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　　摘要：物理化学实验是化学化工类专业的一门专业基础实验课，也是培养高层次、应用型人才的一个重要基础。针对物理化学实验理论性强、仪器操作复杂等特点及目前教学过程中存在的问题，将具有实验绿色化、安全性高、自带教学管理功能等优点的虚拟仿真实验融入该课程教学中，对具体的融合方式进行了分析讨论。以期激发学生的学习兴趣，提升物理化学实验课程的教学效率并强化教学效果，为培养高层次、应用型人才打下坚实基础。

　　关键词：虚拟仿真;物理化学实验;应用型人才

　　一引言

　　物理化学实验是以实验操作为主的技能课程，综合了化学领域中各分支所需要的基本研究工具和方法[1]，是高等教育化学化工类专业的一门专业基础实验课程。通过物理化学实验验证、巩固和深入理解所学的物理化学理论知识,系统掌握基本的物理化学实验研究方法和基本技术，培养学生实验研究能力和创新精神，养成严谨的科学态度和良好的科学思维习惯[2]，为培养合格的化学、化工技术人才打下扎实的基础，发挥培养应用型人才的重要功能。中国石油大学(北京)克拉玛依校区以“高层次、应用型、国际化”为人才培养目标。为了更好地适应培养目标，物理化学实验必须要以培养具有扎实基础理论知识、全面的实验技能、高综合素质的人才为目标，针对这一人才培养目标需要对物理化学实验的教学进行改革。本项目旨在将传统物化实验与目前流行的物理化学实验虚拟仿真平台相结合，以期提高应用型人才培养质量。

　　二传统物理化学实验教学存在的问题

　　(一)化学药品购买受限

　　化学药品采购受到政府严格的管控，尤其是校区所处地区，一些易制毒易制爆化学品难以购买，管理要求和存放条件苛刻，对实验课程的正常开展造成较大的困难。部分实验所用的化学药品毒害性强，会对学生和教师的健康造成伤害。

　　(二)教学资源紧张，实验课程开设成本较大，设备维修率高

　　物理化学实验所用的仪器比较贵重，一般无法按照整班编制配置仪器，因此，在有限的教学资源下，大多数高校采用增加同组学生的人数来完成教学任务，教学质量难以保证;实验仪器频繁使用，加上部分学生错误操作，极易出现故障，增加了设备的维修率，影响实验的正常进行。同时，部分物理化学实验试剂价格昂贵，且学生操作不当可能使试剂的消耗量加倍，实验课程开设成本较大[3]。

　　(三)学生预习难度大，教学效果不佳

　　对于学生而言，部分物理化学实验仪器原理晦涩难懂，操作步骤复杂，仅通过讲义上的描述难以让他们产生深刻的理解[4]。做实验时也只是按照实验步骤“按方抓药”，并未完全理解实验的内涵，对实验印象不深，无法举一反三，不能运用所学知识自主解决问题。动手能力和分析解决问题能力并未达到预期，教学效果大打折扣。

　　三虚拟仿真实验的优缺点分析虚拟实验室的概念

　　于1989年由美国弗吉尼亚大学的WilliamWolf教授提出，是除理论与实验之外的第3种设计手段和形式[5]。虚拟仿真实验是利用现代信息技术手段，运用3D模型构建工具构建虚拟实验室、实验仪器和实验试剂模型，让实验人员在3D虚拟环境中进行实验，并得到相应的实验现象和数据。虚拟仿真平台不仅能承载多人同时进行虚拟仿真实验，还能实时评判学生操作表现、进行线上考核。虚拟仿真教学技术以多媒体技术为基础，是教育信息化的重要组成部分，也在教育领域起到十分重要的作用。随着现代信息技术手段的迅猛发展，虚拟仿真实验被越来越多的高校运用于实验教学的实践环节，在一定程度上解决了传统物理化学教学实验中的问题，激发学生的积极性，提高了教学效果。

　　(一)虚拟仿真实验的优点

　　(1)实验教学绿色化。虚拟仿真实验顾名思义，是利用现代信息技术手段进行的虚拟实验，没有真实的试剂和耗材的消耗，成本相对固定，且没有三废的产生，能有效避免有毒有害实验对人体产生伤害及实验废物对环境造成不良影响。(2)能够模拟高危险性或极端条件下的实验，保障学生和教师的安全。部分实验需要的极端实验条件，难以达到，且耗时费力，用虚拟仿真实验软件进行模拟，可以快速轻易的让学生对实验有所了解，高度仿真的实验效果也可以让学生如身临其境般学习。对于高危险性的实验，进行虚拟仿真能够*大限度地保证学生和教师的安全。(3)保护精密、贵重仪器。对于实验中需用到贵重且精密仪器的，用虚拟仿真提前预习、训练，可以在实际操作中降低学生错误操作的频次，有效保护仪器，降低维修率，保证正常教学秩序。(4)容易激发学生兴趣。学生在校园网内可以随时反复进行实验，加深理解记忆，方便学生预习、复习，提升教学效果;(5)自带教学管理功能。目前虚拟仿真平台可以为每个操作步骤打分，*终自动给出实验评总评，具有考试测验系统，大大方便了教师对实验教学的管理和控制，并且提高了学生的自觉性和主动性。

　　(二)虚拟仿真实验的应用情况

　　基于虚拟仿真实验的一系列优点，很多高校已经建设了虚拟仿真化学实验室，并在实践教学中利用和改进。比如，陕西师范大学利用物理化学实验虚拟仿真软件对传统物理化学实验教学存在的缺陷进行弥补[6]，将针对同一实验在不同历史时期选取的各种实验方法都用仿真软件的形式呈现出来，让学生勤于思考，体会实验设计思路，从而更深刻地理解实验原理，提高学生的思维能力。江南大学开发制作了仿真度高、实践性强、界面友好美观的物理化学实验仿真平台体系[7]，该平台不仅能供学生进行预习，提前掌握实验中的重点难点，避免实验过程中的错误操作，还能将实验中晦涩难懂的部分以动态的形式生动形象的展示给学生，降低理解难度，提高学生学习兴趣。中国科学技术大学化学虚拟仿真实验教学中心依托网络信息开放共享平台建设，基本实现了虚拟仿真实验教学资源共享，教学中心设计开发了高危或极端条件下的虚拟仿真实验[4]。天津大学、华东理工大学、中南大学、东北大学等高校也建设了化学类、化工与制药类、生物科学类等不同学科的虚拟仿真实验项目用于实验教学。通过实际使用效果来看，物理化学实验虚拟仿真平台可以弥补传统物理化学实验教学过程中的一些缺陷，完善物理化学实验教学体系，激发学生兴趣，提高学生思维能力，对于应用型人才的培养起到重要促进作用。

　　(三)虚拟仿真实验目前存在的问题

　　(1)虚拟仿真实验设计过于程序化，可进行的实验操作被限定，学生没有自主探索的空间。对于一些验证性的虚拟仿真实验更像一个固定流程，虚拟操作步骤已被设定好，甚至操作“不可能出错”，实验结果相似，容易使学生丧失兴趣，也达不到教学目的。没有试错过程，会使学生无法认识到自己的错误操作及其可能引发的后果，无法建立良好的安全意识，在实际实验中也不会预判，容易引发危险事故。(2)仿真数据模型缺失，并不能完全做到“仿真”，很多虚拟仿真实验只能起到演示、模拟、测试的作用。学生无法选择实验对象及方法，不能对实验步骤进行设计，无法真正让学生利用软件探索实验的多元性、复杂性以及发现实验结果的多种可能。(3)交流共享程度较低。许多高校都已建设虚拟仿真教学实验室，但相互之间缺少交流合作，许多实验项目重复建设，利用率相对较低，造成大量资源的浪费。

　　四虚拟仿真实验与实验教学的融合

　　虚拟仿真平台无法完全取代传统的教学实验，二者必须深度融合，才能建立一个更科学合理的物理化学实验课程教学体系，满足应用型人才的培养要求[3]。1.教学实验需要帮助学生建立实验室安全意识、练习基础操作、锻炼动手能力、加强实验技能等，在这些方面，实体实验的作用是虚拟仿真实验无法取代的。化学化工归根结底是以实验为基础的学科，学生的动手能力必须强化。因此，在结合了虚拟仿真实验的实验教学中，实体实验应当侧重于学生动手能力的锻炼，加强基础操作的规范性训练，突出实验技能考核，并在真正的实验过程中，培养学生的安全意识。2.虚拟仿真实验在教学中起到的*大的两个作用是预习和拓展。对于预习功能优先的虚拟仿真实验来说，其相对应的实体实验存在，因此虚拟仿真实验设计应相对简单，能够快速让学生理解实验目的、实验及仪器原理，记住实验步骤，重点强调操作的规范性;对于拓展功能优先的虚拟仿真实验来说，实验内容应当偏重于实体实验运行困难、高成本、高功耗、高危险性或需要极端环境等情况，教学内容设计应避免过于程序化，可以提供更多的实验操作选项和“试错”功能，拓展多途径、多方案的实验方法，给学生更多可能性和自主探索的空间，以加强学生的思维训练并提高综合能力。3.加强师生互动、生生互动。由于进行虚拟仿真实验的时间选择比较灵活，可借助虚拟仿真实验平台或其他社交工具，建立交流群，随时随地进行实验方面的探讨和交流，在自主学习的同时，也可加强合作、互动，鼓励探究式学习，全方位延申教学时间和空间。

　　五结语

　　基于虚拟仿真实验自身优点和传统物理化学实验不可替代的训练效果，需要将两者有机地融合起来，才能激发学生学习兴趣，提高教学效率及教学效果，使学生在具有扎实的理论知识和规范熟练的实验操作技能的同时，具有探究精神和分析解决问题的能力，提高综合素质，对培养应用型人才具有重要意义[8]。

　　参考文献

　　[1]张来英,李海燕.“物理化学实验”课教学效果提升探讨[J].教育教学论坛,2018(47):273-274.

　　[2]王彬彬,毕淑云,刘春悦,等.培养学生科学素养的高校化学实验改革[J].长春师范大学学报,2015(4):125-127.

　　[3]梁吉雷,吴萌萌,黄华,等.基于应用型人才培养的物化实验仿真教学论析[J].实验室科学,2018(3):155-157.

　　[4]邱会华,周鹏.虚拟仿真实验在物理化学实验教学中的作用[J].山东化工,2016,45(17):132-133.

　　[5]刘东菊.我国高等院校开展创业教育的现状、问题及对策[J].天津市教科院学报,2006(6):57-60.

　　[6]白云山,陈琳,吴鹏飞,等.物理化学实验仿真软件在创新人才培养中的作用[J].高校实验室工作研究,2015(04):138-139.

　　[7]周小兰,高海燕,赵泳,等.物理化学实验仿真平台体系建设的探索与实践[J].实验室科学,2016,19(04):62-64+67.

　　[8]阳艾利，刘征，肖燕琴，等.物理化学虚拟仿真实验建设初探[J].教育现代化，2019，6(57)：200-202.

　　作者：宋琪 明惠 李璟明 努尔古丽 单位：中国石油大学(北京)克拉玛依校区

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