教育部高等教育司在2013、2014、2015年先后發(fā)文，要求開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)。截至2016年4月，已建設(shè)300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。教育部同時大力推進國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)，經(jīng)多年努力，國家級實驗教學(xué)示范中心已逐漸形成規(guī)模。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心與實驗教學(xué)中心的建設(shè)并不矛盾?！督逃哭k公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高廳函[2015]24號文件)明確指出：“虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容?！碧摂M仿真實驗教學(xué)是教育信息化在實驗教學(xué)中的體現(xiàn)，虛擬仿真實驗與專業(yè)實驗密切結(jié)合，為實驗教學(xué)提供了重要補充，為實驗教學(xué)改革提供了新的方向[1]。因此，我們在抓好實驗教學(xué)中心建設(shè)的同時，要重點抓好虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作。

1.2 虛擬仿真實驗在化學(xué)實驗中的廣泛應(yīng)用

眾所周知，化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)是化學(xué)教學(xué)中最重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以教師講解、學(xué)生動手操作為主，這樣可以鍛煉學(xué)生的實驗技能。虛擬仿真實驗與真實實驗并不矛盾，實驗室的操作實驗?zāi)軌蝈憻拰W(xué)生的動手操作能力，提高學(xué)生的實驗技能，這樣的真實實驗不應(yīng)該減少，反而應(yīng)該加強。虛擬仿真實驗教學(xué)更側(cè)重的是實驗室里不容易進行的實驗教學(xué)[5]。

1.2.1 儀器分析實驗

在學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析課程時，要進行大量的儀器分析實驗。由于條件所限，很多學(xué)校不可能購置所有昂貴的儀器分析設(shè)備；有些儀器比較貴重、精密，例如熒光光譜儀、紅外光譜儀，教師比較擔(dān)心初學(xué)者會損壞儀器。在以往的儀器分析實驗中，由于儀器數(shù)量少，每次實驗7～8名學(xué)生為一組。有的學(xué)生對大型儀器的使用缺少經(jīng)驗和訓(xùn)練，在使用時畏手畏腳，因而每次實驗往往都是由少數(shù)動手能力強的同學(xué)操作，其他同學(xué)記錄數(shù)據(jù)或是在旁邊觀望，達不到鍛煉的效果[6]；還有些學(xué)生對儀器掌握不熟練，容易誤操作而損壞儀器。使用大型儀器的虛擬仿真實驗教學(xué)就能比較好地解決這個問題，學(xué)生利用虛擬仿真軟件就能夠?qū)W習(xí)儀器操作，且不必擔(dān)心對儀器造成損壞。對于已經(jīng)具備的大型精密儀器，筆者建議學(xué)生先進行虛擬實驗操作，了解具體的儀器構(gòu)造和使用方法，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，等到能夠真正掌握儀器操作技術(shù)，再到真實的儀器上操作，這樣才能取得更好的學(xué)習(xí)效果。

1.2.2 化工原理實驗

化工原理是化學(xué)工程、化學(xué)工藝、生物工程和食品工程等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，化工原理實驗是理論教學(xué)的重要輔助內(nèi)容和補充。在傳統(tǒng)的化工實驗中，由于設(shè)備、空間限制等因素影響，學(xué)生常常不能獨立操作，在得不到理想的實驗結(jié)果后也難以重復(fù)實驗?；ぬ摂M仿真實驗可以讓學(xué)生有足夠的時間在仿真設(shè)備上操作，減輕對大型、昂貴設(shè)備的損壞[7]。通過3D交互操作，實驗者能親手做實驗，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，驗證公式原理，真正做到虛擬現(xiàn)實、人機交互[8]。很多化工實驗需要學(xué)生到工廠實際考察實習(xí)，如合成氨、硫酸等生產(chǎn)過程等，然而化工企業(yè)危險性高，經(jīng)常會發(fā)生一些安全事故，因此無論是學(xué)校還是企業(yè)都非常擔(dān)心學(xué)生實習(xí)時出現(xiàn)問題。因此，學(xué)生到工廠實習(xí)的機會減少，即使能到工廠實習(xí)，也是以參觀為主，很難有機會進行實際操作。我們利用虛擬仿真軟件，采用3D技術(shù)模擬真實的工廠環(huán)境，進行交互式模擬實訓(xùn)，所有步驟都逼真地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。學(xué)生親身操作，從而達到工廠實習(xí)的目的。

1.2.3 有機化學(xué)實驗和無機化學(xué)實驗

部分有機化學(xué)實驗和無機化學(xué)實驗需要使用易燃、易爆藥品，如氫氣的制備、乙醚的蒸餾實驗等。大一和大二的學(xué)生實驗技能欠缺，動手能力差，一旦發(fā)生錯誤會給心理帶來較大的影響，甚至在以后的實驗中不敢進行操作。在蒸餾乙醚的實驗中，乙醚氣體難以避免地揮發(fā)到空氣中，對師生身體健康影響很大。在蒸餾過程中，一旦有學(xué)生違反實驗規(guī)程，很有可能發(fā)生乙醚燃燒、爆炸事故，十分危險。這類實驗建議運用仿真實驗方式，減少危險性；或者先利用虛擬實驗，熟悉實驗過程和實驗中的注意事項，再進行真實實驗。另外，在有機和無機實驗中也會經(jīng)常用到毒性較大的藥品和試劑，如有機溶劑苯胺、硝基苯、苯等，這類藥品容易通過呼吸系統(tǒng)和皮膚接觸而進入體內(nèi)，給身體健康帶來影響。還有一些藥品污染嚴(yán)重，實驗結(jié)束后不易處理，如含鉻電鍍液的分析，汞、鉛重金屬性質(zhì)等，這些實驗不符合綠色化學(xué)發(fā)展趨勢，對環(huán)境污染嚴(yán)重[9]。因此，這樣的實驗最好改為虛擬仿真實驗，以盡可能減少污染和毒性，保護環(huán)境。

1.2.4 物理化學(xué)實驗

傳統(tǒng)的物理化學(xué)實驗教學(xué)中也存在一些不足，可以用虛擬仿真實驗進行補充。物理化學(xué)實驗原理往往比較復(fù)雜，學(xué)生預(yù)習(xí)難度大，教師在有限的時間內(nèi)很難把原理講透徹，如果學(xué)生只是按照教材重復(fù)實驗，沒有認(rèn)真思考、融會貫通，就難以達到教學(xué)效果。另外由于實驗條件限制，儀器數(shù)量少，部分學(xué)生會失去動手操作的機會。計算機虛擬物理化學(xué)實驗可以起到很好的補充作用，學(xué)生借助視頻或動畫可以直觀了解各種操作過程、儀器使用情況，如金屬相圖實驗、燃燒熱實驗等。虛擬實驗練習(xí)可以幫助學(xué)生了解實驗?zāi)康摹⒃砑皟x器使用的注意事項，更好地進行實驗。

綜上所述，利用虛擬仿真技術(shù)會為傳統(tǒng)實驗教學(xué)帶來很大幫助，彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，更具備時間上的靈活性，調(diào)動學(xué)生積極性，解決以往實驗中想做不能做、想做不敢做等難題。

2 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)現(xiàn)狀

化學(xué)學(xué)院對虛擬仿真實驗教學(xué)的認(rèn)識是有一個漸進過程的。之前，我們對虛擬仿真實驗的認(rèn)識不足，沒有認(rèn)識到高等教育信息化建設(shè)對實驗教學(xué)的重大改變和影響。隨著學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師對教育信息化認(rèn)識的不斷深入，通過對兄弟院校的虛擬仿真實驗教學(xué)中心參觀學(xué)習(xí)，逐步對虛擬仿真實驗加深了認(rèn)識和了解，從而加快了化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的步伐。

2013年，為了解決化工實驗中存在的部分實驗難以開展的問題，我們首先購置了合成氨工藝仿真軟件和硫磺制硫酸工藝仿真軟件，并配置了電腦，在化工實驗中率先引入了虛擬仿真實驗，解決了去化工工廠實習(xí)難、沒有辦法實際操作的難題，取得了較好的實驗效果。

2015年，學(xué)院與北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司合作，開發(fā)了化學(xué)實驗虛擬仿真培訓(xùn)平臺。該平臺構(gòu)建了基礎(chǔ)化學(xué)實驗基本教學(xué)資源體系，包括了無機化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗和大型儀器分析實驗等。該平臺適合學(xué)院一級的在線學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，集資源瀏覽、在線仿真、虛擬實驗、理論學(xué)習(xí)于一體。教師對已有的教學(xué)資源(軟件、視頻、2D或3D動畫、課件、文檔)進行整合，分配使用權(quán)限，通過組織仿真考試和理論考試，將已有的資源和課程相結(jié)合，使學(xué)生系統(tǒng)理論地進行專業(yè)學(xué)習(xí)。教師通過在線監(jiān)控和在線答疑，可實時掌握各種資源的使用情況并進行在線輔導(dǎo)。學(xué)生通過該平臺可與教師互動、與同學(xué)分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗、做課程筆記、提交實驗報告、參加考試，真正做到隨時隨地學(xué)習(xí)。結(jié)合學(xué)校的教務(wù)網(wǎng)、和實驗室管理系統(tǒng)，教師和學(xué)生可方便地開展資源共享、仿真操作、虛擬實驗等教學(xué)工作。

根據(jù)學(xué)院經(jīng)費情況及實驗需求，我們初步選擇了以下虛擬仿真實驗，包括：有機化學(xué)3D虛擬仿真實驗：乙酰乙酸乙酯的制備、苯甲酸的制備、安息香及其氧化重排產(chǎn)物合成及表征；無機化學(xué)3D虛擬仿真實驗：[CoCl(NH3)5]Cl2的制備、水合反應(yīng)速率及活化能的測試；物理化學(xué)3D虛擬仿真實驗：純液體的飽和蒸汽壓的測定；分析化學(xué)3D虛擬仿真實驗：石灰石中鈣含量的測定；大型儀器仿真軟件：X射線多晶衍射仿真軟件(德國布魯克AXS D8 ADVANCE)等。其他實驗內(nèi)容將在以后的虛擬仿真實驗中心建設(shè)中逐漸增加。

3 化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)建議

3.1 建設(shè)開發(fā)體系

完善現(xiàn)有的實驗平臺，增加實驗數(shù)量和種類，形成多層次的實驗教學(xué)體系。首先，在今后的建設(shè)中，要逐步加大基礎(chǔ)化學(xué)實驗的數(shù)量，特別是大型分析儀器實驗和化工實驗，解決基礎(chǔ)化學(xué)實驗中想做不能做、想做不敢做的實驗。其次，要適當(dāng)增加探究性的綜合性實驗以及開放性實驗。綜合實驗和開放實驗?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生實驗?zāi)芰?，但在實驗開設(shè)過程中，存在實驗內(nèi)容單一、實驗條件有限等問題。虛擬仿真綜合實驗和開放實驗的開設(shè)，可以豐富實驗內(nèi)容，增強學(xué)生的實驗?zāi)芰?。再次，適當(dāng)增加與科研相關(guān)的綜合性虛擬仿真實驗的開設(shè)。根據(jù)學(xué)院科研特色，開設(shè)一些與教師科研相關(guān)的、具有一定特色的虛擬實驗，如中藥中有效成分含量測定實驗、金屬卟啉配合物合成及液晶性質(zhì)研究等。

3.2 建設(shè)共享體系

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)需要大量的資金、設(shè)備、人員、軟件、硬件等，因此中心建成后不能只是作為一個學(xué)院使用，而應(yīng)該得到更廣泛的應(yīng)用。虛擬仿真實驗教學(xué)的核心精神在于共享[10]。中心首先要成為學(xué)校多學(xué)科、多專業(yè)的共享平臺，除了化學(xué)專業(yè)，學(xué)校其他開設(shè)化學(xué)課程的專業(yè)都可以共享這個平臺的實驗資源。其次，中心可以與實習(xí)基地建立一定的聯(lián)系，如與吉林出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心、長春市環(huán)境監(jiān)測站、吉林省固廢處理中心、吉林省職業(yè)病防治院等企事業(yè)單位建立穩(wěn)定的合作關(guān)系，共同開發(fā)一些具有實踐性的實驗教學(xué)軟件并共享成果。最后，中心可以與吉林省內(nèi)各大高校、科研院所合作，互通有無，避免重復(fù)建設(shè)。

3.3 建設(shè)管理和保障體系

規(guī)范管理，完善各項制度。我們在吉林省化學(xué)實驗教學(xué)示范中心建設(shè)過程中，已經(jīng)取得了一定經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上，將繼續(xù)制訂和各項管理制度，確保實驗中心工作順利開展。

培養(yǎng)、引進優(yōu)秀人才，加大師資建設(shè)?；瘜W(xué)學(xué)院教師學(xué)歷層次高、教學(xué)經(jīng)驗豐富、科研能力較強，這是我們在師資上的優(yōu)勢；同時也存在不足之處，就是既懂專業(yè)知識又懂網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合性人才較少。我們今后要加強這方面人才，尤其是青年教師的培養(yǎng)和引進工作，對年紀(jì)較大的教師也要進行一定的培訓(xùn)，使其能夠勝任虛擬仿真實驗的教學(xué)工作。

加大投入，保障中心運行?；瘜W(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心還處于起步階段，各項條件還不完備，如教學(xué)場地、實驗數(shù)目、平臺建設(shè)、師資等還需要學(xué)校加大投入，確?；瘜W(xué)實驗教學(xué)及開放管理等得到有效的保障。同時，我們要申報各類專項基金、重點學(xué)科，利用學(xué)科經(jīng)費加強實驗中心的建設(shè)。

[1]教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].(2015-06-04)[2015-08-12].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/201506/t20150618 190671.html.

[2]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013(1):5-8.

[3]教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)[EB/OL].(2012-03-13)[2015-07-23].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk 133322.html.

[4]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[EB/OL].(2010-07-29)[2015-08-02].http://www.moe.gov.cn/s78/A05/cws_left/s7495/s7496/201308/t20130805_155119.html.

[5]王曉迪.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J].實驗技術(shù)與管理,2014(8):9-11.

[6]白雁,張娟,潘瑾,等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(12):169-171,174.

[7]宋建爭,李建軍,張永強.化工虛擬仿真實驗教學(xué)探索與實踐[J].教學(xué)研究職工,2014(3):107-109.

[8]高曉新,馬江權(quán),徐淑玲.3D化工仿真在生產(chǎn)實習(xí)中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué),2013(4):168-170.

[9]孫長霞.“虛擬實驗室”在高等院?；瘜W(xué)基礎(chǔ)課程中的作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2012(34):16942-16943.

[10]鐘宏,韓響玲,劉有才,等.礦冶工程化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心“四位一體”建設(shè)模式的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(9):10-13.

2016-05-09

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目“近紅外吸收的細菌卟啉光敏劑與抗癌化學(xué)藥物分子結(jié)合的研究”(20130101134JC)。

孫二軍(1974- )，男，副教授，博士，從事卟啉功能材料研究。

TP391.9

A

2095-7602(2016)08-0121-04