遠程教學(xué)物理化學(xué)虛擬仿真實驗應(yīng)用
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摘要:物理化學(xué)實驗不僅可以幫助學(xué)生直觀地理解理論知識，還能使學(xué)生提高動手操作能力及分析解決問題的綜合能力。傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗存在學(xué)生預(yù)習(xí)效果不佳、實驗過程指導(dǎo)難度大、成本高等缺點。尤其在COVID－19疫情期間，傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗難以開展，學(xué)生實驗教學(xué)的問題也更加突出。而虛擬仿真實驗正是解決疫情期間理工科學(xué)生難以完成實驗難題的“鑰匙”。本文詳細闡述了傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗課程的不足之處，探討了虛擬仿真實驗的優(yōu)勢及其應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:物理化學(xué)實驗;虛擬仿真技術(shù);遠程教學(xué);教學(xué)改革
物理化學(xué)以大量物理學(xué)的理論成果和實驗技術(shù)，探索、研究化學(xué)的基本規(guī)律和理論，是無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)四大化學(xué)中理論最深的一門課程。另外，由于物理化學(xué)涉及大量從宏觀到微觀與性質(zhì)的關(guān)系規(guī)律、化學(xué)過程機理及其控制的研究等抽象內(nèi)容［1］，所以它也是四大化學(xué)中最難理解的一門理論課程。物理化學(xué)實驗課使學(xué)生通過具體的實驗現(xiàn)象和過程，更加直觀地理解理論知識，同時還能使學(xué)生通過親手操作實驗的，學(xué)習(xí)儀器的操作方法、提高動手操作能力及結(jié)合理論知識分析解決問題的綜合能力。
1傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗教學(xué)的不足
傳統(tǒng)“教師講授理論－指導(dǎo)學(xué)生做實驗－撰寫實驗報告”的教學(xué)方法存在許多不足之處:(1)預(yù)習(xí)效果不佳對于學(xué)生而言，實驗所用儀器陌生，光靠書本預(yù)習(xí)印象不深刻，很難掌握儀器的使用方法。(2)實驗過程指導(dǎo)難度大傳統(tǒng)實驗課程大多是一個教師指導(dǎo)十組左右學(xué)生實驗，實驗過程中教師很難同時顧及到每位學(xué)生，學(xué)生在自己操作實驗的過程中很容易出現(xiàn)錯誤操作，導(dǎo)致實驗失敗或發(fā)生危險。(3)學(xué)生參與度低傳統(tǒng)實驗課基本是多個學(xué)生共同使用一套實驗設(shè)備，實驗過程中每個同學(xué)都不能參與全部的實驗操作，甚至部分學(xué)生全程只是旁觀實驗，致使學(xué)生動手能力得不到充分鍛煉。(4)成本高物理化學(xué)實驗所需儀器設(shè)備多，學(xué)生頻繁操作和錯誤操作加快設(shè)備老化，維護成本增加。(5)教學(xué)效果不理想由于實驗課的時間限制，教師一般更注重實驗操作的講解，學(xué)生只是按照所教實驗步驟簡單重復(fù)，并沒有進行深入思考;另外實驗過程一般只做一遍，不能重復(fù)，學(xué)生印象不夠深刻，對實驗原理的了解不夠充分，不能滿足物理化學(xué)實驗課程教學(xué)目標的要求。
虛擬仿真實驗教學(xué)被譽為是具有跨時代意義的課程。顧名思義，其就是依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成一個逼真、具有視、聽、觸等感知的“虛擬實驗室”。學(xué)生可以在虛擬空間里完成遠程無法操作的復(fù)雜實驗，體驗真實實驗室里難以實現(xiàn)的高危險性和破壞性實驗，從而提高教學(xué)效果［2］。相較于傳統(tǒng)實驗課程，虛擬仿真實驗具有如下優(yōu)勢。(1)綠色安全傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗所用到的試劑毒性和腐蝕性等還比較溫和，但也具有一定的毒性、腐蝕性和易燃易爆性等，對儀器和人員造成一定的安全隱患。而且傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗過程中也會產(chǎn)生一定量的有害物質(zhì)(廢氣、廢液等)，污染環(huán)境。而虛擬仿真實驗中用到的所有試劑都是虛擬的，實驗過程不會產(chǎn)生任何有毒、有害物質(zhì)，是真正意義上的污染物零排放［3］。同時，由于實驗過程中學(xué)生不會接觸到真正的藥品，降低實驗成本的同時，學(xué)生的人身安全也得到了絕對的保障。(2)無時間、地點限制，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性虛擬仿真實驗可以在網(wǎng)絡(luò)上開展，不受時間和地點的限制，學(xué)生可以隨時通過電腦或手機進行仿真實驗學(xué)習(xí)，非常適用于疫情當下的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。另外，虛擬實驗可以模擬出實驗的微觀環(huán)節(jié)，將原本不是很明顯或不容易測量的實驗現(xiàn)象，以更直觀的方式展現(xiàn)出來，使學(xué)生更容易理解實驗。而且，學(xué)生可以根據(jù)自己對實驗原理的理解，反復(fù)多次地“親手操作”實驗，通過直觀動態(tài)的人機互動系統(tǒng)，增加實驗興趣性、提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的同時能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。(3)降低成本傳統(tǒng)物理化學(xué)實驗需要購置多種昂貴的儀器設(shè)備和大量的藥品試劑，學(xué)生進行大量頻繁實驗會加快儀器設(shè)備的老化，增加維護成本。而虛擬仿真實驗軟件非常便宜，實驗過程中也不需要真實的儀器設(shè)備和試劑，通過網(wǎng)絡(luò)資源共享，可以節(jié)約購買儀器設(shè)備和藥品的費用［4］。另外，通過虛擬仿真實驗預(yù)習(xí)后，學(xué)生在真正做實驗時會減少對儀器的誤操作，從而有效保護昂貴的儀器，降低維護費用。(4)提高教學(xué)效果學(xué)生可以通過虛擬實驗中的各種模擬來熟悉將要進行的實驗操作，能夠快速掌握其中的關(guān)鍵步驟，從而在進行真實實驗時學(xué)生就能做到胸有成竹、得心應(yīng)書，提高實驗效率。而且，對于很長時間之前的實驗，學(xué)生可以通過虛擬仿真實驗進行復(fù)習(xí)，從而能夠快速回憶起該實驗的重難點，是學(xué)生鞏固所學(xué)知識，提高教學(xué)效果。
3虛擬仿真實驗的現(xiàn)狀
隨著當前信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域和管理過程中的應(yīng)用正在逐步深入，有力促進了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革［5］。為了順應(yīng)教育信息化的發(fā)展趨勢和適應(yīng)化學(xué)虛擬仿真實驗教改的需要，浙江大學(xué)、天津大學(xué)、中南大學(xué)、貴州大學(xué)等諸多高校比如開始建立自己的虛擬仿真化學(xué)實驗室。比如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，從分子模擬計算、儀器仿真、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等多方面切實開展了虛擬仿真化學(xué)實驗的教學(xué)探索和平臺建設(shè)，研究和開發(fā)了多種類型的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，作為實驗室實驗教學(xué)的重要補充和擴展，以實現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充。北京師范大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心針對放射性、高危險、高污染、學(xué)生難以理解的抽象的理論和概念，以及化學(xué)實驗中有毒有害、易燃易爆等真實實驗難以開展的實驗項目，圍繞四個主題和八個模塊，設(shè)計并建設(shè)了一系列化學(xué)虛擬仿真實驗項目，并通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)開放共享。湖南師范大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實驗教學(xué)中心針對某些理論知識高度概括抽象或者所涉及的領(lǐng)域?qū)儆诤暧^和微觀，現(xiàn)實世界難以找到具體的案例進行演示的缺點，開發(fā)出一系列針對理論課教學(xué)的分子模擬小實驗項目，實現(xiàn)了課堂教學(xué)的實驗仿真應(yīng)用，大大改善了一些理論課中高度概括抽象理論知識的講授教學(xué)效果。目前，病毒正在全球施虐，雖然國內(nèi)疫情得到了很好的控制，但為了防止疫情反彈，高等院校遲遲不能開學(xué)。2020年1月29日，教育部了《教育部:利用網(wǎng)絡(luò)平臺，“停課不停學(xué)”》中指出，“不停學(xué)”既是戰(zhàn)疫情應(yīng)急之舉，也是互聯(lián)網(wǎng)+教育的重要成果應(yīng)用展示，任務(wù)艱巨，使命光榮［6］。多種形式的網(wǎng)課包括MOOCs、微課、網(wǎng)絡(luò)直播式教學(xué)等使學(xué)生在家也能學(xué)習(xí)理論知識，然而實驗教學(xué)由于受到實驗場地等多種限制，難以在網(wǎng)上進行，這使學(xué)生接受知識的全面性大打折扣，學(xué)生實驗教學(xué)的問題也更加突出。而虛擬仿真實驗剛搞能夠解決這一難題，是解決疫情期間理工科學(xué)生難以完成實驗難題的“鑰匙”。許多高校也積極開展了網(wǎng)上虛擬實驗教學(xué)工作，比如，天津大學(xué)開展的《工程圖學(xué)》虛擬實驗課上，將抽象的知識點變得具象化，課本上的零件和儀器都“活”了起來，甚至還能讓學(xué)生360度無死角地親手“把玩”。而課堂進度和隨堂測驗則成為“游戲通關(guān)”一樣的小競賽。西安建筑科技大學(xué)開展了虛擬仿真《電路與模電數(shù)電實驗》課程，學(xué)生們在“云”實驗室中，一邊反復(fù)地練習(xí)和不斷地試錯開展實驗，加深了對電路結(jié)構(gòu)、實驗原理等知識的理解，一邊實時地記錄實驗數(shù)據(jù)，完成一系列實驗操作和實驗報告。然而，目前關(guān)于開展網(wǎng)上化學(xué)虛擬仿真實驗課程的高效并不多，只有浙江大學(xué)在報道了正在開展相關(guān)化學(xué)虛擬仿真課程。
4結(jié)語
物理化學(xué)虛擬仿真實驗具有綠色安全，無時間、地點限制，成本低，教學(xué)效果好等優(yōu)勢，學(xué)生在家也可以親臨其境地預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)實驗，能提高物理化學(xué)實驗的教學(xué)效率，是解決疫情期間理工科學(xué)生難以完成實驗等難題的最佳手段。
參考文獻
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［6］教育部:利用網(wǎng)絡(luò)平臺，“停課不停學(xué)”［OL］．
作者：李鵬宇 楊宇 吳學(xué)領(lǐng) 劉園園 米立偉 陳衛(wèi)華 單位：中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院