于永生,葛 靈,李天天,姜通武,高愛萍，井強山

(信陽師范學院 化學化工學院，河南 信陽 464000)

化工專業(yè)實踐性較強，主要依靠實驗課程來提高學生動手實踐能力和科研能力，其作用不僅驗證學生所學到的基礎(chǔ)理論知識，更重要的是通過實驗課程訓(xùn)練，培養(yǎng)學生科學的思維方式方法及嚴格且規(guī)范的操作技能，并以此提高分析和解決實際問題的能力[1]。但傳統(tǒng)高師類化工專業(yè)的實驗教學存在諸多條件的約束，如部分師范類院系缺乏實驗裝置、化學實驗藥劑易燃易爆存在安全隱患、化學反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的污染、實驗室空間不足等問題致使實驗難以進行，導(dǎo)致高師類化工專業(yè)學生缺乏實驗動手操作能力。同時，學生在進行實驗時主要依靠實驗講義和老師指導(dǎo)，按部就班進行實驗，制約了學生深入探究的學習動力，也易使學生失去對實驗的學習興趣，不利于教學活動的開展。另外，實驗室建設(shè)及設(shè)備采購需校方院系投入大量的資金和人力，限制了傳統(tǒng)實驗教學的發(fā)展。由于傳統(tǒng)實驗教學方式出現(xiàn)的問題，對實驗教學的改革創(chuàng)新也愈來愈強烈，而模擬實驗教學的概念也引起了高校的廣泛關(guān)注[2-3]。

近年來，虛擬仿真技術(shù)迅速發(fā)展，信息化、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化的教育觀念逐漸在高等院校得到發(fā)展，使高校的教育觀念、教育方式得到改變。虛擬仿真技術(shù)利用虛擬現(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)建與傳統(tǒng)實驗室相仿的虛擬教學中心，創(chuàng)建出一種新的實驗教學方法，使一些在傳統(tǒng)實驗室不能進行的成本高、危險系數(shù)高的實驗在模擬實驗室完成，同時也為大型、高成本的訓(xùn)練提供經(jīng)濟高效的虛擬實驗操作[4-5]。學生在模擬實驗室中可無限制、重復(fù)性實驗，極大的降低了財力損耗，同時也提高了學生對實驗教學學習的積極主動性，提升學生的動手操作能力、信息化應(yīng)用能力、創(chuàng)新實踐能力和新型技術(shù)的運用能力[6-7]。虛擬仿真平臺的建設(shè)，可以使學生有更多動手實踐的機會，以此來增強學生對于理論知識學習的興趣，提高學生的動手實踐能力及信息化應(yīng)用能力，增強學生創(chuàng)新實踐能力[8]。

1 高師類化工專業(yè)實驗教學的現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)高師實驗教學的弊端

高師類的化工專業(yè)實驗在教學中通常是“照方抓藥”式的教學模式，學生先預(yù)習實驗并寫預(yù)習報告，而后在老師的指導(dǎo)下進行實驗，這種教學模式極易使學生失去對于實驗的興趣，也不利于學生探究能力的提高。

(1)驗證性質(zhì)的實驗過多。高師類課程中設(shè)置的實驗多為“照搬”式的實驗，學生根據(jù)實驗講義中的操作步驟、藥劑及其用量，得出可預(yù)知的結(jié)果。這種教學模式容易使學生失去對實驗的主動探索和創(chuàng)新欲望，影響專業(yè)實驗教學效果與教學質(zhì)量的提高[9-10]。

(2)時間安排不妥。許多高師類院校的化工專業(yè)實驗多安排在大三，且開設(shè)多門實驗課程，撰寫實驗預(yù)習報告和實驗報告會占據(jù)大量時間，已成為學生負擔，部分學生會為了應(yīng)付，不認真對待報告，學習質(zhì)量難以保證[11]。

(3)實驗教學測評體系不合理。對實驗課的測試主要依據(jù)實驗課的實際操作和實驗報告來測評成績，很少使用綜合能力測評的考核方法，而平時實驗都有老師在旁邊指導(dǎo)，通過這樣的測評不能反饋學生的實驗動手操作能力。這種測評方法容易使學生產(chǎn)生錯誤的觀點，只要把實驗報告寫好，不管實驗做的怎樣，就可以得到好成績。使學生對于實驗的積極性大大降低，不利于化工專業(yè)的實驗教學[12]。

(4)缺少對學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。課程規(guī)定的實驗內(nèi)容里，依靠理論的驗證性實驗居多，而設(shè)計、探究型的實驗較少。學生根據(jù)實驗講義的內(nèi)容，按照規(guī)定的步驟、藥劑、儀器進行實驗，之后完成實驗報告。這種實驗教學方式很難激發(fā)學生對實驗的學習興趣，不利于創(chuàng)新意識的養(yǎng)成[13]。

1.2 高師化工實驗教學條件的不足

在部分師范類高校中，受師范性質(zhì)和培養(yǎng)方向的影響，化工專業(yè)的實驗教學條件與工科類院校存在不少差距。

(1)實驗設(shè)備缺少。因?qū)嶒灲?jīng)費短缺、缺少管理實驗器材方面專業(yè)人才等諸多原因，導(dǎo)致缺乏專業(yè)方面的實驗器材，使得在專業(yè)素養(yǎng)方面與工科類院校的學生存在差距。

(2)實踐機會少?；I(yè)學生實習機會少，而且實習時，學生一般都是跟著指導(dǎo)老師參觀化工生產(chǎn)裝置和工藝流程，時間較短，實習過程中不能將理論知識與大型化工生產(chǎn)有機融合，不利于學生專業(yè)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，達不到實習目的[14]。

2 化工專業(yè)虛擬仿真實驗教學

2.1 化工虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢

虛擬仿真實驗是將抽象的實驗形象化、高危險的實驗降級危險系數(shù)、成本高的實驗減少經(jīng)濟消耗、難度高的實驗變得更加簡單易上手，有利于師范院校的教學及其質(zhì)量的提升。利用虛擬仿真技術(shù)，實驗教學過程中可逐漸嘗試讓學生自主完成實驗，教師只在旁邊起輔導(dǎo)作用，以應(yīng)對學生無法處理的緊急情況，這樣有利于激發(fā)學生的自主探究興趣，是培養(yǎng)新型化工專業(yè)人才的重要輔助工具。

2.1.1 虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)實實驗室結(jié)合創(chuàng)造虛實結(jié)合的教學模式

通過虛擬仿真平臺，教師與學生之間建立聯(lián)系，一生一平臺賬號，學生通過虛擬實驗室學習原理及實驗的操作步驟及過程，老師通過賬號信息掌握學生的學習情況，虛擬實驗通過的學生方能進入實驗室完成實驗及后續(xù)的實驗報告、反思等。將虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)實實驗有機結(jié)合，為學生的主動學習創(chuàng)造機會，鍛煉學生的動手操作能力，不斷通過實踐為理論知識奠基，鞏固基礎(chǔ)知識，最終將知識完全消化吸收[15]。目前，一些關(guān)于包含實踐與理論結(jié)合的實驗教學的網(wǎng)課，被歸入“慕課”(MOOCS)三大主流機構(gòu)之一的Coursera在線學習平臺[16]。

2.1.2 使學生由之前的照搬式的學習者向創(chuàng)新者轉(zhuǎn)變

近年來，隨著高等教育體系的不斷發(fā)展，培養(yǎng)有創(chuàng)新型思維人才已成為高等教育的主要目標。國外部分高校對此已做出了改變：一是不斷完善實驗條件，并制定與實踐有關(guān)的規(guī)定，將實踐與學分結(jié)合，吸引和督促學生根據(jù)學到的理論知識、查閱資料進行創(chuàng)新設(shè)計；二是建造有利于學生自主學習、探究的環(huán)境，為學生提供先進的設(shè)備、增加開放實驗室數(shù)量；三是將創(chuàng)客空間與實驗教學有機結(jié)合，并對學生開放學習資源，讓學生養(yǎng)成獨立思考、解決問題的習慣，要求學生不能解決的問題，參考專家老師的意見，以自己的意向為主導(dǎo)，向其他專業(yè)的學生請教的方法進行創(chuàng)新研究[17]。

2.1.3 有利于實驗教學水平的提升

實驗教學是培養(yǎng)工科人才必不可少的環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力起至關(guān)重要的作用。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，建立完善的信息教育體系，并將它變成人人都能接觸和使用的學習資源，這必將是未來發(fā)展的趨勢。正如網(wǎng)課，利用互聯(lián)網(wǎng)的特性，能使每個學生在各自空閑的時間里隨時隨地的使用學習資源。與網(wǎng)課一樣，虛擬仿真實驗可為高溫、高壓、高污染、易爆炸等極端條件的實驗提供安全的實驗操作環(huán)境，而對于實驗成本高、消耗大的實驗，虛擬仿真技術(shù)也可以提供經(jīng)濟有效的實驗條件[18]。不止化工專業(yè)，對于涉及實驗的專業(yè)，該技術(shù)都將為人才培養(yǎng)和教學水平的提高提供便捷的途徑。

總而言之，在當今一切都趨于信息化的大時代背景下，合理利用先進技術(shù)，對傳統(tǒng)高校的教育教學方式進行適當?shù)母母铮瑢⒏佑欣谂囵B(yǎng)符合時代背景下的創(chuàng)新型專業(yè)人才。

2.2 化工虛擬仿真教學實驗室建設(shè)成效

利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合的教學方法正在逐步進入高校的實驗教學規(guī)劃。以下是已完成的虛擬仿真實驗室系統(tǒng)平臺建設(shè)的情況。

2.2.1 分子設(shè)計虛擬教學實驗

化學反應(yīng)的本質(zhì)是原子或原子團的重新排列，是原子或分子間的作用過程，并伴隨電子的遷移，其反應(yīng)歷程在教學過程中難以詳盡的解釋或描述。但理論計算化學可為其提供技術(shù)上的支持，可以采用量子化學解決電子參與的反應(yīng)及分子或原子之間的相互作用，而它的量子化問題可粗略不計，所以利用分子模擬便可將化學反應(yīng)中所有可能的反應(yīng)歷程及其詳細演變過程表示出來[18]。

2.2.2 化工單元操作實驗實訓(xùn)仿真平臺

涉及化工單元操作所需的實驗設(shè)備，一般都比較復(fù)雜且投資巨大，而多數(shù)師范院校的教學空間和經(jīng)費有限，不能滿足每一位學生對每個實驗的實際動手操作。虛擬仿真技術(shù)可以為此問題提供有效的解決方案，滿足實驗室的教學需求。教師可利用虛擬中心的器材，在理論教學過程中為學生演示操作過程，完成實驗步驟的操作和模擬緊急故障處理等，激發(fā)學生對化工實驗的探究興趣。若將虛擬操作與實訓(xùn)結(jié)合，更能達到加深印象的作用，“虛實結(jié)合”更利于學生對化工單元操作的自主學習[18-19]。

2.2.3 化工虛擬仿真實訓(xùn)基地

部分師范類院校由于教學經(jīng)費、課程安排等原因，使得化工專業(yè)的學生前往化工廠實習機會較少，且在有限時間的實習中，把安全培訓(xùn)和工廠參觀列為重點，缺少對化工專業(yè)最重要的操作技能的鍛煉。另外，化工廠的生產(chǎn)不同于實驗室的實驗，其生產(chǎn)規(guī)模更大、工藝流程更復(fù)雜、所用裝置更多，即使學生掌握了教學實驗，但進入化工廠后，由于缺少實際生產(chǎn)的操作技能，易造成生產(chǎn)原料的浪費、產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)、損壞生產(chǎn)裝置等問題，給化工廠造成經(jīng)濟損失，甚至引發(fā)安全事故[20]。學生在學校很難接觸到實際的化工生產(chǎn)，而建立化工虛擬仿真實訓(xùn)基地可以很好的解決這一問題。以上海應(yīng)用技術(shù)學院建造的60萬t煤制甲醇仿真工程為例，將實際工廠依照一定的比例縮小構(gòu)建，并把工廠實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)置在仿真軟件中，搭建的縮小版生產(chǎn)裝置與檢測裝置通過計算機控制系統(tǒng)實時檢測。通過虛擬實訓(xùn)基地，使學生更直觀的體會實際化工生產(chǎn)的操作流程及其與實驗室教學性質(zhì)實驗的差距；通過基本接近真實化工生產(chǎn)的培訓(xùn)，培養(yǎng)學生對實際化工生產(chǎn)的操作認知[21-22]?；ぬ摂M實訓(xùn)基地的建立，對高?；I(yè)人才的全方位培養(yǎng)能起到積極的推動作用。在師范類院校建立化工虛擬實驗室，將許多在傳統(tǒng)化學實驗室不能進行的操作變?yōu)楝F(xiàn)實，可使師范院校中化工專業(yè)學生接觸較為全面的專業(yè)教育，逐步縮小與專業(yè)工科院校的差距，結(jié)合傳統(tǒng)實驗教學的優(yōu)點，可培養(yǎng)適應(yīng)當代發(fā)展的化工專業(yè)知識基礎(chǔ)夯實的高水平創(chuàng)新應(yīng)用型人才。

3 虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題

虛擬仿真實驗教學的構(gòu)想雖對高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的學生有很大的幫助，但由于這種技術(shù)在實驗教學中的應(yīng)用時間較短，在實際教學中仍面臨著許多亟待解決的問題。

3.1 不能貫徹虛實結(jié)合的教學方法

關(guān)于虛擬仿真實驗教學問題，教育部曾明文提出，在教學過程中要將虛實結(jié)合，相互補充，能實不虛作為教學準則，不能只單純的運用數(shù)字信息化的虛擬操作，將本可以實際操作的實驗也置于虛擬平臺，在條件允許的情況下盡量讓學生實際動手實驗，增強動手操作能力，這是現(xiàn)階段虛擬仿真教學平臺應(yīng)用中存在的主要問題之一[23]。在化學實驗教學方面，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對學生實驗操作的規(guī)范性和減少實驗出錯等方面確實有一定的幫助，但實際化工生產(chǎn)受許多因素的影響，若只單純依靠虛擬實驗平臺，虛擬仿真技術(shù)在培養(yǎng)學生解決實際問題的能力方面也會有所限制。將虛擬仿真平臺與實際實驗結(jié)合，彌補傳統(tǒng)實驗室教學的不足，兩者共同作用培養(yǎng)專業(yè)人才，才是建立虛擬仿真平臺的初衷。

3.2 實驗室開放性及資源共享不足

將學校的教育教學資源共享，是高校培養(yǎng)人才的需要，同時也可以提高高校的知名度和影響力。虛擬仿真技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的虛擬仿真平臺，其作用不再局限于實驗教學，互聯(lián)網(wǎng)的開放性將學校優(yōu)質(zhì)的資源共享，帶動教育事業(yè)的發(fā)展也是高校應(yīng)盡的義務(wù)。目前，許多優(yōu)質(zhì)的資源掌握在個別教師或者某些院系，其他人要用時，需要經(jīng)過繁雜的流程，造成時間和資源的極大浪費[24]。為促進教育事業(yè)的發(fā)展，各院系、高校之間應(yīng)盡量資源共享、相互借鑒，共同努力探索適應(yīng)教育發(fā)展的共享模式。

3.3 缺少虛擬仿真技術(shù)方面的專業(yè)教師及管理團隊

虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建與發(fā)展需要專業(yè)的團隊管理。無論是實驗教學、設(shè)備管理還是共享平臺的管理，都需要有關(guān)虛擬仿真技術(shù)的專業(yè)團隊。但現(xiàn)在的應(yīng)用狀態(tài)下，虛擬仿真實驗教學的師資力量和設(shè)備的管理人員都嚴重短缺，難以滿足教學計劃的目標。對年輕教師進行培訓(xùn)，引入有關(guān)計算機、互聯(lián)網(wǎng)方面的新型人才，用以充斥實驗室的教師資源與管理團隊，來共同完成教學的發(fā)展目標。

除了以上主要問題，已運行的虛擬仿真平臺還存在一些其他的問題，如針對性不強、缺少資金的投入、管理制度不完善、實驗項目少等問題。這些問題對虛擬仿真實驗教學的應(yīng)用效果有一定的負面影響，也會阻礙學生對該技術(shù)的使用效果，不利于學校的發(fā)展。及時處理這些問題，與虛擬仿真技術(shù)不斷地磨合，結(jié)合傳統(tǒng)實驗室教學，創(chuàng)造出一種適應(yīng)學校教育和學生有效學習的新教學方法。

4 虛擬仿真實驗教學改革及發(fā)展策略

虛擬仿真技術(shù)在實驗教學中的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)實驗教學中出現(xiàn)的問題，在高校培養(yǎng)人才中起到了不可忽略的作用。但由于資金、管理團隊、教育體系等方面的原因，虛擬仿真平臺在運用過程中也出現(xiàn)了許多問題。這些暴露的問題使學生在實驗時不能有很好的體驗效果，不利于教學目標的實現(xiàn)及對學生的培養(yǎng)。解決出現(xiàn)的這些問題是虛擬仿真平臺當前最緊要的任務(wù)。

4.1 逐步完善虛擬仿真實驗中心的管理機制

從整體來說，在制定管理機制時，學校擁有整體控制權(quán)，但各學院、專業(yè)也要有一定的自主權(quán)。設(shè)備管理、人員組織、教學人員、平臺管理人員各盡其責，相互協(xié)助，完善管理機制。各實驗室的實驗時間、設(shè)備安排要統(tǒng)籌規(guī)劃，完成有限設(shè)備的協(xié)調(diào)和共享，進而實現(xiàn)設(shè)備資源利用最大化。

4.2 根據(jù)專業(yè)特點設(shè)計虛擬實驗教學

在實際教學過程中，應(yīng)用虛擬仿真平臺教學時應(yīng)結(jié)合學生專業(yè)特點，根據(jù)學科、專業(yè)以后可能出現(xiàn)的工作環(huán)境來設(shè)計符合教學目標的實驗內(nèi)容，加強專業(yè)的知識指導(dǎo)與交流[25-26]。這樣的教學環(huán)境可以提高學生的專業(yè)技能，將理論知識與實際結(jié)合帶入日常學習中，有利于學生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，對認知水平及社會工作適應(yīng)能力亦有一定幫助，提高學生的綜合能力。

4.3 加強教師與管理團隊的師資力量建設(shè)

為保證虛擬仿真實驗的教學質(zhì)量，要求教師具備教學水平與新技術(shù)的運用能力。部分建立虛擬仿真平臺的院校，其師資隊伍缺少專業(yè)虛擬仿真平臺管理團隊，補充新的技術(shù)專業(yè)人才刻不容緩?？蛇x拔年輕骨干教師進行培訓(xùn)，亦可根據(jù)教學需要，引入不同能力、不同技術(shù)特點的高學歷人才，來補充教學、管理隊伍，以帶動整個實驗團隊各方面能力與素質(zhì)的提升。實驗室教師與管理團隊資源的強大，才能確保實驗室保質(zhì)保量的完成教學目標計劃。

4.4 與傳統(tǒng)實驗室教學相結(jié)合

對學生來說，虛擬平臺的虛擬操作缺少現(xiàn)場操作的真實體驗，掌握知識的實際效果不如傳統(tǒng)實驗室的現(xiàn)場操作更加印象深刻。在運用虛擬仿真平臺進行實驗教學時，應(yīng)盡量做到虛實結(jié)合、能實不虛的原則。條件允許的情況下，能在實驗室中進行的實驗，可先在虛擬平臺上練習，而后在實驗室中進行實際操作，這樣能使學生對實驗操作的掌握有更深的印象，同時減少實驗時的錯誤，能應(yīng)對實驗中突發(fā)情況。對于高危險、高成本的實驗可讓學生在平臺上反復(fù)練習，以達到實驗理想效果。在實際教學過程中，將虛擬仿真平臺與傳統(tǒng)實驗室教學相結(jié)合，更有利于實驗教學進行，有利于學生專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)與提升。

4.5 建立虛擬仿真教學新體系

教學過程中在完成規(guī)定教學目標前提下，將理論知識教學適當較少、壓縮，增加實驗課程所占的比例，將虛擬實驗設(shè)置一定個數(shù)的學分，鼓勵學生積極參與虛擬實驗室的操作。這樣的課程安排與之前相比，多出來的實驗課程能培養(yǎng)學生的自主學習能力和實驗動手操作能力，通過反復(fù)的實驗操作可進一步加深對理論知識的理解和運用。同時按照創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，刪除過時課程，將新增實驗按照基礎(chǔ)實驗、探究實驗、專題研究等加入課程規(guī)劃[27-28]，以重視培養(yǎng)動手創(chuàng)新為目標，整合課程體系，突出化工專業(yè)特點，確保實驗教學新體系的科學性、完整性。

4.6 加大資金投入，設(shè)立專項基金

部分師范院校對虛擬仿真平臺的建設(shè)投入欠缺，無法滿足平臺建設(shè)的需求?；谔摂M仿真實驗對學生綜合能力提升的積極作用，校方需加大對虛擬仿真平臺建設(shè)的投入，積極促進虛擬仿真平臺的運用。另外，學院可設(shè)立專項基金，用于設(shè)備的維護和更新，對有研究成果的教師和學生進行獎勵，以激勵教師和學生積極參與創(chuàng)新實驗。

5 結(jié)語

虛擬仿真實驗平臺的引入，解決了傳統(tǒng)實驗室教學設(shè)備不足、教學時間空間受限、高危險性、高成本等現(xiàn)實問題，為學生提供理論與實際結(jié)合運用的機會，同時在規(guī)范學生的操作步驟和提高學生的動手操作能力、整體教學水平的提高都起到舉足輕重的作用。采用將虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗室教學緊密結(jié)合，以實為主、虛實結(jié)合的教學方法，共同提高學生的動手操作能力和創(chuàng)新實踐能力，推動高校教育質(zhì)量穩(wěn)步提高。另外，院校在建設(shè)與改革時應(yīng)加強與企業(yè)的合作，從態(tài)度上提高對虛擬仿真教學資源建設(shè)的重視，加大經(jīng)費投入，加強與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，開放對外資源共享，建設(shè)具有師范院校特色的虛擬仿真平臺。隨著改革建設(shè)工作的不斷深入，將來的發(fā)展還會出現(xiàn)許多其他問題，需要我們在實踐中不斷加以完善改正。