摘要:物理化學實驗不僅可以幫助學生直觀地理解理論知識，還能使學生提高動手操作能力及分析解決問題的綜合能力。傳統物理化學實驗存在學生預習效果不佳、實驗過程指導難度大、成本高等缺點。尤其在COVID－19疫情期間，傳統物理化學實驗難以開展，學生實驗教學的問題也更加突出。而虛擬仿真實驗正是解決疫情期間理工科學生難以完成實驗難題的「鑰匙」。本文詳細闡述了傳統物理化學實驗課程的不足之處，探討了虛擬仿真實驗的優勢及其應用現狀。
關鍵詞:物理化學實驗;虛擬仿真技術;遠程教學;教學改革
物理化學以大量物理學的理論成果和實驗技術，探索、研究化學的基本規律和理論，是無機化學、分析化學、有機化學四大化學中理論最深的一門課程。另外，由於物理化學涉及大量從宏觀到微觀與性質的關係規律、化學過程機理及其控制的研究等抽象內容［1］，所以它也是四大化學中最難理解的一門理論課程。物理化學實驗課使學生通過具體的實驗現象和過程，更加直觀地理解理論知識，同時還能使學生通過親手操作實驗的，學習儀器的操作方法、提高動手操作能力及結合理論知識分析解決問題的綜合能力。
1傳統物理化學實驗教學的不足
傳統「教師講授理論－指導學生做實驗－撰寫實驗報告」的教學方法存在許多不足之處:(1)預習效果不佳對於學生而言，實驗所用儀器陌生，光靠書本預習印象不深刻，很難掌握儀器的使用方法。(2)實驗過程指導難度大傳統實驗課程大多是一個教師指導十組左右學生實驗，實驗過程中教師很難同時顧及到每位學生，學生在自己操作實驗的過程中很容易出現錯誤操作，導致實驗失敗或發生危險。(3)學生參與度低傳統實驗課基本是多個學生共同使用一套實驗設備，實驗過程中每個同學都不能參與全部的實驗操作，甚至部分學生全程只是旁觀實驗，致使學生動手能力得不到充分鍛鍊。(4)成本高物理化學實驗所需儀器設備多，學生頻繁操作和錯誤操作加快設備老化，維護成本增加。(5)教學效果不理想由於實驗課的時間限制，教師一般更注重實驗操作的講解，學生只是按照所教實驗步驟簡單重複，並沒有進行深入思考;另外實驗過程一般只做一遍，不能重複，學生印象不夠深刻，對實驗原理的了解不夠充分，不能滿足物理化學實驗課程教學目標的要求。
2虛擬仿真實驗的優勢
虛擬仿真實驗教學被譽為是具有跨時代意義的課程。顧名思義，其就是依託虛擬現實技術生成一個逼真、具有視、聽、觸等感知的「虛擬實驗室」。學生可以在虛擬空間裡完成遠程無法操作的複雜實驗，體驗真實實驗室里難以實現的高危險性和破壞性實驗，從而提高教學效果［2］。相較於傳統實驗課程，虛擬仿真實驗具有如下優勢。(1)綠色安全傳統物理化學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。而且傳統物理化學實驗過程中也會產生一定量的有害物質(廢氣、廢液等)，污染環境。而虛擬仿真實驗中用到的所有試劑都是虛擬的，實驗過程不會產生任何有毒、有害物質，是真正意義上的污染物零排放［3］。同時，由於實驗過程中學生不會接觸到真正的藥品，降低實驗成本的同時，學生的人身安全也得到了絕對的保障。(2)無時間、地點限制，提高學生學習主動性虛擬仿真實驗可以在網絡上開展，不受時間和地點的限制，學生可以隨時通過電腦或手機進行仿真實驗學習，非常適用於疫情當下的網絡教學。另外，虛擬實驗可以模擬出實驗的微觀環節，將原本不是很明顯或不容易測量的實驗現象，以更直觀的方式展現出來，使學生更容易理解實驗。而且，學生可以根據自己對實驗原理的理解，反覆多次地「親手操作」實驗，通過直觀動態的人機互動系統，增加實驗興趣性、提高學生學習主動性的同時能夠激發學生的創新思維。(3)降低成本傳統物理化學實驗需要購置多種昂貴的儀器設備和大量的藥品試劑，學生進行大量頻繁實驗會加快儀器設備的老化，增加維護成本。而虛擬仿真實驗軟體非常便宜，實驗過程中也不需要真實的儀器設備和試劑，通過網絡資源共享，可以節約購買儀器設備和藥品的費用［4］。另外，通過虛擬仿真實驗預習後，學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)提高教學效果學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鍵步驟，從而在進行真實實驗時學生就能做到胸有成竹、得心應書，提高實驗效率。而且，對於很長時間之前的實驗，學生可以通過虛擬仿真實驗進行複習，從而能夠快速回憶起該實驗的重難點，是學生鞏固所學知識，提高教學效果。
3虛擬仿真實驗的現狀
隨著當前信息技術與網際網路技術的快速發展，在國家信息化發展戰略指導下，虛擬現實技術在教育教學領域和管理過程中的應用正在逐步深入，有力促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革［5］。為了順應教育信息化的發展趨勢和適應化學虛擬仿真實驗教改的需要，浙江大學、天津大學、中南大學、貴州大學等諸多高校比如開始建立自己的虛擬仿真化學實驗室。比如，中國科學技術大學化學實驗教學在現有基礎上，從分子模擬計算、儀器仿真、網絡教學等多方面切實開展了虛擬仿真化學實驗的教學探索和平台建設，研究和開發了多種類型的虛擬仿真實驗教學項目，作為實驗室實驗教學的重要補充和擴展，以實現虛實結合、相互補充。北京師範大學化學虛擬仿真實驗教學中心針對放射性、高危險、高污染、學生難以理解的抽象的理論和概念，以及化學實驗中有毒有害、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，設計並建設了一系列化學虛擬仿真實驗項目，並通過虛擬仿真實驗教學平台實現開放共享。湖南師範大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心針對某些理論知識高度概括抽象或者所涉及的領域屬於宏觀和微觀，現實世界難以找到具體的案例進行演示的缺點，開發出一系列針對理論課教學的分子模擬小實驗項目，實現了課堂教學的實驗仿真應用，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效果。目前，病毒正在全球施虐，雖然國內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。2020年1月29日，教育部了《教育部:利用網絡平台，「停課不停學」》中指出，「不停學」既是戰疫情應急之舉，也是網際網路+教育的重要成果應用展示，任務艱巨，使命光榮［6］。多種形式的網課包括MOOCs、微課、網絡直播式教學等使學生在家也能學習理論知識，然而實驗教學由於受到實驗場地等多種限制，難以在網上進行，這使學生接受知識的全面性大打折扣，學生實驗教學的問題也更加突出。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生難以完成實驗難題的「鑰匙」。許多高校也積極開展了網上虛擬實驗教學工作，比如，天津大學開展的《工程圖學》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，甚至還能讓學生360度無死角地親手「把玩」。而課堂進度和隨堂測驗則成為「遊戲通關」一樣的小競賽。西安建築科技大學開展了虛擬仿真《電路與模電數電實驗》課程，學生們在「雲」實驗室中，一邊反覆地練習和不斷地試錯開展實驗，加深了對電路結構、實驗原理等知識的理解，一邊實時地記錄實驗數據，完成一系列實驗操作和實驗報告。然而，目前關於開展網上化學虛擬仿真實驗課程的高效並不多，只有浙江大學在報道了正在開展相關化學虛擬仿真課程。
4結語
物理化學虛擬仿真實驗具有綠色安全，無時間、地點限制，成本低，教學效果好等優勢，學生在家也可以親臨其境地預習和複習實驗，能提高物理化學實驗的教學效率，是解決疫情期間理工科學生難以完成實驗等難題的最佳手段。
參考文獻
［1］傅獻彩，沈文霞，姚天陽，等.物理化學.5版［M］．北京:高等教育出版社，2005:2－3.
［2］謝波，趙錕.初探虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的應用［J］．廣東化工，2019，46(1):200－211.
［3］王敏，陳艷燕，吳小磊，等.虛擬仿真技術在有機化學實驗教學中的應用研究［J］．山東化工，2018，47(10):142－144.
［4］張文英，袁帥.物理化學虛擬實驗教學法的應用［J］．當代教育理論與實踐，2012，4(6):108－109.
［5］邱會華，周鵬.虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的作用［J］．山東化工，2016，45(17):132－133.
［6］教育部:利用網絡平台，「停課不停學」［OL］．
作者：李鵬宇 楊宇 吳學領 劉園園 米立偉 陳衛華 單位：中原工學院材料與化工學院
關鍵詞:物理化學實驗;虛擬仿真技術;遠程教學;教學改革
物理化學以大量物理學的理論成果和實驗技術，探索、研究化學的基本規律和理論，是無機化學、分析化學、有機化學四大化學中理論最深的一門課程。另外，由於物理化學涉及大量從宏觀到微觀與性質的關係規律、化學過程機理及其控制的研究等抽象內容［1］，所以它也是四大化學中最難理解的一門理論課程。物理化學實驗課使學生通過具體的實驗現象和過程，更加直觀地理解理論知識，同時還能使學生通過親手操作實驗的，學習儀器的操作方法、提高動手操作能力及結合理論知識分析解決問題的綜合能力。
1傳統物理化學實驗教學的不足
傳統「教師講授理論－指導學生做實驗－撰寫實驗報告」的教學方法存在許多不足之處:(1)預習效果不佳對於學生而言，實驗所用儀器陌生，光靠書本預習印象不深刻，很難掌握儀器的使用方法。(2)實驗過程指導難度大傳統實驗課程大多是一個教師指導十組左右學生實驗，實驗過程中教師很難同時顧及到每位學生，學生在自己操作實驗的過程中很容易出現錯誤操作，導致實驗失敗或發生危險。(3)學生參與度低傳統實驗課基本是多個學生共同使用一套實驗設備，實驗過程中每個同學都不能參與全部的實驗操作，甚至部分學生全程只是旁觀實驗，致使學生動手能力得不到充分鍛鍊。(4)成本高物理化學實驗所需儀器設備多，學生頻繁操作和錯誤操作加快設備老化，維護成本增加。(5)教學效果不理想由於實驗課的時間限制，教師一般更注重實驗操作的講解，學生只是按照所教實驗步驟簡單重複，並沒有進行深入思考;另外實驗過程一般只做一遍，不能重複，學生印象不夠深刻，對實驗原理的了解不夠充分，不能滿足物理化學實驗課程教學目標的要求。
2虛擬仿真實驗的優勢
虛擬仿真實驗教學被譽為是具有跨時代意義的課程。顧名思義，其就是依託虛擬現實技術生成一個逼真、具有視、聽、觸等感知的「虛擬實驗室」。學生可以在虛擬空間裡完成遠程無法操作的複雜實驗，體驗真實實驗室里難以實現的高危險性和破壞性實驗，從而提高教學效果［2］。相較於傳統實驗課程，虛擬仿真實驗具有如下優勢。(1)綠色安全傳統物理化學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。而且傳統物理化學實驗過程中也會產生一定量的有害物質(廢氣、廢液等)，污染環境。而虛擬仿真實驗中用到的所有試劑都是虛擬的，實驗過程不會產生任何有毒、有害物質，是真正意義上的污染物零排放［3］。同時，由於實驗過程中學生不會接觸到真正的藥品，降低實驗成本的同時，學生的人身安全也得到了絕對的保障。(2)無時間、地點限制，提高學生學習主動性虛擬仿真實驗可以在網絡上開展，不受時間和地點的限制，學生可以隨時通過電腦或手機進行仿真實驗學習，非常適用於疫情當下的網絡教學。另外，虛擬實驗可以模擬出實驗的微觀環節，將原本不是很明顯或不容易測量的實驗現象，以更直觀的方式展現出來，使學生更容易理解實驗。而且，學生可以根據自己對實驗原理的理解，反覆多次地「親手操作」實驗，通過直觀動態的人機互動系統，增加實驗興趣性、提高學生學習主動性的同時能夠激發學生的創新思維。(3)降低成本傳統物理化學實驗需要購置多種昂貴的儀器設備和大量的藥品試劑，學生進行大量頻繁實驗會加快儀器設備的老化，增加維護成本。而虛擬仿真實驗軟體非常便宜，實驗過程中也不需要真實的儀器設備和試劑，通過網絡資源共享，可以節約購買儀器設備和藥品的費用［4］。另外，通過虛擬仿真實驗預習後，學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)提高教學效果學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鍵步驟，從而在進行真實實驗時學生就能做到胸有成竹、得心應書，提高實驗效率。而且，對於很長時間之前的實驗，學生可以通過虛擬仿真實驗進行複習，從而能夠快速回憶起該實驗的重難點，是學生鞏固所學知識，提高教學效果。
3虛擬仿真實驗的現狀
隨著當前信息技術與網際網路技術的快速發展，在國家信息化發展戰略指導下，虛擬現實技術在教育教學領域和管理過程中的應用正在逐步深入，有力促進了教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革［5］。為了順應教育信息化的發展趨勢和適應化學虛擬仿真實驗教改的需要，浙江大學、天津大學、中南大學、貴州大學等諸多高校比如開始建立自己的虛擬仿真化學實驗室。比如，中國科學技術大學化學實驗教學在現有基礎上，從分子模擬計算、儀器仿真、網絡教學等多方面切實開展了虛擬仿真化學實驗的教學探索和平台建設，研究和開發了多種類型的虛擬仿真實驗教學項目，作為實驗室實驗教學的重要補充和擴展，以實現虛實結合、相互補充。北京師範大學化學虛擬仿真實驗教學中心針對放射性、高危險、高污染、學生難以理解的抽象的理論和概念，以及化學實驗中有毒有害、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，設計並建設了一系列化學虛擬仿真實驗項目，並通過虛擬仿真實驗教學平台實現開放共享。湖南師範大學化學化工虛擬仿真實驗教學中心針對某些理論知識高度概括抽象或者所涉及的領域屬於宏觀和微觀，現實世界難以找到具體的案例進行演示的缺點，開發出一系列針對理論課教學的分子模擬小實驗項目，實現了課堂教學的實驗仿真應用，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效果。目前，病毒正在全球施虐，雖然國內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。2020年1月29日，教育部了《教育部:利用網絡平台，「停課不停學」》中指出，「不停學」既是戰疫情應急之舉，也是網際網路+教育的重要成果應用展示，任務艱巨，使命光榮［6］。多種形式的網課包括MOOCs、微課、網絡直播式教學等使學生在家也能學習理論知識，然而實驗教學由於受到實驗場地等多種限制，難以在網上進行，這使學生接受知識的全面性大打折扣，學生實驗教學的問題也更加突出。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生難以完成實驗難題的「鑰匙」。許多高校也積極開展了網上虛擬實驗教學工作，比如，天津大學開展的《工程圖學》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，甚至還能讓學生360度無死角地親手「把玩」。而課堂進度和隨堂測驗則成為「遊戲通關」一樣的小競賽。西安建築科技大學開展了虛擬仿真《電路與模電數電實驗》課程，學生們在「雲」實驗室中，一邊反覆地練習和不斷地試錯開展實驗，加深了對電路結構、實驗原理等知識的理解，一邊實時地記錄實驗數據，完成一系列實驗操作和實驗報告。然而，目前關於開展網上化學虛擬仿真實驗課程的高效並不多，只有浙江大學在報道了正在開展相關化學虛擬仿真課程。
4結語
物理化學虛擬仿真實驗具有綠色安全，無時間、地點限制，成本低，教學效果好等優勢，學生在家也可以親臨其境地預習和複習實驗，能提高物理化學實驗的教學效率，是解決疫情期間理工科學生難以完成實驗等難題的最佳手段。
參考文獻
［1］傅獻彩，沈文霞，姚天陽，等.物理化學.5版［M］．北京:高等教育出版社，2005:2－3.
［2］謝波，趙錕.初探虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的應用［J］．廣東化工，2019，46(1):200－211.
［3］王敏，陳艷燕，吳小磊，等.虛擬仿真技術在有機化學實驗教學中的應用研究［J］．山東化工，2018，47(10):142－144.
［4］張文英，袁帥.物理化學虛擬實驗教學法的應用［J］．當代教育理論與實踐，2012，4(6):108－109.
［5］邱會華，周鵬.虛擬仿真實驗在物理化學實驗教學中的作用［J］．山東化工，2016，45(17):132－133.
［6］教育部:利用網絡平台，「停課不停學」［OL］．
作者：李鵬宇 楊宇 吳學領 劉園園 米立偉 陳衛華 單位：中原工學院材料與化工學院
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