化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)探討

時(shí)間:2022-05-13 08:57:43

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化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真技術(shù)探討

摘要:實(shí)驗(yàn)在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)中處于非常重要的地位,但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有許多弊端,嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。將虛擬仿真技術(shù)引入到應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可有效地解決限制化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的諸多因素,建立起傳統(tǒng)方式和現(xiàn)代技術(shù)并存的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),應(yīng)遵從虛實(shí)結(jié)合的原則,設(shè)計(jì)多層次循序漸進(jìn)的虛擬仿真課程并強(qiáng)化師資培訓(xùn),以期為社會(huì)提供優(yōu)秀的應(yīng)用化學(xué)人才。

關(guān)鍵詞:虛擬仿真;應(yīng)用化學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)在高等學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)中處于非常重要的地位,具有直觀和操作性的特點(diǎn),是學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力的主要途徑。應(yīng)用化學(xué)作為一門介于化學(xué)和化工之間的獨(dú)立學(xué)科,所培養(yǎng)的人才需要具備化學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論、基本技能以及相關(guān)的工程技術(shù)知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技能[1]??梢哉f(shuō),實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿整個(gè)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的本科學(xué)習(xí)階段。但是一些實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、條件、資源、設(shè)備和時(shí)間等諸多原因的限制很難開展,嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)成效,使得教學(xué)質(zhì)量面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。信息技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)教學(xué)方式的變革提供了基礎(chǔ),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的廣泛開展為強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)、改善教學(xué)質(zhì)量提供了重要保障。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過(guò)程中,一個(gè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境被搭建起來(lái),師生可以將聽覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)等感知的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境融入到課堂中,這為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提供了全新的思維模式[2-3]。

1應(yīng)用化專業(yè)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足

應(yīng)用化學(xué)是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè),實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該專業(yè)的重要組成部分,對(duì)學(xué)生的實(shí)踐技巧與能力有著直接的影響,一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到很多因素的影響,導(dǎo)致本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展不順利。

1.1實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)安全及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程有一些特有的問(wèn)題,譬如“苯丙乳液的制備”實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),影響學(xué)生積極性,實(shí)驗(yàn)效果也成問(wèn)題;“703固化劑的合成”、“十二烷基硫酸鈉的合成”等實(shí)驗(yàn)中要用到甲醛、氯磺酸等有毒刺激性試劑,這些實(shí)驗(yàn)需要通風(fēng)設(shè)備完好,師生防護(hù)措施到位,否則會(huì)影響師生的健康。此外,實(shí)驗(yàn)中用到的酸、堿和有機(jī)溶劑等不可避免的地有部分排放掉,會(huì)腐蝕下水管道,污染水源,通常很難妥善處理。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足,難以滿足教學(xué)需要

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)所需的儀器比較多,由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制,設(shè)備不足,一些儀器老舊功能不全或者根本不能使用;學(xué)生人數(shù)過(guò)多,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地不足,導(dǎo)致同一實(shí)驗(yàn)重復(fù)教學(xué),增加了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗幾率和維護(hù)難度。并且,學(xué)生很難有充足的課程時(shí)間來(lái)理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和熟悉實(shí)驗(yàn)操作,只能憑借老師的講述對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行想象,缺乏實(shí)際動(dòng)手經(jīng)驗(yàn),造成實(shí)驗(yàn)課走過(guò)場(chǎng)的現(xiàn)象,降低了老師的教學(xué)熱情和學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望,嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。此外,為了解決儀器的不足,老師不得不設(shè)計(jì)同質(zhì)的實(shí)驗(yàn)課程。而受經(jīng)費(fèi)緊張等因素影響,實(shí)驗(yàn)課程中訓(xùn)練科技前沿技能的實(shí)踐內(nèi)容偏少,開發(fā)和開展新實(shí)驗(yàn)存在客觀困難。

1.3傳統(tǒng)授課模式缺乏互動(dòng),影響教學(xué)質(zhì)量

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的教學(xué)模式是任課老師首先講解實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn),然后由學(xué)生自主操作完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生接受知識(shí)的能力不同,所掌握的基礎(chǔ)知識(shí)程度也有差異,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必然有學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)或操作存在疑惑,有的學(xué)生會(huì)主動(dòng)向老師請(qǐng)教討論,但更多的學(xué)生是在“只知其然,不知其所以然”的情形下按部就班完成實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察沒(méi)有目的性,對(duì)出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏預(yù)見性,很多學(xué)生在對(duì)實(shí)驗(yàn)還存在疑問(wèn)的情況下就離開了實(shí)驗(yàn)室,使得實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果不明顯,不利于專業(yè)人才的培養(yǎng)。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)可以搭建出一個(gè)既真實(shí)又虛擬的環(huán)境,學(xué)生在仿真的環(huán)境下學(xué)習(xí)會(huì)有新鮮感和愉悅感,能夠迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài),讓學(xué)生更快更好地掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作技能,提高了學(xué)習(xí)效率。

2.1拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)綜合運(yùn)用交互式多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代科技,打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制,借助于虛擬仿真平臺(tái),師生之間可以進(jìn)行及時(shí)和有效的溝通。在有互聯(lián)網(wǎng)的情況下,仿真實(shí)驗(yàn)可以在線上進(jìn)行,不受實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的限制,對(duì)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)也沒(méi)有要求,改善和彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因教學(xué)條件不具備而做不好或做不到的情況,解決實(shí)驗(yàn)安全,降低環(huán)境污染,同時(shí)將前沿的應(yīng)用化學(xué)科學(xué)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)中,確保應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性。

2.2改革傳統(tǒng)教學(xué)模式

利用虛擬仿真技術(shù),實(shí)驗(yàn)教學(xué)就可以轉(zhuǎn)換成老師設(shè)計(jì)指導(dǎo),學(xué)生自主完成的過(guò)程,學(xué)生可以根據(jù)自己所學(xué)知識(shí),改變各種物料配方的配比,通過(guò)觀察和產(chǎn)品最終性質(zhì)的差異,驗(yàn)證自己的假設(shè),加深知識(shí)的鞏固程度,充分體現(xiàn)了應(yīng)用化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用型特質(zhì)。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生不自覺(jué)完成了思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的程序,通過(guò)反復(fù)操作,理解實(shí)驗(yàn)原理的本質(zhì),并提高分析能力和解決能力。與傳統(tǒng)教學(xué)相比,虛擬仿真技術(shù)改變了被動(dòng)獲取知識(shí)的模式,學(xué)生更加主動(dòng),提高了創(chuàng)造力。

2.3減少消耗、降低經(jīng)費(fèi)

在傳統(tǒng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中,由于場(chǎng)地限制和儀器數(shù)量不足,學(xué)生需要分批次做同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,此外,學(xué)生由于操作問(wèn)題,造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想,需要重復(fù)實(shí)驗(yàn),這些都不可避免地造成試劑浪費(fèi)和儀器損壞的現(xiàn)象。采用虛擬仿真技術(shù),學(xué)生在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,解決了儀器損壞和試劑浪費(fèi)的問(wèn)題。隨著應(yīng)用化學(xué)的快速發(fā)展,常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)明顯落伍,實(shí)驗(yàn)課程要趕上科技的進(jìn)步,就需要配套購(gòu)置價(jià)格不菲的高精尖儀器設(shè)備,而通過(guò)虛擬仿真技術(shù)則可以避免這種情況,學(xué)生可以在虛擬情景下操作前沿的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,教學(xué)質(zhì)量提高了,實(shí)驗(yàn)消耗則減少了。

3虛擬仿真應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)思路

當(dāng)前,現(xiàn)代信息技術(shù)與高校教學(xué)的整合力度不斷加大,國(guó)內(nèi)很多高等院校都相繼開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的便利程度,但仍需改進(jìn)構(gòu)建的方式方法,以便摸索出適合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

3.1虛實(shí)結(jié)合原則

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際操作,這樣會(huì)失去傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感。應(yīng)用化學(xué)本身是一門強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的學(xué)科,因此,應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先應(yīng)以實(shí)際操作為基礎(chǔ),虛擬仿真技術(shù)做補(bǔ)充,切忌本末倒置。在條件允許的情況下盡量使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件滿足不了教學(xué)時(shí),適當(dāng)引入虛擬仿真教學(xué)平臺(tái),做到以虛補(bǔ)實(shí),虛實(shí)結(jié)合[7]。

3.2實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)

構(gòu)建三個(gè)層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K,分別為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[8]?;A(chǔ)實(shí)驗(yàn)層次要讓學(xué)生了解應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)背景、基本操作技能以及實(shí)驗(yàn)安全知識(shí);綜合性實(shí)驗(yàn)要讓學(xué)生掌握專業(yè)的實(shí)驗(yàn)操作技能,逐步解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題以及有目的性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)用以開拓學(xué)生視野,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí),提高其創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

3.3師資力量的培訓(xùn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)由學(xué)校和相關(guān)企業(yè)共同合作開發(fā)和維護(hù),然而,大多數(shù)任課老師可能不懂虛擬仿真技術(shù),也不會(huì)操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。因此,為了更好地開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程,應(yīng)該對(duì)任課老師進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)和相關(guān)信息技術(shù)的培訓(xùn),以利于提高虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的使用效率和教學(xué)質(zhì)量。

4結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真技術(shù)引入到應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可有效地解決限制化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的諸多因素,建立起傳統(tǒng)方式和現(xiàn)代技術(shù)并存的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)時(shí),應(yīng)遵從虛實(shí)結(jié)合的原則,設(shè)計(jì)多層次循序漸進(jìn)的虛擬仿真課程并強(qiáng)化師資培訓(xùn)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以創(chuàng)新并改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,還能夠豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,最終提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,為社會(huì)提供優(yōu)秀的應(yīng)用化學(xué)人才。

參考文獻(xiàn)

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作者:聶俊琦 單位:湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院