浅谈虚拟实验室在化学上的应用

【摘要】实验教学是高校化学教学中的重要环节，近年来，随着高等教育观念的更新、手段的改进、计算机化学的兴起和化学知识的创新，使计算机模拟化学实验成为可能。借助计算机模拟手段，可以解决化学实验教学课时不足的问题，并根据具体实验操作，尽可能避免直接接触危险及有毒的化学药品，减少废弃物的排放，提高学生的环保意识，从而达到提高学习效率和教学水平的目的。
【关键词】虚拟实验室计算机模拟多媒体技术

在高等教育实现大众化的今天，由于众多主客观因素制约，国内许多高校教学质量有所下降，特别是在实践教学中，出现重视课堂理论教学，忽视成本高、难度和质量弹性都较大的实践教学。在全球竞争高度激烈的时代，市场经济对人才所具备的创新精神、实践能力的要求越来越高，如果高校所培养的学生理论基础与实践能力脱节，学生将无法立足于当前的市场经济，因此，加强高校实践教学工作是我们必须要解决的重要任务。
目前，国家已将培养适应新世纪现代化建设所需要的具有创新精神、实践能力和创业精神高素质人才列为高等教育战略工程，这种人才只有通过系列的实践教学环节才能得到有效的培养。而我校许多学科专业都属于实践性较强的应用型专业，如何将学生的创新精神和实践能力有机结合起来是我们面临的难题，下面就如何培养提高学生的实践能力谈几点自己的认识：
我校实验教学计划主要设置有无机化学、分析化学、有机化学、仪器分析以及物理化学等实验课程，实验教学分散在各门理论课程中，教学主要按照理论课讲授的内容顺序自成体系，各门实验教学课程尚未进行整合形成一个科学系统的实验教学体系，内容存在重复、脱节现象，不利于培养学生的综合能力；实验教学内容简单分散，多为一些验证性的实验，实验内容的深度和广度也不够，知识也不能及时得到更新，学生很难将化学知识和操作技能应用到工作中去解决实际问题；实验的教学手段基本上采用传统的一块黑板、一套旧式仪器设备、一本实验教材，缺乏计算机多媒体和先进仪器等现代化教学手段，教学方法主要是学生课前预习，教师重点讲解和指导，学生按实验指导书“照方抓药”，进行机械式操作，最后填写实验报告，学生缺乏独立思考和自己设计实验的能力；实验教学课时安排偏少，培养学生动手能力的实践时间不能得到充分保证。
鉴于以上事实，我们认为虚拟实验室的建设将在一定程度上解决目前存在的问题，有助于培养和巩固学生掌握实验基本理论、知识、方法、技能，培养学生发现问题和综合分析、解决问题能力以及培养学生初步的科学研究能力。其依据在于：化学虚拟实验室充分利用计算机多媒体的技术，将化学实验过程中的文、图、声像、动画各种因素有机组合在一起，把一些抽象理论、复杂结构、虚幻情景、跨越时空等因素，通过三维动画、视频图像、虚拟现实等手段形象生动地展现出来，使学生通过多种感官刺激全方位地获取丰富的信息，学生对实验过程和实验现象观察得很清楚，让学生在计算机上操作也能达到身临其境的效果，这样就可以激发学生的学习兴趣，起到良好的教学效果。
一虚拟实验室的建立有利于弥补实验课时较少的问题
化学虚拟实验室的建设，可以弥补实践教学课时不足的问题，扩大学生的信息量。实验教学是一种手脑并用的学习方式，既要动手操作又要动脑思考。但是由于实验课时的限制，往往一个实验环节需要在2～3个学时内完成，教师只能将仪器的使用和实验方法进行简要的示范和描述，一般很难有足够的时间对整个实验过程进行详细的演示，学生也没有充足的时间去思考，实验经费不足，仪器数量少，不能满足学生人人都能动手进行操作训练，学生在实验过程中难免出现各种各样的错误，导致最后得不出正确的实验结果，甚至在实验课结束后，对所做实验内容仍是一知半解。因此采用新的教学手段，引导学生的学习积极性，充分利用学校的校园网，在保证原来实验课的基础上，利用学生的课余活动时间，开通计算机网络进行虚拟模拟实验，其具体做法是：将实验内容制作为教学软件上传校园网，使学生不受时间、地点、场所的限制，打开校园网就可以进行模拟实验，这样既可以节省经费，减少环境污染，又能为后续实验奠定基础，从而提高实验教学质量，达到预期的实验目的。其次虚拟实验室的开发将知识性、趣味性融为一体，教学方法上采用启发式教学，使学生从被动学习转变成主动参与，从而有利于提高学生的综合能力，培养学生的创新意识。
二虚拟实验室的建立有利于学生加深对实验安全规范的认识
化学实验试剂大多数具有易燃、剧毒、腐蚀性，在实际操作过程中要求学生高度认真，以免失误导致事故发生。虚拟实验室的建设可以为学生提供一个虚拟的实践空间，加深对实验安全规范的认识，例如，通过虚拟实验室计算机模拟出实验中的错误操作，将水倒入浓硫酸中，液体沸腾并飞溅，并配上适当的图像、声音，从而使学生亲自感受错误操作的危险性，提醒学生避免这些错误的发生，这样就会给学生留下深刻的影响，对实验中的安全规范操作引起高度重视，降低化学实验室事故发生的概率，即使出现危急情况，学生在虚拟实验室的训练也有助于他们及时正确的处理。
三计算机模拟有利于学生复习和巩固
学生做完实验后，由于受到主客观条件的限制，一般难以再安排进行重复实验，因而实验知识往往得不到巩固。如果将实验内容设计成教学软件，学生则可以自由地选择时间和地点进行多次的模拟实验，这无疑是对实验课的一种有力补充。例如，在分析化学实验模拟电光天平的使用，利用计算机模拟可达到以下效果：
1．演示
将拆散的天平部件逐一放在正确的位置，同时采用文字和语音提示该部件的名称、用途以及使用时的注意事项等，当组装完成后，再演示称量操作的步骤。在该过程中，其动画图像清晰、逼真，语音提示可以加深学生对实验步骤的重视和理解，相比之下常规演示实验难以达到这种效果。
2．练习
给出拆散的各天平部件，让学生自己去完成组装和称量练习，每一个操作步骤都给出正确与否的判断，若错误则提示正确的操作方法。
3．巩固
给出实验器材，在没有正确提示的前提下完成所有操作，正确时给出欢快的掌声；错误时则指出其错误，同时给出提示并给予鼓励至完全正确。
4．测试
在没有任何提示的情况下完成所有操作，根据操作情况和所用时间计分，并在最后给出错误所在，因此这种计算机模拟实验模式完全可以成为课堂教学的有力补充。

四虚拟实验室的建立有利于保护环境
常规的化学实验中不可避免地要消耗大量的药品和水资源，实验过程中伴随着有毒气体、废水以及有害物质，这既污染环境，又影响实验效果，既不利于学生实验能力的培养，也不利于环境保护。因此在保证实验教学目的的前提下，对化学实验内容进行大幅度改革和调整是非常必要的，例如，在学习硫的知识中可设计成模拟实验：（1）模拟硫与氧气反应，指出生成的so2是酸雨形成的主要成分之一，若直接排放到大气中，就会产生环境污染；（2）模拟实验室中温度计摔碎后对汞的处理，在汞的表面覆盖一层硫粉，以防发生汞中毒等等，由于多媒体模拟化学实验，画面生动、逼真，特别是将反应过程慢放和重播，学生能清楚的观察实验过程和实验现象，这就大大的激发了学生的学习兴趣，学生在掌握知识的同时又可以加强环保意识，从而起到良好的教学效果。
虚拟实验室的建立突破传统实践教学模式单一的局限，学生课前进入虚拟实验室，利用多媒体虚拟操作进行前期实验准备工作，后期在实验过程中具体操作将有助于提高学生实践能力，其具体操作程序为：
1．建立虚拟实验室运行网络平台
通过建立网站教学平台，为学生营造一个完全自主的学习环境，学生可以在该环境中通过自学、模拟、回答问题等多种学习方式，在实践中得到提高。
2．化学实验演示以及模拟课件的研制
研究、开发、制作化学虚拟实验室支撑软件，管理和开发有关实验教学资源库，通过对实验教学资源的整理、存贮、加工、修改、整合以及维护等，使资源库不断完善和发展。
3．化学实验内容的整合和优化
为了使学生系统掌握化学基础学科的实验技能，培养科学素质、提高综合分析问题和开展科学研究的基本思路，看准国内外实验教学改革的趋势，加强对学生实验技能培养的系统性和连贯性，遵循教学规律和认识规律，并结合林业院校教学特点，对化学实验教学内容进行整合优化。实验教学内容结构规范为：基础实验、综合性应用实验和研究（设计）型实验等三个层次，使学生在掌握和巩固化学实验基本理论知识的基础上，提高学生的综合实践能力以及初步的科研能力。
五结束语
突破高等教育实践教学沿用的传统模式，建立化学虚拟实验室，将现代多媒体技术应用在实践教学中，并根据林业院校教学要求的特点，对化学实验内容进行整合优化，创建综合实验教学的新体系，从而培养学生综合分析问题的能力，提高学生实践能力以及培养学生初步的科研能力。但是虚拟实验室模拟技术不能完全代替学生动手做实验，更不能使学生获得化学实验基本技能，它只是提供一种手段，起到辅助教学的作用，只有将其与传统的教学手段有机地结合起来，找到一个合适的切入点，才能最大程度地发挥作用，从而达到提高实验教学效率的目的。
参考文献
［1］郑风英、李顺兴.化学实验绿色研究［j］.漳州师范学院学报，2001（3）：57～59