虛擬仿真在有機化學實驗中應用

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［摘要］有機化學實驗是化工類專業及其相關專業的必修課，傳統的有機化學實驗教學效率低，將有機化學虛擬仿真實驗作為實驗教學的輔助手段，可有效提高有機化學實驗教學的質量。在有機化學實驗教學中，既不能單純地依賴虛擬仿真實驗教學，也不能只依賴傳統的有機化學實驗教學，需要將兩者有機地結合在一起。通過虛擬仿真實驗來完成對實驗的預習和實驗過程的模擬，通過真實的實驗操作來提高學生的動手能力和處理突發狀況的能力，從而使教學效果更好。

［關鍵詞］虛擬仿真；有機化學實驗；教學模式

虛擬仿真技術又稱虛擬現實技術或模擬技術，是利用虛擬系統模仿真實系統的一門綜合性技術［1］。伴隨計算機技術的迅猛發展，虛擬仿真技術在高校實驗教學中開始得以應用［2］。有機化學實驗是有機化學教學的一個重要組成部分，在實驗過程中會涉及很多實驗裝置、大型精密儀器以及各種化學藥品，將虛擬仿真實驗與傳統的有機化學實驗進行有效整合，有利于提升有機化學實驗教學效果。

一、傳統有機化學實驗教學模式存在的問題

傳統的有機化學實驗教學模式一般包括學生預習實驗、教師講解及演示、學生進行實驗、撰寫實驗報告4個階段，每一個階段都會存在一些難以解決的問題。

（一）學生預習實驗階段

在做有機化學實驗前，學生要對實驗進行預習，以掌握實驗目的、原理及實驗步驟，但學生根本不重視預習，對預習只是敷衍了事或者根本不預習，直接抄襲有機化學實驗教材內容來完成預習報告。影響了學習效果。

（二）教師講解及演示階段

在進行有機化學實驗前，指導教師需要在有機化學實驗室對本次實驗的內容（包括實驗題目、實驗目的、實驗原理、實驗步驟以及實驗過程中的注意事項和安全問題等）做詳細的講解。但現實中存在以下問題：有的學生本身對實驗缺乏興趣；學生在實驗前對實驗預習不夠，對實驗掌握不深；實驗人數較多且實驗場地不足，無法滿足一人一組的條件，只能是2人或者多人一組，這就導致有的同學能夠認真聽講，而有的同學既不認真聽講也不認真做實驗，有的同學甚至根本不做實驗等。此種模式不僅不能激發學生對有機化學實驗的興趣，有時還會把學生探索知識的欲望扼殺在搖籃之中。

（三）實驗室進行實驗階段

1．在傳統的有機化學實驗中，實驗內容基本上是一成不變的，教師在上課時照本宣科，學生也是機械地進行模仿并完成實驗，就連實驗報告都是照著實驗講義抄下來的。2．有機化學實驗中會涉及到一些分子模型及反應機理，這是傳統有機化學實驗所達不到的領域。3．受實驗場地和實驗儀器數量的限制，即使是最基本的實驗，都要2個人或者是2個人以上一組，這樣就造成個別同學少做實驗或者根本不做實驗，根本達不到預期的教學目的。4．需要在有機化學實驗室完成的教學任務非常繁重，加上學生的學習任務也非常繁重，對于每一個有機化學實驗，每個學生都只有一次進入有機化學實驗室進行實際操作的機會，無論實驗成功與否，都沒有再次來到有機化學實驗室進行重復實驗的機會，所以對于一些重要的實驗知識很難掌握牢固。5．有機化學實驗所用的反應儀器多數都是玻璃儀器，非常容易破損，每次做完實驗都會有不同程度的損壞，造成很大的經濟損失；實驗中所用的溶劑和實驗中所產生的氣體對環境會造成污染，同時也會對實驗人員身體造成一定的傷害；有機化學實驗所得到的合格產品、不合格產品及廢液等，一般情況下都是采取統一收集和銷毀的方式來處理，增加了學校的經濟壓力。6．學生不認真預習有機化學實驗講義，對實驗不熟悉，擔心在實驗過程中將儀器打碎，更擔心實驗會產生對人體有害的固體、液體和氣體，所以寧可在旁邊觀看別人做實驗也不親自動手。

（四）撰寫實驗報告階段

在每次實驗結束后，學生需要撰寫本次實驗的報告。學生對實驗目的、實驗原理和實驗步驟只是照抄照搬實驗講義上的內容，即使是實驗的數據處理和結果分析部分，也都是相互抄襲，有的同學甚至連產率都不會計算，更缺乏對本次實驗的正確分析。

二、將虛擬仿真實驗應用于有機化學實驗教學中的意義

（一）有利于提高預習質量和充分有效地利用課上課下時間

由于虛擬仿真實驗的引入，學生可以在上有機化學實驗前對本次實驗進行預習，充分掌握實驗的目的、實驗原理、實驗步驟和實驗中需要注意的事項，這樣就可以使實驗教師從講解實驗中解脫出來，使學生有足夠的時間進行實驗操作。同時，學生在虛擬仿真程序中進行實驗的模擬，教師可以在該程序中看到學生做虛擬仿真實驗所用的時間及質量。這種方式一方面能保證學生預習實驗的質量，又能保證學生進行真實實驗的質量，更能提高做實驗的效率［3］。

（二）有利于提高學生發現問題、認識問題和解決問題的能力

在有機化學虛擬仿真實驗中，學生首先要了解本次實驗所需要使用的玻璃儀器、玻璃儀器的組裝及拆卸和實驗過程中需要注意的事項；其次，學生要了解實驗過程中所使用的藥品、溶劑以及所生成的產物會對人體產生哪些傷害，如何將傷害減小到最低；再次，學生還需要了解三廢應該如何處理，盡自己最大能力來減小實驗對環境的影響；最后，學生還要在有機化學虛擬仿真實驗中學到如何處理反應過程中出現的意外情況（如失火、爆炸等）。學生通過有機化學虛擬仿真實驗充分了解實驗每個環節及其問題處理方法，使學生提高發現問題和解決問題的能力。

（三）真正實現有機化學實驗室向學生開放

在傳統的有機化學實驗教學中，由于受教學任務、實驗儀器和實驗室面積的限制，有機化學實驗室不能向學生完全開放。當將虛擬仿真實驗引入到有機化學實驗教學中時，由于虛擬仿真是在計算機上運行相關程序來模擬實驗，可以不受時間和空間的限制，所以可以真正地實現有機化學實驗室向學生開放。學生可以選擇在課余時間，通過計算機來模擬有機化學實驗。學生既可以按照教學大綱規定的實驗進行模擬操作，也可以自行設計實驗和自行組織實驗，進行反復操作，使自己的動手能力得到提高，同時在實驗過程中學生的主觀能動性和創新性得到充分發揮。

（四）改變有機化學實驗教學思路［4］

在傳統的有機化學實驗教學中，主要以驗證性實驗為主，即使有少數的綜合性實驗，也都是非常簡單的，學生只需要按照實驗講義機械地操作就可以，缺乏做實驗的自主性。將虛擬仿真引入到有機化學實驗后，學生不僅可以完成傳統有機化學實驗中規定的實驗項目，還可以根據自己的興趣自行設計實驗方案，通過這種方式可以培養學生獨立分析問題和解決問題的能力，激發學生的學習興趣。在傳統的有機化學實驗中，由于指導教師人數少而學生人數較多，所以指導教師在做實驗前只能對實驗進行泛泛地講解，在實驗過程中也不能對每一名同學進行指導，在實驗結束后才能對學生的實驗報告進行批閱。相反，在進行有機化學虛擬仿真實驗時，指導教師與學生可以實現在線互動，教師可以及時發現學生存在的問題并及時進行糾正，從而使教學質量得以提高。

（五）能夠節省實驗經費、彌補實驗室面積不足

有機化學實驗有自己的特點：需用玻璃儀器作為反應儀器、藥品和溶劑都為消耗品、需要用核磁和高分辨質譜作產品的表征，這些方面都是極其耗費實驗經費的；由于受實驗儀器和實驗室面積的影響，在實驗過程中不能保證一個人一組，為了按時完成有機化學實驗的教學任務，只好2個或者2個人以上為一組進行實驗。而有機化學虛擬仿真實驗只需要固定的實驗室來安放一批計算機，再投入一些購置仿真軟件以及更新軟件的費用即可，實驗經費遠低于傳統的有機化學實驗。另外，虛擬有機化學實驗并不需要真實的玻璃儀器、藥品和溶劑，從而避免了這方面的浪費，進一步節省了學校在有機化學實驗方面的投入。

（六）彌補沒有特殊實驗儀器的缺陷

在有機化學實驗里面，有的實驗對條件要求比較苛刻：有的實驗要求高溫高壓、有的實驗要求無水無氧、有的實驗要求有特殊氣體處理裝置等。在做實驗時，如果實驗室暫時沒有這些特殊的實驗儀器，將會導致實驗無法開展。相反，將虛擬仿真引入到有機化學實驗后，將不受實驗儀器的限制，在虛擬環境下能夠完成各類有機化學實驗，使教學效果更加明顯。

（七）真正做到綠色、無污染、避免潛在危險［5］

在傳統的有機化學實驗教學里，學生在做實驗前不注重對實驗的預習，不了解實驗的實驗原理和實驗步驟，對實驗儀器也不熟悉，做實驗時只是按照實驗講義機械地進行實驗，實驗的失敗率較高，這樣就會造成實驗藥品及溶劑的浪費，同時增加了對環境的污染。將虛擬仿真引入到有機化學實驗后，學生在實操階段就能夠減少失敗率，同時也減少了對實驗藥品及溶劑的浪費，也進一步降低了對環境的污染。在傳統的有機化學實驗中，所使用的有機化學藥品多數是對人體有害的物質，即使是乙醇等常用溶劑也會對人體造成一定的傷害。另外，在實驗過程中有時還會產生有毒氣體或者是發生藥品的噴濺乃至爆炸，學生一旦不認真做實驗，就有可能對自身造成一定的傷害。將虛擬仿真引入到有機化學實驗中，就會避免上述危險，既能按時完成教學任務，又能保證學生的人身安全。

三、將虛擬仿真應用于有機化學實驗的策略

將虛擬仿真引入到有機化學實驗中有著諸多優點，但虛擬仿真是不可能完全代替真實實驗操作的。首先，虛擬仿真實驗雖然是整個實驗過程的模擬，但要想培養學生的動手能力，還必須通過真實的實驗操作來完成；其次，在真實的實驗過程中，會出現一些無法預料的突發狀況，這也是在虛擬仿真實驗中無法模擬到的［6］。因此，在有機化學實驗教學中，為了達到更好的教學效果，我們既不能單純地依賴虛擬仿真實驗教學，也不能只依賴傳統的有機化學實驗教學，而需要將兩者有機地結合在一起。通過虛擬仿真實驗來完成對實驗的預習和實驗過程的模擬，通過真實的實驗操作來提高學生的動手能力和處理突發狀況的能力，從而使教學效果更好。

參考文獻：

［1］狄寶晶．三維動態虛擬現實仿真與大學機械類實驗教學中的軟件建設［J］．現代制造技術與裝備，2016（5）：172－175．

［2］趙經成．運用現代技術開展仿真模擬實驗教學［J］．中國高等教育，2003（10）：30－31．

［3］茹婷婷，石瑩巖，初學峰．基于高校虛擬化學實驗研究若干問題的建議［J］．高教學刊，2016（12）：54－55．

［4］蘇旭霞，劉素楠，管立新．開展虛擬仿真實驗促進實驗教學改革［J］．科技廣場，2008（3）：252－254．

［5］曾凡斌，劉漢蘭，謝勁松．利用虛擬化學實驗促進有機化學教學［J］．中國現代教育裝備，2008（12）：89－90．

［6］郭亞寧．仿真模擬技術在有機化學實驗教學中的作用［J］．高校實驗室工作研究，2011，108（2）：46－47．

作者:陳國軍 單位:長春工程學院